曹　磊，李心一，余賢斌，陳　雷

(1. 昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明　650093；2. 云南省地質(zhì)調(diào)查院，云南 昆明　650000)

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不同加載方式下花崗巖聲發(fā)射特性的試驗研究

曹磊1，李心一1，余賢斌1，陳雷2

(1. 昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明650093；2. 云南省地質(zhì)調(diào)查院，云南 昆明650000)

摘要：為研究花崗巖在不同加載方式下的聲發(fā)射特性，對15塊花崗巖試樣進行了3種不同加載方式下的聲發(fā)射測試試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：單次加載方式下，加載應(yīng)力達到破壞強度60%左右時，聲發(fā)射發(fā)生突增；等幅循環(huán)加載方式下能否觀察到Kaiser效應(yīng)與其加載應(yīng)力水平相關(guān)；分級循環(huán)加載方式下，Kaiser效應(yīng)記憶先前加載應(yīng)力的準確程度隨著加載應(yīng)力水平的增加而減弱，其存在應(yīng)力水平大約為試樣破壞強度的20%~60%。

關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)；聲發(fā)射；Kaiser效應(yīng)；不同加載方式；應(yīng)力水平

0前言

材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形以及破壞斷裂，并以彈性波形式釋放彈性能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射[1]。1953年，德國科學(xué)家Kaiser在金屬加載試驗時，首先發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射具有不可逆性，即在重復(fù)加載試驗中，只有當本次載荷接近或超越先前受到的最大載荷時，才會產(chǎn)生明顯聲發(fā)射，金屬材料的這種“記憶應(yīng)力”的現(xiàn)象被稱為Kaiser效應(yīng)[2]。1963年，Goodman通過試驗發(fā)現(xiàn)在巖石材料中也存在Kaiser效應(yīng)[3]。由于Kaiser效應(yīng)直觀反應(yīng)了巖石對所受應(yīng)力的記憶能力而受到關(guān)注，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于測量原巖應(yīng)力[4-7]。

在Kaiser效應(yīng)的研究和應(yīng)用過程中，人們發(fā)現(xiàn)Kaiser效應(yīng)的記憶準確性與試樣的加載應(yīng)力水平密切相關(guān)。Kurita等[8]在對花崗巖的試驗中發(fā)現(xiàn)Kaiser效應(yīng)只存在于巖石變形的彈性階段；陳宇龍等[9]認為加載應(yīng)力水平超過對應(yīng)峰值強度的70%后Kaiser效應(yīng)不再明顯；Boyce[10]提出巖石聲發(fā)射信號在裂紋閉合階段很少，只有在新裂紋產(chǎn)生時才會大量出現(xiàn)，出現(xiàn)Kaiser效應(yīng)的應(yīng)力水平為破壞強度的70%~97%。本文以花崗巖為例，通過不同加載方式下的聲發(fā)射試驗，總結(jié)并分析了一些聲發(fā)射現(xiàn)象，并對Kaiser效應(yīng)存在于怎樣的應(yīng)力水平進行了研究，以期為Kaiser效應(yīng)的應(yīng)用提供依據(jù)。

1巖石聲發(fā)射試驗

1.1試驗設(shè)備

加載系統(tǒng)為TAW-2000D微機控制電液伺服巖石三軸試驗機。數(shù)字聲發(fā)射儀型號為北京聲華科技有限公司生產(chǎn)SDAES型，該系統(tǒng)能夠多通道實時采集數(shù)據(jù)，外參數(shù)采集器通過軟件觸發(fā)，可在采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)的同時采集應(yīng)變和載荷等外接參數(shù)。

試驗時在試樣兩端加墊橡皮墊，以減少端部效應(yīng)和試驗機振動對聲發(fā)射信號采集的影響。聲發(fā)射探頭上涂抹凡士林，以保證探頭和試件的耦合，同時消除探頭和試件間摩擦所產(chǎn)生聲發(fā)射對試驗的影響。試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　試驗系統(tǒng)

1.2試樣以及試驗內(nèi)容

本試驗巖樣為花崗巖，產(chǎn)自廣東。利用取芯機鉆取圓柱形試樣，直徑50 mm，高度100 mm，端部平行度達0.02 mm。該花崗巖部分物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1　花崗巖物理力學(xué)性質(zhì)

