加载速率影响下类硬岩声发射及破裂响应特征

张泽坤 ，宋战平 ,2，程 昀 ，霍润科 ,2，宋婉雪 ，王奎胜 ，王 彤 ,2，杨腾添 ，刘 伟

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西 西安 710055；3.中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300300)

岩石受力破坏是内部裂隙萌生、扩展和断裂的连续演变过程[1]，而破裂声发射信号蕴含着岩石承载能力失效的重要信息[2]，如受岩体爆破、机械挖掘等力学效应影响[3-4]，导致加载扰动对岩石力学损伤具有显著影响[5]。因此，通过研究岩石声发射可以探究损伤特性进而揭示破坏前兆信息。

加载速率效应是指材料力学特征随加载速率变化而改变的力学行为。S.H.Cho 等[6]研究表明，加载速率下凝灰岩的动态抗拉强度随应变率的增加而增加；薛东杰等[7]揭示了加载速率下煤岩的破坏特性；陈军涛等[8]研究了加载速率对预制裂隙试样破裂特性的影响；于利强等[9]研究了砂岩裂纹扩展及变形破坏特征的加速率效应。另外，Ma Yankun 等[10]研究了煤岩力学性质与声发射参量间的统计特征；宋战平等[11]进行了单轴压缩–拉伸–劈裂条件下石灰岩的声发射研究；杨文君等[12]、张黎明等[13]研究了变加载速率下砂岩、大理岩的声发射特征及声发射b值变化规律；甘一雄[14]、葛振龙[15]等研究了花岗岩和砂岩内部裂纹的发展以及声发射参数RA 及AF 的变化特征。以上研究在加载速率效应下沉积软岩破裂过程中声发射特征方面取得众多有益成果。随着地下空间工程的不断深入发展，众多岩体工程中也频频出现硬质沉积岩体的力学工程问题，如力学扰动及岩体结构调整诱使内部应力重新分配的同时导致硬质沉积岩强度劣化或失稳破坏。由于硬质沉积岩相对于软岩的脆性破裂特征更为显著，加载效应下的破裂响应特征与声学灾害预警信息更加复杂。因此，硬质沉积岩变形及破裂响应特征仍需进一步关注。

笔者对类硬岩试样进行不同加载速率下的单轴压缩–声发射测试，分析类硬岩试样力学参数与加载速率的相关性，基于声发射参数(振铃计数、能量及b值)的演化特征获得失稳破坏前兆信息，以期对加载速率效应下硬质岩体破裂特性及失稳响应预警研究提供参考。

1 试验材料及方案

1.1 岩样制备

参照既有类岩样材料的制备经验[8,16-17]，以高强水泥(P·O 42.5)、细粒石英砂(100 μm)、高纯度铁矿粉(Fe3O4)及工程速凝剂为相似材料，相似配比参照中科院武汉力学研究所的试验配比[18](4∶1∶0.35∶0.16)制备了满足试验致密性标准的类硬岩试样。初期浇筑尺寸为300 mm×400 mm×100 mm，通过小频率震动获得密实性良好、强度离散性低的试验材料；潮湿状态下养护120 h 后进行钻心、打磨获得标准岩样(ø50 mm×100 mm)，其断面不平行度和不垂直度小于0.02 mm。标准岩样在潮湿环境养护23 d 后，对其称重、测试纵波波速以剔除残损、差异性较大的岩样，最终共挑选8 块岩样用于试验。标准岩样如图1 所示；岩样基本性质参数见表1。

图1 实验室类硬岩岩样Fig.1 Hard-rock-like samples in the laboratory

表1 类硬岩基本性质参数Table 1 Basic properties parameters of hard-rock-like samples

1.2 试验设备及方案

单轴力学试验设备为微机控制电液伺服岩石力学试验机，最大加载强度为600 kN，扰动频率为0～3 Hz。声发射监测设备为SAEU2S-1061-4 型声发射检测系统，采集门槛值为40 dB，采样间隔和频率为400 μs和1 000 kHz。自然岩体及工程爆破开挖后岩体应力基本处于静力学范畴[19]，参考文献[20]，应力加载速率考虑了0.10、0.15、0.20 和0.25 kN/s 这4 种工况。试验预加载应力为0.20 kN，最大加载应力为200 kN 以使岩样破裂，每组加载速率设置2 个平行试验，共有4 组(表1)。应力–应变及声发射监测同步进行，以便获取应力–时间–声发射参数的统计数据。

