砂岩单轴循环加卸载试验及声发射特征研究

王 昌，周宗红

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

0 引言

自从声发射技术出现之后就被广泛应用在岩石破坏特性的研究当中。早在20世纪70年代江西钨矿地压研究中，就采用了声波技术监测矿山夹墙稳定性[1]，在盘古山、铁山垅钨矿地压研究中都应用了声波探测和地音仪监测技术[2]，赵奎等在地压调查方法中提出可以利用声波仪对岩体及矿柱的破坏程度进行监测，有利于查明赣南钨矿山地压活动形成的原因[3]。

由于通过对岩石压缩、拉伸和剪切条件下声发射特性研究，可以建立声发射与岩石力学特性之间的相关关系，确定岩石非稳定裂隙的起点以及掌握岩石的屈服极限，推断岩石内部的性态变化，为声发射监测岩体稳定性的提供理论依据，并使声发射技术成为目前较常用较成熟的岩体监测技术之一。国内外许多专家、学者对岩石受各种应力破坏过程中的声发射特征做出了大量的试验研究，研究的结果表明，岩石的性质、加载条件、受力状态等都会对岩石破裂过程中的声发射特征产生一定的影响。如许昭永等对单轴压缩条件下的加载速率和声发射特性的关系进行了研究[4]。万志军等对不同加载速率下岩石声发射特征、加载速率和裂纹之间的关系进行了研究[5]。蒋海昆等研究了围压条件下岩石的变形破坏过程中的声发射特征[6]。李遮林研究了单轴全过程加载、卸载过程中岩石材料在不同加载条件下变形破坏过程中的声发射特征[7]。Mansurov将声发射用于测量岩石破坏过程的信息，预测岩石的破坏类型[8]。Pestman等研究了三轴加载状态下砂岩的声发射特性以及Kaiser效应[9]。由于在生活中我们常常会遇见由于岩石受到循环荷载作用而造成的工程地质灾害，由于岩石在静态荷载和循环荷载作用所表现出的破坏规律及声发射现象存在明显的差异，有必要对岩石在非静态荷载作用下所表现出的破坏特性及声发射现象做出更深入的研究，这将有助于人们进一步认识岩石的破坏机理，解读声发射信号的内在含义以及确定岩石破坏有效的前兆判据，对于监测、预报众多的工程地质灾害有十分重要的意义。本文利用声发射检测仪对砂岩进行循环加载试验，通过对试验结果的分析，揭示了砂岩在循环加卸载过程中的强度变化及声发射特性。

1 试验条件及方案

试验所用岩样取自某矿区同一区域灰砂岩大型岩块中，加工成直径为50 mm×100 mm的圆柱体标准试样，共6块，精度要求满足两端不平行度小于0.02 mm，圆周和端面不垂直度小于0.02 mm。该试验分为单轴压缩、单轴循环加卸载两组，每组3块灰砂岩岩样。

1.1 试验制备

灰砂岩试样分三部分进行制备加工，首先采用姜堰市苏阳仪器机械厂生产的立式岩石取芯机进行取样，然后采用自动岩石切割机将取出的圆柱形岩心切割成一定的规格，最后采用调速磨石机对切割后的岩样进行打磨，使其满足试验要求。

由于这6块岩样均取自同一岩块中，均质性较好，岩样重度均在2.71 g/cm3左右，离散度非常小，有利于研究灰砂岩在单轴循环加卸载作用下强度变化规律及声发射特征规律。

1.2 试验设备和方法

试验在长春市朝阳试验仪器有限公司生产的TAW-2000D微机控制电液伺服岩石三轴试验机上进行，声发射的采集由北京声华科技有限公司所研制的SDAES数字声发射检测仪完成。

单轴压缩试验一次加载至岩样破坏，同步采集岩石受压变形破坏过程中产生的声发射信号，加载速率为0.5 kN/s。单轴循环方式为根据砂岩单轴最大抗压强度峰值，对第二组岩样循环加载方式为对岩石试件做加载至单轴最大抗压强度峰值的60%，然后卸载至最大抗压强度峰值的10%后再重新进行加载直至岩样破坏，加载方式为负荷加载，速度为0.5 kN/s。声发射测试系统示意图1所示。

图1 声发射测试系统示意图

2 试验结果及分析

2.1 强度变化特征

对第一组灰砂岩进行单轴压缩试验，得到岩石的各项物理力学参数，见表1所示。

通过对第一组岩样单轴压缩试验得出预估灰砂岩单轴抗压强度峰值约为150 MPa。根据砂岩单轴最大抗压强度峰值，对第二组（编号B1、B2、B3）岩样循环，加载方式为对岩石试件做加载至设定上限→卸载至设定下限→重加载直至破坏。将循环加卸载的上限定为峰值应变的60%（90 MPa），下限定为峰值应变的10%（15 MPa）。图2为B3岩样的循环加卸载应力-应变曲线。B1、B2、B3岩样的循环加卸载强度为 155.4 MPa、148.8 MPa、162.6 MPa，平均强度为155.6 MPa，略高于单轴抗压预算强度150 MPa，由此可以看出灰砂岩试验在压缩至峰值强度之前卸载后再次加载时其应力-应变曲线的线性特征有所增加，强度略有提高。该试验结论内容与尤庆明[10]的试验研究一文中得出的结论相一致。

