吳述寬，徐金明, 2，涂齊亮

(1.上海大學(xué)土木工程系, 上海 200444;2.上海大學(xué)文化遺產(chǎn)保護(hù)基礎(chǔ)科學(xué)研究院, 上海 200444;3.中鐵十七局集團(tuán)有限公司, 山西 太原 030006)

0 引 言

外部荷載作用下，材料內(nèi)部已有裂縫會(huì)閉合、擴(kuò)展、貫通，也可能產(chǎn)生新的裂縫。裂縫變化過(guò)程中材料內(nèi)部能量快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱(chēng)為聲發(fā)射AE(Acoustic Emission)。對(duì)于巖石材料，聲發(fā)射現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射特征參數(shù)與巖石中裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展、演變存在一定聯(lián)系，可以通過(guò)分析聲發(fā)射特征參數(shù)來(lái)研究巖石的變形破壞過(guò)程。

巖石變形破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特征，已經(jīng)獲得了很多成果。比如AGIOUTANTIS等[1]使用Nestos大理巖三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)與聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)巖石損傷位置進(jìn)行了比較準(zhǔn)確的確定；Nomikos等[2]進(jìn)行了DIONYSOS大理巖的單軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)，認(rèn)為聲發(fā)射活躍期開(kāi)始時(shí)的應(yīng)力比最大應(yīng)力低30%、裂縫損傷閾值與平均信號(hào)電平有關(guān)；RODRGUEZ等[3]對(duì)大理巖與二長(zhǎng)花崗巖進(jìn)行了聲發(fā)射源的三維定位和巖相學(xué)分析，研究了巖石變形破壞過(guò)程中裂縫的演變特征；ZHOU[4]根據(jù)聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果，研究了單軸壓縮下大理巖的破壞演變過(guò)程及聲發(fā)射分形維數(shù)變化特征；李俊平等[5]對(duì)大理巖、磁鐵礦、含礦矽卡巖、花崗閃長(zhǎng)斑巖進(jìn)行了單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，認(rèn)為應(yīng)力增加時(shí)同種巖石聲發(fā)射主頻不會(huì)平移、聲發(fā)射主頻特征與巖石強(qiáng)度有關(guān)；張省軍等[6]研究了粗?；◢弾r 、大理巖和砂巖累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、聲發(fā)射能量釋放率和b值的變化規(guī)律與巖石破壞前兆的關(guān)系；趙興東等[7]開(kāi)展了花崗巖在單軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)，分析了破裂過(guò)程中巖石內(nèi)部微裂紋初始、擴(kuò)展過(guò)程的空間演化模式；張茹等[8]研究了花崗巖在多級(jí)荷載下聲發(fā)射事件率、能量釋放率的變化規(guī)律，認(rèn)為巖體破壞發(fā)生前多出現(xiàn)聲發(fā)射的突然下降或相對(duì)平靜期現(xiàn)象；ZHAO等[9]對(duì)北山花崗巖進(jìn)行了單軸和三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，提出了依據(jù)聲發(fā)射特征參數(shù)確定裂縫出現(xiàn)初始應(yīng)力和破壞應(yīng)力的方法；喬蘭等[10]根據(jù)深部花崗閃長(zhǎng)巖壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果，研究了聲發(fā)射參數(shù)與巖石破裂過(guò)程的關(guān)系；紀(jì)洪廣等[11]根據(jù)不同圍壓下花崗巖聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果，研究了低頻和高頻聲發(fā)射信號(hào)時(shí)振鈴計(jì)數(shù)、能量累計(jì)數(shù)與巖石應(yīng)力、時(shí)間之間的關(guān)系；李庶林等[12]研究了不同巖石在單軸受壓時(shí)聲發(fā)射事件數(shù)、事件率(單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射事件數(shù))與應(yīng)力、時(shí)間的關(guān)系；ZHANG等[13]進(jìn)行了花崗巖、石灰?guī)r、砂巖的單軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)，推導(dǎo)了巖爆傾向指數(shù)與聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系的理論公式；吳賢振等[14]探討了不同巖石、不同破壞模式下的聲發(fā)射特征，得到了聲發(fā)射振鈴累計(jì)計(jì)數(shù)與損傷變量、應(yīng)力的耦合關(guān)系；付小敏[15]根據(jù)不同巖石聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為巖石特征是聲發(fā)射的初始應(yīng)力水平各不相同的主要原因、聲發(fā)射累計(jì)參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定階段可作為巖石彈性極限的確定依據(jù)；謝強(qiáng)等[16]根據(jù)石灰?guī)r單軸壓縮試驗(yàn)的聲發(fā)射測(cè)試，認(rèn)為巖石內(nèi)部裂紋形成與既有裂紋擴(kuò)展是巖石加載過(guò)程中聲發(fā)射活動(dòng)的主要原因；吳永勝等[17]研究了單軸加載過(guò)程中云南大紅山銅礦2組凝灰?guī)r聲發(fā)射活動(dòng)與時(shí)間、應(yīng)力、變形的關(guān)系；左建平等[18]開(kāi)展了煤巖體破裂過(guò)程中聲發(fā)射行為及時(shí)空演化機(jī)制的試驗(yàn)，研究了巖石、單體煤以及煤巖組合體在單軸壓縮試驗(yàn)下的聲發(fā)射特征，分析了不同巖石破壞機(jī)制的差異。

