二长花岗岩受力记忆的声发射检测试验研究∗

张月征　纪洪广†　侯昭飞　常 量

（1北京科技大学土木环境工程学院　北京　100083）

（2中国五矿集团公司　北京　100044）

（3机械工业勘察设计研究院　西安　710043）

二长花岗岩受力记忆的声发射检测试验研究∗

张月征1纪洪广1†侯昭飞2常 量3

（1北京科技大学土木环境工程学院北京100083）

（2中国五矿集团公司北京100044）

（3机械工业勘察设计研究院西安710043）

为研究岩石类材料的受力记忆能力，本文采取三轴循环加卸载的力学试验和声发射试验方法，获取了二长花岗岩受力过程中的应力-应变曲线及声发射特征参数数据。分析表明：（1）在加卸载过程中，初始压密阶段、弹性阶段、塑性阶段、峰后阶段四个阶段声发射特征明显，循环过程中Kaiser效应十分明显。（2）在较低应力水平阶段，Kaiser效应现象较为明显；在较高应力水平阶段，Felicity效应现象较为明显。（3）岩石试样对应变的记忆准确度要高于对应力的记忆准确度，岩石的物性参数（应变）记忆能力要明显好于状态参数（应力）。关键词声发射，Kaiser效应，不可逆性，不可逆比

1　引言

岩石类材料的应力-应变关系与其自身经历的历史力学过程密切相关，在完全相同的环境条件下相同的岩石材料可能因其经历的力学过程不同而产生差异明显的变形，也就是说在某些条件下岩石能够“记忆”其之前所承受的应力过程或经历变形的过程［1-2］。研究岩石材料的“记忆”属性往往借助声发射试验，主要是利用岩石声发射的Kaiser效应，表征岩石声发射的不可逆性的参数有不可逆比、平均不可逆比、不可逆比均差值、不可逆比偏差值［3-4］。一般情况下，研究岩石声发射不可逆性（即记忆效应）多从应力记忆着手，并且取得了一定进展［5-6］。岩石声发射Kaiser效应的力学本质是岩石受到载荷后内部的损伤会增加（新的微裂纹出现或原有微裂纹扩展），重新加载时，只有在达到先前最大载荷后新的损伤才会重新扩展［7-8］。Kaiser效应表现的是岩石对所经历的外部条件的改变的记忆，而其实质是岩石对自身受到的损伤程度的记忆，它明确表达了岩石材料破坏过程的不可逆性［9］。

为研究岩石材料声发射不可逆性规律，本文对二长花岗岩的三轴循环加卸载试验和声发射试验数据进行研究分析，通过对不可逆比的讨论，展开了对岩石Kaiser效应、记忆内容及记忆准确性比较的研究［10-11］。

2　岩石力学试验与声发射试验

2.1岩石材料声发射的不可逆效应

Felicity效应与Kaiser效应相对应，是指材料重复加载到先前所加最大载荷之前发生明显声发射的现象，也可称作是反Kaiser效应，不可逆比、平均不可逆比值、不可逆比均差值、不可逆比偏差值四项参数是描述表征材料声发射不可逆性的主要指标。

（1）不可逆比值

在岩石声发射试验研究中，不可逆比值表征材料“记忆”先前所经历应力过程的能力，该值越接近1表示材料对应力的“记忆”越准确；该值大于1表征岩石材料“记忆”滞后，反之则表示岩石材料“记忆”超前。研究中可将此概念延伸至岩石材料其他物理力学参数，如可采用应变不可逆比来表征岩石的“记忆”能力，则有FR（ε）［12］。

下标k表示重复加载时再次出现声发射信号增强时所对应的荷载值；下标p表示先前所受最大荷载值。

（2）平均不可逆比

基于简单数学统计原理建立的平均不可逆比值则反映了岩石材料整体上对应力、应变“记忆”能力的优劣程度，其计算式为

该值越接近1表示“记忆”越准确。

（3）不可逆比均差值

岩石材料记忆误差值为不可逆比值与1的差的绝对值，即En=|FR-1|，误差值反映了岩石记忆应力、应变超前或滞后的绝对程度；试验所得记忆误差的平均值为该岩石的不可逆比均差值PEn，计算式为

该值反映岩石记忆应力、应变能力的损失程度，可表示记忆能力超前或者滞后的程度，均差值越大，表明岩石记忆应力、应变的能力损失越强烈；均差值越小，表明不可逆比值越接近1，记忆的能力越准确。

（4）不可逆比偏差值

研究中可能会出现岩石记忆能力普遍超前或普遍滞后的现象，还需研究材料记忆稳定性的情况，岩石材料记忆能力偏差值为不可逆比值与平均不可逆比的差值的绝对值，即Dev=|FR-PFR|，平均偏差值PDev为所有不可逆比偏差值的平均值，计算式为