試驗試樣分為3組，每組5塊試樣。單次加載組編號為A1~A5，等幅循環(huán)加載組編號為B1~B5，分級循環(huán)加載組編號為C1~C5。本次試驗測試了試樣在加載過程中的多種AE參數(shù)，包括累積聲發(fā)射數(shù)、累積聲發(fā)射振鈴數(shù)及累積能量等(單次加載的試件在采集聲發(fā)射信號的同時加貼應(yīng)變片，用于測定巖樣部分物理力學(xué)性質(zhì))，并對數(shù)據(jù)進行了分析處理。

1.3試驗方案

巖石AE試驗采用載荷控制的單軸加載模式，分為單次加載、分級循環(huán)加載和等幅循環(huán)加載3種方式。加載速度0.3 MPa/s，卸載速度設(shè)為恒定0.55 MPa/s。單次加載為以恒定加載速度壓縮試樣直至其破壞；等幅循環(huán)加載方式的加載水平定為35 MPa，循環(huán)兩次后壓壞；分級循環(huán)加載首次加載水平為6.4 MPa，之后每級增加6.4 MPa，直至試件破壞。

2試驗結(jié)果及分析

2.1單次加載方式下的情況

以試樣A5為例，其應(yīng)力—時間—累積聲發(fā)射數(shù)關(guān)系曲線如圖2所示。

1 應(yīng)力； 2 累計聲發(fā)射數(shù)

由圖2可以看出，試樣A5在初始加載時聲發(fā)射數(shù)增長較快，約14.32 Mpa時(破壞強度的15.21%)聲發(fā)射開始平穩(wěn)增長，57.69 Mpa時(破壞強度的62.61%)聲發(fā)射數(shù)開始快速增加，直至87.16 Mpa時(破壞強度的94.61%)，聲發(fā)射數(shù)不再增加，直至92.14 Mpa巖樣破壞。加載初期出現(xiàn)較為強烈的聲發(fā)射現(xiàn)象是因為裂隙壓密和端部效應(yīng)的原因，雖然此時段內(nèi)聲發(fā)射數(shù)產(chǎn)生得比較多，但這些聲發(fā)射信號對應(yīng)的能量卻往往很小。聲發(fā)射數(shù)的平穩(wěn)增加和快速增加分別對應(yīng)試樣內(nèi)部損傷不同速率的發(fā)育。本組各試樣累積聲發(fā)射數(shù)—時間關(guān)系曲線中，聲發(fā)射數(shù)開始快速增加的點所對應(yīng)的應(yīng)力值，以及該應(yīng)力所占對應(yīng)試樣破壞強度的百分比如表2所示。

表2　單次加載時聲發(fā)射突增點情況

由表2可以看出，雖然本組每塊試樣的抗壓強度并不相同，但均在加載到其破壞強度的60%左右時發(fā)生聲發(fā)射數(shù)的突增。

2.2等幅循環(huán)加載方式下的情況

試樣B3的應(yīng)力—時間—累計聲發(fā)射數(shù)曲線如圖3所示。

1 應(yīng)力； 2 累計聲發(fā)射數(shù)

對于試樣B3來說，第1、2次循環(huán)的最大加載應(yīng)力(均為35 Mpa)對應(yīng)其破壞強度(88.5 Mpa)的39.54%。通過試樣B3的應(yīng)力—時間—累計聲發(fā)射數(shù)曲線可以發(fā)現(xiàn)：在第1次循環(huán)的加載階段，聲發(fā)射數(shù)快速增加，卸載階段幾乎沒有聲發(fā)射的產(chǎn)生；第2次循環(huán)的加載階段只有當應(yīng)力接近加載應(yīng)力水平35 Mpa及保載階段才產(chǎn)生少量聲發(fā)射，卸載階段同樣幾乎沒有聲發(fā)射產(chǎn)生；第3次循環(huán)加載應(yīng)力在接近35 Mpa時聲發(fā)射產(chǎn)生了突增。所以說試樣B3在等幅循環(huán)加載方式下，以35 Mpa作為加載應(yīng)力水平時，Kaiser效應(yīng)顯著。

