反复加卸荷作用下两种岩石的变形与声发射特征研究

王小兵 秦金龙 郭啟翔 熊 健

（1.核工业华东建设工程集团有限公司，江西 南昌 330009；2.华东交通大学，江西 南昌 330013）

0 引言

岩石在反复加卸荷作用下的损伤破坏特征是岩石力学研究的重要课题之一。国内外学者对此开展了一系列的试验研究。葛修润等［1-2］通过试验研究了岩石在周期性荷载作用下的变形及强度特性，提出了岩石的不可逆变形“门槛值”，此“门槛值”为静态全过程体积变形曲线的拐点，即体积压缩变形的最大值点。当应力水平低于该值时，岩石在循环荷载作用下轴向与横向应变的不可逆增量逐渐减小，并趋于常量；当应力水平高于该值时，岩石变形会随循环次数增加而加速增长，最终发展至破坏。徐颖等［3］提出同一等级荷载下初始循环塑性应变及耗散能密度远大于其他循环，从能量角度定义损伤变量可避免“负损伤”的出现。赵博等［4］提出疲劳载荷作用下，岩石的损伤破坏曲线中的滞回环呈现“疏—密—疏”的演化特点，裂隙发育整体呈阶梯状增长等特点。 李庶林等［5］提出单轴压缩、增量循环加卸载方式下部分岩样始终存在“相对平静期”现象，但越接近破坏振幅AE 事件就越多。Du 和陈宇龙等［6-7］探讨了岩石Kaiser效应与Felicity 效应及Felicity 效应声发射中“明显增多”的尺度界定问题。朱权洁等［8］开展了单轴加载条件下岩石破坏全过程的声发射试验研究。

已有的研究成果大多基于损伤变量模型，针对岩石不同受力情况和变形阶段的损伤演化规律进行分析。目前大多数有关声发射特征的研究均是针对一些特定的岩石进行研究分析，而缺乏对不同岩性岩石的对比分析，且大多数的岩石均为坚硬岩石，对相对软弱的岩石的研究较少。因此对不同软硬岩的变形和声发射特性分析，有利于在复杂环境下对岩石破坏程度进行评估，从而提高地下工程开挖稳定性。

1 等荷载反复加卸荷试验研究

1.1 试样制备

试样为花岗岩和砂岩，岩样统一根据国际岩石力学学会推荐标准，制成直径50 mm、高100 mm 的标准圆柱体试样，两种岩石常规单轴压缩作用下的抗压强度、起裂应力和裂缝损伤应力见表1。

表1 两种岩石抗压强度、起裂应力和裂缝损伤应力

1.2 试验方案

对花岗岩和砂岩试样进行等荷载反复加卸荷作用试验，该试验方案中每种岩石各采用5个目标荷载，进行10次反复加卸荷，每次加载至目标荷载然后卸载至1 kN（若过程中试样发生破坏则停止）。对花岗岩采用的5个目标荷载为60 kN、100 kN、140 kN、180 kN 和220 kN；对砂岩采用的5个目标荷载为20 kN、30 kN、40 kN、50 kN和60 kN。所有试验方案均采用负荷控制的方式，加载速率为500 N/s。

2 等荷载反复加卸荷作用下两种岩石变形特征分析

2.1 花岗岩应力—应变滞回曲线分析

5种不同应力水平的等荷载反复加卸荷的花岗岩应力应变曲线如图1所示。图1（a）中以60 kN 反复加卸荷10 次，可以看出，除了第1 次循环与第2次循环相比应力—应变曲线存在明显差异外，第2次循环之后，随着循环次数增加，滞回环越来越小且相距越来越近，直至重合。应力—轴向应变与应力—环向应变均表现出这一规律，且轴向应变大于环向应变。从图1（b）、图1（c）中可以看出，应力—轴向应变曲线的形状几乎一致，表现出和图1（a）中一样的规律，而从应力—环向应变曲线则可以看出，滞回环随循环荷载增大而增大。由图1（d）可知，尽管从轴向应变曲线看不出明显变化，应力—环向应变曲线的滞回环不仅变得更大，且滞回环曲线在后期并未重合，表明环向的变形仍没有停止。图1（e）以220 kN 反复加卸荷，于第6次加载时发生破坏。从图1（e）中可以看出，应力—轴向应变曲线的前5次循环，也是第1次循环的滞回环明显较第2次更大，而第2次至第5次的滞回环相距比较紧密，第6 次加载至接近峰值时发生屈服，试样破坏。然而，应力—环向应变曲线则表现出与不同的规律：每次滞回环都比前一次更大一些，且滞回环之间的间距越来越大。环向应变一直大于轴向应变，到第6次加载至破坏前，环向应变大幅增长。