2 试验结果

2.1 应力−应变曲线特征

图2 为不同加载速率下典型类硬岩的轴向应力–应变曲线。以0.20 kN/s 试验条件为例分析，不同加载速率下岩样的应力–应变曲线经历了压密阶段(0a段)、弹性变形阶段(ab段)、塑性变形阶段(bc段)和破坏阶段(cd段)4 个典型阶段。预制硬岩与硬质岩体[21]的力学特征相似，具有典型脆性破坏特性。

图2 不同加载速率下轴向应力−应变曲线Fig.2 Axial stress-strain curves at different loading rates

应力加载初期，应力–应变曲线(0a段)呈上凹趋势，内部裂隙被压缩密实提高了岩样刚度。浇筑材料包裹石英砂形成不同强度的胶结体导致岩样出现应力集中，引起岩样的前期微破裂，裂缝主要衍生于强度较弱的过渡区域导致应力降出现。高应力增量使裂隙压密更加充实，压密阶段应变随加载速率呈增大趋势。随应力加载，内部裂隙基本被压缩密实导致弹性变形阶段的应力–应变曲线(ab段)近似线性增长。随应力水平提高，内部应力集中更加突出且伴随微裂隙出现，应力–应变曲线呈局部下跌。加载速率越大，弹性变形越明显，这是由于加载速率越大时岩样没有充分时间发生变形，岩样刚度被强化从而提高承载强度。应力增大诱使新生裂隙萌生和原生裂隙扩展，损伤不断积累，应力−应变曲线(bc段)出现增幅减缓并逐渐趋于峰值。加载速率增大，到达峰值强度前应力−应变曲线的波动变缓。这是由于较低加载速率下岩样临近破坏前有充分时间进行应力调整，伴随频繁的能量积累和释放，内部裂隙发育充分。应力持续增大，内部应变能逐渐累积导致裂隙快速扩展、贯通并伴有爆裂声，部分岩样表面因小岩块弹射而形成缺失区。随应力持续加载，岩样承载能力接近峰值强度诱使裂隙快速交汇形成宏观裂纹。承载能力达到峰值后应力–应变曲线(cd段)进入峰后阶段且呈快速跌落状。相比较低加载速率(0.10～0.15 kN/s)，较高加载速率下(0.20～0.25 kN/s)的应力–应变曲线呈陡峭跌落状，未出现局部震动跌落。

2.2 力学参数特征

图3 为力学参数与加载速率间的关系，峰值强度、弹性模量及峰值应变与加载速率呈指数关系。由图3可知，加载速率由0.10 kN/s 提高到0.15 kN/s 时，峰值强度增幅为24.42%；由0.15 kN/s 提高到0.20 kN/s 时，峰值强度增幅为8.97%，略有减缓；由0.20 kN/s 提高到0.25 kN/s 时，峰值强度增幅进一步减缓，仅为5.30%。可以看出，峰值强度具有加速率效应，增幅逐级减缓表明岩样对应力增量具有一定适应过程；当超过某一临界加载速率后，峰值强度将趋于稳定或降低[22]，这与文献[23]所得结论相吻合。

图3 不同加载速率下力学参数特性Fig.3 Mechanical parameter properties at different loading rates

由图3 可知，加载速率为0.10～0.15 kN/s 时，弹性模量为5.83～6.08 GPa，增幅为4.29%；0.15～0.25 kN/s时弹性模量增幅分别为1.32%、2.27%，这与峰值强度的变化特征一致。除加载速率0.15 kN/s 下的峰值应变出现异常(其值依然小于0.20 kN/s)，其他峰值应变随加载速率近似呈指数增长。加载速率为0.10～0.15 kN/s 时，峰值应变增幅最大(71.45%)；加载速率为0.15～0.20 kN/s 时，峰值应变的变化幅度微小；加载速率为0.20～0.25 kN/s 时，峰值应变的增幅为16.67%，较第1 阶段(71.45%)的增幅小，这与唐建新等[24]研究具有一致性。

