三轴不同加载路径下花岗岩Kaiser效应试验研究

魏筱乐，宦秉炼，余贤斌，鲁会军

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

岩石受力变形时，在岩体内原先存在或新产生的微裂纹发生突然的破裂，从而向四周辐射弹性波，这就是岩石的声发射（Acoustic Emission，简称“AE”）[1]。采用设备监测、记录、分析声发射信号，并利用声发射信号判断声发射源的技术，称为声发射技术[2]。近年来，声发射技术已广泛用于诸多领域，例如，气液两相流动检测[3]、机械密封端面膜厚监测[4]以及复合材料的低速冲击损伤监测[5]等；同时岩石力学工作者还利用声发射技术探究岩石破坏机制[6]，岩石损伤演化过程[7]以及地应力测定[8]等，研究人员在声发射技术应用方面进行了大量研究，并获得了一些研究成果。

在声发射中伴随着一种重要的现象：对材料进行加载时，如果材料所受的应力小于先前所受应力的最大值，则没有或只有很少的声发射产生；只有当材料所受的应力大于先前所受到的最大应力时，才会有大量的声发射产生，这一现象叫Kaiser效应[9]。

早在1950年，约瑟夫·凯塞发现多晶金属具有声发射特性。后来人们通过试验得到，许多岩石如砾岩、灰岩、灰绿岩、片麻岩、闪长岩、辉长岩、安山岩、砂岩、石英岩、大理岩、花岗岩等也具有显著的Kaiser效应[9]。近年来，岩石力学工作者对不同应力路径以及不同加载速率下的岩石进行了Kaiser效应研究。陈勉等[10]对不同加载速率下不同岩性岩石的Kaiser效应影响进行了研究；曾鹏等[11]对花岗岩进行了三轴压缩循环加卸载试验，认为花岗岩Kaiser点出现的位置大致相同；何俊等[12]对煤样进行常规三轴以及三轴循环加卸载试验，发现煤样的Kaiser效应的记忆效果较差；傅翔等[13]研究了加载方向变化对Kaiser效应点的影响，发现加载方向偏转角度越大，Kaiser效应越不明显。

试验先在假三轴（σ1＞σ2=σ3）条件下对花岗岩给予不同加载路径的预加载，再进行单轴压缩试验，探索三轴不同路径预加载对花岗岩Kaiser效应的影响规律，以期为揭示Kaiser效应的原理和岩石的损伤破坏机制提供一定的参考。

1 试验部分

1.1 岩石试件制备

试验对象为产自广东省湛江市的花岗岩。按照岩石试件加工标准，将花岗岩加工成直径50 mm，高100 mm的圆柱体试件，共有50块试件，两端面经过打磨，平整度和平行度均满足试验规程的要求。制备出的花岗岩试件如图1。

图1 花岗岩试件Fig.1 Granite specimen

1.2 试验设备

试验系统采用长春市朝阳试验仪器有限公司生产的TAW-2000D微机控制电液伺服三轴试验机（图2），声发射采集使用北京声华科技有限公司生产的SDAES型数字声发射仪。进行单轴压缩试验时，在试件上下两端放置橡胶垫，从而缓解端部效应及降低试验机本身的噪声和震动对信号采集的影响。

图2 加载设备Fig.2 Loading equipment

1.3 试验方案

所有试件在假三轴（σ1＞σ2=σ3）条件下进行不同加载路径的预加载，在这一过程中使用PE薄膜包裹试件，防止油液渗入影响后续试验。预加载完成后马上进行单轴压缩试验并采集声发射信号。在前期试验中发现试件在峰值应力（99.8 MPa）的56%左右会产生较强的声发射信号，为了避免干扰，选取预加载轴压为35 MPa，加卸载速率均为0.15 MPa/s；围压则选定10 MPa和30 MPa两种情况，加卸载速率均为0.2 MPa/s，各加载路径如下：

方案1：先加载围压到10 MPa，然后加载轴压到35 MPa并保载60 s；

方案2：先加载轴压到35 MPa，然后加载围压到10 MPa并保载60 s；

方案3：先加载轴压到35 MPa，然后加载围压到30 MPa并保载60 s；

方案4：围压和轴压同步加载到10 MPa并保载60 s，再加载轴压到35 MPa并保载60 s；

方案5：围压和轴压同步加载到30 MPa并保载60 s，再加载轴压到35 MPa并保载60 s。

2 试验结果及分析

为了说明试样的声发射特性以及Kaiser点的选取过程，以三轴预加载路径为方案1的一块试样C3作为研究对象，给出其单轴压缩试验的声发射参数－时间－应力曲线图，如图3。

