岩石蠕变声发射特性研究现状与展望

旺扎多吉

（中国地质调查局应用地质研究中心，西藏拉萨 850014）

0 引言

岩石的蠕变性和岩土工程的稳定性及安全紧密性息息相关。蠕变与应力松弛则在岩石的流变李学忠占据了重要的内容。岩石蠕变性通常是在特定的荷载状况之下，岩石发生形变，并且伴随时间的延长而不断地变大。岩石流变效应中对于岩石蠕变对应的分析研究，在岩石力学的相关理论及详细工程的中拥有十分深远的意义。

材料受到力的作用进而发生形变与断裂的情况，通过弹性波的形式将应变能释放出来的情况极为声发射。当岩石发生蠕变的情况下，因为声发射的相关检测技术而出现断续、实时对岩石所受力的影响而被破坏，岩石中的微裂纹就会逐步形成并拓展，并且也会根据岩石受力遭到破坏，进而岩石内的裂纹会不断演化，通过定性或是定量的分析，并且精准定位岩石被破坏的位置，所以声发射检测与其他的检测方式具有一定的优势。

现在相关的研究者通过声发射技术实现对岩石所受破坏进行检测，在目前来看国内外的相关研究者大多是针对常规加载状态下岩体力学性质相关的声发射试验，还有就是岩石蠕变过程的声发射试验分析。本文就主要分析了岩石蠕变声发射特性进行了深入研究，分析了当前的研究先状，并对未来的发展进行预测与分析。为国内岩石蠕变的特性进行了深入分析与研究。

1 基本理论

1.1 岩石蠕变定义

岩石蠕变主要指的是在温度与应力一定的状况之下，岩石会发生形变，并且伴随时间的增加也会实现相应的增长情况，也就是我们常说的岩石徐变。

1.2 岩石蠕变影响特性

①应力。在应力较小时，蠕变速率相对较慢，并且会逐步发展到稳定的程度。反之，应力比较大的时候，蠕变速度也会不断增大，并且发生蠕变的速率不断增发，并产生破坏。简而言之就是蠕变速率通常会和应力相应的幂函数成比例关系。②温度。伴随岩石所处的温度越高，蠕变就会产生更大的变形。随着温度的降低，蠕变基本上与时间对数、应力及温度之间成比例关系。也就是岩石的蠕变、温度之间存在正相关性。③加载速率。所受应力一定时，蠕变变形会伴随加载速率的减小逐渐增大，也就是两者之间是反比关系。除此之外，岩石的蠕变性还和所处湿度具有一定的关系。

在工程中岩石的蠕变规律经常使用的力学模型，并且有多种模型。处于中等水平及一般温度状态下，可以使用鲍格斯四元件模型分析蠕变的具体特性。

1.3 声发射信号特征和系统参数

声发射信号主要通过相应的试验仪器采集并形成的基本信号参数后，通过相应的处理时间列的数据。通过后处理的声发射信号可以当做时间列做出相应的计算及分析，经过采用空间的基函数把复杂的离散使用数据通过连学的函数空间基函数重新组合的一种表现形式。

声发射的型号特征擦书通常指的是在基本参数序列内提出声发射的相关波性特征，按照设定的值电压定义或是构造的声发射信号的特征参量，各类信号特征对应不同的物理属性声波。当声发射信号传播到对应的试样外部后，压电效应就会把声波转化成相应的电信号。

通常幅值、事件、振铃计数、持续时间还有上升时间等相关的信号参数形成了一次完整的声发射信号。按照相应的装机全波形和对应的值电压之间的关联，对声发射信号参数进行定义，波形信号在采集过程中大多是使用的时间—电压序列形式反应的。利用放大倍数的差异，形成离散时间序列波形，通过相应的处理之后，实现幅值、振铃计数、持续时间、事件还有上升时间当做信号参数。

2 岩石蠕变声发射特性研究现状

2.1 岩性对岩石蠕变声发射特性影响研究

有学者针对花岗岩与大理石制造的岩石样做相应的单轴压缩蠕变声发射的试验，按照声发射参数的变化，反映出两类岩样成分的差异造成差异化的形变破坏与形状及差异化的声发射数据特性[1]。

