不同墊塊包圍角度下砂巖劈裂聲發射特性試驗研究

許 曉 通，魯 鯤 鵬，周 瑜，吳 道 勇

(1.貴州大學 資源與環境工程學院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州大學 喀斯特地質資源與環境教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

巖體承受一定的荷載后，即可在體積、形狀或宏觀連續性方面發生某種變化，一方面表現為其內部結構和外形的變化；另一方面其應力狀態也將隨之不斷調整，并引起彈性能的積存和釋放等效應[1]。巖體內部積存的部分能量以應力波的方式突然釋放出來的現象，稱之為聲發射。1963年，Goodman[2]通過對砂巖和石英巖進行循環加卸載壓縮實驗，首次證實巖石中存在Kaiser效應，利用聲發射的Kaiser效應可以較為準確地測出巖石歷史應力分布，同時具有操作簡便、不受試驗場地限制、成本低廉等諸多優點，并且可通過大量測試來解決數據的離散性問題[3]。因此，國內外很多學者陸續嘗試采用該方法進行原巖和復合材料Kaiser效應驗證的研究和探索，主要圍繞Kaiser效應的有效性及其存在的范圍、時間效應及應變率等方面展開研究，不同的研究者得出了不同的、甚至相反的結論，但有些基本結論還是明確的。

基于巖石材料線彈性和均勻性的假設及二維彈性理論，國際巖石力學學會(ISRM)建議巴西劈裂試驗的試樣厚度應近似等于半徑[4]，即厚徑比(T/D)為0.5。在中國巖石試驗國家標準和規范中，T/D在0.5～1.0之間[5-6]。

對于加載方法，ISRM建議通過兩個鋼制加載卡爪與圓盤形巖石試樣接觸來施加荷載，并且爪的半徑為試樣半徑的1.5倍[4]。Jaeger等[7]認為通過在機器與試樣之間平面加載區域插入碎木片可避免剪切破壞。文獻[5-6]建議，在許多情況下，兩個直徑為1 mm的鋼絲應用于堅硬巖石試樣的加載，兩個碎木片或膠木應用于軟巖。

近年來，國內外學者提出了一種能夠消除加載點應力集中的扁平巴西圓盤[8-10]。然而，一些實驗表明，由于加工過程中很難保證試樣的幾何精度，因此對試樣尺寸的要求不實用。Yu等[11]采用兩個與試樣完全接觸的弧角為20°的特殊墊塊替代兩根鋼筋，有效解決了加載點附近的應力集中的問題。然而，對于不同包圍度數條件下的巖石聲發射特征分析鮮有研究。高文根等[12]采用PFC數值軟件研究了周期荷載應力水平對煤樣聲發射特征的影響，提出了聲發射比率的概念。張伯虎等[13]通過振動理論和間接拉伸條件下聲發射試驗分析花崗巖損傷演化過程，并通過分形理論以及聲發射信號的主頻和能量分布特征來獲得拉伸破壞機理。楊東輝等[14]對細砂巖試樣開展了單軸壓縮聲發射試驗，獲得了巖石脆性破裂失穩臨界應力特征。康玉梅等[15]通過對不同配筋率和不同壁厚鋼管混凝土柱進行單軸壓縮聲發射試驗，對比分析了各試件破壞全過程的聲發射信號特征。

本文以砂巖作為研究對象，根據試樣尺寸設計3種不同弧角的墊塊進行單軸循環加卸載劈裂試驗，對比分析不同包圍度數條件下的砂巖聲發射特性，并在此基礎上，研究了聲發射b值的演化規律。

1 試驗方案設計

1.1 試樣加工

以重慶中梁山某采石場的砂巖為研究對象。所選巖樣位于淺表地層，從工程地質角度可以忽略其初始應力，或者說比在實驗室測試程序中施加的應力小得多。在地質歷史中起作用的應力不能被忽視，但應力記憶和Kaiser效應會隨著時間的推移而消失，因此，在試驗過程中不考慮初始應力對試樣的影響。試樣密度2.32 g/cm3，直徑D=175 mm，厚度T=30 mm。試樣T/D約為0.17，與國家標準[5-6]推薦的厚徑比(0.5

1.2 試驗設備

本次試驗儀器為WAW-1000型微機控制電液伺服萬能試驗機。該試驗機可實現自動采集試驗中的相應數據，通過計算機控制系統控制試驗的全過程，可以對負荷值、位移值、變形值、試驗速度以及試驗曲線進行實時動態顯示，可適應不同材料需求的加載速率。聲發射儀為美國物理聲學公司的DISP系列2通道PCI-2全數字化聲發射監測系統。試驗設定聲發射儀的門檻值為45 dB，聲發射探頭為NANO-30，諧振頻率為125～750 kHz，采樣頻率為106s-1，采用100～400 kHz的帶通濾波。

