岩石脆性临界破坏的声发射特征分析

袁永才， 刘善伟， 柳 尚， 胡 杰

(山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)



岩石脆性临界破坏的声发射特征分析

袁永才*， 刘善伟， 柳 尚， 胡 杰

(山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)

根据岩石变形破坏过程中应力-应变和声发射事件数-应变曲线所表征的声发射信息特征，利用重整化群理论，研究了岩石破裂过程中声发射信息与加载过程的相关性.研究表明：声发射特征参数蕴含丰富的损伤渐进破坏前兆信息，岩石变形破坏前声发射特征参数在变形破坏阶段会有明显的“相对平静期”，特别是当应力水平达到70%～80%之后.声发射信息出现的“相对平静期”可以作为判识岩石破裂的参照信息；岩石破裂的视电阻率识别值和声发射特征识别值对应的应力水平相近，比波速特征识别值同步性好，敏感程度高.通过试验分析与理论研究，验证了将声发射特征信息用于表征岩石破裂前兆信息的准确性.

声发射；脆性破坏；应力比值；前兆信息

岩石等材料在加载过程中其内部原生裂隙和缺陷的拓展,以及在加载过程中新生裂隙的孕育、演化、拓展和贯通，直至岩石发生断裂破坏均以弹性波的形式释放应力应变能，这种现象称为声发射(acoustic emission，AE).目前，岩石的声发射技术已经广泛应用于隧道、水利水电等地下工程的岩爆监测和矿山地压监测当中.

岩石材料声发射技术的研究有助于揭示岩石材料内部原有和新生微裂隙的萌生、拓展、贯通和断裂的演化规律.同时，声发射技术也可用于岩石类材料的微破裂、地震序列、原岩地应力以及岩体稳定性等方面的监测.

目前，针对岩石变形破坏过程中声发射信息的研究许多学者已经做了很多工作.李俊平等将岩石声发射技术应用到矿山深部开采的安全生产当中，通过监测深部开采的岩体破裂过程的声发射特征，研究了岩体失稳的声发射预报机制[1].周子龙等通过室内试验和数值计算，研究得到在动力扰动条件下岩石的声发射信息主要发生在扰动峰值后，在高应力状态下，扰动作用触发裂隙的拓展和拉伸，从而导致岩石的贯穿溃崩破坏[2].周喻和韩同春等采用数值计算的方式，研究了岩石破裂过程的声发射模式，探讨均质岩石和含缺陷岩石的声发射差异[3,4].李庶林等通过声发射定位的方法研究了岩石内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通三维空间演化模式[5].李楠等研究了在直接拉伸、劈裂及单轴压缩、循环加载、分级加载、周期性循环载荷等一系列不同加载方式下岩石破裂过程的声发射特征与规律[6].同时，许多学者还研究了影响岩石声发射的其他因素，例如不同含水率[7]、不同岩性[8，9]以及干燥与饱和岩石在循环加卸载过程中的声发射特征等.

在岩体稳定性监测预报方面，声发射事件异常信息常作为岩石破裂前兆.例如将岩石破裂前声发射强度分形维值的持续降维作为岩石破裂的前兆特征；将声发射相对震级分布的函数b值作为岩石破坏前兆特征.岩石是一种内部含有大量原生裂纹、孔隙的天然粒状材料，具有非均质和组成结构的复杂性，在加载变形过程中呈现复杂的声发射特征.

上述在岩石声发射试验和理论方面开展的研究，增强了对岩石变形破坏过程中声发射特征的认识，促进了声发射预测技术在岩石破坏诱发的地质灾害中的应用.同时，声发射技术是一门理论落后于应用的技术，主要体现在对岩石材料的声发射破裂机理认识不足，迄今为止主要集中在定性方面的研究，且所获得的共性的、具有普遍意义的结果不多.特别是岩石声发射特征与其受载条件的关系还缺乏系统分析.本文基于岩石材料变形破坏特征，从岩石应力比的角度分析了岩石破裂前临界应力点附近声发射的变化特征，基于试验分析和理论研究得出发射特征，用于表征岩石破裂前兆信息的准确性.

