单轴循环加卸载条件下大理岩力学以及声发射特征研究

藕明江，周宗红，王友新，王大明

（1.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2.新疆阿克苏塔河矿业有限责任公司，新疆 阿克苏 842000）

0 引言

在矿业开采过程中，特别是在埋深较大的地下进行施工作业，常常会使工程岩体处于一个类似循环加卸载的应力环境，如爆破时产生的应力波对围岩体以及支护设备的作用、硐室的开挖以及支护、地质构造作用等等，会对岩石的强度以及变形有着不同程度的影响，对地下施工人员的安全以及设备财产带来很大威胁。正因为其在实际工程中的普遍性和威胁性，使其受到广泛的关注。国内外许多学者进行了大量的研究，对实际工程施工具有重大的指导意义。

夏冬等[1]对闪长岩试件进行单轴循环加卸载力学试验及声发射试验，探讨了循环加卸载作用下干燥与饱和岩石失稳破坏的前兆规律；左建平[2]研究了煤岩组合体分级加卸载试验，发现与单轴作用相比，分级加卸载作用下煤岩组合体的破坏更为破碎，并且岩体的破坏以脆性为主；宋杰[3]对循环加卸载作用下岩石电阻率变化规律进行了研究，表明岩石电阻率变化与荷载变化或试件内微裂隙发展密切相关；王瑞红等[4]基于三轴循环加卸荷试验，研究了不同围压、不同应力状态、不同卸荷量对砂岩变形特征及参数的影响；彭瑞东等[5]通过岩石三轴循环加卸载试验，给出了基于能量分析的损伤变量定义及演化规律，可以较好地描述不同围压作用下的煤岩损伤演化程度；王昌等[6]通过对砂岩进行循环加卸载试验，揭示了砂岩在循环加卸载过程中的强度变化及声发射特征。Eberhardt[7-8]等通过单轴循环加卸载试验研究了脆性岩石的断裂损伤特性。Mingwei Zhang[9]等采用轴向加载和轴向变形控制模式对6种围压下的砂岩进行了三轴循环卸荷试验，得到了围压效应在能量积累和耗散中的演化过程和分布规律。R.Yoshinaka[10]对饱和软岩进行循环三轴试验，研究了软岩力学性质的非线性应力应变关系。实际的工程岩体所受到的循环加卸载作用是十分复杂的，存在多种不同的应力环境。前人进行的室内模拟试验是利用各种不同的应力条件来模拟实际岩体所受到的加卸载作用。本文设定恒差值循环加卸载以及恒下限循环加卸载两种应力条件，以此模拟工程岩体所受的循环荷载作用。经查阅相关文献，对这两种应力条件下岩石力学以及声发射特征的研究还较少，因此，本文的研究对工程施工有实际指导意义。

研究利用TAW—2000D电液伺服试验机以及装有SDAES数字声发射检测仪对大理岩进行室内力学试验。在试验中，每种应力条件进行多组试验，试验结束后对所得到的数据进行比对，剔除偏差较大的数据组。对剔除后的数据进行处理分析，对大理岩的强度特征、变形特征以及声发射特征进行研究，以探讨大理岩的破坏机制。

1 试验设备与方案

1.1 试样的制备

为了尽可能地减小试件对试验结果的影响，试验所用试样均是从同一块完整性以及均质性较好的大理岩取芯，加工为直径50mm、高100mm的标准圆柱试件，并对试件的端面进行仔细研磨，不平行度和不垂直度分别在±0.05°和±0.25°以内。

