梁 樂，王志亮，2

(1.同濟大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092;2.同濟大學(xué)巖土與地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

巖石在受荷破壞過程中內(nèi)部將產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的產(chǎn)生與擴展造成應(yīng)力松弛，貯存的部分能量以應(yīng)力波的形式突然釋放出來，產(chǎn)生聲發(fā)射(AE)現(xiàn)象［1］。目前，聲發(fā)射技術(shù)廣泛應(yīng)用于巖石破壞特征的研究中，通過對巖體聲發(fā)射特性分析，可以判斷巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化，反演破壞機制，預(yù)測巖體工程的穩(wěn)定性狀態(tài)［2～7］。李庶林等［8］研究了巖石單軸受壓條件下破壞全過程的聲發(fā)射特征;余賢斌等［9］研究了直接拉伸、劈裂及單軸壓縮試驗下巖石的聲發(fā)射特性。在巖石的三軸壓縮試驗方面，張黎明等［10］研究了不同應(yīng)力路徑下大理巖破壞過程的聲發(fā)射特性;紀(jì)洪廣等［11］研究了二長花崗巖三軸壓縮下聲發(fā)射特征的圍壓效應(yīng)，以及Kaiser效應(yīng)和Felicity效應(yīng)與圍壓大小的關(guān)系。

本文基于單軸、常規(guī)三軸壓縮試驗和聲發(fā)射測試技術(shù)，對陜西華山花崗巖在單、三軸壓縮試驗不同應(yīng)變率、不同圍壓下破壞全過程的聲發(fā)射特征進行了對比分析。

1 試驗方案設(shè)計

采用美國MTS公司的MTS815型和816型巖石三軸伺服剛性試驗機進行華山花崗巖巖樣的三軸壓縮試驗。室內(nèi)聲發(fā)射試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。在巖樣壓縮過程中，聲發(fā)射測試由美國PAC公司DISP型聲發(fā)射儀采集，記錄下對應(yīng)通道的聲發(fā)射count數(shù)、聲發(fā)射能量、幅值等。

圖1 聲發(fā)射系統(tǒng)示意圖Fig．1 Schematic diagram showing the AE test system

此次試驗巖樣基本性質(zhì)見表1，巖樣規(guī)格為(50mm×100mm 圓柱體，在 5種圍壓(0、20MPa、40MPa、60MPa和 80MPa)、2 種應(yīng)變率(3×10-5/s和5×10-4/s)下，每3個1組重復(fù)相同條件下的壓縮試驗，共30個試樣，巖樣編號如表2所示，同時對每塊巖樣進行聲發(fā)射信號采集。試樣誤差在允許范圍內(nèi)，其平行度、平整度和垂直度都符合試驗規(guī)程。

巖樣放置好后，連接剛性機開始試驗，當(dāng)壓力機接觸巖樣即巖樣正式受壓的同時，開始記錄時間、壓力、變形、幅值、聲發(fā)射振鈴計數(shù)率以及累計釋放能量等數(shù)據(jù)。試驗時，對加載系統(tǒng)采用軸向應(yīng)變控制，應(yīng)變率為3×10-5或5×10-4/s，對聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)定聲發(fā)射監(jiān)測的采樣間隔為 1μs，頻率為 102～ 104Hz［4］，聲發(fā)射檢測門檻設(shè)定為40dB，直至巖樣破壞試驗結(jié)束。

表1 巖樣基本力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic mechanical parameters of rock sample

表2 花崗巖巖樣編號Table 2 Number of granite samples

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 基本力學(xué)特性分析

圖2為巖樣破壞前后照片，常規(guī)三軸試驗結(jié)果列于表3。由表3可知，在相同的應(yīng)變率下，峰值應(yīng)力隨著圍壓的增加而增加，且增加速度越來越慢，如應(yīng)變率3×10-5/s時，隨著圍壓增加，峰值應(yīng)力從139、397、544、620到681MPa逐漸增大。根據(jù)巖石力學(xué)經(jīng)驗可知，圍壓每增加1MPa，巖石強度增加4～5MPa，即圍壓效應(yīng)，試驗結(jié)果也很好地驗證了這一結(jié)論(圖3)。在相同圍壓時，高應(yīng)變率下巖樣的峰值強度高于低應(yīng)變率下的相應(yīng)值，且隨著圍壓增大，這種規(guī)律越來越明顯。例如 σ3按0、20、40、60 和80MPa增加時，高應(yīng)變率比低應(yīng)變率下峰值應(yīng)力差的增值百分比為6.58%、22.66%、4.28%、9.64%和14.11%，這是由于高應(yīng)變率加載下裂紋未充分變形，從而提高了巖樣抗外荷載的能力［12］。