1 岩石破坏过程与AE事件率变化

1.1 试验分析

根据文献[10]的研究，受压条件下岩石破坏划分为压密阶段(OA段)、弹性阶段(AB段)、稳定破裂阶段(BC段)、非稳定破裂阶段(CD段)和峰后阶段(DE段)，如图1所示.

(1) 压密阶段.岩石内部原有裂隙压密闭合，尚未形成新裂隙.在这一过程中，岩石的声发射事件数相对较少，AE事件率处于较低水平，通过AE事件率-应变曲线可以看出，该段对应于oa段.

(2) 弹性阶段.岩石内部裂隙仅发生弹性变形，不产生裂纹的拓展，同时没有新裂纹的产生，在该阶段AE事件率依旧较低，且变化不明显，通过AE事件率-应变曲线可以看出，该段对应于ab段.

(3) 稳定破裂阶段.当应力达到裂纹破裂起始阀值后，岩石内部开始出现新生裂隙，原有裂隙出现破裂拓展.新生裂隙的产生和原有裂隙的拓展，引起岩石总体积发生改变，岩石AE事件率增大，进入扩容阶段，通过AE事件率-应变曲线可以看出，该段对应于bc段.

(4) 非稳定破裂阶段.岩石发生非稳定破裂的前期，岩石裂隙急剧生长，以致贯通，岩石变形明显增加，岩石声发射数量骤增；在中期阶段，裂隙拓展导致应力重分布，吸收能量，因此声发射事件数维持在一个相对平静的时期，但AE事件率依旧处于一个较高的水平；在后期阶段，随着岩石内部裂隙岩桥被切穿，岩石内部形成宏观裂纹破坏，AE率达到最大值，通过AE事件率-应变曲线可以看出，该段对应于cd段.

根据AE事件率-应变曲线，标记点f处的应力与岩石峰值应力的比为λf.

在以往的岩石力学试验中，往往注重岩石破裂过程中应力-应变关系的研究，而忽略了时间效应的影响.由于岩石自身条件的非均质性和受力破坏过程的非线性，开展岩石受力破坏过程中的时间效应研究显得十分必要.

图2为对绢英岩化花岗岩单轴压缩破坏全过程试验曲线[11]，在加载初期阶段，AE事件数的变化趋势类似于应力-应变曲线的变化趋势，在岩样达到应力峰值强度前，随着应力的不断增加，单位时间内的AE事件数减少，AE事件数曲线趋于平缓.岩样在达到峰值强度前，随着应力的增加，AE事件率降低，出现声发射事件的“相对平静期”.平静期过后，随着岩样应力的不断增加，直至出现峰值强度，在此过程中声发射事件数激增.

图3为采用位移控制方式对煤样进行单轴压缩试验时，煤样的全应力-应变-声发射事件率关系曲线[7]，煤样在进入非稳定破裂阶段后，声发射事件率突然降低，此时对应的应力与煤样峰值应力的比为λf=72.1%，同时伴随发生煤样微破裂甚至崩裂的现象，随着声发射事件率的阶跃，煤样达到峰值强度，与此同时，全应力-应变曲线出现不规则的拐点.

图4为在单轴加载试验中花岗岩破裂过程声发射事件数量变化情况[12]，岩石受压破裂损伤初期声发射数量较少，在达到峰值应力强度前，声发射数量相对减少，并持续一段时间，形成一段相对平静期，相对平静期初始位置对应的应力与花岗岩石峰值应力的比为λf=80%.相对平静期内，岩石裂隙的扩展需重新聚能，在裂隙完全破裂贯通前处于能量聚集期，由于能量的吸收，声发射数量相对减少.随着应力的增大，岩体内部细微裂纹重新破裂贯通，声发射事件数量开始增多.当岩石进入破裂损伤阶段后期，岩体内部的裂纹将进一步发生拓展，声发射事件数急剧上升，在峰值应力时声发射事件数达到最大值.峰后阶段，岩体内部大裂纹发生贯通，岩石受压发生完全破坏，此时声发射事件数量略有下降，但依旧十分活跃，经过一段时间后达到基本稳定状态.

