單軸壓縮下砂巖破裂失穩時空演化特征研究

李煒強，李冬偉，成 功

(1.核工業北京地質研究院，北京 100029；2.中核集團高放廢物地質處置評價技術重點實驗室，北京 100029)

0 引 言

隨著礦山開采、水利水電和交通隧道等大型巖土工程建設遍布全國，工程建設條件和工藝手段日趨復雜，常伴隨沖擊地壓、巖爆、突水、滑坡等強烈的動力學災害[1]。而以上動力學災害的實質是工程擾動引起的應力場重新分布，誘發巖體內部微破裂萌生貫通，最終形成巖體變形破壞失穩[2-3]。因此，開展微觀破裂時空孕育演化規律研究是揭示宏觀破壞失穩的有效手段。國內外許多學者利用不同的科學手段探究了微破裂起裂、傳播和貫通的發展過程，而聲發射(acoustic emission，AE)作為巖石破壞過程中的一種伴生現象，蘊含著巖石內部損傷過程的大量信息[4-7]。WANG[8-9]將聲發射參數演化突變特征作為判斷巖石整體破壞失穩的前兆信息；裴建良等[10]通過定義AE大事件來分析含不同裂隙類型的巖石自然裂隙動態演化規律；鄧緒彪等[11]通過定義AE平臺、AE階梯、主頻帶、貫頻、加密集聚等特征，來整體呈現聲發射演化規律。聲發射作為破裂源的伴生波，其波形特征勢必能反映出受力狀態、破裂強度及破裂尺度，日本學者OHTSU等[12]通過將波形參數進行組合處理來研究波形參數與巖石微觀破裂類型之間的響應關系，發現巖石微破裂類型和RA-AF兩參數之間存在較好的關聯性，此成果已被列入日本混凝土協會標準[13]。

本文在上述研究成果的基礎上，開展單軸壓縮砂巖聲發射試驗，利用聲發射監測技術和高速攝像技術實時記錄砂巖變形失穩過程，結合波形信息與巖石破裂之間的響應關系，分析砂巖變形各階段聲發射參數變化特征，探究失穩前兆信息。

1 試驗過程

1.1 試樣制備

試驗所用砂巖試樣均取自山西呂梁某礦8號煤層底板巖層，因本次試驗嘗試應用室內矩張量反演理論，為滿足反演尺寸要求將獲取的樣品加工成尺寸為直徑70 mm和高度140 mm的圓柱體試件。為提高試驗結果的精確度和穩定性，每個試件兩端面不平行度小于0.02 mm，7塊試件的實際尺寸和力學參數見表1。

表1 巖樣尺寸及力學參數Table 1 Sample size and mechanical parameters

同時，利用JSM-7001F場發射掃描電子顯微鏡觀測砂巖樣品表面形貌特征對微觀斷面形貌和微結構進行觀察。由圖1可知，砂巖微觀斷裂面不平整，存在微觀碎屑和少量原生孔洞及微裂隙。微裂隙和溶洞尺度在幾微米到上百微米之間，裂隙寬度不一，互相不貫通，在外部載荷的作用下極易形成細觀結構斷裂面。

圖1 1 000倍下砂巖礦相分布圖Fig.1 Mineralogical distribution of the sampleby magnifying 1 000 times

1.2 試驗設備

試驗所用加載設備為2 000 kN巖石三軸剛性壓力試驗機，AE采集設備為PAC生產的PCI-II型聲發射信號采集分析系統；同時，為實時準確記錄巖石變形失穩的過程，試驗采用千眼狼2F04M高速攝像儀拍攝記錄。試驗監測系統布置如圖2所示。

圖2 試驗監測系統Fig.2 Monitoring system

1.3 試驗方法

本試驗設置五個Nano.30聲發射傳感器用于常規AE模式下數據采集，布置方案如圖3所示。傳感器與巖樣表面之間涂抹適量耦合劑以保證接觸充分，并用橡皮泥進行固定。將系統門檻值設定為45 dB，以減弱環境噪聲影響，采樣頻率為1 MHz，前置放大器增益設為40 dB，PDT、HDT和HLT分別設置為50、150和200。試驗開始前，先進行斷鉛試驗，確保各通道信號采集良好。

