單軸壓縮下兩類脆性巖石聲發射特征試驗研究*

王林均 張 搏 錢志寬 樂巧麗 洪京京

(貴州民族大學建筑工程學院 貴陽 550025)

0 引 言

巖石在各種應力狀態下的破裂過程一直是巖石力學研究人員比較關心的問題，對該問題的研究隨著試驗設備和測試手段的更新也不斷深化。最初的柔性試驗機只能得到巖樣破壞的峰前曲線，剛性試驗機的出現使得巖樣全應力-應變曲線的獲取成為可能。而后出現的伺服控制試驗機則可以實現對巖樣進行復雜應力邊界條件下的測試，如應力松弛試驗(Hudson， 1971)。在后來的研究中聲發射手段被廣泛應用到巖石力學測試中，從而對巖樣受壓破裂過程中不同階段的聲發射特征進行刻畫； 同時計算裂紋體積應變也被引入用于描述破壞過程中的裂紋行為(Martin， 1993)。

為了監測巖石在受力破壞過程中內部的動態演化規律，以X射線CT檢測和聲發射檢測等為代表的實驗可視化技術在巖石力學試驗中發揮了不可或缺的作用。利用X射線CT檢測技術可以更為直觀地看到巖石內部的動態破裂過程，聲發射則可以捕捉到采用常規CT檢測手段捕捉不到的微裂紋擴展信息。巖石破裂過程中的聲發射現象是由于外力加載在巖樣中積聚的能量以彈性波形式釋放引起的(He et al.，2010)。聲發射這一探測手段可以實時、連續地記錄巖石力學試驗過程中巖樣內部由于各種裂紋產生而引起的聲發射現象，通過對聲發射數據的處理可以定量地分析巖石破裂演化過程。李庶林等(2004)利用剛性試驗機對三山島金礦的不同巖樣(花崗巖、輝綠巖、灰巖和片巖)進行單軸壓縮實驗，并分析了聲發射事件數與應力、時間之間的關系。由聲發射數據計算得到參數RA(Rising Time/Amplitude，上升時間與幅值之比)和AF(Average Frequency，平均頻率)還可用于區分不同裂紋類型：剪切裂紋和張拉裂紋。研究發現張拉裂紋對應的AF值比剪切裂紋要高，而RA值要低于剪切裂紋(Aggelis， 2011； Aggelis et al.，2013)。李術才等(2014)對砂巖巖樣在單軸壓縮條件下進行電阻率和聲發射的聯合測試，發現聲發射響應信息(振鈴計數)和電阻率有很強的規律和互補性。Zhang et al. (2015)研究了鹽巖、花崗巖、大理巖試樣在單軸壓縮條件下的聲發射特征，并對不同巖樣在試驗過程中的聲發射計數、能量、空間分布、b值以及損傷變量進行了定量或者定性分析，得出了鹽巖的變形破壞過程更加平緩穩定。Turichshev et al. (2016)研究發現在三軸壓縮條件下含有巖脈的完整巖石樣品中聲發射產生(起始于裂紋不穩定擴展點)要滯后于不含巖脈的完整巖石樣品(起始于巖樣擴容點)。楊振琦等(2016)通過單軸壓縮實驗觀察了不同層理傾角的黑云變粒巖的聲發射時間時空分布特征，并且采用盒維數和聲發射能量進行了定量分析，得出聲發射事件的時空分布規律受層理傾角的影響與不同的破裂模式相關。韓偉歌等(2017)將聲發射定位、振鈴計數和CT掃描結合起來分析了延長組致密砂巖試樣在三軸壓縮條件下的破裂過程。焦永俊等(2017)利用真三軸試驗機對花崗巖樣品進行雙面剪切試驗，并分析了由于法向應力改變引起不同破壞形式而造成的峰值頻率的差異。孫雪等(2018)利用聲發射振鈴計數率分析了三軸壓縮條件下北山花崗巖的損傷特性及演化規律，并將振鈴計數率和能量累計數與巖石受壓變形的5個階段對應起來。林冠宇等(2018)對三軸循環荷載作用下不同含水率巖石破壞的聲發射參數特征方面進行研究，并將巖石的破壞分為初始階段、勻速增長階段和加速躍遷階段3個階段。郝以瑞等(2018)采用聲發射振鈴計數定義的損傷變量反映了常規壓縮下砂巖的損傷演化過程。王春來等(2018)分析了單軸壓縮條件下不同硬巖(中砂巖、粉砂巖、花崗巖)在各應力水平的b值演化規律。

前人利用聲發射開展的研究工作形式多樣，分析使用的聲發射參數也不盡相同，在這里不再一一引用和贅述。單軸壓縮條件下巖石的破壞過程是研究其他各種復雜應力狀態下巖石力學響應的基礎，因此本文著眼于最簡單的單軸壓縮受力狀態，針對兩種有代表性的脆性巖石樣品(花崗巖試件G1、G2、G3和砂巖試件S1、S2、S3)進行聲發射測試，并結合力學參數(應力、軸向應變、徑向應變、體積應力變、計算裂紋體積應變)以及聲發射參數(累積聲發射計數、累積聲發射能量、AF、RA、b值)對單軸壓縮條件下的變形破壞過程進行詳細地分析和討論，這對于研究復雜應力狀態下巖石的變形破壞過程十分必要。