目前，閃長(zhǎng)巖的聲發(fā)射特征研究較少，聲發(fā)射瞬時(shí)參數(shù)與累計(jì)參數(shù)兩方面的綜合分析不多，聲發(fā)射傳感器位置對(duì)聲發(fā)射特征參數(shù)影響的考慮也不夠。本文擬以閃長(zhǎng)巖為例，根據(jù)巖石單軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果，從瞬時(shí)參數(shù)與累計(jì)參數(shù)兩方面來(lái)分析單軸壓縮條件下閃長(zhǎng)巖變形破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特征，研究聲發(fā)射傳感器布設(shè)位置不同對(duì)聲發(fā)射特征參數(shù)的影響。

1 閃長(zhǎng)巖的聲發(fā)射試驗(yàn)

1.1 試樣制備

原始試塊取自于某鐵路隧道的側(cè)壁，切取方向垂直于側(cè)壁水平方向。原始試塊外徑為130 mm、形狀為圓柱形。在室內(nèi)將原始試塊沿三個(gè)方向加工成直徑為50 mm、高為100 mm的圓柱體試樣，三個(gè)方向分別為試樣軸線與原始試塊軸線成0°(縱向)、45°(斜向)、90°(橫向)。試樣表面進(jìn)行磨滑處理、以便使試件不平行度與不垂直度控制在0.02 mm以?xún)?nèi)(圖1)。

圖1 試樣外觀示意圖Fig. 1 Outline of specimens

1.2 加載方式

試驗(yàn)所用設(shè)備為巖石液壓伺服試驗(yàn)機(jī)與PXDAQ1672G聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)(圖2)。圖2中，兩個(gè)聲發(fā)射傳感器固定于試樣上下兩端、分別記為2號(hào)和1號(hào)。

試驗(yàn)時(shí)，采用位移控制方式進(jìn)行單軸分級(jí)加載：一級(jí)加載速率為0.1 mm/s(加載至20 kN)，二級(jí)加載速率為0.05 mm/s(加載至250 kN)，三級(jí)加載速率為0.01 mm/s(加載至破壞)。每級(jí)加載后均保持45 s。聲發(fā)射系統(tǒng)的增益設(shè)為40 dB，門(mén)檻為55 dB。該采集器具有16Bit的采集精度、每個(gè)通道的采樣率為10 MS/s(圖3)。

圖2 聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)外觀圖Fig. 2 Outline of acoustic emission testing system