由于岩石受压超过损伤应力之后会产生数量和能量都很大的声发射，这将掩盖前期的声发射特征，故需给出局部放大图，即图 3（d）～（f）。

可以看出，在加载初期，岩石会有一些声发射，这是试件内部与加载方向夹角比较大的微裂隙被压密导致的。随着应力的增大，岩石的声发射开始减小，岩石的声发射活动进入“平静期”，直至加载到预加载给予的35 MPa应力附近，岩石的声发射活动开始活跃，意味着微裂隙开始压密、扩展以及连通。

Kaiser效应意味着声发射数量和能量的增长速率在Kaiser点前后有明显且并不偶然的差别，因此在累计能量计数曲线和累计振铃计数曲线上斜率突然变大的点，就可能是Kaiser点。对于有些岩石试件，整个加载过程可能会有若干个斜率突变点，所以需要人工分析筛选。

由图3（e）可以看出210s处曲线的斜率有了明显的变化，结合图3（f）得出更加精确的时间点207 s。这是“平静期”之后第一个斜率突然变大，且没有回落到之前水平的斜率突变点，最终确定该点为Kaiser点，定义该点对应的应力32.22 MPa，与预加载应力的比值为FR值为0.92。

需要注意的是有一些试件会在加载过程中产生与图3（d）中箭头所示相似的较高能量的声发射，但过后会有一段比较长的时间并没有声发射，这种孤立的高能声发射并不是Kaiser效应的开端。

由图 3（b）、（c）、（e）、（f）可以看出，当试件加载到峰值应力的80%左右（270 s处）时，曲线斜率突然增大且幅度大于Kaiser点处，即开始产生了极强的声发射活动，这说明试件内部裂隙开始非稳定扩展，进入了屈服阶段。随着应力的增加，岩石声发射数量和能量急剧增加，短时间内岩石就会发生破坏。

由图 3（e）、（f）可以看出，岩石在加载初期，一直有声发射信号产生且数值很均匀，这有可能是微裂隙的压密导致的，但这个过程一般不会产生如此均匀且能量大致相同的声发射。结合图3（d）的几个小的峰值，可信度更高的猜测是声发射采集设备的参数并不完全合理，采集到了一些背景噪声。在Kaiser点之后的加载过程中依然有能量计数很低的“间歇期”，这也对上述猜测提供了一些依据。

图3 试件C3声发射特征－应力曲线Fig.3 Acoustic emission characteristics-stress curve of C3

上述分析可以看出，岩石在整个加载过程中，岩石累计声发射特征曲线并不是单纯地呈现线性或非线性变化，如果放大局部观察，可以发现声发射的产生往往是以一个又一个不连续的峰值出现，这与裂隙的产生和发展有一定的相似性。

采用相同的方法对其他试件的声发射特征曲线进行分析，汇总各组试件的试验结果如表1。

将方案1、方案2进行对比可以得知，先加轴压Kaiser效应记忆的准确度高于先加围压，说明先加围压可以抑制轴向加载微裂隙的产生，将花岗岩所受损伤减小，导致Kaiser点提前。

将方案2、方案3进行对比可以得知，先加轴压，后加较小的围压，则对已有损伤影响较小，后加围压如果较大，则会加大花岗岩所受损伤，导致Kaiser点延后。

由方案3、方案4可以发现围压与轴压同步加载似乎会使试件的损伤保持原有状态，在后续的单轴压缩试验中表现出与未进行预加载的试件相似的声发射特征，但由于试件数量不足，两方案之间并未表现出足够差异。

表1 三轴预加载路径对Kaiser效应的影响Tab.1 Influence of tri-axial preloading path on Kaiser effect

由于岩石属于不均匀介质，同一批试件的数据也有很大差异，故试验仅能对大体趋势作一定分析，还需要进行更多的试验来获得更确切的结论。

3 结论

通过对花岗岩试样进行不同加载路径的三轴预加载，再进行单轴压缩试验及对试验结果的分析，可得出以下结论：

（1）当花岗岩加载到峰值应力的80%，声发射活动的能量和数量进入一个更高的水平，岩石开始屈服，直至试件完全破坏。

（2）三轴预加载时先加围压可以抑制轴向加载微裂隙的产生，使花岗岩所受损伤减小，导致Kaiser点提前。

（3）三轴预加载时先加轴压，后加围压如果较小，则对已有损伤影响较小，后加围压如果较大，则会加大试件所受损伤，导致Kaiser点延后。

（4）三轴预加载时，若同步加载轴压和围压，试件在后续加载试验中不存在Kaiser效应，甚至观察不到预加载的影响。

参考文献：

[1] 王创业，刘 伟，杜晓娅.基于声发射的岩石损伤演化特征分析[J].中国钨业，2017，32（5）：17-20.WANG Chuangye，LIU Wei，DU Xiaoya.Analysis of rock damage evolution based on acoustic emission[J].China Tungsten Industry，2017，32（5）：17-20.