1.3 試驗方案

考慮到圓盤試樣尺寸的特殊性，采取3對30 mm厚的鋼制墊塊分別放置于加載試樣的受壓部位，包圍度數α分別為10°，30°，60°，外部尺寸分別為57 mm×30 mm×13 mm，92 mm×30 mm×16 mm，115 mm×30 mm×23 mm，如圖1所示。本次試驗共制作了9個巖樣，根據包圍度數不同分為3組，對應巖樣上分別標有大寫英文字母：A-60°、B-30°、C-10°。

6個聲發射探頭分別放置在試樣兩側，如圖2所示。為了便于連接，探頭均勻分布于試樣靠近中部的位置。為消除試驗過程中試樣與探頭間由于膠帶粘貼時的松弛，在試樣的兩側提前貼好彈性膠帶，端部和加載裝置間涂抹專用減摩劑，聲發射探頭與試樣間涂抹真空硅脂。

采取位移控制的方式，加載速率為1.0 mm/min。以砂巖圓盤的任一方向為初始加載方向循環加卸載3次，每次達到目標值后保持荷載60 s以加強砂巖對荷載的記憶性。根據不同包圍度數下的單軸抗壓實驗結果，第一次加載至峰值荷載的0.4，目的是賦予巖石試樣一個初始應力；第2次加載至峰值荷載的0.6倍左右，主要是判斷是否產生Kaiser效應；第3次加載至試樣破壞。

2 試驗結果分析

2.1 試樣峰值強度與破壞類型

通過對試驗數據整理分析，得到不同墊塊包圍度數下的平均峰值強度關系對比曲線，如圖3所示。隨著墊片包圍度數的增加，平均峰值強度逐漸增加；在包圍度數為10°時，試樣峰值強度分布最為穩定。

受墊片包圍度數的影響，裂紋的起裂點和裂紋擴展特征表現出明顯的差異。結合圖4試樣破壞類型，當包圍度數為10°時，起裂點位于試樣中部(見圖4(a))。由于砂巖為脆性巖石，且試樣與墊塊接觸面積較小，達到峰值強度后瞬間破壞的模式與劈裂近似，主要表現為沿荷載所在直徑方向破壞，同時，受墊片端部約束的影響，形成局部的次級裂紋。當包圍度數為30°時，試樣與墊片接觸面積增大，使得荷載分散于巖樣直徑附近較大范圍內。試樣表現出一定的屈服性，試樣兩端起裂點不在一條線上，一端位于試樣中部，另一端位于試樣與墊片接觸部位的端部，破壞類型為沿荷載直徑附近的“Z”字型破壞，且在試樣與墊片接觸部位產生次一級的裂紋(見圖4(b))。當包圍度數為60°時，兩者接觸面積進一步增大。試樣破壞表現出明顯的屈服性，起裂點由試樣中部轉移到試樣與墊片接觸部位端部，破壞類型為沿端部產生破壞(見圖4(c))。

2.2 試樣聲發射特性分析

由于試驗過程中人為及天然的不確定性，往往會產生一些質量較差數據，為此可通過參考前人研究成果篩選出較為合理的數據。由于每個聲發射探頭位置不一樣，有的可能會在試驗過程中伴隨試樣的局部破壞而失效，如圖5所示。通過對各完好通道聲發射探頭采集數據的研究分析，發現它們圖形較為一致。因此，本文選取試驗數據較好的典型試樣的任一完好通道探頭聲發射數據進行研究分析。

如圖6所示，第1次循環加卸載過程中，均可明顯看到時間-荷載曲線上鋸齒形的突變現象。此現象主要是加載初期試樣內部原有裂紋的閉合導致細微變形產生瞬間卸荷造成的，但隨著裂紋的閉合，荷載轉而繼續回升。在第2次循環加載過程中，當荷載接近第一次循環目標荷載時，聲發射計數率、累計計數、累計能量計數急劇增加，即為Kaiser效應點，如圖6藍點處所示。由聲發射振鈴計數-時間曲線可知，聲發射活動主要集中在加載過程中，在保載及卸載過程聲發射振鈴產生較少，這與試樣與墊片接觸面積較小，使得荷載集中于巖樣直徑附近很小范圍內，試樣內部緩沖的力較為局限有關。隨著墊片包圍度數的增加，試樣內部緩沖的力增加，在保載過程也產生聲發射活動；達到峰值強度前，聲發射計數率劇烈增加，并在臨界破壞階段出現最大值；此過程為聲發射劇烈期，主要是因為試樣內部裂紋交匯貫通，形成宏觀裂紋。累計計數和累計能量計數與荷載一致，表現為逐級增加，當達到各級循環的目標荷載時，兩者也達到最大值。在保載和卸載過程中，表現為水平階梯，表明在此期間聲發射活動處于相對平靜期。如圖7所示，隨著墊片包圍角度的增大，試樣的聲發射累計計數、累計能量計數逐漸增加。