3 声发射特征分析

图4 为应力–AE 幅度–时间分布特征，可以看出，随加载速率增大，AE 幅度与应力–应变的演化趋势具有一致性。较低加载速率下，压密阶段孔隙度较小，导致声发射不显著，AE 幅度呈稀疏分布。弹性变形阶段，内部应力集中引起裂隙萌生导致局部声发射，AE 幅度分布密度略有增大；随着应变能累积，峰值附近裂纹扩展频繁，声发射活动增强。中等加载速率和较高加载速率下，压密阶段的声发射明显提高，AE 幅度及分布密度增大；弹性及塑性变形阶段的AE 幅度为高水平高密度分布，表明较高加载速率下裂隙扩展程度提高。较低加载速率下AE 幅度呈带状分布，随加载速率增加，带状分布特征减弱。分析认为，较小加载速率下微裂隙扩展微弱，裂纹扩展诱发局部声发射，阶段性的裂纹扩展导致声发射信号呈带状分布；较高加载速率下裂纹扩展频繁，声发射活跃因而呈现高水平、高密度分布。

图4 应力−AE 幅度−时间分布特征Fig.4 Distribution characteristics of stress-AE amplitude-time

图5 为应力–AE 振铃计数–时间分布特征。可以看出，较低加载速率下(0.10 kN/s)，加载初期声发射微弱，累计振铃计数增长不显著，其平稳增长阶段持续近270 s。随轴向应力加载，内部局部裂隙扩展引起的应力降导致AE 活动增强；此时，累计振铃计数曲线出现第1 次阶段式上升但增幅不显著，振铃计数累计值小于2.0×104次。塑性变形阶段的裂隙扩展迅速，AE活动增强，累计振铃计数缓慢增长330 s 后突然剧增。此时，岩样临近破裂，内部伴随裂隙的快速贯穿，AE 活动剧烈，最终振铃计数累计值为2.30×105次。较大加载速率下(0.20 kN/s)压密阶段的AE 活动相对增强，累计振铃计数平稳增长持续近100 s 后出现第1 次阶段上升，增幅约为5.0×104次；弹性及塑性变形阶段的声发射显著提高，累计振铃计数在360 s 时出现连续增长，484 s 时明显加快，最终累计振铃计数为4.70×105次。当加载速率增大到0.25 kN/s 时，累计振铃计数的增长速率进一步加快，增长台阶数增多并在446 s 时突增，最终累计振铃计数达9.0×105次。由此表明，相对较大的加载速率诱使大量裂纹交织并提前贯通，AE 活动增强，较快进入活跃期且持续更长时间。

图5 应力−AE 振铃计数−时间分布特征Fig.5 Distribution characteristics of stress-AE ringing counts-time

图6 为应力–AE 能量–时间分布特征，可以看出，AE 能量与AE 幅度、AE 振铃计数的变化规律相似，表明声发射特征参数间有较强关联性。根据地震波能量分析，AE 能量释放特征存在主震型、群震型和孤震型。较低加载速率下，岩样裂隙的衍生扩展缓慢，AE活动微弱，AE 能量整体表现为孤震型。压密和弹性变形阶段的累计能量呈阶梯状发展，能量波动主要发生在应力降和失稳破坏前后，峰值时达到最大，最终累计能量为1.98×10−6J。中等加载速率下(0.20 kN/s)，裂纹扩展速率加快，AE 活动增强，临近破坏前的AE 能量幅值密度增大，累计能量达到3.12×10−6J，较低加载速率下的累计能量增长57.58%。较高加载速率下(0.25 kN/s)，AE 能量幅值和密度明显增大且呈群震型特征，累计能量增幅与累计振铃计数的演化趋势相似，最大AE 累计能量为5.48×10−6J，相比0.20 kN/s条件下增长75.64%。分析表明，加载速率越大，微裂隙在发育扩展过程释放的平均能量越高，损伤程度更大，这与岩样在高加载速率下破坏时发出的清脆爆裂现象一致。

