武夷山风景区红色砂砾岩剪切声发射实验

雷能忠，张向波，钟瑜隆，柯荣利，李世峰(1.国土资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室，福建 福州 35000;.武夷学院土木工程与建筑学院，福建 武夷山 354300)

武夷山风景区红色砂砾岩剪切声发射实验

雷能忠1,2，张向波2，钟瑜隆2，柯荣利2，李世峰2
(1.国土资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室，福建 福州 350002;2.武夷学院土木工程与建筑学院，福建 武夷山 354300)

对取自武夷山风景区内一线天景点岩体的3个白垩系崇安组红色砂砾岩样品进行声发射实验，得到样品在剪切破坏过程中的应力-应变曲线，声发射参数与应力、应变、时间之间的关系。红色砂砾岩剪切破坏过程分为压密阶段、弹性变形阶段、局部破坏阶段、二次弹性阶段和失稳破坏五个阶段，各阶段声发射能量、振铃计数、累积能量与累计振铃计数变化很大,出现两个声发射平静期与突变期。两个平静期与弹性变形阶段和二次弹性变形阶段对应，两个突变期与局部破坏阶段和失稳破坏阶段对应。小波分析表明，存在两个信号不连续点，在应力应变曲线中对应局部破裂阶段和失稳破坏阶段。不同阶段样品之间的声发射参数变化与岩石剪切面不均一性有关。岩石剪切破坏过程声发射特性为岩体稳定性的声发射监测技术开发提供了基础数据。

武夷山风景区；红色砂砾岩；声发射；剪切实验

0 引言

武夷山九曲溪景区由一线天、玉女峰、大王峰、天游峰等造型奇特的岩体构成。景区岩体以单斜岩层分布为特点，为白垩系崇安组红色砂砾岩[1]。随着旅游开发程度提高，武夷山九曲溪景区主要景点岩体稳定性问题开始得到重视。

岩石内部晶体具有不规则性，当岩石受到外力作用时，内部晶体发生滑动，产生裂纹直到破坏，都有声发射产生[2]。文献调查发现，一些学者从不同的声发射技术应用角度，对岩石进行声发射室内实验研究。因实验岩石样品产地不一，岩石物理力学性质也相差很大，不同岩石的声发射参数和波形特征存在显著差异[3-11]。声发射是研究岩石失稳破坏的一个良好手段，它是一种动态无损检测的方法，能持续监测岩石在应力作用下内部裂纹出现与扩展过程，成为岩体稳定性监测的一种有效方法[12-16]。

为使用声发射技术对武夷山风景区主要景点岩体的稳定性进行监测，在此研究之前，我们已经进行了武夷山九曲溪景区红色砂砾岩单轴受压破坏全过程声发射实验研究[17]。在地壳应力环境下，岩石受力形式是多种多样的，不仅有受压，也会有受剪，受拉或受扭等变形破坏。在很多情况下，因重力释荷和断层活动引发的剪切破坏常常是岩石破坏的主要类型。本研究将重点探讨岩石在剪切破坏全过程中的声发射特性，这是课题中一系列红色砂砾岩声发射实验研究的一部分，为武夷山风景区岩体稳定性的声发射监测技术开发提供基础资料。

1 红色砂砾岩剪切声发射实验

1.1 实验装置

本实验采用剪切试验系统和声发射检测系统两套装置(图1)。剪切试验系统是HUT微机控制电液伺服万能试验机，试验机由压力机主机、液压源、DTC控制器、剪切夹具及计算机数据处理系统等组成，能满足负荷、变形、位移的三闭环控制要求，HUT 试验机软件能实现自动采集、处理数据，实时显示实验数据和力-位移、力-时间、位移-时间等多种试验曲线。

图1 剪切劈裂声发射实验装置Fig.1 Experimental installation of acoustic emission under the shear force condition

声发射检测系统为北京声华双通道SAEU2S声发射系统，每一通道测量部件包括声发射传感器、前置放大器以及采集卡。声发射系统采用USB通讯方式实现数据传输，其声发射采集卡是安装在专用的独立主机箱中，再连接到计算机USB接口上，能够实时采集和显示声发射信号波形和参数，记录全部的声发射原始波形数据，实现30 MB/s连续波形数据、40万组/s连续特征参数数据传输速率。