1.2 试验设备

试验主要在力学加载系统以及声发射监测系统两套设备上进行。加载系统为数字控制式电液伺服试验机TAW—2000D，该系统主要由围压加载系统、控制柜、门框式刚性主机、系统油源和计算机等组成，可施加的最大轴向载荷为1 000 kN。声发射监测系统为SDAES数字声发射检测仪，该系统主要由电信号前置放大器、信号处理器以及计算机组成。在试验开始前，将声发射换能器贴于试件中部用黄油进行耦合，并用橡皮筋将其和岩样固定，以尽可能地采集试验过程中的声发射信号。加载过程中，声发射信号被声发射换能器转换为电信号传送至前置放大器中，放大后再被传送到信号处理器中进行处理，处理后的信号会以声发射振铃以及能量等参数的形式在计算机上显示出来。试验装置如图1所示。

图1 声发射试验系统Fig.1 Acoustic emission test system

1.3 试验方案

试验进行单轴压缩试验以及2种方案的加卸载试验，即应力下限恒定的分级循环加卸载以及应力上下限差值恒定的分级循环加卸载。为了使岩样端部与加载上盘紧密贴合，首先给岩样2 kN的初始荷载，待岩样和加载上盘贴合稳定以后开始进行2种加卸载试验。（1）应力下限恒定的分级循环加卸载试验：以10MPa步长以及0.5 kN/s的加载速度对岩样进行轴向加载，每次加载至预设荷载值时以0.3 kN/s的卸载速度卸载至2 kN，如此反复加卸载直至岩样破坏。（2）应力上下限差值恒定的分级循环加卸载试验：以10MPa步长以及0.5 kN/s的加载速度对岩样进行加载，每次加载至预设荷载值时以0.3 kN/s的卸载速度进行卸载，第一个循环卸载至2 kN，此后的每一次循环均卸载至上一个循环的峰值荷载值，如此反复加卸载直至岩样破坏。

2 试验结果与分析

2.1 强度分析

由于岩石存在非均质性而导致个别试件的试验数据存在较大偏差，因此对其进行剔除，保留趋势较好、规律性较强的数据进行分析。对各组试验数据进行对比发现，单轴压缩下岩样的抗压强度和2种加卸载下岩样的抗压强度有较大差别：单轴压缩下的岩样平均抗压强度为51.36MPa，应力下限恒定加卸载（记作方案1）下的岩样平均抗压强度为60.85MPa，相比单轴压缩其强度增加了18.5%；应力上下限差值恒定加卸载（记作方案2）下的岩样平均抗压强度为67.48MPa，相比单轴压缩其抗压强度增加了31.4%。

由结果可以看出，两种方案对试件强度均有不同程度的提高。试验所用试件取自自然状态的大理岩，内部不可避免存在原生裂隙，试件在单轴压缩条件下仅存在一个微裂隙压密阶段，而经过循环加卸载试验，试件内部的部分微裂隙被反复压密闭合，进而增大了试件的强度。在方案1中，试件在循环加卸载的加载阶段，一部分微裂隙因加载应力而闭合，但在卸载阶段试件又被卸载至初始状态，使得部分在加载阶段被压密闭合的微裂隙又由于卸载作用而恢复至张开状态；方案2中，试件中的微裂隙同样经过加载阶段被压密闭合，但不同于方案1的是，试件在卸载阶段是卸载至上一个循环的峰值应力；相比于方案1，方案2中的试件在卸载阶段仍有一个较大的压应力使裂隙维持着被压密的闭合状态，只有少量的微裂隙张开。因此，恒差值加卸载对岩石强度的增幅要大于恒下限加卸载。

2.2 变形分析

恒下限以及恒差值加卸载下试件的应力应变曲线如图2。图2（a）发现存在较为明显的滞回环现象，加载曲线和卸载曲线并不重合，呈中间宽两端尖的柳叶状。图2（b）曲线近似直线而无明显的滞回环现象。此现象表明恒下限加卸载下的试件在加卸载过程中存在较大部分的塑性变形，而恒差值加卸载下的试件在加卸载过程中绝大部分变形为弹性变形。大理岩是一种脆硬岩石，之所以会出现较大塑性变形主要原因是内部微裂隙对变形产生影响。恒差值加卸载条件下，试件内部微裂隙闭合程度较高，很少有因微裂隙的闭合而出现的应变滞后于应力的现象，因此试件的变形以弹性变形为主。对试件进行恒下限加卸载，在每个循环的加载阶段，