表1 单轴压缩岩样物理力学参数

图2 B3岩样循环加卸载轴向应力-应变曲线

从图2中可以看出岩样在加载初期低压时，曲线略向上弯曲呈上凹状如图中OA段所示，此时，岩样内部原始天然裂隙被压密。在AB段，这个阶段近似为直线，大致可看成线弹性。在OA、AB两个阶段中岩石的微观结构和性质变化很小，有少量新生裂纹产生，在此后的卸载阶段中，此后试件仍可恢复至最大变形的10%，说明试件仍在弹性变形阶段，再次加载时，新生的裂纹开始闭合，岩样内部裂纹结构面接触面积增大，增大了裂纹错动时受到的摩擦力，使得岩样的整体屈服强度得到一定的提高，所以岩样在循环加卸载过程中屈服强度极限的提高可以从岩石内部裂纹结构面的接触面积增大来解释。

从循环加卸载轴向应力-应变曲线可以看出卸载曲线与初始加载曲线偏离较小，重加载曲线几乎与卸载重合，弹性模量没有明显变化，可以认为在加载过程中，试件内集聚了大量的弹性势能，只损耗少量的塑性能。

2.2 声发射特征

岩石声发射事件的发生是由岩石自身的内部缺陷形成的微裂纹位错运动引发的。声发射是贯穿岩石等脆性材料在受外力作用直至破坏整个过程的声学现象，其活动反映了岩石内部微观破坏的演化过程。因此声发射技术总是被用来研究岩石内部受力变形裂纹活动、破坏演化规律。

2.2.1 岩石单轴压缩作用下试样声发射特性分析

从图3中A3应力-时间-振铃计数曲线和图4中A3应力-时间-事件率曲线可以看出，试件A3在加载初期有较多声发射事件产生，且有峰值产生，但是从图5AE能量-应力-时间曲线图中可以看出，这些声发射事件能量很低，这可能由于试件表面应力集中产生的。在176 s时出现了第一次应力波动，产生了较高的声发射，这表明大的贯通裂隙已经形成。此时应力值为88 MPa，达到峰值应力的59%，其后，声发射活动维持在较高的水平。这是由于随着应力的增加，试件内部裂隙发育，持续产生贯通裂隙，在达到峰值应力后，试件完全崩裂，应力迅速下降，峰后阶段持续时间也很短。

图3 A3声发射的应力-时间-振铃计数曲线

图4 A3应力-时间-事件率曲线

图5 A3声发射AE能量-应力-时间曲线

2.2.2 岩石循环加卸载作用下试验声发射特性分析

图6 声发射的应力-时间-振铃计数曲线

图7 岩样声发射AE能量-应力-时间曲线

在对岩样循环加卸载的条件下所获得的岩样声发射的应力-时间-振铃计数曲线如图6所示，图7为单轴循环加卸载条件下岩样声发射AE能量-应力-时间曲线。从图6、图7可以看出，在岩石在加卸载各个阶段，其声发射随应力变化具有如下特征：（1）岩样压密阶段（O～A段），基本上没有声发射发生，释放的能量极少，说明岩样天然裂纹被压密的过程中，有微弱的弹性波释放出来；（2）弹性变形阶段（A～C段），当加载至B点时声发射撞击数急剧增加，可知岩样内部产生初始裂纹，但随着加载时间的变化，声发射撞击数没有变化，表明裂痕未立即扩展，而随着加载能量蓄积，在第一次加载应力达到90 MPa时，裂纹开始出现扩展现象，此时岩样内部积蓄的弹性能得以释放出来；（3）岩样卸载阶段（C～D段），在此阶段无声发射发生现象，证明出该灰砂岩无Felicity效应产生；（4）岩样二次加载阶段（D～E段），在此阶段可以看出岩样在二次加载时应力到达上次加载最大应力前仅极少声发射事件发生，而加载应力值达到上次加载最大应力以后产生大量新的声发射事件，这充分验证了Kaiser效应。在二次施加的荷载达到破坏荷载的75%～90%时，试件进入了裂隙发展阶段，声发射活动进入活跃期，同时岩样产生裂纹及裂纹扩展时所释放的能量也在不断增大，在这个阶段内，由于试件内部微小裂隙快速增加，裂隙逐渐集聚在断裂面附近，彼此之间的间距也由于新裂纹的产生和扩展而缩小，加速了裂纹之间的贯通，当加载应力达到E点时，裂纹之间达到完全贯通，岩样发生轴向劈裂，释放的能量达到最大值，破裂是瞬间产生的，同时伴随着响声，也进一步说明了灰砂岩的脆性较大。

3 结论

通过对灰砂岩的单轴循环加卸载试验，得出灰砂岩在该试验条件下的结论：

（1）岩样在循环加卸载作用下，同样伴随着岩样内部原始天然裂隙的压密、新生裂纹的产生、扩展和贯通，同时伴随着声发射不断产生。

（2）岩样在循环加卸载作用下，在压缩至峰值强度之前卸载后再次加载时其应力-应变曲线的线性特征有所增加，强度略有提高。

（3）岩样在经过卸载后二次加载时应力到达上次加载最大应力前仅极少声发射事件发生，而加载应力值达到上次加载最大应力以后产生大量新的声发射事件，证明岩样在循环加卸荷作用下存在声发射Kaiser效应，而无Felicity效应产生。岩石破裂是瞬间产生的，同时伴随着响声，也进一步说明了灰砂岩的脆性较大。

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