单轴压缩下两类脆性岩石声发射特征试验研究*

王林均 张 搏 钱志宽 乐巧丽 洪京京

(贵州民族大学建筑工程学院 贵阳 550025)

0 引 言

岩石在各种应力状态下的破裂过程一直是岩石力学研究人员比较关心的问题，对该问题的研究随着试验设备和测试手段的更新也不断深化。最初的柔性试验机只能得到岩样破坏的峰前曲线，刚性试验机的出现使得岩样全应力-应变曲线的获取成为可能。而后出现的伺服控制试验机则可以实现对岩样进行复杂应力边界条件下的测试，如应力松弛试验(Hudson， 1971)。在后来的研究中声发射手段被广泛应用到岩石力学测试中，从而对岩样受压破裂过程中不同阶段的声发射特征进行刻画； 同时计算裂纹体积应变也被引入用于描述破坏过程中的裂纹行为(Martin， 1993)。

为了监测岩石在受力破坏过程中内部的动态演化规律，以X射线CT检测和声发射检测等为代表的实验可视化技术在岩石力学试验中发挥了不可或缺的作用。利用X射线CT检测技术可以更为直观地看到岩石内部的动态破裂过程，声发射则可以捕捉到采用常规CT检测手段捕捉不到的微裂纹扩展信息。岩石破裂过程中的声发射现象是由于外力加载在岩样中积聚的能量以弹性波形式释放引起的(He et al.，2010)。声发射这一探测手段可以实时、连续地记录岩石力学试验过程中岩样内部由于各种裂纹产生而引起的声发射现象，通过对声发射数据的处理可以定量地分析岩石破裂演化过程。李庶林等(2004)利用刚性试验机对三山岛金矿的不同岩样(花岗岩、辉绿岩、灰岩和片岩)进行单轴压缩实验，并分析了声发射事件数与应力、时间之间的关系。由声发射数据计算得到参数RA(Rising Time/Amplitude，上升时间与幅值之比)和AF(Average Frequency，平均频率)还可用于区分不同裂纹类型：剪切裂纹和张拉裂纹。研究发现张拉裂纹对应的AF值比剪切裂纹要高，而RA值要低于剪切裂纹(Aggelis， 2011； Aggelis et al.，2013)。李术才等(2014)对砂岩岩样在单轴压缩条件下进行电阻率和声发射的联合测试，发现声发射响应信息(振铃计数)和电阻率有很强的规律和互补性。Zhang et al. (2015)研究了盐岩、花岗岩、大理岩试样在单轴压缩条件下的声发射特征，并对不同岩样在试验过程中的声发射计数、能量、空间分布、b值以及损伤变量进行了定量或者定性分析，得出了盐岩的变形破坏过程更加平缓稳定。Turichshev et al. (2016)研究发现在三轴压缩条件下含有岩脉的完整岩石样品中声发射产生(起始于裂纹不稳定扩展点)要滞后于不含岩脉的完整岩石样品(起始于岩样扩容点)。杨振琦等(2016)通过单轴压缩实验观察了不同层理倾角的黑云变粒岩的声发射时间时空分布特征，并且采用盒维数和声发射能量进行了定量分析，得出声发射事件的时空分布规律受层理倾角的影响与不同的破裂模式相关。韩伟歌等(2017)将声发射定位、振铃计数和CT扫描结合起来分析了延长组致密砂岩试样在三轴压缩条件下的破裂过程。焦永俊等(2017)利用真三轴试验机对花岗岩样品进行双面剪切试验，并分析了由于法向应力改变引起不同破坏形式而造成的峰值频率的差异。孙雪等(2018)利用声发射振铃计数率分析了三轴压缩条件下北山花岗岩的损伤特性及演化规律，并将振铃计数率和能量累计数与岩石受压变形的5个阶段对应起来。林冠宇等(2018)对三轴循环荷载作用下不同含水率岩石破坏的声发射参数特征方面进行研究，并将岩石的破坏分为初始阶段、匀速增长阶段和加速跃迁阶段3个阶段。郝以瑞等(2018)采用声发射振铃计数定义的损伤变量反映了常规压缩下砂岩的损伤演化过程。王春来等(2018)分析了单轴压缩条件下不同硬岩(中砂岩、粉砂岩、花岗岩)在各应力水平的b值演化规律。

前人利用声发射开展的研究工作形式多样，分析使用的声发射参数也不尽相同，在这里不再一一引用和赘述。单轴压缩条件下岩石的破坏过程是研究其他各种复杂应力状态下岩石力学响应的基础，因此本文着眼于最简单的单轴压缩受力状态，针对两种有代表性的脆性岩石样品(花岗岩试件G1、G2、G3和砂岩试件S1、S2、S3)进行声发射测试，并结合力学参数(应力、轴向应变、径向应变、体积应力变、计算裂纹体积应变)以及声发射参数(累积声发射计数、累积声发射能量、AF、RA、b值)对单轴压缩条件下的变形破坏过程进行详细地分析和讨论，这对于研究复杂应力状态下岩石的变形破坏过程十分必要。