圖3 AE傳感器布置圖Fig.3 AE sensors arrangement

試驗采用單軸軸向位移控制加載，加載速率為0.1 mm/min，以確保獲得較為完整的應力應變曲線。整個試驗過程，AE信號采集與加載過程實時同步進行。高速攝像儀采樣周期設置為400 μs，采集長度為45 000幀，保存觸發前長度為30 000幀。當試樣出現明顯的宏觀破裂時，手動觸發數據保存以捕獲完整的破裂過程。

2 試驗結果及分析

2.1 巖石變形破壞聲發射撞擊參數演化特征

如圖4所示，一個AE波形包含幅值、持續時間、振鈴計數等多個參數。聲發射波形與巖石應力演化狀態、內部結構、物質成分組成等全部信息存在相關性，比如波形信號包絡線與門檻電壓圍成圖形的面積值被定義為AE能量，能反映破裂的強度。目前，聲發射參數分析主要基于兩種基礎數據：AE撞擊和AE事件。當一個聲發射波形信號強度超過門檻值并成功被監測設備某一采集通道記錄到，此波形信號就被當作一次AE撞擊[12]。而一個聲發射源的出現會在巖石介質中產生呈球面傳播的彈性波，造成一個AE信號就會以撞擊的形式被一個或多個采集通道監測并記錄到；當同一聲發射信號被至少四個通道監測到并能定位聲發射震源位置，則將這個AE信號當成事件，所以AE事件能呈現內部損傷時空演化過程。

圖4 聲發射信號波形參數Fig.4 AE wave parameters

聲發射作為巖石破壞過程的伴生現象，其演化特征在一定程度上能反映巖石破壞的實時狀態。由于篇幅原因，僅以試樣S4為例來說明砂巖破壞特征。如圖5所示，結合砂巖掃描電鏡圖和力學本構關系，分析認為砂巖原始微觀缺陷存在相對較少，尺度較小，造成在加載前期原生微缺陷微孔洞閉合、張開等應力活動相對較弱，巖石原始缺陷壓密階段內撞擊參數累積較低，絕大部分處于60 dB以下。在彈性變形階段，聲發射活動極少，撞擊累積和能量累積處于近水平狀態。在550 s左右，試樣發生塑性變形，撞擊幅值絕大部分處于60 dB以下，撞擊累積數和能量累積呈線性增長。試樣在820 s左右進入屈服變形階段，聲發射幅值也大幅增強，大于80 dB的幅值開始大量出現，相比其他幾個階段，強度明顯增大，撞擊累積數和能量累積也急劇增長，出現突變拐點，巖石局部表面也集中出現細小的宏觀裂紋。在950 s左右試樣達到峰值強度，試樣出現宏觀破壞，聲發射活動極為活躍。雖然其他試樣撞擊累積數和能量累積出現的突變拐點并不同步，但緊密發生在試樣屈服強度左右，且屈服變形階段內各參數值均大幅提升。

圖5 試樣S4撞擊部分特征參數Fig.5 Characteristic parameters of impact part of sample S4

2.2 巖石微破裂強度時空演化特征

AE幅值和AE能量均能在一定程度上反映巖石微損傷的強度，由圖6可知，AE幅值和能量間存在類冪率函數的特征關系。為便于表征不同階段破裂強度的演化過程，參考里氏震級計算方法，將聲發射震級取為：Ms=lgA。式中：A為聲發射事件的幅值，單位dB；同理，將聲發射能級取為：Es=lgE。E為聲發射的能量，單位aJ。計算結果表明：震級與能級之間存在近似線性關系，擬合度接近0.96。因此，可以采用高震級高能級聲發射事件表征高破裂強度的微裂紋(圖7)。

