石灰巖加載過程中聲發射信號特征試驗研究

楊建明 (中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011)

巖體在受到外界的擾動應力激勵后，其內部將產生局部彈塑性能集中現象，當能量積聚到某一臨界值后，就會引起巖體微裂隙的產生與擴展，微裂隙的產生與擴展伴隨著彈性波或應力波的釋放并在周圍巖體內快速傳播，這種現象稱為聲發射。利用聲發射監測系統在監測區域安裝傳感器，通過記錄巖石破裂釋放出來的震動波，經過反演計算后，就可以進行微破裂位置的確定，還能得到聲發射活動強弱與頻率。依據聲發射監測數據，得到巖石破裂的時空演化規律，獲得潛在的地質災害活動規律，從而實現災害風險的預報預警，前人已做了相關的研究[1-5]。本文采用對石灰巖加載過程中的聲發射試驗，探討了巖石受載過程中微裂紋的萌生、擴展、貫通的時空演化規律，為研究施工過程中巖體的損傷機制提供了依據。

1 基本原理

材料或結構受力作用時會發生變形或者斷裂，在此過程中以彈性波形式釋放出應變能的現象稱為聲發射（acoustic emission，AE）。巖石內部都或多或少的含有缺陷，巖石受力過程中也會產生聲發射信息。巖石在受載過程中內部微裂紋的萌生、閉合、擴展和貫通產生聲發射現象。巖石破壞的根本原因是內部微裂紋的擴展與貫通，通過捕捉到的AE信號，研究巖石破裂及損失機制。聲發射檢測原理如圖1所示，在外部荷載作用下，AE源以彈性波的形式快速釋放應變能，安裝在材料表面的傳感器通過耦合介質接收信號，然后通過前置放大器和信號采集處理系統對信號進行采集、處理。

圖1 聲發射檢測原理示意圖

2 試驗過程

2.1 試驗設備

本次試驗由2部分組成：應力加載系統和聲發射采集系統。應力加載系統采用RMT巖石力學試驗系統，聲發射采集系統采用美國物理聲學公司的聲發射系統，試驗系統裝置如圖2所示。基于巖石聲發射信號幅度范圍、頻率分布范圍、噪聲信號等因素的考慮，本次試驗采用PICO型傳感器，其特征曲線如圖3所示，傳感器尺寸為Φ5mm×4mm，工作頻率范圍200～700kHz，共振頻率550kHz。

2.2 巖樣制備及試驗方案

試驗所選用巖樣為宿州市S404宿城至皖蘇界改建工程項目一標段邊坡巖體，為中風化石灰巖，將鉆取的石灰巖巖芯，按照標準試驗規格要求，在實驗室內做精確切割，切割成方柱形和圓柱形試樣，圓柱形直徑和高度為φ50mm×100mm的尺寸，方柱形尺寸為50mm×50mm×100mm的尺寸，切割前用游標卡尺精確測量切割高度，以及掌握好切割角度，保持切割刀片與巖芯軸線相垂直，使高度誤差控制在±0.5mm之內，端面角度控制在±0.25o，平整度保持相對光滑，偏差控制在±0.1mm之內。用游標卡尺通過幾何測量方式，保持橫平豎直的狀態，提高石灰巖樣本的精度要求。其主要的巖石力學參數指標可通過標準的試驗手冊和室內加載試驗確定。石灰巖切割過程及標準試樣分別如圖4所示，試樣規格描述見表1和表2。

圖2 聲發射試驗

圖3 聲發射探頭及其標定曲線

圖4 試樣照片

本次試驗在RMT巖石力學試驗系統下進行，進行了單軸加載和循環加卸載試驗，采用力控制，分級加卸載，受力區間為各級循環加載區間依次為0～35kN、5～52.5kN、5～70kN、5～87.5kN、5～105kN，加卸載速率為0.1kN/s。聲發射采用PAC研制的AEwin聲發射采集系統，采集參數設置見表3。

圓柱試樣規格描述 表1

方柱試樣規格描述 表2

聲發射參數設置 表3

3 結果分析

3.1 單軸加載試驗

石灰巖加載過程中的聲發射能率與應力的關系如圖4所示，從圖中可以看出，石灰巖的每個階段具有不同的聲發射特征。

①初始壓密階段：隨著軸向應力增加，巖石中原有的微裂隙或節理等被壓密，在這過程中產生的聲發射信號少、能量低。

②彈性階段：應力—應變曲線近似于直線，試件內部的原有微裂隙或節理等已被壓密，新的微裂紋開始產生，但數量不多，這時聲發射信號較初始壓密階段有所增多，且保持基本恒定的速率增加，也就是說在彈性階段也有AE信號。

