基于声发射的岩石损伤演化特征分析

王创业，刘 伟，杜晓娅

（内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010）

基于声发射的岩石损伤演化特征分析

王创业，刘 伟，杜晓娅

（内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010）

选用脆性红砂岩进行声发射单轴压缩试验，利用单一参量振铃计数得出红砂岩受力之后内部的损伤变化特征，并得出岩石损伤变量增长曲线及应力-应变曲线。两种曲线都能反映出微损伤生长、发展到裂隙生成、贯通的全过程，并将其损伤演化过程划分为4个阶段：微损伤压密阶段；微损伤生长、连接阶段；宏观损伤裂隙阶段；损伤裂隙贯通、破坏阶段。通过在损伤变量前提下得出的预测红砂岩裂纹尺度增长曲线，相比实际裂纹尺度增长曲线符合的较好。因此损伤变量完全可以对岩石内部损伤做出演化分析，同时也表明声发射信息中振铃计数参量包含着岩石内部变化的详细信息。

岩石微损伤；损伤演化；损伤变量；振铃计数；声发射

0 引言

在试验及数据处理中发现，应用微裂纹尺度的增长模型来预测岩石损伤微裂纹的变化情况，与其岩石损伤变量有着密切的关系。研究选用红砂岩进行声发射单轴试验，对其在损伤破裂过程中声发射获取的振铃计数进行研究，分析振铃计数与应力-应变之间的关系，损伤变量与预测裂纹增长尺度及实测裂纹增长尺度之间的联系，进一步为采用声发射单一参量分析岩石损伤提供依据。

1 红砂岩声发射试验分析

试验选用HCT160E单轴压缩实验机，可采集应力-时间、应变-时间、位移-时间等数据和相关图表。AE数据采集用SAEU2S声发射系统，可同时采集幅度、振铃总数、持续时间、能量、上升计数、RMS、ASL等数据。整个试验中采用100 N/s的力控加载，在其峰值破坏后停止加载，获取岩石试件整个过程的声发射信息。岩石试件参数信息如表1所示。

表1 红砂岩试件力学参数Tab.1 Mechanical parameters for red sandstone specimen

1.1 损伤变量模型

岩石声发射中的振铃计数是能够较好地反映材料性能变化的参数之一，原因在于它和材料中的断裂、裂纹扩展、潜在的错位运动等所释放的应变能成一定的比例[8-9]。鉴于此，研究以振铃计数为参量对岩石损伤演化进行分析。

早期的L.M.Kachanov将损伤变量定义为：D=Ad/A（岩石发生损伤的断面积与岩石初始无损伤的断面积比值）[8]，后期经过声发射技术的引用与发展，采用岩石损伤破裂过程中的振铃计数来计算其损伤变量，计算公式如式（1）所示。

式中：C0为试件压缩破裂整个过程中的累计振铃计数，次；Cd为压缩破坏过程中各阶段累计声发射振铃计数，次；Du为损伤临界值。

参照文献[10]将损伤临界值归一化处理得到：Du=1-σc/σp（σc为峰值强度，MPa；σp为残余强度，MPa。当Du=0时，可视岩石为理想弹塑性材料，损伤变量为0；当Du=1时，表示岩石压缩过程中完全破裂；在理论上岩石发生破坏有一定残余强度，其损伤临界值在（0，1）。

1.2 损伤特征分析

从试样中选取编号为S-50-100-2岩石为分析对象，试验装置如图1所示。图2、图3分别给出了红砂岩的轴向和径向应力-应变与振铃计数的关系。

图1 试验装置Fig.1 Testing device

图2 轴向应力-应变曲线与振铃计数特征Fig.2 Axial stress-strain curve and ringing counting characteristics

图3 径向应力-应变曲线与振铃计数特征Fig.3 Radialstress-straincurveandringingcountingcharacteristics

振铃计数最大值标为小黑点且数值为2069。图2中明确表达出当砂岩试件在初始受到压力后即进入微损伤压密阶段，振铃计数明显有簇拥及跳跃现象；随着受力的逐步加大，轴向应变也在逐渐增加，轴向形变达到2.0×10-3左右时，岩石试样内部原有的微损伤此时会逐渐的生长，并且彼此之间的相互联系非常弱，这时振铃计数也开始出现几次较大的计数其值都在70左右，其余的计数都相对比较均匀，出现的峰值表明前一阶段的结束下一阶段的开始；当应力-应变曲线之间呈线性关系，轴向变形量达到4.7×10-3时，表明岩石内部微损伤在不断生长的同时开始相互连接，振铃计数呈现出峰值达到300次并在此阶段内的计数起伏变化较大；越过峰值之后随着压力的增大，岩石内部的损伤连接并发展为宏观的裂隙，对应的声发射振铃计数跳跃非常明显，获取的数值频率相对于前期明显加大；振铃计数达到2 069次时应力达到48.44 MPa，岩石损伤裂隙迅速贯通并且岩样发生破坏。图3中微损伤压密阶段和微损伤生长阶段没有明显的分界，随着振铃计数达到第一次峰值300时径向损伤开始连接，呈线性关系在扩展形成宏观的损伤裂隙，进入到振铃计数的第二次峰值2 069时，岩石损伤裂隙贯通岩石破坏。

图2、图3表明，岩石轴向和径向的损伤破裂演化有着一定的区别，采用声发射获取的振铃计数能很好地反映出材料中原有的损伤压密及后期损伤的生长连接、损伤裂隙的出现和裂隙的贯通破坏等现象。基于振铃计数得到的轴向、径向应力-应变与损伤变量的关系如图4、图5所示。

