基于声发射特性的单轴压缩泥岩损伤演化规律研究

王传洋　霍亮

摘 要：作为最主要的盖层，泥岩在漫长的地质年代中经历了多次地质构造运动，赋存在一定的应力环境中，其内部孕育了从微观到细观以及宏观的各种尺度的缺陷。泥岩本身所具有的物理化学性质，导致了其特有的裂缝发育、扩展和演化模式。选取鄂西-渝东地区志留系、侏罗系泥岩样本进行了单、三轴压缩-声发射试验，揭示了单轴压缩过程中裂纹发展演化的过程，建立了单轴压缩泥岩损伤模型，揭示了体积应变和声发射事件累积计数与岩石裂纹产生、扩展、演化的关系，对体应变和声发射曲线的特征变化进行了解释。

关键词：泥岩;声发射;损伤演化

中图分类号：TD325                                      文献标识码：A                                文章编号：2096-6903（2022）07-0104-03

0 引言

作为最主要的盖层，泥岩本身所具有的特殊性质导致了其特有的裂缝发育、扩展和演化模式。泥岩盖层是天然气藏形成与保存的重要因素，其质量好坏是评定保存条件的重要指标，也是重点研究对象之一。在漫长的沉积、压实、抬升剥蚀等地质构造作用下，泥岩的温压环境发生改变，进而影响到其成熟度、物理化学性质、完整性与内部结构，诱发裂缝发育扩展，其封闭能力因此会受到极大影响。而天然气的保存需要苛刻的封盖条件，随着其勘探开发步伐的不断加快，盖层密闭性越来越得到油气地质工作者的关注[1]。

实验观察能够实现对不同应力状态下岩石破坏过程中裂纹发展演化的追踪检测，声发射法和CT扫描试验是其中较为代表性的两种测试方法。早在1930年代美国矿山局的Obert应用声发射技术来评价矿山岩体稳定性和岩爆的监测预报[2]。Cox S J D[3]将岩石变形过程中的声发射参数同岩石内部微裂纹几何尺寸联系起来，探讨了微裂纹的演化模式。左建平[4]等通过对单轴压缩状态下煤体、岩体和两者组合的声发射特性进行研究，揭示了试样材料变形破环机制。赵兴东[5]等研究了花岗岩在不同应力阶段的声发射特征，指出岩石裂纹初始发展阶段存在一定的“平静期”。李浩然[6]等通过对盐岩进行单轴加载及循环荷载试验，按照5个阶段分析了变形破坏特征及声发射、声发射活动规律。王云飞[7]等从损伤力学角度出发研究了煤岩损伤萌生、成核、扩展和贯通的过程。

文章选取鄂西-渝东地区志留系、侏罗系泥岩样本进行了单、三轴压缩-声发射试验，揭示了单轴压缩过程中裂纹发展演化的过程，建立了单轴压缩泥岩损伤模型，揭示了体积应变和声发射事件累积计数与岩石裂纹产生、扩展、演化的关系，对体应变和声发射曲线的特征变化进行了解释。

1 单轴压缩-声发射监测实验

文章选择龙马溪组、沙溪庙组、桐竹园组样品，依据《水利水电工程岩石实验规程（SL264-2001）》加工成标准岩石试样50 mm×100 mm。实验前采用D8型X射线衍射仪对各组试样各组试样进行矿物组分分析。（各组试样矿物成分如图1所示）

实验是在RMT-150C控制电液伺服实验机上完成，在试样的侧面布置声发射传感器（具体如图2所示）。采用位移加载方式，加载速率0.005 mm/s，依次对各个组别的试样进行三组平行试验。实验中对于声发射数据处理均采用累积声发射事件计数作为裂纹发育扩展的评价指标（各个组别轴向应力-应变及累积声发射事件计数-应变结果对比图分别如图3、图4、图5所示）。

本组采集式样结构较为致密，从各个组别的应力应变曲线可以看出，整个破坏过程中峰值前变形几乎是线性弹性的，峰值后变形较小，荷载急速下降。其中龙马溪组岩石试样破坏剧烈，有明显的爆裂现象，炸裂声清脆，这可能与其石英含量较高相关;而沙溪庙组和桐竹园组试样破坏时未见爆裂现象，炸裂声沉闷。上述试样均呈现剪切破坏和拉伸劈裂破坏的综合形式。