圖3 PXDAQ16172G聲發(fā)射采集器Fig. 3 Acoustic emission collector of PXDAQ16172G

2 閃長(zhǎng)巖的聲發(fā)射特征分析

2.1 不同試樣聲發(fā)射特征參數(shù)分析

試驗(yàn)過(guò)程中，隨著荷載的逐步增加，巖石內(nèi)部會(huì)不斷產(chǎn)生裂隙；伴隨著裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展以及顆粒間的相互作用，會(huì)產(chǎn)生大量聲發(fā)射事件。

以1號(hào)傳感器為例，從不同方向試樣瞬時(shí)聲發(fā)射特征參數(shù)(振鈴計(jì)數(shù)率、能量釋放率、聲發(fā)射事件率)與累計(jì)聲發(fā)射特征參數(shù)(累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)能量、累計(jì)聲發(fā)射事件)兩方面來(lái)分析巖石變形破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特征。

2.1.1橫向試樣

(1)瞬時(shí)聲發(fā)射特征參數(shù)

橫向試樣振鈴計(jì)數(shù)率、能量釋放率與聲發(fā)射事件率分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 橫向試樣振鈴計(jì)數(shù)率Fig.4 Ringing count rate of the transverse specimen

圖5 橫向試樣能量釋放率Fig.5 Energy release rate of the transverse specimen

圖6 橫向試樣聲發(fā)射事件率Fig.6 Acoustic emission event rate of the transverse specimen

從圖4和圖5可以看出，橫向試樣的振鈴計(jì)數(shù)率與能量釋放率均存在3個(gè)峰值，在應(yīng)力峰值附近聲發(fā)射較為活躍。其中，第一個(gè)和第三個(gè)峰值較小，第二個(gè)峰值最大；三個(gè)峰值之間存在兩個(gè)低谷，低谷處的振鈴計(jì)數(shù)率與能量釋放率均處于較低水平，聲發(fā)射活動(dòng)比較平靜。

從圖6可以看出，橫向試樣的聲發(fā)射事件率也存在三個(gè)峰值，峰值之間的聲發(fā)射事件率較低，與振鈴計(jì)數(shù)率與能量釋放率的變化相對(duì)應(yīng)。

(2)累計(jì)聲發(fā)射特征參數(shù)

橫向試樣的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線與累計(jì)能量曲線如圖7所示，累計(jì)聲發(fā)射事件如圖8所示。

圖7 橫向試樣累計(jì)能量與累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線Fig.7 Cumulative energy and cumulative ringing count curve of the transverse specimen

圖8 橫向試樣累計(jì)聲發(fā)射事件曲線Fig.8 Accumulated event curve of the transverse specimen

從圖7可以看出，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線與累計(jì)能量曲線均呈臺(tái)階式增長(zhǎng)。從試驗(yàn)開(kāi)始至307.32 s，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與累計(jì)能量均處于低水平、增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢；在307.32 s、476.54 s、528.80 s，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與累計(jì)能量曲線出現(xiàn)大幅度激增；307.32 s時(shí)，試樣產(chǎn)生新生裂隙，對(duì)應(yīng)應(yīng)力為16.21 MPa；476.54 s時(shí)應(yīng)力達(dá)到峰值(40.52 MPa)并發(fā)生跌落，巖石產(chǎn)生較大的裂隙；528.80 s時(shí)，應(yīng)力為41.09 MPa，試樣開(kāi)始完全破壞，大量裂隙開(kāi)始產(chǎn)生并貫通。

從圖8可以看出，橫向試樣累計(jì)聲發(fā)射事件出現(xiàn)三次激增，三個(gè)激增點(diǎn)與累計(jì)能量和累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的三個(gè)激增點(diǎn)相對(duì)應(yīng)；激增點(diǎn)之間的增長(zhǎng)速度比較緩慢。

2.1.2縱向試樣

(1)瞬時(shí)聲發(fā)射特征參數(shù)