有学者针对辉长岩与大理岩的完整岩石样本做单轴压缩蠕变的声发射试验，对两类岩石的蠕变经历的三阶段蠕变声发射活动进行记录分析，研究不同的变化特征[2]。

有学者用深部灰岩做单轴压缩蠕变声发射试验，蠕变的过程，声发射惠东可以及时将蠕变的各个阶段产生的形变特征进行有效反映。对岩石内部的细裂纹的产生及不断扩展、宏观裂纹的贯通可以进行及时检测与反映[3]。

有学者在研究中采用砂岩试样做单轴蠕变试验，通过分级儋州加载及循环加载两大形式，对岩样在不同的加载形式下的力学与声发射特点进行研究[4]。分析了分级加载、分级加卸载两类形式之下，声发射参数的变化情况。通过试验了解到在不同的应力水平下，岩样的蠕变过程中声发射参数的变化相对一致，但是在最后一级应力状态下，分级加载的蠕变阶段声发射参数基本无变化，并且基本保持平稳状态，加速蠕变的阶段声发射参数会突然增加，但是在不同的分级卸载状况下，直至加速蠕变阶段的声发射参数就会冥想增加，但是在分级加载状态下，进入到了加速蠕变的阶段声发射参数会进入短暂的突然加速期，随后会逐渐趋向稳定与平稳，相应的声发射参数也会骤增。

2.2 岩石蠕变破坏过程声发射特征研究

有学者对两种完整岩样做单轴压缩蠕变破坏声发射试验。对相应的三种蠕变阶段的情况进行观察，最终了解到岩样的差异性在不同的阶段相应的信号强度、参数值存在一定的变化规律[5]。

有学者用砂岩通过分级循环卸载过程下做蠕变声发射试验。对岩石试样产生的蠕变过程做了详细分析，了解到不同的应力状态下，声发射主频率伴随应力的增大不断加宽，在循环过程中都存在次主频的情况。

有学者对不同应力水平下大理石蠕变损伤声发射特性开展了研究，定性分析了在不同的蠕变应力作用下，岩体承载能力、声发射数据以及岩体裂纹的变化规律。另外对红砂岩开展了短时蠕变声发射试验研究。分析了岩样在不同蠕变阶段、不同应力水平下声发射活动特征。指出可以根据不同应力水平下的声发射特征来辨别红砂岩具体处于哪一个蠕变阶段。

2.3 蠕变一冲击条件下岩石的力学行为

针对蠕变中的岩石，经过想爆破累的冲击之下，岩石受到损伤、变形及破坏过程就会受到蠕变及冲击两种应变率的影响。高延法教授首次提出了岩石的流变扰动效应，其反映出来岩石经过动态扰动产生蠕变力学的相关影响规律。教师进一步提出在神经状态下，软岩类巷道存在强流变情况，十分容易受到外部开采类活动的影响，导致流变情况加速，重点指出了研究动态扰动影响岩石流变特性，并且认为岩石具有强度的极限领域，也就是在岩石遭受相应的应力影响的状态下，其流变特性的严重必要性，通过外力作用岩石出现蠕变情况，并且当应力达到极限邻域值时，受到外部动态干扰的情况之下并不会发生所述的蠕变情况。

2.4 蠕变一冲击载荷下围岩的变形特征

对于深部高应力状况，硬岩也反映出了明显的蠕变特性。根据相应的检测研究分析了解到在某矿开此案过程中巷道经过连续收敛变形，并且在一定的时间效应之下，因为受到开采面的前方遭受破裂带的移动导致的。而且随着开采速度的不断增大与时间的积累，破裂带的迁移速度也在不断增大，但是小于开采速度，在稳定状态下减少释放的能量，进而增加岩石的爆破发生率。对每日微震活动进行检测与分析，发现其分布规律，指出通常在爆破过程中或爆破之后的短时间中存在频繁的微震活动，不过在爆破后的几天时间内依旧也会出现微震活动，这体现了岩石破坏过程存在时间效应。 STEWAR 与SPOTTIS -WOODE 统计了Blyvooruitzicht 金矿爆破后1h 内的微震事件累积数与时间的关系，发现微震事件累积数随时间变化表现出明显3 阶段趋势，即对应于爆破事件的初始陡峭的线性阶段，微震事件累积率与时间成反比的第2 阶段，以及微震事件累积率最低的第3 阶段。MALAN 对采矿过程中的爆破活动与采场变形的规律进行了监测。在爆破之后，采场的收敛变形在瞬间就会增大，随后的一段时间内进入五小时的减速变形期，并转入稳定变形期。这也反映了硬岩变形周期和爆破外界干扰性为之间存在一定的联系。综上所述，很多的变形多数是在爆破工作之后的5 小时内形成的，但是每次在爆破完成后的采场会反复出现这一情况。