综合本次试验数据来看，声发射曲线大致有以下两种类型：

类型Ⅰ：在岩石试样的初始压密阶段（峰值应力的0%～30%），岩石材料内部裂纹的萌生已开始进行，原有微观缺陷、微裂纹等在应力作用下随机发育，但由于受到同期压缩荷载下的裂纹闭合效应的抑制，裂纹活动相对并不活跃，声发射信号弱，不易于被探头检测到;当岩样被加载到峰值应力的30%～60%时，处于初始裂纹发展阶段，裂纹萌生效应和闭合效应同时进行，此时试样处于稳定承压状态，但声发射事件明显增多，AE曲线会出现一个小的跳跃，这是典型的Kaiser效应的特征点;随着载荷的增加，达到峰值应力的60%～80%时，试样内部裂纹迅速扩展，此时声发射事件计数呈现等阶梯型跳跃;载荷达到峰值，岩样内部裂纹瞬间贯通，岩样失稳破坏，声发射事件计数曲线随之突变。整体来看，声发射计数曲線非常好地响应了岩石整个破坏过程。

类型Ⅱ：AE曲线初始阶段近乎直线，与应力应变曲线同步，声发射计数基本匀速增加;AE累计计数曲线未明显出现 Kaiser效应特征点，说明声发射事件计数始终维持在同一水平。这个现象表明，在外界载荷的作用下，应力状态的改变刺激了裂纹的发育;在弹性阶段新裂纹产生直至岩石非稳定破坏过程中裂纹的发育拓展呈现一种随机的展布形态，产生的声发射事件在时间上是均匀分布的，空间上是弥散分布的，此类声发射事件属于群震型，影响了声发射事件计数对于岩石变形破坏过程的响应。直到临近破坏时，岩石裂纹贯穿进而急剧释放能量，引起了声发射信号急剧增加。

部分样品在初始压密阶段，声发射曲线就会产生大的跳跃，发生这种现象是由样品的内部或外部含有缺陷所致（鄂西渝东泥岩内部存在虫洞孔洞等缺陷），泥岩样品只能是纯手工磨制，样品加工不够精细，导致声发射计数在加载初期就出现跳跃是正常现象。

2 单轴压缩下基于声发射特性的泥岩损伤模型

1980年代以来损伤力学得到了迅速发展，作为一门充满潜力的新兴学科，其成为了断裂力学的重要发展和补充。Kachanov L M[10]首次提出用连续度的概念来描述材料的逐渐衰变，成为损伤研究出现的里程碑，自此科学家们采用连续变量来分析材料中复杂的、离散的衰坏过程;其后，Rabotnov Y N于1969年引入了损伤因子的概念。其理论基础是经典连续介质力学和不可逆过程热力学，研究对象是固体材料（以及结构）在一定荷载与环境条件下损伤发展最后导致破坏的过程与规律。

Kachanov将损伤变量定义为：

式中Ad为承载断面上微缺陷的所有面积，A为初始无损时的断面面积。假定所有试验试样初始状态均为无损状态，整个截面A完全破坏时的累积声发射事件计数为B，则单位面积微元破坏时的声发射事件计数Bv为：               当断面损伤面积达到Ad时声发射事件累积计数Bd为：

所以有：

因此基于声发射特性的损伤模型为：

根据公式（2-4）基于“归一化”声发射事件累积计数的损伤变量，利用公式（2-5）得出典型泥岩应变–损伤关系如图6所示。

从图6可看出，各组泥岩典型的损伤变量-应变曲线类型有所不同：

对于龙马溪组泥岩，曲线大致可以分为3个阶段：第一阶段（应变0～0.0075） 为初始损伤阶段，此阶段泥岩处于弹性变形阶段，微裂纹的萌生及闭合作用相互抵消，损伤变量趋近于0，但应力的变化会引起孔隙率变化，这会成为微裂纹发展的诱因;第二阶段为应变0.0075～0.009，损伤变量稳定增大，为损伤稳定演化和发展阶段，此时微裂纹开始进一步产生，少数微裂纹扩展发育，汇集形成主裂纹;进入第三阶段后损伤变量急剧增加，此时对应主裂纹的贯穿和微裂纹的继续发育，能量得到迅速释放，声发射信号非常强烈，事件累积计数急剧增加直至试样破坏。

沙溪庙组试样也大致经历了相同过程，但其损伤曲线大致分为两个阶段：第一阶段（应变0～0.00936）时，损伤变量呈直线上升，说明试样初始阶段裂纹较为发育，且保持稳定演化趋势，说明并未有产生裂纹的贯穿归并现象;进入第二阶段后，损伤变量同样迅速增长，此时裂纹活动剧烈，能量释放速率加快，主裂纹贯穿归并，但可以看出后期损伤量增长减缓，这种现象的产生可能是由于该组泥岩本身承载力较低，属于典型的软岩，初始结构内部已经存在大量微孔洞和裂隙，非肉眼可见。

桐竹园组泥岩和龙马溪组泥岩整体过程十分相似，也可以分为三个阶段：第一阶段（应变0～0.013），此阶段泥岩处于弹性变形阶段，可以发现损伤变量缓慢增长，说明存在裂纹活动;第二阶段为应变 0.013～0.017，损伤变量稳定增大，为损伤稳定演化和发展阶段，此时微裂纹开始进一步产生，少数微裂纹进一步扩展发育，为下一步归并贯通奠定基础;进入第三阶段后损伤变量急剧增加，此时对应主裂纹的贯穿和微裂纹的进一步发育，能量得到迅速释放，声发射信号非常强烈，事件累积计数急剧增加直至试样破坏。