圖2 巖樣試驗前后對比Fig．2 Comparison of rock sample before and after test

表3 常規(guī)三軸試驗結(jié)果Table 3 Test data of conventional triaxial test

圖3 花崗巖強度－圍壓曲線Fig．3 Curves of peak stress versus confining pressure

2.2 聲發(fā)射特征分析

2.2.1 單軸試驗聲發(fā)射特征分析

巖石在單軸壓縮過程中有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象。根據(jù)試驗獲得的力學(xué)參數(shù)和聲發(fā)射數(shù)據(jù)繪制巖樣力學(xué)參數(shù)與聲發(fā)射參數(shù)關(guān)系圖(圖4)，分別為巖樣S11在加載過程中的應(yīng)力差-時間-聲發(fā)射事件數(shù)，應(yīng)力差-時間-幅值，應(yīng)力差-時間-振鈴計數(shù)率數(shù)和應(yīng)力差-時間-累計釋放能量曲線圖。

(1)事件計數(shù)、應(yīng)力與時間的規(guī)律從圖4a可以看出。事件計數(shù)-時間曲線與應(yīng)力-時間曲線吻合很好，S11巖樣整體破壞之前經(jīng)歷了局部破壞過程(CD)。聲發(fā)射信號很好地體現(xiàn)了巖石變形的四個階段性規(guī)律，即初始壓密階段(OA)、彈性變形階段(AB)、塑性變形階段(BE)和峰后破壞階段(EF)，包括微破裂形成之后的應(yīng)力再上升階段都有比較明顯的體現(xiàn)。應(yīng)力達到極大值前，事件計數(shù)-時間曲線會出現(xiàn)一段平臺，聲發(fā)射現(xiàn)象出現(xiàn)平靜期，該結(jié)論與以往學(xué)者觀察所得結(jié)論相一致。

圖4 單軸下S11聲發(fā)射試驗結(jié)果Fig．4 AE test results of S11 under uniaxial compression

在初始壓密階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率緩慢增大，反映巖樣內(nèi)部微裂紋逐漸壓密，巖樣體積縮小，此時聲發(fā)射事件計數(shù)增加緩慢，斜率變化的時間很短說明花崗巖巖樣的壓密階段比較不明顯。應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率接近常數(shù)時，可以視為巖樣進入彈性變形階段，此時聲發(fā)射事件計數(shù)也呈線性增長。隨著載荷的增大，巖樣進入塑性變形階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率逐漸變小，聲發(fā)射事件計數(shù)快速增長，說明巖樣內(nèi)部微裂隙的快速產(chǎn)生和發(fā)展，巖樣體積這時發(fā)生變化。當(dāng)應(yīng)力發(fā)生突降時，進入巖樣的破壞階段，伴隨著聲發(fā)射事件計數(shù)的急劇增加，主破裂面形成，巖樣發(fā)生破壞。巖樣徹底破壞之前，聲發(fā)射事件規(guī)律可以看做是材料的卸載再壓縮過程，滿足塑性變形階段的規(guī)律特點。