图2 两种加卸载条件下岩样的应力-应变曲线Fig.2 Stress and strain curves of rock samples under two loading and unloading conditions

试件内部的部分原生微裂隙会由于加载作用而闭合，使试验机检测的应变大于实际应变，导致应力应变曲线呈些许下凹；卸载过程中，因荷载卸至0而使闭合的微裂隙部分恢复至张开状态，使试验机检测到的应变大于实际应变，导致应力应变曲线呈上凸型，因此而形成滞回环。且随着循环次数的增加，滞回环逐渐向应力增大方向移动，同时其面积也有增大的趋势，这一现象表明恒下限加卸载下试件的塑性变形会随着循环次数的增多而越来越大。

2.3 声发射特征分析

岩石在循环加卸载过程中一直伴随着原生裂隙的压密以及新生裂隙发生、扩展、贯通直至破坏，期间伴随声发射信号。恒下限加卸载以及恒差值加卸载岩样的应力-时间-AE振铃数关系曲线如图3所示。

图3 两种加卸载条件下应力-时间-AE振铃数关系曲线Fig.3 Stress-event-AE ringing counts relation curve of constant lower lim it cycle loading and unloading

由图3可知，两种方案在初期的循环中，只有少量的声发射信号，岩石处于原生裂隙压密阶段。随着循环次数的增加，声发射信号呈现逐级增加的趋势，方案1和方案2的声发射活跃期分别出现在第三个循环和第五个循环的峰值应力附近，表明从该处开始出现由于轴向应力增大而产生的新生裂隙，岩样进入破坏阶段。由于大理岩结构较为致密，声发射信号主要来源于加载阶段裂隙闭合以及新生裂隙发育而产生的弹性波，岩样的细微结构面在卸载过程中回弹张开产生的声发射信号较少，因此图中的声发射信号活跃期大多集中在加载阶段，卸载阶段则为数不多。且声发射活跃期均出现在大于上一循环应力峰值阶段，表现出良好的Kaiser效应。同时，不难发现方案1的AE振铃计数总体要大于方案2，这一现象表明相比恒差值加卸载，恒下限加卸载下试件裂隙的发育程度更高，这也从另一角度解释了为何恒差值加卸载下岩石有着更高的抗压强度。

2.4 加卸载响应比特征分析

加卸载响应比（LURR）是由尹祥础等人提出并应用于地震预报的一种方法[11-13]。该方法是一种用于研究非线性系统失稳先兆以及失稳预报的代表性方法。加卸载响应比值Y能够定量的反映非线性系统趋近失稳的程度，其计算公式为：

式中：X+和X-分别表示加载阶段和卸载阶段的响应量。当岩石处于未损伤的线弹性阶段时，Y值较小；当岩石出现损伤时，Y＞1且随着损伤程度的增大而越来越大，在岩石临近破坏时达到最大值。因此，加卸载响应比的突变可以作为岩石失稳先兆的判据。本文利用能量作为响应，响应比Y的计算公式可表示为：