縱向試樣的振鈴計(jì)數(shù)率、能量釋放率與聲發(fā)射事件率分別見(jiàn)圖9、圖10和圖11。

圖9 縱向試樣振鈴計(jì)數(shù)率Fig.9 Ringing count rate of the longitudinal specimen

圖10 縱向試樣能量釋放率Fig.10 Energy release rate of longitudinal specimen

圖11 縱向試樣聲發(fā)射事件率Fig.11 Acoustic emission event rate of the longitudinal specimen

從圖9和圖10可以看出，縱向試樣的振鈴計(jì)數(shù)率與能量釋放率存在三個(gè)峰值，三個(gè)峰值的數(shù)值較大、在時(shí)間上相距較近；三個(gè)峰值之間，振鈴計(jì)數(shù)率與能量釋放率較低、遠(yuǎn)小于峰值，聲發(fā)射活動(dòng)較少。從圖11可以看出，縱向試樣的聲發(fā)射事件率也存在3個(gè)峰值，峰值之間的聲發(fā)射事件率相對(duì)較低。

(2)累計(jì)聲發(fā)射特征參數(shù)

縱向試樣的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線與累計(jì)能量曲線如圖12所示，累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)如圖13所示。

圖12 縱向試樣累計(jì)能量與累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線Fig.12 Cumulative energy and cumulative ringing count curve of the longitudinal specimen

圖13 縱向試樣累計(jì)聲發(fā)射事件曲線Fig.13 Accumulated event curve of the longitudinal specimen

從圖12 可以看出，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線與累計(jì)能量曲線也呈臺(tái)階式增長(zhǎng)，兩條曲線有三次大幅度激增：第一次激增發(fā)生在469.44 s，應(yīng)力為42.72 MPa，試樣內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生新生裂隙；第二次激增發(fā)生于493.50 s，應(yīng)力達(dá)到最大值47.08 MPa，試樣內(nèi)部出現(xiàn)較大裂隙；第三次激增發(fā)生于534.28 s，應(yīng)力為43.91 MPa，貫通裂隙開(kāi)始產(chǎn)生，試樣開(kāi)始完全破壞。三次激增中，第三次增長(zhǎng)幅度最大，第二次次之，第一次最小。

從圖13可以看出，縱向試樣的累計(jì)聲發(fā)射事件出現(xiàn)一次大幅激增，在開(kāi)始加荷至激增點(diǎn)之間累計(jì)聲發(fā)射事件處于低水平，從激增點(diǎn)開(kāi)始累計(jì)聲發(fā)射事件大幅增長(zhǎng)、直至試樣完全破壞。

2.1.3斜向試樣

(1)瞬時(shí)聲發(fā)射特征參數(shù)

斜向試樣的振鈴計(jì)數(shù)率、能量釋放率與聲發(fā)射事件率分別如圖14、圖15、圖16所示。

圖14 斜向試樣振鈴計(jì)數(shù)率Fig.14 Ringing count rate of the oblique specimen

圖15 斜向試樣能量釋放率Fig.15 Energy release rate of the oblique specimen

圖16 斜向試樣聲發(fā)射事件率Fig.16 Acoustic emission event rate of the oblique specimen

從圖15和圖16可以看出，斜向試樣的振鈴計(jì)數(shù)率與能量釋放率也有三峰值：三個(gè)峰值大小順序是第三、第二、第一個(gè)峰值；在峰值之間的兩個(gè)低谷，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率與能量釋放率較低，聲發(fā)射活動(dòng)較少、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

從圖16可以看出，斜向試樣的聲發(fā)射事件率有三個(gè)峰值，峰值之間的聲發(fā)射事件率也較低。

(2)累計(jì)聲發(fā)射特征參數(shù)

斜向試樣的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線與累計(jì)能量曲線如圖17所示，累計(jì)聲發(fā)射曲線如圖18所示。

圖17 斜向試樣累計(jì)能量與累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線Fig.17 Cumulative energy and cumulative ringing count curve of the oblique specimen