圖6 試樣S4聲發射幅值與能量的關系Fig.6 Relationship of amplitude and energy ofsample S4 AE

圖7 試樣S4聲發射事件震級與能級關系Fig.7 Relationship of magnitude and energy level ofsample S4 AE event

圖8為各變形階段內經過濾波降噪后的聲發射事件空間分布特征。圖8中各個散點球代表一個聲發射定位事件，球的直徑大小與聲發射事件的震級大小相對應，球的顏色表示事件的能級。在巖石原始壓密和彈性變形階段，聲發射事件能級和震級均偏低，事件量較少，主要分布在試樣下部。進入塑性變形階段后，事件開始散落分布在整個試樣內，巖石內部裂紋起裂并穩定擴展，聲發射活動穩定，并未出現高能級和高震級的聲發射事件。屈服階段內，事件量明顯增多，高能級高震級事件集中分布在試樣中上部，并逐漸集結成核，裂紋數量和強度迅速增加，超過臨界狀態，能量釋放并產生宏觀裂紋。峰值強度過后，巖石抵抗外界應力能力較差；高能級高震級事件主要集中在試樣中下部，宏觀次裂紋向下貫通成為宏觀主裂紋。如圖8(e)所示，表面開裂集中區對應性較好，高能級高震級事件集中分布區內局部變形較大。因此，巖石內部高能級高震級事件的集中出現表征著巖石破裂強度增大和局部損傷劣化加劇。

圖8 試樣S4聲發射事件時空演化過程Fig.8 Evolution process of sample S4 AE event

通過高速攝像記錄可知，進入屈服階段后，巖石表面穩定出現小尺度宏觀裂紋，緩慢釋放了巖石貯存的部分變形能，調節了應力平衡狀態。達到峰值強度后，巖石表面的宏觀裂紋逐漸貫通。巖石表面首先開裂區與高能級高震級事件集中出現區域位置基本對應(圖9)。

圖9 試樣S4表面裂紋開裂形式Fig.9 Crack form of surface crack of sample S4

2.3 巖石微破裂類型時序分布特征

依據OHTSU等[12]的研究成果和相關評價標準，將聲發射波形參數值與微觀破裂的特征相互關聯，RA為上升時間與振幅的比值，AF(平均頻率)為振鈴計數與持續時間的比值，利用此評價標準計算各試樣AF和RA。依據各試樣的RA-AF分布情況，取AF與RA比值為8的射線作為破裂類型分界線進行統計分析，具體結果如圖10所示。試樣進入塑性變形階段，其他類型破裂發生數量較少，絕大多數破裂能級都低于4；當進入屈服變形階段，其他破裂類型開始逐漸增多，但是絕大多數的其他破裂類型能級都低于4，大于能級4的事件基本都是張拉破裂類型；達到峰值強度時，其他破裂類型數量達到最大值。但通過整體來看，張拉破裂的能級總是高于其他破裂能級。其余的試樣進入屈服變形階段也存在同樣的變化特征，因而此現象可以作為巖石破壞失穩的前兆信息(圖11)。

圖10 試樣S4微破裂類型分布Fig.10 Distribution of sample S4 microfracture type

圖11 試樣S4微破裂時序演化特征Fig.11 Evolution characteristics of sample S4 microfracture

3 結 論

1) 試樣達到屈服強度時，高幅值聲發射活動開始出現，撞擊累積和能量累積在時序上出現突變拐點，呈指數上升趨勢。

2) 聲發射震級與能級之間存在的近似線性關系，峰值強度過后，高能級高震級事件主要集中在試樣中下部，與高速攝像記錄的表面開裂集中區對應性較好，巖石內部高能級高震級事件的集中出現表征著巖石破裂強度增大和局部損傷劣化加劇。

3) 當進入屈服變形階段，其他破裂類型開始逐漸增多，但大于能級4的事件基本都是張拉破裂類型；上述各特征現象均可以作為巖石破壞失穩前兆信息。