魏筱樂，宦秉煉，余賢斌，魯會軍

（昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

巖石受力變形時，在巖體內(nèi)原先存在或新產(chǎn)生的微裂紋發(fā)生突然的破裂，從而向四周輻射彈性波，這就是巖石的聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡稱“AE”）[1]。采用設備監(jiān)測、記錄、分析聲發(fā)射信號，并利用聲發(fā)射信號判斷聲發(fā)射源的技術，稱為聲發(fā)射技術[2]。近年來，聲發(fā)射技術已廣泛用于諸多領域，例如，氣液兩相流動檢測[3]、機械密封端面膜厚監(jiān)測[4]以及復合材料的低速沖擊損傷監(jiān)測[5]等；同時巖石力學工作者還利用聲發(fā)射技術探究巖石破壞機制[6]，巖石損傷演化過程[7]以及地應力測定[8]等，研究人員在聲發(fā)射技術應用方面進行了大量研究，并獲得了一些研究成果。

在聲發(fā)射中伴隨著一種重要的現(xiàn)象：對材料進行加載時，如果材料所受的應力小于先前所受應力的最大值，則沒有或只有很少的聲發(fā)射產(chǎn)生；只有當材料所受的應力大于先前所受到的最大應力時，才會有大量的聲發(fā)射產(chǎn)生，這一現(xiàn)象叫Kaiser效應[9]。

早在1950年，約瑟夫·凱塞發(fā)現(xiàn)多晶金屬具有聲發(fā)射特性。后來人們通過試驗得到，許多巖石如礫巖、灰?guī)r、灰綠巖、片麻巖、閃長巖、輝長巖、安山巖、砂巖、石英巖、大理巖、花崗巖等也具有顯著的Kaiser效應[9]。近年來，巖石力學工作者對不同應力路徑以及不同加載速率下的巖石進行了Kaiser效應研究。陳勉等[10]對不同加載速率下不同巖性巖石的Kaiser效應影響進行了研究；曾鵬等[11]對花崗巖進行了三軸壓縮循環(huán)加卸載試驗，認為花崗巖Kaiser點出現(xiàn)的位置大致相同；何俊等[12]對煤樣進行常規(guī)三軸以及三軸循環(huán)加卸載試驗，發(fā)現(xiàn)煤樣的Kaiser效應的記憶效果較差；傅翔等[13]研究了加載方向變化對Kaiser效應點的影響，發(fā)現(xiàn)加載方向偏轉(zhuǎn)角度越大，Kaiser效應越不明顯。

試驗先在假三軸（σ1＞σ2=σ3）條件下對花崗巖給予不同加載路徑的預加載，再進行單軸壓縮試驗，探索三軸不同路徑預加載對花崗巖Kaiser效應的影響規(guī)律，以期為揭示Kaiser效應的原理和巖石的損傷破壞機制提供一定的參考。

1 試驗部分

1.1 巖石試件制備

試驗對象為產(chǎn)自廣東省湛江市的花崗巖。按照巖石試件加工標準，將花崗巖加工成直徑50 mm，高100 mm的圓柱體試件，共有50塊試件，兩端面經(jīng)過打磨，平整度和平行度均滿足試驗規(guī)程的要求。制備出的花崗巖試件如圖1。

圖1 花崗巖試件Fig.1 Granite specimen

1.2 試驗設備

試驗系統(tǒng)采用長春市朝陽試驗儀器有限公司生產(chǎn)的TAW-2000D微機控制電液伺服三軸試驗機（圖2），聲發(fā)射采集使用北京聲華科技有限公司生產(chǎn)的SDAES型數(shù)字聲發(fā)射儀。進行單軸壓縮試驗時，在試件上下兩端放置橡膠墊，從而緩解端部效應及降低試驗機本身的噪聲和震動對信號采集的影響。

圖2 加載設備Fig.2 Loading equipment

1.3 試驗方案

所有試件在假三軸（σ1＞σ2=σ3）條件下進行不同加載路徑的預加載，在這一過程中使用PE薄膜包裹試件，防止油液滲入影響后續(xù)試驗。預加載完成后馬上進行單軸壓縮試驗并采集聲發(fā)射信號。在前期試驗中發(fā)現(xiàn)試件在峰值應力（99.8 MPa）的56%左右會產(chǎn)生較強的聲發(fā)射信號，為了避免干擾，選取預加載軸壓為35 MPa，加卸載速率均為0.15 MPa/s；圍壓則選定10 MPa和30 MPa兩種情況，加卸載速率均為0.2 MPa/s，各加載路徑如下：

方案1：先加載圍壓到10 MPa，然后加載軸壓到35 MPa并保載60 s；

方案2：先加載軸壓到35 MPa，然后加載圍壓到10 MPa并保載60 s；

方案3：先加載軸壓到35 MPa，然后加載圍壓到30 MPa并保載60 s；

方案4：圍壓和軸壓同步加載到10 MPa并保載60 s，再加載軸壓到35 MPa并保載60 s；

方案5：圍壓和軸壓同步加載到30 MPa并保載60 s，再加載軸壓到35 MPa并保載60 s。

2 試驗結果及分析

為了說明試樣的聲發(fā)射特性以及Kaiser點的選取過程，以三軸預加載路徑為方案1的一塊試樣C3作為研究對象，給出其單軸壓縮試驗的聲發(fā)射參數(shù)－時間－應力曲線圖，如圖3。