1 岩样说明与试验设备

1.1 岩样说明

本研究所用花岗岩和砂岩试样分别取自贵州省黔东南地区和六盘水地区，两种岩石样品均为脆性岩石。按照国际岩石力学学会的建议方法和我国岩石力学试验的相关规程，将试样在室内加工成为直径50imm，高100imm的标准试样(图 1)。试件的几何和物理性质汇总见表 1。所有试件的含水率均为天然状态下的含水率，没有经过干燥处理。

图 1 花岗岩和砂岩试样Fig. 1 Specimens of granite and sandstone

表 1 试件的几何和物理性质Table 1 Geometric and physical properties of the specimens

1.2 试验设备

图 2 GCTS RTR-2000高压岩石三轴动态测试系统Fig. 2 GCTS RTR-2000idynamic triaxial rock mechanics testing facility

图 3 试件安装Fig. 3 Experimental setup

2 声发射参数

本文分析使用了累积声发射计数、累积声发射能量、AF值、RA值和b值这些声发射参数，下面将对这些参数进行简要说明。声发射计数指超过门槛信号的振荡次数，用于声发射活动性评价。累积声发射计数即将截止到某一时刻之前的所有声发射计数进行求和。声发射能量指信号检波包络线下的面积，反映信号的强度。累积声发射能量即将截止到某一时刻之前的所有声发射能量进行求和。超过门槛并使某一个通道获取数据的任何信号称之为一个撞击。它反映了声发射活动的总量和频度，常用于声发射活动性评价。AF值(平均频率)是由超过门槛值的声发射计数除以声发射撞击的持续时间计算得到，单位为kHz。RA值是由上升时间(RT，信号第一次越过门槛至最大振幅所经历的时间)除以声发射信号的幅值而计算得到，其单位为μs·V-1。b值的定义为幅值分布的斜率，是裂纹状态的一个有效指标。较大的b值代表材料中主要产生的是微裂纹，而较小的b值则表示材料中宏观裂纹居于主导地位。更为详细的声发射参数及其计算参见文献Grosse et al.(2008)。

表 2 计算得到的花岗岩和砂岩试件岩石力学参数Table 2 Calculated geomechanical properties of the granite and sandstone specimens

Mean是指平均值； S.D. 代表标准差； C.O.V. 代表变异系数，用于比较测量尺度相差较大或者量纲不同的两组数据的离散性

3 试验结果分析

本节将对花岗岩和砂岩试样的力学特性和声发射特性分别进行分析。

3.1 力学特性

对单轴压缩试验结果进行处理后得到花岗岩和砂岩试样的力学特性如表 2所示。其中σcc为裂纹闭合应力，σci为起裂应力，σcd为裂纹扩展应力(接近岩石的长时强度)，σf为最终的破坏应力。其计算依据文献(Martin et al.， 1994)中所示方法。从表中可以看出同一岩性的不同试件的变形参数弹性模量和泊松比离散性较小，而裂纹闭合应力、起裂应力、裂纹扩展应力和破坏应力则离散性相对较大(砂岩试件的起裂应力除外)。典型的试验应力-应变曲线及应力点的确定如图 4所示，图中没有给出峰后曲线部分，其中裂纹体积应变是由试件的体积应变减去弹性应变计算得到，具体方法参见文献(Martin et al.， 1994)。

图 4 典型的应力-应变曲线及应力点确定(以G2为例)Fig. 4 Typical stress-strain diagram and determination of the stress points(G2 as an example)

3.2 声发射特性

图 5 典型岩石试件声发射参数与应力随时间变化曲线Fig. 5 AE parameters and stress over time of typical rock specimensa. 花岗岩试件G1-累积声发射计数； b. 花岗岩试件G1-累积声发射能量； c. 砂岩试件S3-累积声发射计数； d. 砂岩试件S3-累积声发射能量。实线为声发射参数，虚线为应力