1.2 实验样品

实验岩石样品取自武夷山九曲溪景区一线天景点裸露岩体，岩体呈层状产出，厚度在0.2～2 m，变化较大，局部呈现巨厚层，倾向北西，倾角在15°～35°之间。岩体中不稳定结构面主要有两组，一组是缓倾斜岩层面，另一组为重力释荷作用形成的近垂直节理面。

岩性为砂砾岩，淡红到紫红，少量灰白，砾石成分复杂多样，以石英砂岩、石英岩、火山凝灰岩和火山角砾岩为主。胶结物为钙铁质，局部硅染，岩石较坚硬，表层岩石风化作用强。对取得的岩石进行加工，获得3个样品。样品详细情况见表1。表中岩石样品的剪切强度明显小于文献[17]中的单轴抗压强度。

表1 实验样品一览表Table 1 List of experimental samples

图2是剪切破坏得到的岩石样品。可以看出，剪切作用形成的剪切破裂面呈现锯齿状，贝壳状破裂面主要出现在硅质砾石分布处。

图2 PL-2样品剪切破坏照片Fig.2 Shear failure photo of rock sample PL-2

1.3 实验方法

步骤一：启动声发射系统，用断铅试验测试探头灵敏度。

步骤二：将与探头连接好的岩石样品放入剪切劈裂夹具内，再将剪切夹具放入万能试验机试验平台上。

步骤三：启动万能试验机，手动调整上部压盘刚好接触剪切夹具顶部。

步骤四：使声发射记录软件和万能试验机记录软件同时开始记录，保持声发射监测系统与万能试验机加载系统同步进行。对加载系统采用轴向等速率负荷控制加载，加载速率为0.3 kN/s。SAEU2声发射采集卡连接2个独立通道，通道前端接一个探头，探头为SR40M型，其频域为20～400 kHz，前置放大器类型为PAI宽带前置放大器，其增益为40 dB。

步骤五：试验结束，导出声发射数据进行处理。

2 实验结果与分析

2.1 岩石的应力应变

利用万能试验机软件计算得出每一时间的应力、应变值，绘制相应的应力-应变曲线(图3)。三个样品在剪切应力作用下都经历了五个阶段变形，即岩体压密阶段、弹性变形阶段、局部破坏阶段、二次弹性变形阶段和失稳破坏阶段。可以发现，样品PL-3的初始压密的变形相对于另外两个样品偏大。三个样品在局部破坏阶段后期，均会出现应力减小的瞬间，而后应力逐渐增加进入二次弹性变形阶段。PL-2样品的较高剪切强度，与样本中出现的硅质胶结物质有关。

图3 3个实验样品的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of three experimental samples

2.2 岩石应力应变曲线与声发射能量的关系

从图4中可以看出，三个样品声发射能量的变化总体上比较相似，在岩石的压密阶段，此阶段岩石的应变比较大，但岩石并未发生破裂，基本无声发射能量产生；弹性阶段，所产生的声发射能量较少，说明弹性阶段岩石仅仅有轻微的晶格位移，并未产生宏观裂缝；局部破裂阶段，能量发生突变，产生剧烈的声发射能量变化。随着这次裂纹能量释放的结束，岩石内部又形成一个新的平衡，进入二次弹性变形阶段，基本无声发射能量的产生。当到达最后失稳破坏阶段时，岩石被剪切破坏形成大量宏观裂缝，产生的声发射能量随着岩石完全破裂而突然释放。

岩石剪切破坏过程的声发射特征与岩石单轴受压过程的声发射特征相比明显不同[6,17]，文献[6]与[17]把岩石单轴受压的声发射过程分为压密变形、弹性变形、塑性变形、破裂四个阶段，而岩石剪切破坏分为压密阶段、弹性变形阶段、局部破坏阶段、二次弹性变形阶段和失稳破坏共五个阶段。图4中可以清楚的看到一个转折点，即岩石的第一个破裂阶段，把整个岩石剪切破裂划分为前后两部分，前面部分为第一次加压，后面一部分则可看为循环第二次加荷。岩石受剪切破坏过程即为一个循环荷载作用下的动态过程：岩石加压产生局部裂纹，释放能量，然后进入一个平衡状态，继续加压，到最后岩石失稳破裂，继续释放较大能量。

图4 3个实验样品应力-应变与声发射能量关系图Fig.4 Relations between strain-stress and AE energy of three experimental samples