2.5 应力水平对岩石蠕变声发射特性影响研究

对大理岩试样进行单轴压缩蠕变声发射试验，研究表明随着应力水平的增加，试样声发射信号的频谱（频域）有明显的变化规律，声发射信号主频由低频带向高频带转移，主频幅值总体呈下降趋势，次主频现象经历从无到有的变化过程，逐渐发展成为主频。

有材料显示对煤岩进行单轴压缩蠕变声发射试验，研究表明随着应力水平的增加，当加载应力没有达到蠕变的应力值，试样不会产生明显的蠕变变形；当应力水平超过值，则会发生明显的蠕变变形。在减速、等速、加速不同蠕变阶段，声发射活动呈现逐渐增强一趋于平稳一显著增强的变化特征。

有资料显示针对红砂岩作为研究对象，分析了单轴压缩后红砂岩出现蠕变的声发射试验，对各种应力状态下及蠕变情况下的岩石变哈进行分析，声发射事件率与能率之间的变化关系。最终试验结果反映出应力的不断增加，声发射事件率及能率会出现小幅度的下降。对于减速蠕变或者等速蠕变的情况，伴随时间的积累，声发射事件率和能率就会不断减小。在蠕变速度较快的情况下，声发射事件率及能率的值也会明显增大。岩石材料在不同的应力加载情况之下，反映出一定的变形记忆状况，如果岩石所承受的荷载高于或者低于上次的荷载数时就会发生声发射情况，被称作Kaiser效应；加入岩样遭受的荷载比前一次的最大荷载大的话，也会伴随明显的声发射事件，这就是Felicity 效应。

2.6 岩石蠕变损伤声发射特性

岩石是通过长时间的成岩与构造运动的地质体，存在明显的微观与宏观的缺陷，岩石工程的变形破坏不止和构造力、工程地质环境息息相关，还与其所遭受的外力等方面的影响与岩石结构面的控制有关。与此同时，很多岩石工程并不只是在开始后才出现的破坏失稳等情况，而是受到工程活动的影响，验收经过应力的重分布、地质、水文环境等情况的不断恶化使岩石变形跟随时间的不断积累形成蠕变与发展过程，从而发生宏观破裂。岩石破坏失稳属于一种渐进性破坏过程，岩石材料伴随地质、水文及应力环境的不断改变逐步积累，并发生变化，也就是我们常说的损伤。声发射的生产和材料内容不得缺陷积累及发展息息相关，也是材料在变形破坏时的一种有效演化手段。

根据相关的试验研究了解到通过控制不同而便利，如循环加载、卸载及蠕变过程中产生的变形与弹性作分析，使用粒子群优化算法，开展蠕变模型分析。按照晟发射的不同参数变化情况，即事件数、能量和振铃计数。还有参数的积累，伏各类蠕变声发射的特征进行研究与分析，重点分析蠕变阶段的声发射参数变化情况，总结相应的变化规律和不同应力水平状态下的发射特性。使用特定的变量控制，对不同水平下的应力形成的蠕变声发射特性，也即是进一步验证不同的应力水平状态下蠕变声发射模型。

3 研究展望

综上所述，全球研究学者专家针对淹蠕变声发射特性进行了综合性的研究分析，设计方面较多，获得了更多的研究成果，进一步反映了岩石变形破坏机理具有重要的推动意义。在未来的研究中可以重点关注这些方面：①声发射技术作为研究基础，可以配合红外辐射、电磁辐射及核磁共振、CT 技术方式，进行岩石蠕变声发射的相关研究，最终分析出岩石变形破坏的机制。②岩质工程大多数情况是在温度、应力及渗流场，进行多种合作状态下岩石蠕变声发射特性的相关研究工作，能够进一步对岩石力学在复杂条件下的研究分析。③岩质工程中具有节理、断层、裂缝等不连续的结构层，但是结构层会明显影响到岩石的变形破坏。所以进行包含节理与裂缝相应的岩石蠕变声发射特性分析，可以深入分析岩石的蠕变重要内容。因为岩石的离散型及非均匀、各向异性、受力状态相对复杂的情况，当前对岩石蠕变声发射研究中还有很多不足指出。在未来的科技发展过程中可以不断完善，并做进一步研究分析，促进岩石蠕变声发射特征的深入发展。