式中：E为所释放的能量，在试验中，当m=1时，Em即为声发射能量；i为各声发射能量组对应的编号；N+和N-分别表示加载和卸载阶段所释放声发射能量的数目。

将试验过程中所记录的声发射能量通过公式（2）处理可得到加卸载响应比Y随循环次数的变化情况，如图4所示。

由图4可以看出，在前期较低应力下的循环中，试件的LUUR稳定在1附近，说明了试件的损伤程度较低，试件内部有的仅仅是原生裂隙的压密而没有产生或仅产生极少数新生裂隙。随着循环的进行，轴向应力越来越大，其对应的LUUR也有所增大，表明试件随着轴向应力的增大出现局部损伤，趋于失稳状态。在试件临近破坏前，LUUR出现急剧增大又突然回落的现象，之后试件发生宏观破坏。此处需要指出的是，LUUR值并非是在试件破坏前的一个循环出现异常，而是在试件完全破坏之前的第2个循环出现大幅跳跃的，这一现象与前人研究的结果是相符的[14-17]。由此可知，LUUR可以反映岩石的损伤破坏过程，在破坏前第2个循环中出现剧增现象，反映了在峰值应力附近岩石即将出现剧烈破坏这一先兆特征信息。因此LUUR的异常变化可以作为岩石即将失稳的判据。从开始施加应力到试件破坏的过程中，两种方案下试件的LUUR随循环次数的总体变化趋势较为一致，但仍存在局部上的差异。

图4 加卸载响应比Y随循环序列变化折线图Fig.4 Value Y of LUUR versus cyclic sequence

在方案1中，前几个循环的LUUR小于1，表明在此期间加载阶段产生的声发射能量小于卸载阶段，岩样内部的损伤由卸载阶段主导。随着循环次数的增多，LUUR有增大的趋势并大于1，表明加载阶段的声发射能量越来越多且最终超过卸载阶段的声发射能量，说明随着循环次数的增多，岩样内部损伤逐渐由卸载阶段主导转为加载阶段。在岩样失稳前的倒数第二个循环，LUUR出现剧增，表明加载阶段的声发射能量要远远大于卸载阶段的声发射能量，说明了岩样内部的损伤已经完全由加载作用主导。随着荷载的增大，最后一个循环中LUUR由前一循环的8.29跌至2.6，岩样即将破坏。在方案2中，前两个循环中LUUR小于1。随着荷载的增大，在第三和第四个循环中，LUUR大于1且趋近于2。表明在加载的初期阶段，加载阶段的声发射能量要小于卸载阶段，说明岩样内部损伤由卸载阶段主导；在荷载增大到第三和第四个循环，加载阶段的声发射能量要大于卸载阶段，岩样内部的损伤开始由加载阶段主导。相比方案1，方案2中由加载阶段主导的损伤出现的更早。在第五个循环中，LUUR出现异常下跌，表明加载阶段的损伤不一定随着荷载的增大而增大，而可能会出现异常的加载“平静期”。荷载持续增大，在第6和7个循环中，LUUR呈现爆发式增长，最大值为25.44，表明加载阶段的声发射能量远大于卸载阶段，说明岩样内部的损伤几乎是在加载过程中产生的。经过剧烈的增幅之后，LUUR又于第8个循环中跌落至0.05，岩样即将破坏。

3 结论

相比单轴压缩，恒下限和恒差值加卸载作用均能对岩样的抗压强度有一定的强化作用，强化增幅分别为18.5%和31.4%。恒差值加卸载对岩样强度的增幅要更大，造成这一现象的原因是恒差值加卸载对岩石内部裂隙的压密闭合作用相比恒下限循环加卸载要更明显。

恒差值加卸载下岩样的应力应变曲线呈近似直线状，表明岩样内部微裂隙闭合程度较高而使其变形以弹性变形为主；恒下限加卸载下岩样的应力-应变曲线出现明显的滞回环，且随着循环次数的增加，滞回环逐渐向右移动，同时其面积也有增大的趋势，表明岩样塑性变形会随着循环次数的增多而越来越大。

声发射活跃期对应岩石内部新生裂隙的发育期。相比恒差值加卸载，恒下限加卸载的声发射活跃期更早，且AE振铃计数总的来说要更大，反映出恒下限加卸载下岩样内部裂隙的发育程度相比恒差值加卸载要更高。

LUUR的异常变化可以作为岩石即将失稳的判据。LUUR在两种方案中随荷载的变化有所不同，相比恒下限加卸载，恒差值加卸载条件下由加载阶段主导的损伤来的要更早，且在破坏前LUUR的变化更加剧烈。

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