試樣B2的應(yīng)力—時間—累計聲發(fā)射數(shù)關(guān)系曲線如圖4所示。

1 應(yīng)力； 2 累計聲發(fā)射數(shù)

對于試樣B2，第1、2次循環(huán)的加載最大應(yīng)力(35 Mpa)對應(yīng)其破壞強度(55.4 Mpa)的63.18%。通過其應(yīng)力—時間—累計聲發(fā)射數(shù)曲線，可以發(fā)現(xiàn)除了在第2次和第3次循環(huán)的加載階段，應(yīng)力接近35 Mpa時可以觀察到明顯的聲發(fā)射突增點外，在第1次和第2次循環(huán)的卸載階段同樣可以觀察到聲發(fā)射突增點，而且這兩個聲發(fā)射突增點所對應(yīng)的應(yīng)力都遠遠小于35 Mpa的預(yù)加載應(yīng)力。嚴格按照Kaiser效應(yīng)的定義，“只有當本次載荷接近或超越先前受到的最大載荷時，才會產(chǎn)生明顯聲發(fā)射”為Kaiser效應(yīng)存在的標準[2]，那么此時對于試樣B2來說，Kaiser效應(yīng)并不存在。

2.3分級循環(huán)加載方式下的情況

以試樣C3的應(yīng)力—時間—累計聲發(fā)射數(shù)曲線為例，見圖5。

1 應(yīng)力； 2 累計聲發(fā)射數(shù)

只有當加載的應(yīng)力接近上次循環(huán)的最大加載應(yīng)力時，累計聲發(fā)射數(shù)—時間曲線才會產(chǎn)生明顯的拐點。各循環(huán)加載過程中聲發(fā)射數(shù)—時間曲線出現(xiàn)的聲發(fā)射突增點對應(yīng)應(yīng)力與前次循環(huán)加載的最大應(yīng)力的對應(yīng)情況如表3所示。為方便表述Kaiser效應(yīng)的顯著程度，引入?yún)?shù)——恰當比值(FR)，該值的定義是Kaiser應(yīng)力與先前加載最大應(yīng)力的比值。恰當比值(FR)表征巖石Kaiser效應(yīng)記憶先前加載應(yīng)力的能力，該值越接近于1表示記憶越準確，比值大于1表示記憶的滯后，小于1則表示記憶的超前[1]。

表3　試樣C3的循環(huán)聲發(fā)射突增點

FR值能較好地反映材料中原先所受損傷或結(jié)構(gòu)缺陷的嚴重程度，F(xiàn)R值越小，表示材料原先所受損傷或結(jié)構(gòu)缺陷越嚴重[9]。通過表3可以看出，總體上來看，F(xiàn)R值隨著加載應(yīng)力水平的提高呈減小的趨勢，從開始的1.53一直減小到破壞前1個循環(huán)的0.75。但在開始加載后的裂隙壓密階段和彈性變形階段，雖然FR值一直在減小，但仍在1左右，即在此應(yīng)力范圍內(nèi)，F(xiàn)R值的變化幅度并不大。而在臨近破壞前的塑性變形階段，F(xiàn)R值卻迅速下降。這是因為裂隙壓密階段和彈性變形階段，不可恢復(fù)的損傷(塑性變形)產(chǎn)生較少，而到了塑性變形階段，損傷迅速發(fā)育導(dǎo)致的。

分析表3可以看出，從第3到第8個循環(huán)，F(xiàn)R值都接近于1，如果不考慮卸載階段的影響，可以認為這幾個循環(huán)里Kaiser效應(yīng)是顯著的。但在第6到第8個循環(huán)的應(yīng)力卸載的過程中，累計聲發(fā)射數(shù)—時間曲線仍會發(fā)現(xiàn)明顯的聲發(fā)射突增點，但這些點明顯不是Kaiser點。嚴格按照Kaiser效應(yīng)的定義，該試樣從第6個循環(huán)開始Kaiser效應(yīng)就已經(jīng)消失了。試樣C3能觀察到Kaiser效應(yīng)的應(yīng)力水平在破壞強度的23%~66%這一范圍內(nèi)。結(jié)合該組其他試樣的數(shù)據(jù)，Kaiser效應(yīng)的存在應(yīng)力水平約為對應(yīng)破壞強度的20%~60%。