1 巖樣說明與試驗設備

1.1 巖樣說明

本研究所用花崗巖和砂巖試樣分別取自貴州省黔東南地區和六盤水地區，兩種巖石樣品均為脆性巖石。按照國際巖石力學學會的建議方法和我國巖石力學試驗的相關規程，將試樣在室內加工成為直徑50imm，高100imm的標準試樣(圖 1)。試件的幾何和物理性質匯總見表 1。所有試件的含水率均為天然狀態下的含水率，沒有經過干燥處理。

圖 1 花崗巖和砂巖試樣Fig. 1 Specimens of granite and sandstone

表 1 試件的幾何和物理性質Table 1 Geometric and physical properties of the specimens

1.2 試驗設備

圖 2 GCTS RTR-2000高壓巖石三軸動態測試系統Fig. 2 GCTS RTR-2000idynamic triaxial rock mechanics testing facility

圖 3 試件安裝Fig. 3 Experimental setup

2 聲發射參數

本文分析使用了累積聲發射計數、累積聲發射能量、AF值、RA值和b值這些聲發射參數，下面將對這些參數進行簡要說明。聲發射計數指超過門檻信號的振蕩次數，用于聲發射活動性評價。累積聲發射計數即將截止到某一時刻之前的所有聲發射計數進行求和。聲發射能量指信號檢波包絡線下的面積，反映信號的強度。累積聲發射能量即將截止到某一時刻之前的所有聲發射能量進行求和。超過門檻并使某一個通道獲取數據的任何信號稱之為一個撞擊。它反映了聲發射活動的總量和頻度，常用于聲發射活動性評價。AF值(平均頻率)是由超過門檻值的聲發射計數除以聲發射撞擊的持續時間計算得到，單位為kHz。RA值是由上升時間(RT，信號第一次越過門檻至最大振幅所經歷的時間)除以聲發射信號的幅值而計算得到，其單位為μs·V-1。b值的定義為幅值分布的斜率，是裂紋狀態的一個有效指標。較大的b值代表材料中主要產生的是微裂紋，而較小的b值則表示材料中宏觀裂紋居于主導地位。更為詳細的聲發射參數及其計算參見文獻Grosse et al.(2008)。

表 2 計算得到的花崗巖和砂巖試件巖石力學參數Table 2 Calculated geomechanical properties of the granite and sandstone specimens

Mean是指平均值； S.D. 代表標準差； C.O.V. 代表變異系數，用于比較測量尺度相差較大或者量綱不同的兩組數據的離散性

3 試驗結果分析

本節將對花崗巖和砂巖試樣的力學特性和聲發射特性分別進行分析。

3.1 力學特性

對單軸壓縮試驗結果進行處理后得到花崗巖和砂巖試樣的力學特性如表 2所示。其中σcc為裂紋閉合應力，σci為起裂應力，σcd為裂紋擴展應力(接近巖石的長時強度)，σf為最終的破壞應力。其計算依據文獻(Martin et al.， 1994)中所示方法。從表中可以看出同一巖性的不同試件的變形參數彈性模量和泊松比離散性較小，而裂紋閉合應力、起裂應力、裂紋擴展應力和破壞應力則離散性相對較大(砂巖試件的起裂應力除外)。典型的試驗應力-應變曲線及應力點的確定如圖 4所示，圖中沒有給出峰后曲線部分，其中裂紋體積應變是由試件的體積應變減去彈性應變計算得到，具體方法參見文獻(Martin et al.， 1994)。

圖 4 典型的應力-應變曲線及應力點確定(以G2為例)Fig. 4 Typical stress-strain diagram and determination of the stress points(G2 as an example)

3.2 聲發射特性

圖 5 典型巖石試件聲發射參數與應力隨時間變化曲線Fig. 5 AE parameters and stress over time of typical rock specimensa. 花崗巖試件G1-累積聲發射計數； b. 花崗巖試件G1-累積聲發射能量； c. 砂巖試件S3-累積聲發射計數； d. 砂巖試件S3-累積聲發射能量。實線為聲發射參數，虛線為應力