圖18 斜向試樣累計(jì)事件曲線Fig.18 Accumulated event curve of the oblique specimen

從圖17可以看出，斜向試樣累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與累計(jì)能量曲線均發(fā)生三次激增：第一次激增發(fā)生于396.08 s，增長(zhǎng)速度緩慢，應(yīng)力為25.30 MPa，試樣內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生裂隙；第二次和第三次為激增為大幅度激增；第二次激增發(fā)生于546.32 s，應(yīng)力為49.47 MPa，試樣內(nèi)部出現(xiàn)較大裂隙；第三次激增出現(xiàn)于608.10 s，此時(shí)巖石開(kāi)始完全破壞。

從圖18可以看出，斜向試樣累計(jì)聲發(fā)射事件曲線發(fā)生兩次激增，兩次激增后一段時(shí)間內(nèi)累計(jì)聲發(fā)射事件曲線增長(zhǎng)緩慢、隨后又快速增長(zhǎng)。

2.2 不同傳感器位置對(duì)聲發(fā)射特征的影響

1號(hào)傳感器位于試樣下部，2號(hào)傳感器位于試樣上部(見(jiàn)前述圖3)?，F(xiàn)對(duì)這兩種位置下不同試樣聲發(fā)射參數(shù)測(cè)試結(jié)果作以簡(jiǎn)要分析。

(1)橫向試樣

振鈴計(jì)數(shù)率與能量釋放率：1號(hào)傳感器最大峰值出現(xiàn)在試樣開(kāi)始產(chǎn)生貫通裂縫、發(fā)生完全破壞之前，2號(hào)傳感器最大峰值出現(xiàn)在試樣產(chǎn)生貫通裂縫、發(fā)生完全破壞之時(shí)。

聲發(fā)射事件率： 2號(hào)傳感器在相對(duì)平靜期的聲發(fā)射事件率低于1號(hào)傳感器。

累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與累計(jì)能量：1號(hào)傳感器陡增幅度很小，最大陡增幅度位于開(kāi)始出現(xiàn)較大裂隙時(shí)、試樣完全破壞之前；2號(hào)傳感器陡增幅度較大，最大陡增幅度出現(xiàn)于試樣破壞之時(shí)。

累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)：1號(hào)傳感器有三個(gè)激增點(diǎn)，2號(hào)傳感器的累計(jì)聲發(fā)射事件曲線有四個(gè)激增點(diǎn)。

(2)縱向試樣

振鈴計(jì)數(shù)率與能量釋放率：1號(hào)傳感器有三個(gè)峰值，最大峰值發(fā)生在巖石完全破壞時(shí)；2號(hào)傳感器有兩個(gè)峰值，最大峰值出現(xiàn)于巖石完全破壞之前。

聲發(fā)射事件率：1號(hào)傳感器在相對(duì)平靜期和峰值時(shí)的聲發(fā)射事件率相差不是很大、沒(méi)有出現(xiàn)明顯的低谷；2號(hào)傳感器在相對(duì)平靜期的聲發(fā)射事件率遠(yuǎn)低于峰值、出現(xiàn)明顯的低谷。

累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與累計(jì)能量：1號(hào)傳感器出現(xiàn)三次陡峭式激增，2號(hào)傳感器的數(shù)值較小、僅出現(xiàn)兩次陡峭式激增(分別與1號(hào)傳感器的第二和第三次激增相對(duì)應(yīng))。

累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)：1號(hào)傳感器在首次激增到試樣完全破壞的增長(zhǎng)比較大，2號(hào)傳感器的增長(zhǎng)速度非常緩慢。

(3)斜向試樣

振鈴計(jì)數(shù)率與能量釋放率：兩個(gè)傳感器的變化規(guī)律基本一致，但2號(hào)傳感器所測(cè)數(shù)值比1號(hào)傳感器要小得多。