2.3 岩石应力应变曲线与声发射振铃计数的关系

从图5可以看出，三个样品的声发射振铃计数的变化基本与能量变化一致，均在局部破裂阶段和失稳破坏阶段产生剧烈的变化。由此可根据样品在受剪切时的应力应变来估计样品声发射参数变化，或者通过样品声发射参数变化来反推样品处于变形的哪一阶段，从而确定样品是否将要失稳。

图5 3个实验样品应力-应变与声发射振铃计数关系图Fig.5 Relations between strain-stress and AE ringing counts of three experimental samples

2.4 应力应变曲线与声发射累积能量、累计振铃计数的关系

为了更直观展示各个阶段声发射参数特性，捕捉岩石破裂前的声发射现象，可以做出三个样品的应力-应变-累积能量图与应力-应变-累计振铃计数图。图6仅仅展示了样品PL-3的情况，PL-1、PL-2样品与此相似。

由图6可以清晰看出，样品剪切破坏全过程中声发射累积能量与声发射累计振铃计数都经历了两个明显的平静期与突变期，两个平静期分别与弹性变形阶段和二次弹性变形阶段对应，两个突变期分别于局部破裂阶段和失稳破坏阶段对应。声发射累积能量与累计振铃计数特征指示样品最终破裂前是经历过一个声发射的相对平静期才发生的，而且在此平静期之前还有一个突变期。

岩石剪切破坏过程中的声发射能量、振铃计数、累积能量与累计振铃计数等声发射参数变化特性，对预测岩体失稳破坏具有重要意义。局部破裂阶段，岩石仅仅出现局部裂缝，此时声发射活动进入一个相对活跃期，伴随有较强的声发射活动，但随后进入一个相对平静期，直到岩石最后失稳破坏。以局部破裂阶段的声发射特性作为指示岩体失稳破坏的预警信号是有意义的，随后的二次平静期，为主动规避岩体失稳破坏赢得疏散撤离时间，这与地震预警方法在原理上是一致的。

图6 PL-3样品应力-应变-累计能量与应力-应变-累计振铃次数关系图Fig.6 Relations between strain-stress-cumulative AE energy and ringing counts of sample PL-3

2.5 小波分析

采用Morlet小波函数对声发射信号做连续小波变化，变换尺度为1、10、20、50、100、200、500、1 000，结果见图7。

图7 PL-2 声发射能量小波分析图Fig.7 Wavelet analysis of AE Energy of sample PL-2

根据小波函数高频处时间细分(图7)，在较小尺度中，可以清晰观察出信号不连续点，即为850左右那个点和1 250左右的那个点，这两个信号不连续点在小尺度和大尺度上都表现的很明显，通过应力应变与声发射能量图的对比，对应在应力应变曲线中恰好为局部破裂阶段和失稳破坏阶段，对应在声发射能量图像中恰好为声发射能量突变的两个点，由此可用声发射能量小波变换的图像来确定声发射能量的突变时间和确定岩石受剪切应力作用所处变形阶段。

3 应用与讨论

本实验是福建省科技计划重点项目“基于声发射技术的武夷山风景区岩体稳定性监测系统开发”的部分内容，目的是获得景区红色砂砾岩在各种应力-应变模式下的声发射参数与波形特征，为建立武夷山风景区岩体稳定性监测的声发射系统提供基础实验资料。

红色砂砾岩剪切破坏声发射实验，获得了五个剪切变形破坏阶段的能量、振铃计数、累积能量和累计振铃计数等声发射参数特征，以及小波变化频谱特征。这些声发射参数与波形特征是建立岩体稳定性预测模型的重要资料。五阶段剪切破坏过程即为一个循环荷载作用下的动态过程，包含两个平静期和两个突变期。第一个平静期即弹性变形阶段之后，为第一次声发射活跃期，指示岩石局部裂缝出现。当初始裂纹形成后，进入裂纹压密阶段，即裂纹形成后，裂纹并不是随着剪切应力增大而继续扩展，而是集聚一定的能量再进一步扩展，即岩石需要寻求一个新的平衡，等到新的平衡形成后再继续发展，这个过程就是二次弹性变形阶段，该阶段声发射活动是微弱的。实验中，由于施加的剪切应力速率比地应力环境下岩体实际受力快，寻求新平衡过程耗时较短。这个声发射活动的相对平静期和在此之前的声发射第一次突变期，构成了岩石破裂的一个预警前兆，对岩体失稳破坏具有重要的指示意义，是声发射岩体稳定性预测模型的重要前提。可以参考地震预警，为主动规避破坏赢得疏散撤离时间，选择岩石第一次声发射能量的释放事件作为判断岩石即将失稳的预警是一个可行的办法。第二次平静期时间长短是决定岩体失稳预报是否有效的关键，平静期延续时间越长，为预警预报提供更多的数据处理、信息发布和紧急避险时间。很明显，该阶段时间变化受多种因素的影响，要成为具有实际意义的岩石破裂预警前兆特征，还需要很多深入研究。