图6 应力−AE 能量−时间分布特征Fig.6 Distribution characteristics of stress-AE energy-time

4 破裂响应特征分析

4.1 宏观破裂形态

图7 为岩样典型宏观破裂形态，按照起裂阶段(第1 张)、破坏阶段(第2 和第3 张)排列，加载速率对类硬岩宏观破裂具有明显影响。

图7 岩样的宏观破裂形态Fig.7 Macro fracture morphology of rock samples

较低加载速率时(0.10 kN/s)，岩样起始有少量纵向裂隙，岩样破坏比较平稳且整体比较完整，掉落碎块较少；由于加载速率较低，岩样内部微裂隙有充足时间进行剪切滑移和扩展，最终呈现斜剪破裂。中等加载速率时(0.15～0.20 kN/s)，初始裂隙数目增多，裂纹尖端开始出现弹射破坏和岩片断裂，主裂隙衍生出更多次生裂隙，逐渐贯通形成宏观裂隙，表面岩块出现弹射现象；加载速率增加，部分裂纹发育不充分，在剪切滑移同时沿着张拉裂隙扩展，出现斜剪−拉伸复合破坏特征，破坏后端部呈锥形压碎形态。较高加载速率时(0.25 kN/s)，初始裂纹变密变宽，裂隙由端部衍生并逐渐向中部扩展，贯通裂纹数目增多；由于较高加载速率下应变能累积速率增大，局部破坏瞬间发出爆裂声；破坏端部呈明显粉碎状，表面片状或条状岩块崩落显著，主控裂纹呈现典型劈裂破坏，局部伴有剪切裂纹。

4.2 声发射特征参数

声发射b值为表征破裂震级–频度关系的参数[14,25]。b值增大，小事件数量增加，小尺度破裂增多；b值减小，大事件数量增多，大尺度破裂增加。

式中：N为大于震级M的声发射次数；a、b为常数；震级M=A/20[26]；A为AE 幅值。

声发射RA 和AF 值可反映岩样破裂类别[27]，RA值较大、AF 值较小表明以剪切破裂为主；AF 值较大、RA 值较小表明以拉伸破裂为主。

式中：tR为声发射信号上升时间，s；A为对应声发射幅度，dB；AEc为声发射振铃计数，次；tD为持续时间，s。

图8 为岩样应力–b值–时间分布特征。可以看出，不同加载速率下b值随时间增加呈波动变化，大致分为上升期、波动期和下降期，反映了裂隙的萌生扩展及贯通过程。随加载速率增大，压密阶段的b值上升期逐渐变短，初始b值降低，表明受压初期以小尺度裂纹萌生为主，较大应力诱使小尺度裂隙扩展为大尺度裂隙；弹性变形阶段，b值上下波动明显并开始减小，反映了内部大小尺度裂隙的扩展、贯通频繁；塑性变形阶段，随加载应力增大，大量微裂隙聚集贯通形成大尺度破裂面，释放大量应变能，b值进入下降期；岩样达到峰值强度即将失稳破坏时，b值最小值与加载速率呈负相关，由0.54 降到0.53 再到0.51 直到0.49，反映了岩样失稳破坏时破裂尺度的增加，这与岩样宏观破裂形态的裂隙演化特征具有一致性。

图8 应力–b 值–时间分布特征Fig.8 Distribution characteristics of stress-b value-time

图9 为岩样应力–RA–AF–时间分布特征。可以看出，RA-AF 值的变化规律与宏观破裂具有一致性。压密阶段，AF 值与加载速率呈正相关，裂隙扩展主要受张拉作用影响；弹性变形初期，应力集中导致应力降出现，RA 值与加载速率呈负相关，AF 值与加载速率呈正相关，岩样由剪切破裂向拉伸破裂转变；弹性变形发展阶段，AF-RA 值均增大，微裂隙快速扩展，宏观主裂隙逐渐贯通，岩样由单一裂隙向张拉–剪切的复合模式转变；塑性变形–破坏阶段，随加载速率增大，RA 值相对减小，AF 值相对增大，最终破裂模式由剪切破坏向张拉破裂转变。以上分析可知，随加载速率增大，裂隙扩展激烈，破坏后大尺度裂隙增多变宽；裂隙从小尺度微裂隙向大尺度宏观破裂演化，局部破裂向全局失稳转变，破裂模式由剪切破坏到复合破坏转化。