聲發(fā)射事件率：1號(hào)傳感器在峰值之間的聲發(fā)射事件率比2號(hào)傳感器要高，低谷不太明顯。

累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)率與累計(jì)能量：兩個(gè)傳感器的變化趨勢(shì)基本一致，但2號(hào)傳感器所測(cè)數(shù)值要低于1號(hào)傳感器。

累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)：1號(hào)累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)有三個(gè)激增點(diǎn)， 2號(hào)傳感器只有一個(gè)激增點(diǎn)。

2.3 聲發(fā)射特征參數(shù)與巖石變形破壞的關(guān)系

振鈴計(jì)數(shù)與能量釋放率：三個(gè)試樣均出現(xiàn)三個(gè)峰值，第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)于試樣出現(xiàn)新生裂隙，第二個(gè)峰值均較大、對(duì)應(yīng)于試樣內(nèi)部產(chǎn)生了較大裂隙，第三個(gè)峰值對(duì)應(yīng)于試樣完全破壞、貫通裂縫出現(xiàn)并不斷擴(kuò)展。

累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與累計(jì)能量曲線：三個(gè)試樣均出現(xiàn)三次大幅度激增、與振鈴計(jì)數(shù)率和能量釋放率的三個(gè)峰值相對(duì)應(yīng)。

綜合聲發(fā)射瞬時(shí)參數(shù)(振鈴計(jì)數(shù)率、能量釋放率)與累計(jì)參數(shù)(累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)能量)變化過(guò)程可知，三個(gè)試樣在變形破壞過(guò)程中均經(jīng)歷了兩次聲發(fā)射相對(duì)平靜期。第一個(gè)相對(duì)平靜期發(fā)生在巖石首次產(chǎn)生新生裂隙之后；第二個(gè)聲發(fā)射相對(duì)平靜期發(fā)生在巖石開(kāi)始完全破壞前、開(kāi)始時(shí)應(yīng)力與最大應(yīng)力之比平均值為0.84、結(jié)束時(shí)應(yīng)力與最大應(yīng)力之比為0.97，第二個(gè)相對(duì)平靜期結(jié)束后巖石裂縫迅速擴(kuò)展、貫通并形成主裂縫、可作為巖石破壞的前兆。據(jù)此，可以將閃長(zhǎng)巖變形破壞過(guò)程分為三個(gè)階段：

第一階段：巖石壓密期。該階段為試驗(yàn)開(kāi)始至累計(jì)聲發(fā)射參數(shù)的第一個(gè)激增點(diǎn)；在這一階段，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與累計(jì)能量均處于較低水平，聲發(fā)射主要是巖石中既有裂縫出現(xiàn)壓密、不同顆粒產(chǎn)生摩擦所致。

第二階段：裂縫產(chǎn)生期。該階段為出現(xiàn)第一個(gè)激增點(diǎn)至巖石開(kāi)始破壞；在這一階段，巖石中產(chǎn)生許多新生裂縫、出現(xiàn)大量聲發(fā)射、釋放較大能量，但在該階段內(nèi)兩個(gè)相對(duì)平靜期累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與累計(jì)能量增長(zhǎng)速率較慢、聲發(fā)射發(fā)生次數(shù)較少。

第三階段：巖石破壞期。該階段為巖石第二個(gè)聲發(fā)射相對(duì)平靜期結(jié)束至巖石完全破壞；在這一階段，裂縫擴(kuò)展迅速、持續(xù)時(shí)間較短，貫通主裂縫在瞬間產(chǎn)生、并釋放大量的能量，巖石有少量碎屑飛出、并迅速失去承載能力。

2.4 不同方向試樣的聲發(fā)射參數(shù)與裂縫差異

下面分別從瞬時(shí)聲發(fā)射參數(shù)(振鈴計(jì)數(shù)率、能量釋放率、聲發(fā)射事件率)、累計(jì)參數(shù)(累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)能量)和試樣變形破壞過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫等方面闡述不同試樣的聲發(fā)射參數(shù)與裂縫在巖石變形破壞過(guò)程中的差異。

