红砂岩单轴压缩与短时蠕变破坏声发射试验

陈　康

(江西理工大学建筑与测绘工程学院)



红砂岩单轴压缩与短时蠕变破坏声发射试验

陈康

(江西理工大学建筑与测绘工程学院)

摘要岩石在不同应力状态下，其声发射特征有所区别，研究对比单轴压缩和蠕变2种状态下岩石的声发射特征对预测岩石破坏具有重要意义。通过进行红砂岩单轴压缩声发射试验和分级加卸载短时蠕变破坏声发射试验，对比分析了2种状态下声发射事件率和振幅的变化规律。试验结果表明：声发射事件率在蠕变破坏和单轴压缩破坏过程中总体规律相近；在单轴压缩破坏过程中在加载早期振幅较大，之后有所减小，直至破坏前增大明显，然而在蠕变破坏过程中，振幅在进入蠕变破坏加速阶段和破坏前均有明显增大的趋势。可见，相对于声发射事件率，振幅在一定程度上可作为蠕变破坏与单轴压缩破坏的声发射判据。

关键词红砂岩单轴压缩破坏短时蠕变声发射事件率振幅

20世纪30代末，Obert、Duvall发现岩石在受压过程中，其内部结构存在声发射[1]活动，并将该项技术应用到岩爆与矿柱稳定性监测中。声发射监测作为一种岩石无损监测方法，不仅能实时反映岩石微裂纹的演化行为，从而对岩石发生灾变进行预测、预报，而且还提供了估测地应力的方法，因此得到了广泛应用，成为研究岩石损伤和破坏机理的有力工具[2-3]。陈宇龙等[4]对比分析了砂岩在初始压密、弹性变形、应变硬化、应变软化等4个阶段的声发射特征；苏承东等[5]研究了砂岩在单三轴压缩过程中的声发射特征；赵奎等[6]研究了不同应力水平条件下砂岩蠕变声发射频率特征；曹树刚等[7]对具突出煤样单轴压缩下的全应力-应变、蠕变破坏过程中的声发射特征进行了对比研究。由此可见，关于岩石单轴压缩声发射方面的研究成果丰硕，关于岩石蠕变破坏声发射方面的研究成果则相对较少。岩石声发射的产生与岩石的蠕变损伤有关，但两者间的量化关系尚未构建，如何更好地利用声发射信号对蠕变破坏行为进行分析，采用声发射对岩石蠕变破坏进行监测和预报，值得深入探究[8]。本研究根据龚囱等[9]所做的红砂岩分级加卸载条件下的短时蠕变声发射试验，设计与之条件相近的红砂岩单轴压缩声发射试验，对比分析2种试验条件下红砂岩的声发射事件率和振幅的变化规律及特征，讨论2种应力状态下声发射参数的异同点，为确定岩石在不同应力状态下的声发射判据提供参考，为预测岩石破坏形式提供新的思路。

1试验系统与方案

1.1试验系统

本研究采用与文献[9]相同的试验系统，压力系统为RMT-150C岩石力学试验系统，由中国科学院武汉岩土力学研究所研制，声发射系统为SAEU2S数字声发射系统，由北京声华兴业科技有限公司研制。其中，压力系统最大荷载为1 000 kN，活塞行程50 mm，机架刚度5 MN/mm。声发射系统为多通道声发射系统,可实时采集声发射信号。

1.2试验方案

本研究所用试件为红砂岩，根据相关标准[10]，岩石经钻取、切割和打磨之后，制备成6件标准试件(50 mm×100 mm(直径×高度))。经测量，试件的平均密度2 335 kg/m3，纵波波速2 505 m/s，含水率0.96%。本研究单轴压缩声发射试验采用的加载方式为力控制，加载速率0.5 kN/s，声发射门槛值为50 dB，采样率为1 Mpbs，整个试验过程采集声发射信号，声发射传感器用胶布固定于试件中部，采用硅胶作为耦合剂。

2试验结果

2.1单轴压缩声发射特征

声发射事件率和振幅是常用的参数，事件率通常以1秒为1个计数单位，振幅通常用单位(dB)表示。该2个参数在分析岩石损伤方面有重要的参考价值，因此研究事件率和振幅在蠕变状态和单轴压缩状态下的变化特征对于研究岩石的损伤过程和破坏机理具有重要的意义。由图1可知：大部分的砂岩变形特征基本相近，均经历初始压密、弹性变形、应变硬化、应变软化等4个阶段[11]，在该4个阶段中，岩石的声发射特征各不相同[12]。

图1　单轴压缩状态下应变、声发射参数与时间关系

本研究所用的6件红砂岩样品试件在加载初期便开始产生声发射信号。在初始压密阶段声发射事件率大，振幅相对较小，在该阶段中，岩石中的节理和原生裂纹等逐渐被压密，裂隙的粗糙面被挤压而产生声发射信号，随着应力的增大，试件内部节理和原生裂纹充分压密，成为1个弹性体，进入弹性变形阶段，在该过程中由于试件体积不断减小，声发射事件率减小，振幅也较小。当应力继续增大，应变增大的速度变缓，进入应变硬化阶段，此时声发射信号增强，事件率逐渐增大，振幅骤然增加，在该过程中，试件内部逐渐产生宏观裂隙，并随着应力的增加，裂纹扩展直至贯通汇合，形成断裂面。最后试件进入应变软化阶段，事件率达到最高值，振幅略有下降。在试件破坏后的一段时间内，岩石仍具有一定的承载力，此时，声发射信号强度逐渐减弱，声发射事件率骤减，振幅也随之变小。