图9 应力−RA−AF−时间分布特征Fig.9 Distribution characteristics of stress-RA value-AF value-time

4.3 失稳破坏前兆分析

以上分析可见，声发射特征参数较好反映不同加载速率下类硬岩的破裂演化特征，临近破坏前声发射参数存在明显响应规律。因此，声发射活动突变预示着岩样失稳破裂[25]，可将声发射特征参数的明显突变点作为“临界破坏前兆点”，表示为D点。岩样临近破坏前，AE 累计振铃计数和累计能量曲线的增长速率变化明显，可将曲线斜率突增点作为D点；声发射b值的大幅度突然跃迁表示裂纹尺度状态的突然变化，预示着一种突发式的失稳破坏[25]，但岩样在加载破坏全过程中b值上下波动复杂，临近失稳破坏前b值有多次大幅度突降，单独依靠突降点来确定D会降低信息可靠度。

按照以下原则选取b值的临界破坏前兆点：①D值要大于岩样在失稳破坏前b值的最小值；②D值要大于岩样在失稳破坏时的最小值，且数值不宜与最小值接近[28]。参考不同加载速率下类硬岩声发射b值跃迁特征及上述选取原则，本试验的b值可确定为0.68(图8)；由于AE 幅度和RA-AF 值的变化特征无法定量评价具体临界破坏前兆点，因此，可将其作为岩样临界破坏的辅助判断依据。不同声发射参数D点距离岩样失稳破坏的时间(tb) 及应力水平(γ=σb/σc)，σb/σc为临界破坏前兆点对应的应力与峰值应力的比值，见表2。

由表2 可知，累计振铃计数的D点距离岩样失稳破坏的平均时间最长，其预警时效性最好，累计能量和b值的预警时效次之，平均时间分别为29.8、29.3 s。因此，声发射前兆信息预警时序由大到小为：累计振铃计数、累计能量、b值。此外，低加载速率下(0.10 kN/s)累计振铃计数和累计能量的D点距离岩样失稳破坏的时间较高加载速率(0.25 kN/s)长，而b值的时间较高加载速率短。因而，当深部矿区采掘速率较低时，建议利用累计振铃计数和累计能量进行失稳预警，当采掘速率较高时，可借助声发射b值来提高监测预警的时效性。综上所述，类硬岩声发射参数“临界破坏前兆点”的平均时间和应力水平均分别大于29 s 和93%，表明声发射参数作为岩石失稳破坏前兆信息判据具有时效性。由于地下空间工程中硬岩体结构具有多变性，单独依靠声发射特征进行失稳预警会导致错报漏报，故结合现场岩体声发射和微震监测信息分析特征参数的时空演化规律以提高监测预警的准确性。

表2 声发射临界破坏前兆点Table 2 Critical failure precursors of Acoustic Emission

5 结论

a.岩样峰值强度、弹性模量和峰值应变具有阶段性的加速率效应。随加载速率增大，力学参数总体呈指数函数增长，较低加载速率时的增长速率较快，而较高加载速率时的增长速率略有减缓。

b.不同加载速率下声发射参数的演化规律具有一致性，表现出阶段性增长特点，增长幅度与加载速率呈正相关。随着加载速率增大，AE 幅度和幅度密度逐渐增大，AE 振铃计数由低值低频向高值高频转变，AE能量释放特征由孤震型向群震型转变。

c.加载速率对硬岩破裂模式及破碎形态具有明显影响。随着加载速率增大，岩样呈剪切破坏−拉伸剪切复合破坏−拉伸破坏演变，破裂程度增大。随加载时间增加，声发射b值呈“上升、波动和下降”演化过程，总体呈逐渐减小趋势，表征岩样裂隙的萌生、扩展、贯通直到破裂的渐进演化特征。类硬岩声发射b值的“临界破坏前兆点”为0.68，声发射前兆信息的预警时序由大到小为：累计振铃计数、累计能量、b值。