就振鈴計(jì)數(shù)率與能量釋放率而言，橫向試樣和斜向試樣振鈴計(jì)數(shù)率與能量釋放率曲線的第一個(gè)峰值較小，而縱向試樣的第一個(gè)峰值較大。橫向試樣的振鈴計(jì)數(shù)率與能量釋放率在第二次聲發(fā)射活躍期時(shí)峰值最大，而縱向試樣與斜向試樣在第三次聲發(fā)射活躍期時(shí)峰值最大。就聲發(fā)射事件率而言，橫向試樣和斜向試樣聲發(fā)射事件率峰值之間的兩個(gè)低谷相對(duì)于縱向試樣更為明顯，且三個(gè)峰值之間的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，而縱向試樣聲發(fā)射事件率峰值之間的時(shí)間間隔較短。

就累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與累計(jì)能量而言，在累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與累計(jì)能量曲線發(fā)生第一次激增時(shí)，橫向試樣和縱向試樣的激增較為陡峭，而斜向試樣較為平緩。在累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與累計(jì)能量曲線發(fā)生第三次激增時(shí)，橫向試樣激增幅度較小，而縱向試樣和斜向試樣激增幅度較大。不同方向試樣在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與累計(jì)能量在數(shù)值上斜向試樣與縱向試樣均較為接近，遠(yuǎn)大于橫向試樣。

就試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫而言，橫向試樣裂縫與試樣軸線夾角較大，且各裂縫相交于試樣上端面或下端面。與橫向試樣相比，縱向試樣裂縫與試樣軸線夾角相對(duì)較小且分布相對(duì)集中，裂縫之間的間隔較小，裂縫之間近似平行。斜向試樣裂縫試樣軸線近似平行，裂縫分布相對(duì)分散。

作者認(rèn)為，橫向試樣在第二次聲發(fā)射活躍期時(shí)產(chǎn)生了較大的新生裂隙，在第三次聲發(fā)射活躍期時(shí)，新生裂隙擴(kuò)展貫通整個(gè)試樣，使試樣失去承載能力。縱向試樣和斜向試樣在第二次聲發(fā)射活躍期產(chǎn)生了較大的新生裂隙，在第三次聲發(fā)射活躍期時(shí)，再次產(chǎn)生新的較大裂隙，各主裂隙貫通而使試樣失去承載能力。不同試樣的產(chǎn)生裂縫的差異與巖石成分的含量與分布、巖石成因以及試樣內(nèi)部原有的微裂隙有關(guān)。

3 確定Kaiser點(diǎn)的建議方法

下面根據(jù)不同方向試樣的瞬時(shí)聲發(fā)射參數(shù)與累計(jì)聲發(fā)射參數(shù)來(lái)確定Kaiser點(diǎn)。

3.1 橫向試樣

在173.18 s時(shí)，累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)與累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大幅度增加，但增加后曲線增長(zhǎng)緩慢、能量釋放率處于較低水平，說(shuō)明此時(shí)聲發(fā)射事件并非由新生裂縫所致、而是原有裂隙中微小顆粒間摩擦造成的。

在307.32 s時(shí)，累計(jì)聲發(fā)射事件與累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)大幅度激增，此后起振鈴計(jì)數(shù)率、聲發(fā)射事件率與能量釋放率均開(kāi)始大幅增加，巖石內(nèi)部產(chǎn)生新生裂縫，此時(shí)對(duì)應(yīng)曲線位置可作為Kaiser點(diǎn)。由于此時(shí)應(yīng)力為16.21 MPa，因而橫向試樣Kaiser點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為16.21 MPa。

3.2 縱向試樣

累計(jì)聲發(fā)射事件曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生于399.83 s；此時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)率、能量釋放率、累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)處于較低水平、并未在短時(shí)間內(nèi)大幅度增加；此時(shí)的聲發(fā)射現(xiàn)象應(yīng)該是巖石內(nèi)部原有裂隙中顆粒摩擦造成的，此刻的對(duì)應(yīng)曲線位置可不應(yīng)視作Kaiser點(diǎn)。