平均偏差值可表明研究范围内岩石整体上记忆先前应力、应变状态的稳定程度，该值越小，表明记忆稳定性越好；反之，则说明岩石记忆能力超前或滞后的波动越厉害，稳定性越差。

2.2试样选取与试验设备

试验中所选用的岩石材料均取自山东招远玲珑金矿大开头矿区地质钻孔内的二长花岗岩，采样深度为-600 m以下、-1100 m以上地层。试件加工为ϕ50 mm×100 mm圆柱体，岩样表面光滑，无明显影响试验的缺陷，加工精细，保证不平行度、不垂直度精度达到±0.02 mm，防止岩样在试验过程中受到集中偏心应力而影响试验结果的准确性，见表1。

表1　三轴压缩试验岩石试件信息Table 1 Rock information in triaxial compressive test

试验设备：GAW-2000型电液伺服刚性压力试验机、西德产300 kN压力传感器、日本进口7V07程序控制记录仪、沈阳计算机技术研究所研制的AE21C声发射监测系统。

2.3试验步骤

放置花岗岩试件，连接伺服试验机系统，开始试验，使压力机与试件接触良好，在试件正式受压的同时记录力学和声发射数据，此时将围压加载至相应水平，保持围压不变；进行轴向加载，前期采用应力控制方式，加载速率500 N/s，后期采用变形控制加载，变形控制速率为0.006～0.012（mm/min），同时按照循环加卸载要求直至失稳破坏，加压应力水平见表2。

表2　三轴刚性压缩循环加卸载加压应力水平表Table 2 Stress level table in triaxial cycle load-unload experiment

3　岩石声发射记忆效应试验结果分析

3.1试验结果分析

观察图1与图2，在进行三轴循环加卸载过程中，二长花岗岩试样受力变形的初始压密、弹性、塑性、峰后破坏四阶段声发射信号特征明显［13-14］。初始压密阶段，岩石材料内部的微裂缝在较低应力水平下闭合压密，几乎无声发射信号，本试验中该过程十分短暂。当应力-应变曲线进入线性增长的模式时，即为弹性阶段，该阶段以弹性压缩变形为主，后期在向塑性过渡时声发射信号有增强趋势。当应力-应变曲线在线性增长过程之后进入塑性阶段，声发射信号出现猛增现象，说明此时岩石材料内部损伤裂缝发展扩大。破坏阶段的岩石内部损伤发展加剧，裂缝贯通进而岩石承载能力降低，所以产生强烈的声发射信号。

图1　试样G5-13应力-应变及应力-时间特征参数关系图Fig.1　Feature parameters diagrams of stressstrain and stress-time of sample G5-13

同时，岩石的循环加卸载过程中，声发射信号亦呈现相应特征。岩石的Kaiser效应十分明显，每次循环当加载超过上一次峰值之后时，声发射信号才开始增强；每次循环卸载到最低值过程中声发射信号十分微弱，几乎为零；在加载到上一次峰值之前，也无声发射信号产生。因此，参照循环加卸载过程中声发射特征，可根据岩体中所释放的声发射信号来判断岩体是处在应力-应变的何种过程中，是处在加载阶段还是处于卸载阶段，进而为评价实时岩体安全稳定性提供依据。

图2　试样G2-3应力-应变及应力-时间特征参数关系图Fig.2　Feature parameters diagrams of stressstrain and stress-time of sample G2-3

3.2不可逆比值随应力水平变化以及Kaiser效应有效范围讨论

试验结果表明，试验获取的应力-应变和声发射数据典型，符合声发射规律特征。在此基础之上进一步分析声发射不可逆特征，首先根据式（1）和式（2）及试验数据获取不可逆比值，结果如表3所示。

表3　试样G5-13结果统计Table 3 Statistics of sample G5-13

由表3可得加卸载过程中以应力为记忆参量的不可逆比与相对应力水平变化关系，如图3所示。

图3和表3反映了相对应力在50%—85%期间的不可逆比值的变化，对受压岩石来说，这正是弹性阶段中期至塑性阶段中期。通过对表和图的分析可以看出：

（1）在弹性阶段的中期和后期，即相对应力水平在50%—63%时，应力的Felicity比值分别为1.163和1.09，Kaiser效应是较为清晰的。在此阶段有与所加应力平衡的微裂纹结构，岩石的蠕变可以忽略不计，即岩石的微结构稳定，且与时间无关，所以应力能被记忆下来，Kaiser效应较为明显。

（2）在弹性变形阶段的后期至塑性变形阶段的中期，即相对应力水平在67%—83%时，应力的Felicity比值分别为0.956，0.944和0.857。在该阶段，试样内斜交或平行加载方向的裂隙扩展迅速，岩石内部损伤程度高，声发射信号的恢复表现出超前现象，Felicity比值小于1，应力的记忆能力明显超前，表现出明显Felicity效应，且不可逆比值随着应力的升高而降低。

由此可知，在应力水平低于峰值强度的63%时卸载后的重复加载过程中，在未达到前次加载应力水平之前时岩样的声发射事件数很少或不产生声发射，即出现典型的Kaiser效应现象；而在超过67%峰值强度的应力水平卸载后的重复加载过程中，则出现明显的声发射现象，即出现所谓的Felicity现象。