根据图7典型泥岩应变–损伤关系曲线拟合得到各个组别单轴压缩荷载作用下典型泥岩损伤演化方程分别为：

所以单轴压缩荷载作用下典型泥岩损伤本构模型为：

3 泥岩三轴压缩-声发射监测实验

实验在XTR01 型微机控制电液伺服岩石三轴实验仪上完成（见图8）。其主要技术指标为：

轴向系统：最大轴向力2 000 kN，示值最大相对误差<1%;最大位移100 mm，示值最大相对误差<1%;轴向变形最大测量值5 mm，示值最大相对误差<1%;径向变形量2.5 mm，示值最大误差<1%。侧向系统：最大侧向压力100 MPa，测量精度<1%，适合尺寸φ 50～100 mm。

实验采用轴向位移控制，速率为0.3 mm/min，直至实验破坏。同时鉴于实验条件所限，针对性地对龙马溪组试样在实验过程中增加AE声发射检测，与以往声发射检测方式不同，此次声发射传感器直接固定在轴向压头装置中（声发射装置预制在两端压头内部）经过断铅测试，能达到灵敏度测试要求。三轴声发射探头图9所示。

由于三轴声发射实验技术尚不成熟，实验期间成功率相对较低，因此我们选取如下样本进行分析（实验结果整理如图10所示）。

通过图10可以看出，围压与泥岩的峰值应力及残余强度均呈现正相关关系，说明围压效应增强了材料的塑性及承载能力，同时使得剪胀现象滞后。通常来讲，我们会通过声发射监测或者体积应变拐点来确定三轴压缩试验的起裂应力。围压的提升引起体积应变的拐点整体后移，说明围压效应下裂纹的萌生效应得到抑制，加上原有微裂纹的闭合效应得以提高，从而一定程度上延长了岩石材料的稳定承载阶段。

偏应力的增加使得原有平衡系统被打破，应变能持续累积，刺激了微裂纹发育、扩展，并逐步汇集为主裂纹汇集，材料内部结构重新排布。随着偏应力进一步增加，材料内部主裂纹进一步、汇集贯通，同期伴有大量新裂纹出现，宏观破裂面瞬时形成，体积应变曲线出现突变跳跃（龙马溪组应力-应变及声发射曲线如图11所示）。

國内三轴声发射技术尚处于起步阶段，探头接收及处理信号手段尚不完善;加之泥岩材料离散性较大，实验针对性地选取了较为典型的声发射数据来进行分析：通过图11试验结果可以看出围压效应下声发射曲线突变点明显后移，声发射累计计数明显减少，这意味着围压作用下岩石材料内部颗粒的滑移潜势弱化，微裂纹的萌生受到抑制，剪切破坏强度进一步增强，残余强度也得到提升，试验表现为岩石声发射事件减少且突变点后移。

4 结语

岩石变形破坏过程中声发射检测的数据信息能够反映泥岩内部损伤破坏情况，较好的响应了过程中内部萌生、发育、扩展、贯通等演化过程。加载初期，原始裂隙受应力作用趋于闭合，声发射活动较少，甚至没有;随着荷载的增加，应变能得以累积，从而刺激裂纹发育，声发射累积计数平稳增加;继续加载，微裂纹进一步归集贯通形成主裂纹，声发射事件计数相应激增;直至峰值荷载，裂纹瞬间完成贯通，形成宏观破裂面，导致试样破坏。

文章选取鄂西-渝東地区志留系、侏罗系泥岩样本进行了单、三轴压缩-声发射试验，揭示了单轴压缩过程中裂纹发展演化的过程，同时基于累积声发射事件计数的损伤变量，研究了单轴压缩泥岩损伤演化曲线和方程;基于三轴-声发射实验结果，揭示了由体积应变和声发射累积计数与岩石裂纹产生、扩展、演化的关系，对体应变和声发射曲线的特征变化进行了解释，为更好地了解受载岩体的损伤演化规律，进一步评价泥岩盖层密闭性奠定基础。

参考文献

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[6] 李浩然，杨春和，刘玉刚，等.单轴荷载作用下盐岩声波与声发射特征试验研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33（10）：2107-2116.

[7] 王云飞，黄正均，崔芳.煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制[J].煤炭学报，2014，39（12）：2390-2396.

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[10] 李家伟，陈积燮.无损检测手册[M].北京：机械工业出版社， 2002.Berlin Heidelberg，1969：342-349.

收稿日期：2022-03-29

作者简介：王传洋（1990—），男，山东泰安人，硕士研究生，工程师，研究方向：铁路采空区勘察、岩石实验。