在469.94 s時(shí)，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)開(kāi)始較大幅度激增，聲發(fā)射累計(jì)事件在短時(shí)間內(nèi)急劇增加，能量釋放率、振鈴計(jì)數(shù)率開(kāi)始處于較高水平，聲發(fā)射事件率也處于較高水平。此后開(kāi)始出現(xiàn)大量聲發(fā)射事件、大量能量迅速釋放，巖石中產(chǎn)生較大的新生裂隙，對(duì)應(yīng)曲線的位置可作為Kaiser點(diǎn)。由于此時(shí)應(yīng)力為42.81 MPa，因而縱向試樣Kaiser點(diǎn)的對(duì)應(yīng)應(yīng)力為42.81 MPa。

3.3 斜向試樣

在350.42 s時(shí)，累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)增加幅度較大，此時(shí)的大量聲發(fā)射事件是由于既有裂隙中顆粒間摩擦造成的，該點(diǎn)不應(yīng)視作Kaiser點(diǎn)。

自395.91 s起，振鈴計(jì)數(shù)率和能量釋放率均處于較高水平，聲發(fā)射事件率處于較高水平，開(kāi)始出現(xiàn)大量的聲發(fā)射事件、較多能量也迅速釋放，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線出現(xiàn)較為明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，曲線對(duì)應(yīng)位置可視作Kaiser點(diǎn)。由于此時(shí)應(yīng)力為25.74 MPa，因而斜向試樣Kaiser點(diǎn)的對(duì)應(yīng)應(yīng)力為25.74 MPa。

3.4 Kaiser點(diǎn)的綜合確定

由3.1～3.3可知，結(jié)合瞬時(shí)聲發(fā)射參數(shù)與累計(jì)聲發(fā)射參數(shù)可較為準(zhǔn)確地確定Kaiser點(diǎn)的位置。

根據(jù)聲發(fā)射事件率、累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)與能量釋放率的大小及其變化特征，可確定振鈴計(jì)數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的原因(是既有裂隙中顆粒間摩擦造成、還是新生裂隙造成)；如果振鈴計(jì)數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)是新生裂隙造成，則可將振鈴計(jì)數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)視作Kaiser點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)閃長(zhǎng)巖的單軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果，研究了單軸壓縮條件下閃長(zhǎng)巖變形破壞過(guò)程的瞬時(shí)與累計(jì)聲發(fā)射參數(shù)特征，分析了聲發(fā)射傳感器位置對(duì)聲發(fā)射特征參數(shù)的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 在變形破壞過(guò)程中，三個(gè)方向的閃長(zhǎng)巖試樣聲發(fā)射事件都經(jīng)歷了兩次相對(duì)平靜期，第一次相對(duì)平靜期發(fā)生在巖石產(chǎn)生新生裂隙之后，第二次相對(duì)平靜期發(fā)生于巖石完全破壞之前，第二個(gè)相對(duì)平靜期對(duì)應(yīng)應(yīng)力與最大應(yīng)力之比的平均值為0.84, 此值可作為巖石破壞前兆；

(2) 根據(jù)三個(gè)試樣的聲發(fā)射特征參數(shù)變化規(guī)律將巖石變形破壞過(guò)程分為三個(gè)階段，依次為巖石壓密期、裂縫產(chǎn)生期、巖石破壞期。

(3) 可結(jié)合瞬時(shí)與累計(jì)聲發(fā)射參數(shù)來(lái)較為準(zhǔn)確地確定Kaiser點(diǎn)，閃長(zhǎng)巖試樣軸線與原始試塊軸向成0°(縱向試樣)、45°(斜向試樣)、90°(橫向試樣)時(shí)Kaiser點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分別為25.74、42.81、16.21 MPa。