图1 花岗岩等荷载反复加卸荷应力—应变曲线

2.2 砂岩应力—应变滞回曲线分析

5种不同应力水平的等荷载反复加卸荷的砂岩轴向应力应变曲线如图2 所示。从图2（a）至（e）可以看出，一方面，第1 个滞回环形状明显区别于之后的滞回环，滞回环越来越小且逐渐越来越靠近，最后近似重合。另一方面，随应力水平的增大，环向应变从最开始小于轴向应变逐渐发展至大于轴向应变，环向滞回环变大并且滞回环间距也在变大。由图2（e）可知，第7 次循环加载时砂岩试样破坏，此时砂岩环向变形达到最大值。

图2 砂岩等荷载反复加卸荷应力—应变曲线

3 等荷载反复加卸荷作用下两种岩石声发射特征分析

3.1 等荷载反复加卸荷过程声发射事件定位分析

花岗岩在不同应力水平的等荷载反复加卸荷作用下的声发射事件定位如图3 所示。为了对比不同应力水平的影响，只分别对应选取了首次加卸荷后的定位图和10 次加卸荷完成后（或发生破坏时）的定位图。图3（a）（b）（c）为分别采用21% σc、35%σc和49%σc应力水平的对比图，可以发现一个共同点，其中大部分定位点在第1 次加卸荷后已然形成，说明在后9 次加卸荷过程中新增的定位点较少，当反复加卸荷所采用的应力水平低于裂缝损伤应力时，花岗岩在反复加卸荷过程中内部微裂纹活动十分有限，在后续的加卸荷过程中产生的损伤很小。采用64%σc应力水平的对比如图3（d）所示，可以发现情形开始有所不同。最终的定位点明显有增多和聚集现象，且最终的定位图相比第1 次循环的定位图来看，定位点也明显增多，说明在该应力水平下，后9 次循环中也产生了较多的声发射事件，表明当采用的应力水平大于裂缝损伤应力时，每次加卸荷都产生新的微裂纹活动。采用78%σc应力水平的对比如图3（e）所示，对比效果更为明显，花岗岩在第6 次加载时声发射事件定位点大量聚集，试样发生了破坏。

图3 花岗岩等荷载反复加卸荷声发射事件定位

由于砂岩在破坏前可获取的声发射事件定位信息很少，定位点非常少，缺乏分析价值，前4 种应力水平下砂岩均未破坏，故不再赘述。砂岩在93%σc应力水平下的首次循环的定位图与破坏时的定位如图4 所示。可以发现首次循环后定位点分布没有明显规律，而在最终破坏时的定位点集中成带状分布，这点与前文分析的剪切破坏模式也是相吻合的。

图4 砂岩93%σc应力水平声发射事件定位

3.2 等荷载反复加卸荷过程声发射事件数分析

花岗岩在不同应力水平下等荷载反复加卸荷的声发射事件率曲线如图5 所示。从图5（a）至（e）中可以看出，应力水平越高，在第一次循环发生的声发射事件数则越多，说明循环荷载的增大会促进岩石内部裂纹的生长，导致声发射现象变得活跃。在应力水平为21%和35%的低应力水平下时，试样在第一次加载时内部孔隙已经闭合，完成了缺陷的结构调整，在后续的循环下几乎不产生新的裂纹，因此声发射事件微乎其微。随着应力水平的提高，之后的每次循环事件数随之增多，事件数时间历程曲线逐渐表现出随加卸荷过程而间歇性出现峰值，即每次在加载到目标荷载前几秒，事件数—时间曲线出现峰值，而在其他时候，事件数—时间曲线在0 附近波动。当应力水平提高到78%时，已超过花岗岩的屈服应力。该应力水平下，试样在第一次加载时不仅发生原始内部孔隙的压密，也开始产生新生的裂纹。在此后的循环加载过程中，裂纹不断扩展，所以在每次加载至上限应力前，声发射都表现得非常活跃。最终裂纹相互连接贯通，导致试样在几次循环后发生疲劳破坏。