2.4討論分析

在單次加載方式下的試驗中，累計聲發(fā)射數(shù)—時間曲線上的聲發(fā)射突增點對應(yīng)的應(yīng)力水平為破壞強度的60%左右，與在分級循環(huán)加載組試驗中觀察到的Kaiser效應(yīng)存在應(yīng)力水平(破壞強度的20%~60%)的上限吻合。也就是說，在單次加載方式下，累計聲發(fā)射數(shù)—時間曲線上聲發(fā)射數(shù)發(fā)生突增后的應(yīng)力水平Kaiser效應(yīng)就不存在了。筆者認為可以利用這種規(guī)律，只采用單次加載的方式來快速確定某種花崗巖Kaiser效應(yīng)存在的應(yīng)力水平上限。循環(huán)加載組的試驗結(jié)果同樣可以印證這一點：試樣B3第1、2次循環(huán)的加載應(yīng)力(35 Mpa)對應(yīng)其破壞強度(88.5 Mpa)的39.54%，該應(yīng)力水平在分級循環(huán)加載試驗中已驗證的Kaiser效應(yīng)存在的應(yīng)力水平范圍內(nèi)，第2和第3次循環(huán)中均可以觀察到Kaiser效應(yīng)；而對于試樣B2，第1、2次循環(huán)的加載最大應(yīng)力(35 Mpa)對應(yīng)其破壞強度(55.4 Mpa)的63.18%，該值超過已驗證的Kaiser效應(yīng)存在的上限，雖然這時在累計聲發(fā)射數(shù)—時間曲線上第1、2次循環(huán)的加載階段均產(chǎn)生了類似Kaiser點的聲發(fā)射突增點，但在第1、2次循環(huán)的卸載階段也同樣產(chǎn)生了類似Kaiser點的聲發(fā)射突增，嚴格來說Kaiser效應(yīng)已不存在了。

3結(jié)論

通過對花崗巖試樣不同加載方式的單軸加載試驗及對試驗結(jié)果的分析，可得出以下結(jié)論。

1) 在單次加載的方式下，試樣聲發(fā)射—時間曲線上的聲發(fā)射突增點對應(yīng)應(yīng)力約為對應(yīng)破壞強度的60%。

2) Kaiser效應(yīng)并非存在于所有應(yīng)力水平，其存在的應(yīng)力范圍約為試樣破壞強度的20%~60%。

3) 單次加載方式下，累計聲發(fā)射數(shù)—時間曲線上聲發(fā)射數(shù)發(fā)生突增后的應(yīng)力水平不存在Kaiser效應(yīng)。可以利用這點，只采用單次加載的方式來快速確定某種花崗巖存在Kaiser效應(yīng)的應(yīng)力水平上限。

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Experimental Study on Acoustic Emission Characteristics of Granite under Different Loading Modes

CAO Lei1，LI Xinyi1，YU Xianbin1，CHEN Lei2

(1.FacultyofLandResourceEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,

Yunnan650093,China; 2.YunnanInstituteofGeologicalSurvey,Kunming,Yunnan650000,China)

Abstract:To study the acoustic emission characteristics of granite under different loading methods, 15 samples of granite were tested for the characteristics of acoustic emission along three different loading modes. The results showed that under single loading mode, loading stress reaches about 60% of the breaking strength, the acoustic emission sudden increase. Under equal amplitude cyclic loading mode, whether Kaiser effect can be observed depend on the stress level. Under step cyclic loading mode, the accuracy of Kaiser effect decreased when stress level increases. And Kaiser effect exists in the stress level, which is about 20%~60% of the breaking strength of the sample.

Key words:Rock mechanics; Acoustic emission; Kaiser effect; Different loading methods; Stress level

中圖分類號：TD326

文獻標識碼：A

doi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.01.004

作者簡介：曹磊(1990-)，男，山西呂梁人，在讀碩士研究生，研究方向：巖石力學(xué)，手機：15877924506，E-mail：616882733@qq.com.

收稿日期：2015-09-25