图5为砂岩在加载速率0.1 mm/min条件下的声发射特性试验曲线[13]；图6为砂岩在加载速率0.5 mm/min条件下的全应力-应变-声发射振铃计数特性试验曲线[14].得到的结论与前述研究成果相同，验证了岩石破裂前期，达到峰值应力强度之前，声发射事件会产生一个“相对平静时期”，随着应力强度的持续增大，声发射事件数急剧增加，应力随之达到峰值强度，岩石破裂.同时可得图5和图6中，相对平静期初始位置对应的应力与砂岩峰值应力的比λf分别为75%和73.3%.

在矿山工程岩体声发射技术的监测应用中，矿山采场冒顶、片帮和岩爆等岩体破裂灾害发生前均出现声发射事件率的突然降低或出现相对平静期的现象.同时众多的室内岩石试验也可证实岩石破坏过程中存在声发射平静期现象，并标志岩石峰值破坏的来临.

基于岩体的声发射特征试验，研究得出当应力强度达到峰值强度的80%以上后，岩体临近破坏，声发射活动经历平静期后急剧增加，岩体最终产生破坏.由于岩体破裂过程中产生的AE事件在时间序列上存在非均匀性，因此将岩体破裂过程划分为初始区(Ⅰ)、剧烈区(Ⅱ)、下降区(Ⅲ)和沉寂区(Ⅳ)4个阶段，如图7所示.岩体在Ⅱ区范围内发生完全破坏，而Ⅲ区和Ⅳ区的存在并非表征岩体趋于稳定，而是岩体在发生完全破坏过程中声发射活动经历高峰后逐渐趋于相对平静阶段.同时，根据李庶林等人的研究成果[27]得出，岩体发生破坏前，声发射事件存在突然下降或相对平静阶段.

据此可得，岩体破裂过程中，声发射出现的“相对平静期”是由于岩体本身存在自然损伤和外力扰动损伤，随着外荷载的增加，在损伤区域形成“聚能区”或“严重损伤区”，因而产生较高的声发射事件频度，“聚能区”能量释放后，岩体继续产生破裂，此时“聚能区”将经历“损伤愈合”或“能量重新聚集”的过程，吸收应变能，从而产生岩体破坏过程中声发射事件存在突然下降或相对平静阶段的现象.因此，可将声发射活动急剧增加后突然发生下降或出现平静阶段作为岩体发生破坏的前兆信息，作为岩体失稳判据.

1.2 理论分析

本文通过对前人岩石声发射实验的研究分析，得到岩石破裂过程中前兆信息点f的应力水平为峰值应力的70%～80%.基于三维重整化群的破坏概率，从理论上研究岩石声发射临界点f的应力和岩石破坏峰值应力的关系，与试验进行对比验证.利用Weibull分布[10]表示岩石的破坏概率P为

(1)

式中，ε为岩石的轴向应变；εr为轴向应变的平均测度；m为形状分布参数，岩石材料越均匀则形状分布参数越大，岩体之间强度的离散性则越小.根据文献[10]得到应变软化型岩石的本构模型为

(2)

式中，σ为差应力；E为弹性模量.对式(2)求应变导数，求得峰值强度对应的应变值εd为

(3)

基于重整化群理论[10]，可得对应临界点f处的岩石临界破坏概率Pf为

(4)

由式(1)和式(4)，可得岩石临界破坏开始点的应变εf为

(5)

将式(3)和式(5)分别代入式(2)，可以得到εd对应的应力与εf对应的应力之间的关系

(6)

取形状分布参数m分别为3、4、5、6、7时计算得到的应力水平分别为84.4%、80.4%、77.1%、74.3%、71.9%，其平均值为77.62%.其中，m的取值方法参见文献[15].由此可见，随着形状分布参数的增大，岩石材料变得均匀，岩体间强度的离散性减小，λf值逐渐减小，进而表明随着岩石均质性增强，发生非均匀破裂的前兆信息愈发明显.