文献[17]中三个样品在不同变形阶段声发射参数变化不是很大，而本实验则不同。以第一次突变阶段为例，样品PL-1、PL-2、PL-3的声发射能量分别为3×104mv×μs、4×105mv×μs、1.4×105mv×μs，相差很大，振铃计数、累积能量和累计振铃计数等参数也存在这种现象。通过三个样品剪切破裂面的观察发现，每个剪切破裂面上胶结物成分、砾石成分、砾石含量、砾石结构构造都有不同。查明这些岩石不均一性对声发射活动的影响是有意义的工作，我们将在下一阶段深入开展此项研究。

4 结论

(1)红色砂砾岩样品剪切破坏过程划分为五个阶段：岩体压密阶段、弹性变形阶段、局部破坏阶段、二次弹性变形阶段、失稳破坏阶段。

(2)红色砂砾岩样品剪切破坏五个阶段声发射特征各不相同，出现两个声发射活动平静期和两个突变期。两个平静期与弹性变形阶段和二次弹性变形阶段对应，两个突变期与局部破坏阶段和失稳破坏阶段对应。二次弹性变形阶段是声发射活动的相对平静期，与此之前的声发射第一次突变期一起构成了岩石破裂预警前兆，对岩体失稳破坏具有重要的指示意义。

(3)小波分析表明，存在两个信号不连续点，对应在应力应变曲线中恰好为局部破裂阶段和失稳破坏阶段，对应在声发射能量图像中为声发射能量突变的两个点。

(4)三个样品在剪切破坏的各相同阶段下，声发射参数数值差异很大，这与岩石样品胶结物质、砾石成分及含量的不均一性有关。

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Experimental investigation on acoustic emission of red sandstone in Wuyishan scenic area under shear force condition

LEI Nengzhong1,2, ZHANG Xiangbo2, ZHONG Yulong2, KE Rongli2, LI Shifeng2
(1.KeyLaboratoryofGeohazardPreventionofHillyMountains,MinistryofLandandResources,Fuzhou,Fujian350002,China; 2.DepartmentofCivilEngineeringandArchitecture,WuyiUniversity,Wuyishan,Fujian354300,China)

Three red sandstone samples in Wuyishan scenic area were taken to the experiment on acoustic emission (AE). These sample results are shown in the curves of the stress-strains about acoustic emission characteristics, stress, strain and time. Under the shear force condition, the proceeding of five stages are rock mass compaction, elastic deformation, local destruction, second elastic strain and collapse, all of the stages were presented into two tranquil periods and two peak periods by energy, ringing counts, accumulated energy and accumulated ringing counts, the fist results of two tranquil periods are compare with both elastic deformation and second elastic strain, the second results of two peak periods are compare with both local destruction and collapse. In the wavelet analysis, it is compare to the stages of local destruction and collapse that there are two signal discontinue points in the curves of stress-strain exists. The variation of acoustic emission parameters between different stages of samples is related to the heterogeneity of rock shear surface. Acoustic emission characteristics in the whole process of rock shear failure are used to provide basic data for monitoring the stability of rock mass using acoustic emission.

Wuyishan scenic area; red sandstone; acoustic emission; shear force condition

2016-09-04;

2016-11-13

福建省科技计划重点项目(2014Y0040)；国土资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室开放基金资助资助(FJKLGH2015K003)

雷能忠(1969-)，男，福建建阳人，博士，教授，主要从事工程地质灾害防治与国土资源勘查的教学与研究工作。E-mail:nzhlei@126.com

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.02.11

P642.3

A

1003-8035(2017)02-0085-07