由于巖石受壓超過損傷應力之后會產(chǎn)生數(shù)量和能量都很大的聲發(fā)射，這將掩蓋前期的聲發(fā)射特征，故需給出局部放大圖，即圖 3（d）～（f）。

可以看出，在加載初期，巖石會有一些聲發(fā)射，這是試件內(nèi)部與加載方向夾角比較大的微裂隙被壓密導致的。隨著應力的增大，巖石的聲發(fā)射開始減小，巖石的聲發(fā)射活動進入“平靜期”，直至加載到預加載給予的35 MPa應力附近，巖石的聲發(fā)射活動開始活躍，意味著微裂隙開始壓密、擴展以及連通。

Kaiser效應意味著聲發(fā)射數(shù)量和能量的增長速率在Kaiser點前后有明顯且并不偶然的差別，因此在累計能量計數(shù)曲線和累計振鈴計數(shù)曲線上斜率突然變大的點，就可能是Kaiser點。對于有些巖石試件，整個加載過程可能會有若干個斜率突變點，所以需要人工分析篩選。

由圖3（e）可以看出210s處曲線的斜率有了明顯的變化，結合圖3（f）得出更加精確的時間點207 s。這是“平靜期”之后第一個斜率突然變大，且沒有回落到之前水平的斜率突變點，最終確定該點為Kaiser點，定義該點對應的應力32.22 MPa，與預加載應力的比值為FR值為0.92。

需要注意的是有一些試件會在加載過程中產(chǎn)生與圖3（d）中箭頭所示相似的較高能量的聲發(fā)射，但過后會有一段比較長的時間并沒有聲發(fā)射，這種孤立的高能聲發(fā)射并不是Kaiser效應的開端。

由圖 3（b）、（c）、（e）、（f）可以看出，當試件加載到峰值應力的80%左右（270 s處）時，曲線斜率突然增大且幅度大于Kaiser點處，即開始產(chǎn)生了極強的聲發(fā)射活動，這說明試件內(nèi)部裂隙開始非穩(wěn)定擴展，進入了屈服階段。隨著應力的增加，巖石聲發(fā)射數(shù)量和能量急劇增加，短時間內(nèi)巖石就會發(fā)生破壞。

由圖 3（e）、（f）可以看出，巖石在加載初期，一直有聲發(fā)射信號產(chǎn)生且數(shù)值很均勻，這有可能是微裂隙的壓密導致的，但這個過程一般不會產(chǎn)生如此均勻且能量大致相同的聲發(fā)射。結合圖3（d）的幾個小的峰值，可信度更高的猜測是聲發(fā)射采集設備的參數(shù)并不完全合理，采集到了一些背景噪聲。在Kaiser點之后的加載過程中依然有能量計數(shù)很低的“間歇期”，這也對上述猜測提供了一些依據(jù)。

圖3 試件C3聲發(fā)射特征－應力曲線Fig.3 Acoustic emission characteristics-stress curve of C3

上述分析可以看出，巖石在整個加載過程中，巖石累計聲發(fā)射特征曲線并不是單純地呈現(xiàn)線性或非線性變化，如果放大局部觀察，可以發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射的產(chǎn)生往往是以一個又一個不連續(xù)的峰值出現(xiàn)，這與裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展有一定的相似性。

采用相同的方法對其他試件的聲發(fā)射特征曲線進行分析，匯總各組試件的試驗結果如表1。

將方案1、方案2進行對比可以得知，先加軸壓Kaiser效應記憶的準確度高于先加圍壓，說明先加圍壓可以抑制軸向加載微裂隙的產(chǎn)生，將花崗巖所受損傷減小，導致Kaiser點提前。

將方案2、方案3進行對比可以得知，先加軸壓，后加較小的圍壓，則對已有損傷影響較小，后加圍壓如果較大，則會加大花崗巖所受損傷，導致Kaiser點延后。

由方案3、方案4可以發(fā)現(xiàn)圍壓與軸壓同步加載似乎會使試件的損傷保持原有狀態(tài)，在后續(xù)的單軸壓縮試驗中表現(xiàn)出與未進行預加載的試件相似的聲發(fā)射特征，但由于試件數(shù)量不足，兩方案之間并未表現(xiàn)出足夠差異。

表1 三軸預加載路徑對Kaiser效應的影響Tab.1 Influence of tri-axial preloading path on Kaiser effect

由于巖石屬于不均勻介質(zhì)，同一批試件的數(shù)據(jù)也有很大差異，故試驗僅能對大體趨勢作一定分析，還需要進行更多的試驗來獲得更確切的結論。

3 結論

通過對花崗巖試樣進行不同加載路徑的三軸預加載，再進行單軸壓縮試驗及對試驗結果的分析，可得出以下結論：

（1）當花崗巖加載到峰值應力的80%，聲發(fā)射活動的能量和數(shù)量進入一個更高的水平，巖石開始屈服，直至試件完全破壞。

（2）三軸預加載時先加圍壓可以抑制軸向加載微裂隙的產(chǎn)生，使花崗巖所受損傷減小，導致Kaiser點提前。

（3）三軸預加載時先加軸壓，后加圍壓如果較小，則對已有損傷影響較小，后加圍壓如果較大，則會加大試件所受損傷，導致Kaiser點延后。

（4）三軸預加載時，若同步加載軸壓和圍壓，試件在后續(xù)加載試驗中不存在Kaiser效應，甚至觀察不到預加載的影響。

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