2.3 單軸循環加卸載聲發射b值分析

對b值的研究起始于地震，Gutenberg和Richter提出了地震震級與頻度間的經驗關系式，也稱G-R關系式[17]：

lgN=a-bM

(1)

式中：M為地震震級，N為一個震級中大于M的計數；α，b為常數。

在巖石的聲發射試驗中，b值為表示試樣宏微觀裂隙擴展尺度的函數，其動態變化特征具有直接的物理意義[18]。然而在巖石的試驗過程中，通常將巖樣聲發射的峰值振幅代替震級M[19-22]：

(2)

式中：AdB為聲發射振鈴計數峰值對應的幅值。

根據國內外學者對于b值的相關研究成果[19-25]，聲發射b值隨時間的變化揭示了不同荷載階段巖石內部的應力變化及裂紋擴展規律。因此，本文通過將時間等分為10組，對每組時間段的幅值以5 dB為步距進行分組并統計各個幅值范圍峰值振鈴計數對應振幅作為AdB，累計振鈴計數作為N，之后采用最小二乘法計算得到該時間段的b值。圖8為循環加卸載過程中典型的聲發射幅值分布圖。聲發射信號的幅值多集中在45～65 dB范圍內，如圖8(b)所示。

圖9為不同墊塊包圍度數下試樣的聲發射b值隨著3次循環加卸載過程中的加載、保載和卸載的b值變化的情況，從中可以得出試樣內部宏微觀裂隙的持續變化情況。隨著墊片包圍度數的增加，b值演化規律相對較為一致。

第1次循環階段，加載過程中初始b值隨著荷載的增加逐漸增大，說明試樣內部以小尺度微破裂為主，主要表現為試樣原有張開裂隙的壓密閉合和局部新裂紋的產生，而后在小范圍內逐漸變化，說明試樣內部微裂紋的產生及閉合處于穩定發展過程。保載和卸載過程中，b值主要表現為接連發生躍遷，且躍遷幅度逐漸增大，體現為試樣內部的微破裂狀態發生突然的變化，小尺度微裂紋增加，同時，說明試樣已進入不穩定的破裂發展階段，即使應力保持不變，試樣內部微裂紋仍不斷地產生。在卸載過程中，b值達到最大值，隨后減小，說明試樣內部微破裂由小尺度轉變為大尺度破裂。

第2次循環階段，加載過程中初始b值發生躍遷，而后逐級減小，說明試樣首先以小尺度的微破裂為主，隨著應力超過第1次循環的最大荷載，由小尺度轉變為大尺度破裂。保載和卸載過程中，b值在一定范圍內逐漸變化，說明在此階段荷載并未達到試樣的峰值強度，試樣始終處于不穩定的破裂發展階段。

第3次循環階段，加載過程與第2次循環階段一致，加載初期，b值逐漸增加，以小尺度為破裂為主，當荷載超過第2次循環最大荷載時，b值逐級減小，試樣內部大尺度微破裂比重逐漸增加，當荷載達到試樣的峰值強度時，b值突然躍遷，試樣破壞，停止產生聲發射現象。然而，隨著墊片包圍角度的增大，在卸載階段仍有b值，這是因為砂巖試樣的破壞由突發式的劈裂破壞轉變為一定屈服性的復雜破壞。

3 結 論

(1) 單軸循環加卸載過程中，墊片包圍度數的增加對Kaiser效應幾乎不產生影響，累計計數、累計能量計數、峰值強度明顯提高。

(2) 隨著包圍度數的增加，試樣破壞過程逐漸復雜化，表明合理的包圍度數是相當重要的。較小的包圍度數可以降低荷載點的應力集中，利于試驗數據的采集分析，而較大的包圍度數反而會影響荷載在試樣上的均勻性和垂直分布。

(3) 在整個循環加卸載過程中，不同包圍度數下砂巖聲發射b值隨時間變化的規律總體一致，不同荷載階段試樣內部損傷的程度不同，b值呈現出一定的演化規律。峰值b值隨著墊片包圍度數的增加有增大的趨勢。加載過程中，b值先增大，而后在小范圍內逐漸變化呈減小的趨勢，隨著墊片包圍角度的增大，這種趨勢更為明顯，說明試樣在此過程中以小尺度破壞為主，而后大尺度的微破裂比重增大。保載和卸載過程中，b值主要表現為接連發生躍遷，且躍遷幅度逐漸增大，說明試樣在第1次循環階段的加載過程就已進入不穩定的破裂發展階段。

本文研究驗證了墊片包圍度數的變化對砂巖聲發射Kaiser效應不產生影響，分析了砂巖聲發射b值的演化規律，可為研究巖石破裂過程提供一定幫助。但是本文僅分析了單軸循環加卸載條件下砂巖圓盤試樣b值隨其破壞過程的演化規律，對于不同加載方式、不同巖性巖石及其所處環境溫度、濕度以及內部可能含有宏觀裂隙等復雜情況是否適用，還需進一步開展研究工作。