2.2蠕变声发射特征

岩石蠕变曲线根据应变速率的不同，其蠕变过程可分为减速蠕变、等速蠕变、加速蠕变等3个阶段[13]。龚囱等[9]所做的分级加卸载条件下红砂岩短时蠕变试验，发现了在第5级加载过程中出现加速阶段。因此，本研究利用第5级加载过程中的声发射事件率和振幅曲线图(图2)描述岩石蠕变破坏过程中的声发射事件率和振幅的变化特征。

图2　蠕变状态下应变、声发射参数与时间的关系[9]

由图2(a)可知，试件在前2个阶段(减速阶段、等速阶段)，声发射事件率随着时间的增大而减小，在减速阶段初期相对较大，之后逐渐下降；在加速阶段，声发射事件率在初期略有增大，之后开始减小，最后在破坏前十数秒，声发射事件率骤然增大，直至破坏。

由图2(b)可知，在减速阶段初期，振幅在初期相对较大，之后随着时间的增大而减小，达到一定范围后维持相对不变；在等速阶段，振幅基本不变，在接近加速阶段时，振幅增大明显，在进入加速阶段初期，振幅增大仍然明显，之后有一定程度的减小，在临近破坏时，振幅骤然增大，直至破坏。总体上看，振幅在加速阶段的均值大于减速阶段和等速阶段。

由于红砂岩内部存在原生裂纹、节理、层理等软弱结构面，因而在加载过程中，原始裂纹闭合与新的裂纹的形成、扩展都会产生声发射信号。在单轴压缩与蠕变2种应力状态下，红砂岩均有明显的应力-应变阶段，声发射参数的阶段性变化特征较明显。

3结论

(1)2种应力状态下红砂岩试件在早期均出现了声发射活动，反映了裂隙、节理闭合的影响，随着时间的变化，声发射事件率较加载初期有所下降，在临近破坏时，声发射事件率和振幅均增大明显。

(2)2种应力状态下红砂岩试件的声发射事件率和振幅的峰值分布均可与应力-应变曲线有较好对应。

(3)在整个蠕变破坏过程中，声发射事件率在减速阶段初始值较大，之后随着时间的增大不断减小，直至加速阶段，在试件破坏前十数秒骤然增大。然而在单轴压缩破坏过程中，声发射事件率在第1阶段初始值较大，之后在短期内声发射事件率随试件的增大而减少，减少至一定范围内保持稳定，最后在即将破坏前声发射事件率才不断增大，且增大的速率不断变大，直至破坏。

(4)振幅在蠕变破坏全过程起始阶段相对较大，之后略有减少，减少至一定范围后并维持在一定水平，直至进入加速阶段和破坏阶段时才明显骤增。然而在单轴压缩破坏过程中，振幅在前期也相对较大，但之后随时间的增大总体上有所减小，直至破坏前振幅才明显增大。

参考文献

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[2]Alexandre C,Igor S.A comparative acoustic emission study of compression and impact fracture in granite[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2013,50(6):56-59.

[3]Xie H P,Liu J F,Ju Y,et al.Fractal property of spatial distribution of acoustic emissions during the failure process of bedded rock salt [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2011,48(8):1344-1351.

[4]陈宇龙，魏作安，许江，等.单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究[J].煤炭学报，2011(S)：237-240.

[5]苏承东，翟新献，李宝富，等.砂岩单三轴压缩过程中声发射特征的试验研究[J].采矿与安全工程学报，2011，28(2)：225-230.

[6]赵奎，林颖，熊雪强，等.不同应力水平下砂岩蠕变声发射频率特征研究[J].铜业工程，2012(4)：22-24.

[7]曹树刚，刘延保，张立强，等.突出煤体单轴压缩和蠕变状态下的声发射对比试验[J].煤炭学报，2007，32(12)：1264-1268.

[8]孙钧.岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展[J].岩石力学与工程学报，2007，26(6)：1081-1106.

[9]龚囱，李长洪，赵奎.红砂岩短时蠕变声发射b值特征[J].煤炭学报，2015(S)：85-92.

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[11]姜永东，鲜学福，许江，等.砂岩单轴三轴压缩试验研究[J].中国矿业，2004，13(4)：66-69.

[12]姜永东，鲜学福，尹光志.岩石应力应变全过程的声发射及分形与混沌特征[J].岩土力学，2010，31(8)：2413-2417.

[13]蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2002.

Acoustic Emission Tests of Uniaxial Compressive Failure and Short-term Creep Compressive Failure of Red Sandstone

Chen Kang

(School of Architectural and Surveying & Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology)

AbstractThe acoustic emission characteristics of rock under different stress conditions are different.Analyzing the acoustic characteristics of rock under uniaxial compression and creep compression is of great significance to predict the rock failure.The acoustic tests of uniaxial compressive failure and creep compressive failure by using step loading and unloading method are done to analyze the changing rule of acoustic emission rate and amplitude of red sandstone under the two states.The results show that the changing rules of acoustic emission rate under the uniaxial compressive failure and creep compressive failure are similar;the acoustic emission amplitude is large in the initial stage during the uniaxial compressive failure,then,it is inclined with time increasing and finally,it is increased again significantly before the specimen failure,however,during the creep failure,the acoustic emission amplitude is increased during the creep failure step into acceleration phase and before the specimen failure.Based on the above analysis results,it can be inferred that compared with the acoustic emission rate,the acoustic emission amplitude can be taken as the criterion of red sandstone under uniaxial compressive failure and creep compressive failure to some extent.

KeywordsRed sandstone, Uniaxial compressive failure, Short-term creep, Acoustic emission rate, Amplitude

(收稿日期2015-11-01)

陈康(1989—)，男，硕士研究生，341000 江西省赣州市章贡区客家大道156号。