(2)振幅、振鈴計數(shù)率、累計釋放能量及應(yīng)力與時間的關(guān)系如圖4b、c和d所示，可以得知在單軸壓縮實驗巖樣變形破壞過程中相應(yīng)參數(shù)的聲發(fā)射特征有以下規(guī)律:單軸常規(guī)壓縮在初始壓密階段裂隙的閉合會產(chǎn)生一定程度的聲發(fā)射信號;到彈性階段，由于花崗巖巖樣處于彈性壓縮階段可以看作是純彈性介質(zhì)考慮，沒有微裂隙的產(chǎn)生或發(fā)展，故聲發(fā)射現(xiàn)象不明顯;由于微裂紋的閉合和貫通主要是發(fā)生在巖樣的塑性變形階段，振幅-時間曲線可以看出此時的聲發(fā)射信號密集而頻繁;臨近局部破壞時，振鈴計數(shù)和累計釋放能量急劇增加，聲發(fā)射試件振幅也有所增大;第一次峰值到第二次峰值之間，聲發(fā)射信號頻繁且幅值較大，隨后振鈴計數(shù)和巖樣釋放的累計能量急劇上升，巖樣最終產(chǎn)生整體破壞。

由此，可以把聲發(fā)射事件計數(shù)的平臺終點，振鈴計數(shù)和累計釋放能量的突增點和作為單軸壓縮實驗脆性材料破壞的主要前兆。

2.2.2 常規(guī)三軸試驗聲發(fā)射特征分析

花崗巖常規(guī)三軸實驗的聲發(fā)射特征選用巖樣S52的力學(xué)參數(shù)和聲發(fā)射參數(shù)關(guān)系來表示。圖5為在常規(guī)三軸壓縮試驗中的應(yīng)力差-時間-聲發(fā)射事件數(shù)、應(yīng)力差-時間-幅值、應(yīng)力差-時間-振鈴計數(shù)率數(shù)和應(yīng)力差-時間-累計釋放能量曲線圖。

由圖5可以看到，巖樣變形直接進入彈性階段，這是由于S52的圍壓已經(jīng)達到80MPa，在高圍壓條件下，巖石本身的性質(zhì)發(fā)生改變，內(nèi)部的宏觀裂紋在加載初期就已經(jīng)閉合，因此巖石典型四階段的第一階段很難明顯地體現(xiàn)出來。在巖石變形彈性階段，聲發(fā)射信號一直十分稀少，直到進入塑性階段后聲發(fā)射信號開始頻繁密集，事件計數(shù)、振鈴計數(shù)率和累計釋放能量逐漸升高，這是由于伴隨著應(yīng)力的升高，巖石內(nèi)部塑性變形逐步增大。進入峰后破壞階段后，聲發(fā)射計數(shù)呈現(xiàn)線性增加，聲發(fā)射幅值巖樣破壞前后沒有明顯變化，聲發(fā)射的振鈴計數(shù)率和累計釋放能量則急劇降低。

圖5 常規(guī)三軸下S52聲發(fā)射試驗結(jié)果Fig．5 AE test results of S52 under triaxial compression

由此，可以把聲發(fā)射事件計數(shù)線性增長的起點，振鈴計數(shù)和累計釋放能量的突增點和作為常規(guī)三軸壓縮實驗脆性材料破壞的主要前兆。

2.2.3 不同加載條件下聲發(fā)射特性差異分析

結(jié)合圖4，5以及上述分析可知，單軸與常規(guī)三軸壓縮下花崗巖破壞過程的聲發(fā)射特征主要有以下異同點:

(1)兩種加載條件下，彈性階段內(nèi)聲發(fā)射信號均比較少，進入塑性階段后聲發(fā)射信號開始密集出現(xiàn);破壞過程中聲發(fā)射幅值主要范圍都集中在40～100dB;在巖樣破壞之前，都會出現(xiàn)事件計數(shù)、振鈴計數(shù)率和累計釋放能量逐漸升高的過程;達到峰值強度時，均出現(xiàn)振鈴計數(shù)率和累計釋放能量跳躍性的增長，因此可以將振鈴計數(shù)率和累計釋放能量的突增作為巖樣破壞的前兆。

(2)與單軸相比，常規(guī)三軸試驗更難以測得初始階段和彈性階段比較弱的聲發(fā)射信號，這是由于聲發(fā)射探頭并不是直接固定在需要檢測的巖樣上而是固定在MTS傳力桿上使得干擾較大，聲發(fā)射有效信號不容易被檢測。