由此可知，通过理论分析得到的结果与试验分析结果基本一致，证明了岩石破坏前兆信息点f处的应力与峰值应力的比值λf的范围是70%～80%.通过分析不同岩性和不同试验条件下的声发射特征数据，剔除部分90%以上和60%以下的试验数据，如表1所示，最终得到的前兆信息点f处的应力与峰值应力的比值λf是74.8%，误差在±9%以内，再次验证本文从试验和理论角度得到的结果.

2 岩石破裂特征识别值比较

岩石由完整到破裂存在明显的分界点，由于构成岩石的成分复杂，岩石赋存环境多样，导致不同的岩石破裂表征信息反馈形式不同.在岩石破裂过程中，视电阻率在岩石膨胀变形过程中存在突变行为；岩石达到临界应力发生破裂时，电磁辐射信息激增；岩石发生破裂导致内部裂隙结构拓展，岩石波速降低，波速信息突变可以作为岩石脆性破裂的前兆.

通过对不同岩性、不同试验条件以及不同临界点选取的数据分析，如表1所示.发现通过视电阻率、波速特征和声发射特征等岩石破裂临界前兆信息识别方法得到的λf值皆处于70%～85%之间.通过对比，岩石破裂的视电阻率识别值和声发射特征识别值对应的λf值相近，比波速特征识别值要提前一些，同时验证了本文将声发射特征用于表征岩石破裂前兆信息的准确性.

3 结 论

通过对岩石声发射特征试验的总结，开展对应的理论分析，得到以下主要结论：

(1) 声发射特征参数蕴含着丰富的岩石损伤渐进破坏的前兆信息，声发射信息出现的“相对平静期”可以作为判识岩石破裂的参照信息.

(2) 岩石破坏前兆信息点f对应的应力水平为峰值应力的70%～80%.岩石破坏的视电阻率识别值和声发射特征识别值对应的λf值相近，比波速特征识别值要提前一些.

(3) 确定了岩石变形破坏前出现的声发射事件数突然下降或相对平静期现象，可为岩体稳定性监测与预报的判据提供借鉴和思路.

表1 文献资料分析结果

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责任编辑：罗 联

Analysis of Acoustic Emission Characteristics of Critical Rock Brittle Failure

YUANYong-cai*,LIUShan-wei,LIUShang,HUJie

(Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University, Jinan 250061 China)

This paper studies the relationship between acoustic emission characteristics and rock brittle failure during the whole process of compression,and analyses the testing data of the stress-strain curve and the acoustic emission-stress curve based on renormalization group theory. This study shows that, acoustic emission characteristic parameters contain a large amount of information of rock damage and fracture. A quiet period of acoustic emission appears before rock failure, especially when the stress level reaches to 70%～80%. The quiet period of acoustic emission is the reference of rock brittle failure. The identification values of apparent resistivity and acoustic emission characteristics are similar and the wave velocity characteristics have poor synchronicity and less sensitive. The accuracy of acoustic emission characteristics used to characterize the precursor characteristic of rock fracture is verified based on the experimental analysis and theoretical study.

acoustic emission; brittle failure; stress ratio; precursor information

2015-10-15

国家重点基础研究计划(973计划)(2013CB036000)；国家自然科学基金重点项目(51139004)

袁永才(1987-)，男，山东 潍坊人，博士研究生. E-mail:yuanyc924@163.com

TD 315

A

1000-5900(2016)02-0016-07