③應變硬化階段：隨著軸向載荷的不斷加大，巖石內部產生的微裂隙擴展最終匯合貫通，使試件破壞。這個階段的聲發射信號非常強烈，釋放出的能量較大。

④應變軟化階段：巖石內部的微裂隙貫通后，巖石還有一定的承載力，會繼續產生聲發射信號，持續時間較短且能量較小。

從試驗獲得的單軸壓縮條件下巖石聲發射特征結果，與巖石損傷演化的4階段是一致的，所以可以利用聲發射來表征巖石內部裂紋產生及變形破壞。

3.2 循環加卸載試驗

本次試驗采用定下限增上限加卸載試驗，加卸載速率均為0.15kN/s。試樣進行5次循環加卸載，在第六級加載接近峰值時，改成位移控制加載直至破壞。加卸載路徑如圖6所示，各級循環加載區間依次為 0～35kN、5～52.5kN、5～70kN、5～87.5kN、5～105kN。

圖5 聲發射能率與應力的關系

圖6 定下限增上限循環加卸載試驗

圖7 加卸載過程聲發射信號特征參數變化規律

從圖7中可以看出，峰值頻率與每個加卸載應力區間存在較好的對應關系，在每級加卸載中，低應力水平的聲發射峰值頻率較高，而高應力水平的聲發射峰值頻率較低。峰值頻率的高低反映了石灰巖內部裂紋在不同應力水平下的發展情況，高應力水平下，石灰巖內部裂紋較多，高頻的聲發射信號衰減較快，監測儀器很難拾取，從而接收大量的低頻信號；低應力水平下，石灰巖內部微裂隙較少，高頻信號很容易被儀器采集到。

振鈴計數反映了超過門檻信號的振蕩次數，以此來評價聲發射活動的強弱，計數與應力隨時間在各個加卸載區間表現的規律基本一致，隨時間具有同步變化的規律，振鈴計數在加載階段隨著應力水平的升高而增加，卸載階段隨著應力水平的降低而減弱，振鈴計數較好的反映了石灰巖在加卸載過程中的聲發射活動強弱。

持續時間反映了波形從觸發門檻至衰減到門檻以下經歷的時間，用于特殊波源類型的鑒別，持續時間與應力隨時間在各個加卸載區間表現的規律基本一致，隨時間具有同步變化的規律，持續時間在加載階段隨著應力水平的升高而增加，卸載階段隨著應力水平的降低而減弱，持續時間可以較好反映石灰巖在加卸載過程中的聲發射信號類型的不同，初始加載階段巖石的聲發射信號的持續時間較短，說明主要是以突發型信號為主，而隨著應力水平的增加，持續時間明顯增強，說明主要是以連續型信號為主。

能量反映了波形從開始觸發門檻到衰減至門檻以下包絡線的面積，反應聲發射信號的相對能量大小或強度。能量與應力隨時間在各個加卸載區間表現的規律基本一致，隨時間具有同步變化的規律，能量在加載階段隨著應力水平的升高而增加，卸載階段隨著應力水平的降低而減弱，能量可以較好反映石灰巖在加卸載過程中的內部微破裂尺度，初始加載階段巖石的聲發射信號的能量較低，說明微破裂的尺度較小，而隨著應力水平的增加，能量明顯增強，說明微破裂的尺度較大。

上升時間反映了波形從開始觸發門檻到最高峰值所經歷的時間，用于機電噪音的鑒別。上升時間與應力隨時間在各個加卸載區間表現的規律基本一致，隨時間具有同步變化的規律，上升時間在加載階段隨著應力水平的升高而增加，卸載階段隨著應力水平的降低而減弱，上升時間可以較好反映加卸載過程中不同應力水平條件下的聲發射信號類型，初始加載階段巖石的聲發射信號的上升時間較短，而隨著應力水平的增加，上升時間明顯增強，說明不同應力水平時聲發射信號類型是不同的。

撞擊反映了超過門檻值并使某一系統通道獲取數據的任一聲發射信號，用于評價聲發射的活動性。撞擊與應力隨時間在各個加卸載區間表現的規律基本一致，隨時間具有同步變化的規律，撞擊在加載階段隨著應力水平的升高而增加，卸載階段隨著應力水平的降低而減弱，撞擊可以較好反映加卸載過程中不同應力水平條件下的聲發射信號活動的強弱，初始加載階段巖石的聲發射信號的撞擊數較低，說明聲發射活動性較弱，而隨著應力水平的增加，撞擊數明顯增加，說明聲發射活動性較強。

4 結論

①通過石灰巖單軸壓縮聲發射試驗，獲得了不同加載階段的聲發射信號特征，表明了聲發射信號特征可反映巖石微破裂。

②通過循環加卸載試驗，獲得了聲發射信號特征隨應力的變化特征，并具有一定的記憶特征，具體表現為地應力條件下，巖樣內部微破裂活動較低，聲發射信號強度較弱，而高應力條件下，巖樣內部微破裂增多，聲發射特征強度增強，表明聲發射可有效獲得巖石內部微裂紋的萌生、擴展與貫通的時空演化規律。