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图4 轴向应力-应变与损伤变量关系Fig.4 Relationshipbetweenaxialstress-strainanddamagevariable

图5 径向应力-应变与损伤变量关系Fig.5 Relationshipbetweenradialstress-strainanddamagevariable

损伤变量的发展在轴向应力-应变中表现为微损伤压密阶段损伤变量几乎呈水平线发展，只有在即将进入到下一阶段时损伤变量才出现了增加的趋势；微损伤生长、连接阶段，损伤变量呈直线增加且斜率非常小；只有在宏观损伤裂隙阶段，损伤变量迅速增加直至岩石损伤裂隙贯通、岩石破坏。岩石损伤在前期表现为积蓄的形式，只有在后期损伤才会急剧增加，相对于振铃计数也只有在后期才会出现聚集频繁的跳动。

岩石的破坏形式主要以拉伸破坏为主，所以在径向中损伤变量变化非常明显。在第一次出现振铃计数峰值以前，损伤变量先以缓慢的形式在增加，快达到峰值时损伤变量才急剧增加；在振铃计数第一次与第二次峰值之间，损伤变量呈阶梯式的增加，每跳跃一次损伤变量都有非常明显的变化。

2 损伤变量与裂纹尺度对比分析

损伤变量在一定程度上能客观的回应选用岩石的内部损伤裂纹演化情况，与利用声发射技术来预测岩石微裂纹尺度增长有着密切的关联。在预测微裂纹尺度增长中与损伤变量有关的参数包括：微缺陷总数Nd、尺度不小于δ的裂纹总数N（δc）、微裂纹尺度-频数分维数Dc、最大裂纹尺度Cmax；其中最大裂纹尺度预测关系式为：

式中：δ为最小裂纹尺度，取最小晶粒尺度1 mm；Dc取值为0.85；Ds为微裂纹表面粗糙度分维数（或岩石破碎块度分维数），P为试件端部受力面周长，mm；A为试件端部受力面面积，mm2。采用公式（3）得出预测值分维数为1.32。损伤变量与裂纹尺度的关系如图5所示。图中的L为岩石试件的长度即100mm。

岩石破碎后，统计破碎块度的尺寸与数量，采用文献[11]的方法拟合计算求得实际的分维数值为1.27，与预测值之间的误差为3.8%。

图6 损伤变量与微裂纹尺度对比Fig.6 Comparison of damage variable and microcracking scale

微裂纹尺度的预测值与实测值总体比较分析得出：在2 250 s之前两者误差在0.5%以内，2 500～3 000 s内两者误差在1.3%以内。损伤变量与预测的曲线走向完全重合，只在最后一个台阶中损伤变量高于预测值曲线，在2 250 s之前岩石试样处于微损伤压密阶段和微损伤生长、连接阶段，微裂纹的尺度增长只有在微损伤发生连接才会出现缓慢的增加；当有大量的微损伤连接起来并且伴随着新的微损伤生成，岩石从内部的微小连接扩展到宏观的微损伤裂隙形成，裂纹尺度在损伤变量急剧的增加前提下跟着开始增加。在3 000 s损伤变量出现一次跳跃台阶，这也就是振铃计数表现为2 069峰值时的变化，预示着岩石微裂隙出现贯通形成岩石的破裂。相比较实测的整个裂纹尺度增长曲线，在采用单一参量振铃计数情况下得出的损伤变量，用于预测岩石在单轴压缩试验下的微裂纹尺度增长是符合实际增长曲线的，同时也说明可以用损伤变量来分析岩石的损伤演化过程。

3 结论

选用脆性红砂岩进行声发射单轴试验，采用单一参量振铃计数得出的损伤变量能很好地反映岩石损伤演化的特征。

（1）通过振铃计数与应力-应变曲线分析表明，岩石在微损伤压密阶段振铃计数表现出均匀性，当进入到微损伤开始生成、连接以及宏观损伤裂隙形成时，振铃计数就会出现较大的峰值并且跳跃非常活跃，数值也表现出不均匀性。

（2）单一参量振铃计数得到的损伤变量，可以将岩石损伤演化分为以下4个阶段：微损伤压密阶段；微损伤生长、连接阶段；宏观微损伤裂隙阶段；损伤裂隙贯通、破坏阶段。

（3）在损伤变量下预测的岩石裂纹尺度增长与实际尺度增长符合较好，表明采用声发射单一参量可以分析岩石损伤演化特征。

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Analysis of Rock Damage Evolution based on Acoustic Emission

WANG Chuangye,LIU Wei,DU Xiaoya
(Institute of Mining,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,Inner Mongolia,China)

Brittle red sandstone was applied for uniaxial compression test by acoustic emission.The internal damage characteristics of the loaded sandstone were worked out by single parameter ring count,obtaining rock damage variables growth curve and stress-strain curve.Both curves reflects the whole process from micro-damage growth to the generation and development of fissure.The damage evolution process was divided into four stages:micro-damage compaction;micro-damage growth and connection;macro-damage fracture;coalescence and failure of damage fracture.The growth curve of red sandstone crack growth predicted by the damage variable is better than the actual crack growth curve.The results show that damage variables can fully analyze the evolution of rock internal damage.At the same time,the AE count parameter information contains detailed information inside the rock changes.

slight damage;damage evolution;damage variable;ring count

TU45

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.05.003

2017-08-12

国家自然科学基金项目（51464036；51564048）

王创业（1976-），男，山西临猗人，副教授，主要从事采矿及岩石力学方面的教学与研究工作。

（编辑：游航英）