图3　二长花岗岩FR（σ）随相对应力水平变化曲线Fig.3　The relation curve of irreversible ratio（stress）and the relative stress of monzonitic granite

3.3岩体记忆内容准确性比较

为比较分析岩石在不同应力水平下应力与应变记忆能力的准确度，由表3数据，在图3的基础上加入以应变为记忆参量的不可逆比，得出分别以应力和应变为记忆参量的不可逆比与相对应力水平的变化关系，如图4所示。

图4　二长花岗岩FR随相对应力及应变水平变化曲线比较Fig.4　The relation curve of irreversible ratio and the relative stress of monzonitic granite

图4表明，无论选取应力作为记忆参量，还是选取应变作为记忆参量，其总体的波动变化趋势存在一定的相似性，岩石应力与应变有一定的关联性，应变是应力状态的外在显现。

为进一步比较两者的关系，根据式（3）～式（5）分别计算平均不可逆比、不可逆比均差值、不可逆比偏差值三个参数，结果见表4。

表4　应力记忆与应变记忆比较Table 4 Comparison between stress memory and strain memory

参照表4，比较分析：

（1）从平均不可逆比值来看：平均应力不可逆比值为1.002，平均应变不可逆比值为1.067，即说明在研究范围内岩石记忆能力上，对应力的记忆要优于对应变的记忆。

（2）从不可逆比均差值来看：应力不可逆比均差值为0.0992，应变不可逆比均差值为0.067，即说明应变记忆均差值较小，应变不可逆比值更趋近于1，记忆损失越微弱，记忆效果更好。

（3）从不可逆比偏差值来看：应力不可逆比偏差值为0.0996，应变不可逆比偏差值为0.0316，即说明应变记忆的平均偏差值较小，记忆稳定性越好；而应力记忆在研究范围内记忆超前或者滞后波动厉害，记忆稳定性差。

综合对以上参数的比较可知，岩石试样对应变的记忆准确度要高于对应力的记忆准确度，这说明岩石声发射的Kaiser效应记忆的是岩石在受到先前最大损伤时内部的物理特征。岩石记忆应力的能力，是通过岩石应变损伤实现的，实质上Kaiser效应记忆的是历史应变，通过历史应变反演出历史应力。应力记忆是间接记忆参量，而应变直接反映损伤，是岩石记忆的直接参量，故而，对应变的记忆要优于对应力的记忆。

4　结论

（1）在对二长花岗岩试样进行三轴循环加卸载过程中，初始压密阶段、弹性阶段、塑性阶段、峰后阶段四个阶段声发射特征明显；同时在循环过程中Kaiser效应十分明显，在循环的卸载及再加载阶段（上一次峰值前）声发射信号微弱，在加载到上一次峰值之后才有明显的声发射信号产生。

（2）在较低应力水平阶段（相对应力低于63%），Kaiser效应现象较为明显；在较高应力水平阶段（相对应力高于67%），Felicity效应现象较为明显。

（3）由平均不可逆比值、不可逆比均差值、不可逆比偏差值三个比值综合比较分析可以得出，岩石试样对应变的记忆准确度要高于对应力的记忆准确度，岩石的物性参数（应变）记忆能力要明显好于状态参数（应力）。

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Monzonitic granite memory based on the acoustic emission testing

ZHANG YuezhengJI Hongguang1HOU Zhaofei2CHANG Liang3
（1 State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines Ministry of Education，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）
（2 China Minmetals Corporation，Beijing 100044，China）
（3 China JK Institute of Engineer Investigation and Design，Xi'an 710043，China）

In order to study the memory capacity of rock materials，AE experiments were used to investigate rock stress or strain memory ability.The monzonitic granite was taken as the research object，and triaxial cyclic loading and unloading mechanical test was carried out to obtain the stress-strain curves of the rock.At the same time acoustic emission characteristic parameters were recorded.The analysis shows that：1.In the process of loading and unloading，the four stages include of initial compaction phase，elastic stage，plastic stage，and post-peak phase，which have obvious acoustic emission characteristics.Kaiser effect is very obvious.The loaded into the last peak before anyone had obvious acoustic emission signal is generated.2.At the low stress level stage，Kaiser effect phenomenon is obvious.At the high stress level stage，Felicity effect is obvious.3. The accuracy of rock memory to strain is higher than stress，in other words，the memory capacity of physical parameters（strain）is better than state parameter（stress）.

Acoustic emission，Kaiser effect，Irreversible，Irreversible ratio

TU528

A

1000-310X（2015）02-0163-06

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.02.012

2014-07-14收稿；2014-09-15定稿

∗国家自然科学基金（51174015），国家重大基础研究项目（973计划）（2010CB226803，2010CB731501）

张月征（1986-），男，河北人，博士研究生，研究方向：岩土工程。

E-mail：jihongguang@ces.ustb.edu.cn