[2] 赵兴东，李元辉，袁瑞甫，等.花岗岩Kaiser效应的实验验证与分析[J].东北大学学报（自然科学版），2007，28（2）：254-257.ZHAO Xingdong，LI Yuanhui，YUAN Ruifu，et al.Experimental verification analysis of Kaiser effect in granite [J].Journal of Northeastern University（Natural Science），2007，28（2）：254-257.

[3] 方立德，张 垚，张万岭，等.基于声发射技术的垂直管气液两相流动检测方法[J].化工学报，2014，65（4）：1243-1250.FANG Lide，ZHANG Yao，ZHANG Wanling，et al.Flow detection technology based on acoustic emission of gas-liquid two-phase flow in vertical pipe[J].CIESC Journal，2014，65（4）：1243-1250.

[4] 李晓晖，傅 攀，张 智.基于声发射技术的机械密封膜厚测量[J].四川大学学报（工程科学版），2014，46（6）：198-204.LI Xiaohui，FU Pan，ZHANG Zhi.Measurement of film thickness in mechanical seals based on AE technology[J].Journal of Sichuan Universit：Engineering Science Edition，2014，46（6）：198-204.

[5] 严 实，赵金阳，陆夏美，等.基于声发射技术的三维编织复合材料低速冲击损伤分析[J].材料工程，2014（7）：92-97.YAN Shi，ZHAO Jinyang，LU Xiamei，et al.Low-velocity impact response of 3D braided compoites by acoustic emission[J].Journal of Materials Engineering，2014（7）：92-97.

[6] 周子龙，李国楠，宁树理，等.侧向扰动下高应力岩石的声发射特性与破坏机制[J].岩石力学与工程学报，2014，33（8）：1720-1728.ZHOU Zilong，LI Guonan，NING Shuli，et al.Acoustic emission characteristics and failure mechanism of high-stressed rocks under lateral disturbance[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33（8）：1720-1728.

[7] 杨永杰，王德超，郭明福，等.基于三轴压缩声发射试验的岩石损伤特征研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33（1）：98-104.YANG Yongjie，WANG Dechao，GUO Mingfu，et al.Study of rock damage characteristics based on acoustic emission tests under triaxal compression [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33（1）：98-104.

[8] 赵 奎，闫道全，钟春晖，等.声发射测量地应力综合分析方法与实验验证[J].岩土工程学报，2012，34（8）：1403-1411.ZHAO Kui，YAN Daoquan，ZHONG Chunhui，et al.Comprehensive analysis method and experimental vertification for in-situstress measurement by acoustic emission tests[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34（8）：1403-1411.

[9] 蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程[M].第2版·北京：科学出版社，2013：146-148.

[10] 陈 勉，张 艳，金 衍，等.加载速率对不同岩性岩石Kaiser效应影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28（增刊1）：2599-2604.CHEN Mian，ZHANG Yan，JIN Yan，et al.Experimental study of influence of loading rate on Kaiser effect of different lithological rocks[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（supply1）：2599-2604.

[11] 曾 鹏，纪洪广，高 宇，等.三轴压缩下花岗岩声发射Kaiser点信号频段及分形特征[J].煤炭学报，2016，41（增刊 2）：376-384.ZENG Peng，JI Hongguang，GAO Yu，et al．Characteristics of fractal and frequency bands at Kaiser signal of acoustic emission in granite under triaxial compression [J].Journal of China Coal Society，2016，41（supply 2）：376-384．

[12] 何 俊，潘结南，王安虎.三轴循环加卸载作用下煤样的声发射特征[J].煤炭学报，2014，39（1）：84－90.HEJun，PANJienan，WANG Anhu.Acoustic emission characteristics of coal specimen under triaxial cyclic loading and unloading[J].Journal of China Coal Society，2014，39（1）：84－90.

[13] 傅 翔，谢 强，江小城，等.受拉加载方向变化对Kaiser效应点准确度的影响[J].岩土工程学报，2014，36（7）：1365-1370.FU Xiang，XIE Qiang，JIANG Xiaocheng，et al．Influence of tensile loading direction on accuracy of determining Kaiser effect point[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2014，36（7）：1365-1370.

[14]鲁会军.不同加载路径对岩石Kaiser效应影响的试验研究[D].昆明：昆明理工大学，2017.LU Huijun.Experimental study on the influence of different loading paths on Kaiser Effect of rock[D].Kunming：Kunming University of Science and Technology，2017.