图5 花岗岩等荷载反复加卸荷声发射事件率曲线

砂岩在不同应力水平下定值循环加卸荷的声发射事件率曲线如图6 所示。可以看出，砂岩的声发射信号要比花岗岩弱许多。当应力水平为31%和46%时，在第一次加载时，砂岩发生的声发射事件数也非常稀少，在后续的重复加卸荷过程中几乎没有声发射事件。随着应力水平的提高，声发射事件数有所增多，但增长显然十分有限。当应力水平提高至93%时，才能发现声发射事件数呈现较为明显的间歇性增长规律。

图6 砂岩等荷载反复加卸荷声发射事件率曲线

整个等荷载反复加卸过程中，声发射活动时有时无，Kaiser 效应和Felicity 效应均有产生。恒差值循环加卸反复加卸荷试验中，各岩样加载的初期累计AE 能量几乎没有，不过随着循环次数的进一步增加。岩样内部微裂隙闭合，累计AE 能量逐级增大,说明AE 能量提前释放，并会持续稳定释放，当循环次数进一步增加到试件即将破坏的前1至2次时，AE 能量累计量会出现急剧增大现象，也会在破坏瞬间达到最大值。不同的是，由于AE 能量在整个加卸荷过程提前释放的原因，与增量反复加卸荷试验相比，最终瞬间所释放的AE能量不是很高，对实际工程造成的破坏程度也不是很严重，是一种很好的岩体“卸压”加卸荷方式。

3.3 等荷载反复加卸荷过程两种岩石Felicity变化规律分析

众多研究表明，对岩石材料而言，Kaiser 效应适用的应力水平区间大概在20%～60%。当应力水平达到峰值强度的50%～60%时，Kaiser 效应逐渐消失，Felicity 效应出现，对于不同种类岩石该范围会略有波动。在上文中已得出，花岗岩在28%～64%应力水平之间具有明显的Kaiser 效应，砂岩则是在46%～62%应力水平之间具有明显的Kaiser 效应，即FR大于等于1。由于在定值循环加卸荷试验中，FR一旦大于1，那么在重复加载至目标荷载（即前一次加载的最大荷载）前都不会出现明显的声发射信号，也就无法通过常规方法计算确切的FR。所以本节中只对两种岩石分别采取后两种应力水平的循环加卸荷过程中的FR进行计算，因为此情况下才有较明显的Felicity效应。

两种岩石在后两种应力水平下循环加卸荷过程中的FR曲线如图7所示。FR的变化趋势也能充分反映岩石损伤的演化过程。可以看出FR均小于1，说明在后两种应力水平的循环过程中，两种岩石均产生了不可逆损伤，且曲线均随着循环次数增加而下降，且更高应力水平比相对较低的曲线下降得更快。说明当应力水平超过疲劳损伤的裂缝损伤应力后，岩石在循环加卸荷过程中会逐次产生明显的损伤，且应力水平超过裂缝损伤应力越高，损伤增长速度越快。

图7 等荷载反复加卸荷FR曲线

4 结论

①当应力水平低于裂缝损伤应力时，两种岩石在第一次循环过程中损伤已基本形成，而后续循环累积的损伤较少；当应力水平超过裂缝损伤应力时，岩石在循环加卸荷过程中会逐次产生明显的损伤，且应力水平超过裂缝损伤应力越高，损伤增长速度越快。

②当应力水平低于裂缝损伤应力时，花岗岩在反复加卸荷过程中内部微裂纹活动十分有限，在64%σc、78%σc应力水平下，每一次加卸荷都能产生新的微破裂活动，砂岩在没破坏前的声发射事件定位信息很少，定位点非常少。

③应力水平越高，花岗岩在第一次循环发生的声发射事件数则越多，说明循环荷载的增大会促进岩石内部裂纹的生长，导致声发射现象变得活跃。当应力水平提高到78%σc，第一次加载不仅发生原始内部孔隙的压密，同时开始产生新的裂纹，最终随着循环次数的增加，裂纹不断扩展进而相互连接贯通导致岩石试样整体破坏。

④在低水平应力下，砂岩的声发射特征不明显，在后续重复加载过程中也没有明显增加。当应力水平达到93%σc以上时，声发射事件随时间表现出较为明显的间歇性增长规律。