首先比较一下两种岩性岩石试样累积声发射计数以及累积声发射能量的变化规律。这里分别选取两个典型试样进行比较(图 5)。从累积声发射计数时间曲线图 5a和图5c中可以看出： (1)花岗岩样品在达到峰值前声发射现象较少，而在接近峰值时声发射大量发生； (2)砂岩样品在加载初期就有较多声发射信号，而后声发射量减少，再接近峰值时声发射量陡增。从累积声发射能量时间曲线图 5b和图5d中发现了类似的规律：(1)花岗岩样品在峰值前声发射释放出来的能量较少，而在达到峰值及峰后有大量声发射能量释放； (2)砂岩样品的声发射能量在加载初期就有大量释放，而后声发射能量释放处于较低的水平，在达到峰值时又有大量声发射能量释放。虽然这两种岩石单轴抗压强度都较高(除一个砂岩样品外，其余均超过了100iMPa)，但表现出来的破裂过程却不尽相同。究其原因可能是因为其不同的成因： (1)花岗岩属于火成岩，其颗粒间的结合较为牢固，所以只有当应力超过颗粒的胶结强度才会形成裂纹； 而且其结构相对均匀，不同局部发生破坏的时间相差不多，因此声发射现象才会在应力达到试件峰值强度时大量产生，能量也在此时大量释放。(2)砂岩属于沉积岩，其颗粒间的结合较为薄弱，且结构不均，因此在加载初期当局部应力超过该部位颗粒之间的胶结强度时就会有微裂纹产生，从而产生声发射现象。这些相对薄弱的部位裂纹产生以后会有一个平稳期，最后应力达到峰值强度时产生宏观裂纹，又会有声发射现象产生。

然后对花岗岩试件G1与砂岩试件S3的AF及RA值随时间的变化规律进行分析。图 6和图7分别给出了G1和S3单轴压缩试验过程AF和RA值随时间的变化，图6a、 图6b、 图7a、 图7b中的数据点代表了该时刻的AF和RA值，曲线则是由连续30个的AF和RA值的平均数得到。因为AF和RA值的数据点比较密集，图 6和图7c分别单独给出了两个试件的应力时间曲线作为参照。Aggelis et al.(2011)在文献中指出对于混凝土类材料张拉裂纹引起的声发射信号的AF值要大于300ikHz，同时RA值要低于500iμs·V-1。AF和RA值可用于区分不同的裂纹模式。根据图 6a，在应力峰值点以前，试件G1的AF值基本在300ikHz以上； 在应力峰值点以后，试件G1的AF值基本在300ikHz以下。从图 6b 可以看出，试件G1的RA值都在10i000iμs·V-1以上。根据图 7a，试件S3的AF值基本大于300ikHz。但从图 7c可以看出，试件S3发生了脆性破坏，破坏时间较短。因此可以认为试件S3的AF值在应力峰值点之前基本大于300ikHz。根据图 7b，试件S3与G1类似，RA值也都在10i000iμs·V-1以上。试件G1和S3破坏后的图像如图 8所示：试件G1除一条主剪切裂缝外，还有一些沿轴向的张拉裂缝； 试件S3的剪切裂缝面处有一些岩粉，说明剪切裂缝在形成后，受荷载作用剪切面发生摩擦错动。因为缺乏应力峰值点前后试件中裂纹类型的判别，对于花岗岩和砂岩试件是否可以使用AF以及RA阈值来判断剪切和张拉裂纹，以及如果可以，AF和RA的阈值应为多少尚有待进一步试验验证。这对于需要区分对待张拉裂缝和剪切裂缝的情况很有必要。

图 6 花岗岩试件G1声发射参数与应力随时间变化曲线Fig. 6 Time history of AE parameters and stress of granite specimen G1a. AF值； b. RA值； c. 应力

图 7 砂岩试件S3声发射参数与应力随时间变化曲线Fig. 7 Time history of AE parameters and stress of sandstone specimen S3a. AF值； b. RA值； c. 应力

图 8 试件G1和S3破坏后图片Fig. 8 Images of specimens G1 and S3 after failure

最后分析两种岩性岩石样品在不同应力阶段的b值变化规律(图 9)。图中的应力水平为当前应力和峰值应力的百分比值。花岗岩样品的b值在峰值应力前保持在较高的水平，变化并不明显，在接近峰值应力时下降，说明在峰值前微裂缝活动占据主导地位，而在峰值应力时宏观裂缝占据主导地位。砂岩样品在峰值应力的60%时达到极小值点，而后持续上升在应力水平90%时达到极大值点，在峰值应力水平处再次下降。根据砂岩试件S3的b值变化规律，砂岩试件在破坏前微裂缝活动仍占据主导地位。

图 9 b值变化规律Fig. 9 Evolution of b value

4 结 论

通过对花岗岩和砂岩试样在单轴压缩试验过程中进行声发射监测，并对声发射参数进行分析，可得出如下结论：

(1)对于同一岩性的岩石样品，弹性模量、泊松比这两个与变形相关的力学参数离散性较小，而与强度相关的应力参数的离散性很大。

(2)声发射计数和能量在很大程度受到岩石样品的颗粒胶结强度以及结构的均匀性等微观性能的影响。

(3)对岩石类材料而言，需要通过进一步试验来确认采用AF和RA值来区分岩石类材料张拉和剪切裂纹模式的合理性及其阈值。

(4)砂岩样品在接近破坏时，微裂缝活动仍然占据主导地位。