首先比較一下兩種巖性巖石試樣累積聲發射計數以及累積聲發射能量的變化規律。這里分別選取兩個典型試樣進行比較(圖 5)。從累積聲發射計數時間曲線圖 5a和圖5c中可以看出： (1)花崗巖樣品在達到峰值前聲發射現象較少，而在接近峰值時聲發射大量發生； (2)砂巖樣品在加載初期就有較多聲發射信號，而后聲發射量減少，再接近峰值時聲發射量陡增。從累積聲發射能量時間曲線圖 5b和圖5d中發現了類似的規律：(1)花崗巖樣品在峰值前聲發射釋放出來的能量較少，而在達到峰值及峰后有大量聲發射能量釋放； (2)砂巖樣品的聲發射能量在加載初期就有大量釋放，而后聲發射能量釋放處于較低的水平，在達到峰值時又有大量聲發射能量釋放。雖然這兩種巖石單軸抗壓強度都較高(除一個砂巖樣品外，其余均超過了100iMPa)，但表現出來的破裂過程卻不盡相同。究其原因可能是因為其不同的成因： (1)花崗巖屬于火成巖，其顆粒間的結合較為牢固，所以只有當應力超過顆粒的膠結強度才會形成裂紋； 而且其結構相對均勻，不同局部發生破壞的時間相差不多，因此聲發射現象才會在應力達到試件峰值強度時大量產生，能量也在此時大量釋放。(2)砂巖屬于沉積巖，其顆粒間的結合較為薄弱，且結構不均，因此在加載初期當局部應力超過該部位顆粒之間的膠結強度時就會有微裂紋產生，從而產生聲發射現象。這些相對薄弱的部位裂紋產生以后會有一個平穩期，最后應力達到峰值強度時產生宏觀裂紋，又會有聲發射現象產生。

然后對花崗巖試件G1與砂巖試件S3的AF及RA值隨時間的變化規律進行分析。圖 6和圖7分別給出了G1和S3單軸壓縮試驗過程AF和RA值隨時間的變化，圖6a、 圖6b、 圖7a、 圖7b中的數據點代表了該時刻的AF和RA值，曲線則是由連續30個的AF和RA值的平均數得到。因為AF和RA值的數據點比較密集，圖 6和圖7c分別單獨給出了兩個試件的應力時間曲線作為參照。Aggelis et al.(2011)在文獻中指出對于混凝土類材料張拉裂紋引起的聲發射信號的AF值要大于300ikHz，同時RA值要低于500iμs·V-1。AF和RA值可用于區分不同的裂紋模式。根據圖 6a，在應力峰值點以前，試件G1的AF值基本在300ikHz以上； 在應力峰值點以后，試件G1的AF值基本在300ikHz以下。從圖 6b 可以看出，試件G1的RA值都在10i000iμs·V-1以上。根據圖 7a，試件S3的AF值基本大于300ikHz。但從圖 7c可以看出，試件S3發生了脆性破壞，破壞時間較短。因此可以認為試件S3的AF值在應力峰值點之前基本大于300ikHz。根據圖 7b，試件S3與G1類似，RA值也都在10i000iμs·V-1以上。試件G1和S3破壞后的圖像如圖 8所示：試件G1除一條主剪切裂縫外，還有一些沿軸向的張拉裂縫； 試件S3的剪切裂縫面處有一些巖粉，說明剪切裂縫在形成后，受荷載作用剪切面發生摩擦錯動。因為缺乏應力峰值點前后試件中裂紋類型的判別，對于花崗巖和砂巖試件是否可以使用AF以及RA閾值來判斷剪切和張拉裂紋，以及如果可以，AF和RA的閾值應為多少尚有待進一步試驗驗證。這對于需要區分對待張拉裂縫和剪切裂縫的情況很有必要。

圖 6 花崗巖試件G1聲發射參數與應力隨時間變化曲線Fig. 6 Time history of AE parameters and stress of granite specimen G1a. AF值； b. RA值； c. 應力

圖 7 砂巖試件S3聲發射參數與應力隨時間變化曲線Fig. 7 Time history of AE parameters and stress of sandstone specimen S3a. AF值； b. RA值； c. 應力

圖 8 試件G1和S3破壞后圖片Fig. 8 Images of specimens G1 and S3 after failure

最后分析兩種巖性巖石樣品在不同應力階段的b值變化規律(圖 9)。圖中的應力水平為當前應力和峰值應力的百分比值。花崗巖樣品的b值在峰值應力前保持在較高的水平，變化并不明顯，在接近峰值應力時下降，說明在峰值前微裂縫活動占據主導地位，而在峰值應力時宏觀裂縫占據主導地位。砂巖樣品在峰值應力的60%時達到極小值點，而后持續上升在應力水平90%時達到極大值點，在峰值應力水平處再次下降。根據砂巖試件S3的b值變化規律，砂巖試件在破壞前微裂縫活動仍占據主導地位。

圖 9 b值變化規律Fig. 9 Evolution of b value

4 結 論

通過對花崗巖和砂巖試樣在單軸壓縮試驗過程中進行聲發射監測，并對聲發射參數進行分析，可得出如下結論：

(1)對于同一巖性的巖石樣品，彈性模量、泊松比這兩個與變形相關的力學參數離散性較小，而與強度相關的應力參數的離散性很大。

(2)聲發射計數和能量在很大程度受到巖石樣品的顆粒膠結強度以及結構的均勻性等微觀性能的影響。

(3)對巖石類材料而言，需要通過進一步試驗來確認采用AF和RA值來區分巖石類材料張拉和剪切裂紋模式的合理性及其閾值。

(4)砂巖樣品在接近破壞時，微裂縫活動仍然占據主導地位。