(3)與單軸試驗相比，應(yīng)力將達到峰值時，常規(guī)三軸試驗的聲發(fā)射計數(shù)-時間曲線未出現(xiàn)明顯的平臺。

(4)常規(guī)三軸試驗時，由于巖樣承受較大的圍壓，所以當(dāng)巖樣S52破壞時，測得的最大振鈴計數(shù)率和累計釋放能量值沒有單軸壓縮試樣S11高，最大累計釋放能量甚至相差一個數(shù)量級之多(單軸與常規(guī)三軸下的最大值分別為3.69×109和2.66×108)。

(5)在殘余變形階段，單軸試樣已經(jīng)完全破碎因此完全不存在聲發(fā)射現(xiàn)象，而三軸試件仍有比較強烈的聲發(fā)射信號，這是因為由于圍壓的作用，常規(guī)三軸巖樣破壞之后仍具有較高的殘余強度，殘余變形破壞及主體斷裂面之間的相互摩擦作用是這類聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因。

2.2.4 聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)

聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)是指聲發(fā)射活動對材料荷載歷史的最大載荷值具有記憶能力，即材料加載試驗中表現(xiàn)出的這種彈性波效應(yīng)。當(dāng)再次加載到先前經(jīng)受過的應(yīng)力水平后，其聲發(fā)射活動將突然增加的現(xiàn)象。它是聲發(fā)射的重要特征，顯示材料的應(yīng)力記憶能力，常被看作是巖石聲發(fā)射應(yīng)力測量的物理基礎(chǔ)，是不可逆損傷累計的結(jié)果。

由圖6巖樣S51的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知:花崗巖巖樣S51經(jīng)歷了再次明顯的破壞過程，出現(xiàn)了缷荷過程以及再壓縮階段，可以視為巖樣的循環(huán)荷載作用。如圖6a和b為S51的應(yīng)力差-時間-振鈴計數(shù)率關(guān)系曲線，應(yīng)力差-時間-振幅關(guān)系曲線，可明顯看出當(dāng)巖樣荷載制裁后再次加載當(dāng)荷載超過歷史最大荷載水平時，再次出現(xiàn)了劇烈的聲發(fā)射活動，與第一次加載破壞比較，第二次加載時振鈴計數(shù)和振幅值急劇增大，再次破壞時的振鈴計數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)增長，振幅值更是超過100dB?？芍?，比較第一次加載過程，在此加載到原有歷史應(yīng)力時聲發(fā)射現(xiàn)象也更為激烈。

圖6 常規(guī)三軸下S51聲發(fā)射試驗結(jié)果Fig．6 AE test results of S51 under triaxial compression

3 結(jié)論

(1)在相同應(yīng)變率下，巖石峰值應(yīng)力隨著圍壓的增加而增加，且增加速度越來越慢;在相同圍壓時，高應(yīng)變率下巖石的峰值強度高于低應(yīng)變率下的相應(yīng)值。

(2)單軸試驗時，聲發(fā)射特征基本符合巖石加載破壞過程的四個階段，峰值應(yīng)力前的變形和屈服階段都存在一個相對平靜的臺階，聲發(fā)射事件主要集中在材料的強度極限附近;三軸試驗時，聲發(fā)射特征亦基本符合四階段規(guī)律，但壓密階段幾乎觀察不到，聲發(fā)射計數(shù)-時間曲線未出現(xiàn)明顯的平臺，但巖樣在破壞之后，其聲發(fā)射現(xiàn)象仍在持續(xù)。

(3)兩種加載條件下，彈性階段內(nèi)聲發(fā)射信號均比較少，進入塑性階段后聲發(fā)射信號開始密集出現(xiàn);破壞過程中聲發(fā)射幅值主要范圍都集中在40～100dB;在巖樣破壞之前，都會出現(xiàn)事件計數(shù)、振鈴計數(shù)率和累計釋放能量逐漸升高的過程;可以將振鈴計數(shù)率和累計釋放能量的突增作為巖樣破壞的前兆。

(4)花崗巖的聲發(fā)射特征與其承載的路徑密切相關(guān)，驗證了巖石材料聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)，可明顯看出再次加載當(dāng)荷載超過歷史最大荷載水平后，再次出現(xiàn)的聲發(fā)射活動更為劇烈。

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