单轴压缩和劈裂试验下不同岩性岩石声发射特性研究

花晓鸣，罗晨曦，苟晓军，李富明，张海超

(中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

21世纪是地下工程建设高速发展的时代，随着工程越往深部探索，工程地质灾害的发生频率也随之增高[1]。在研究地质灾害发生机制中，声发射(Acoustic Emission)技术作为一种无损伤可以监测材料内部裂纹扩张的新型检测手段，广泛应用于土木工程、矿业工程、材料工程等行业[2-3]。在开挖的地下工程中，岩体往往受自重影响处于受压状态，有些局部区域处于受拉状态，而压拉应力是导致工程结构体发生变形和垮塌的主要原因[4]。因此，在以往的研究中，学者们讨论了各类岩石在单轴压缩[5-7]和巴西劈裂[8-10]试验下表现出的声发射特性。

李术才等[5]对砂岩单轴压缩全过程进行声发射监测发现，岩石在微裂纹压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段的声发射敏感性微弱，在裂纹扩张阶段声发射活动更为活跃。李庶林等[7]对三山岛金矿矿石进行单轴压缩试验发现，岩样声发射事件率在应力峰值强度前出现相对平静期，峰值强度后声发射现象仍然明显。余贤斌等[8]对砂岩进行巴西劈裂试验发现，岩石层理方向对声发射现象有一定的影响，且不同种类岩石声发射特性差别较大。王林均[11]对花岗岩和砂岩样品进行单轴压缩试验，并监测样品破裂全程的声发射信号发现，砂岩样品在接近破坏时，微裂缝活动仍占据主导地位。谭赢等[12]对花岗岩、灰岩、砂岩、大理岩4种岩石进行巴西劈裂试验，采集试样破裂全过程的声发射信号发现，在劈裂荷载下，岩石破裂产生的声发射信号的累计振铃计数呈稳定增长期、突增期、平静期3个阶段。Moradian等[13]对预制裂缝花岗岩进行单轴压缩试验结果显示，AE撞击数的大小可以反映裂纹数量和尺寸大小；另外，随着加载应力水平的逐渐增大，声发射信号也随之增多，并在岩石峰值强度前期达到顶峰[14]；并且证实了能量的加速释放[15]、b值的突然下降[16-18]和AE撞击率的上升都能为预测岩石破坏提供依据。

岩石的形成是一个复杂的成岩过程，其形成环境、内部结构、矿物成分及颗粒尺寸都存在着很大的差异，而这些差异往往是导致岩石展现出不同的力学特性和声发射特征的根本原因。在以往的研究中，针对不同岩性岩石在单轴压缩和巴西劈裂试验下声发射特性之间的差异性研究还相对较少。为此，本文对白砂岩、大理岩、花岗岩和现场取样岩石进行了单轴压缩试验和巴西劈裂试验，对比分析了4种岩石在单轴压缩和巴西劈裂试验条件下的声发射特征的差异，可为相关地质工程灾害监测提供理论依据。

1 试验设计

1.1 试样准备

本试验所设计的单轴压缩试验和巴西劈裂试验试样分别制作成φ50 mm×100 mm的圆柱体和φ50 mm×30 mm的巴西圆盘。为研究不同岩性岩石的声发射特征，准备了3类不同岩性，即白砂岩、大理岩和花岗岩分别代表沉积岩、变质岩和火成岩作为本试验的研究对象，其中白砂岩取自四川自贡，大理岩为较为常见的细粒大理岩取自湖南耒阳，花岗岩为常规花岗岩取自湖南汨罗，作为均质、节理裂隙不发育的岩样。此外，选取了成都地铁隧道18号线火成岩的岩体加工而成的现场岩样，作为不均质、节理裂隙发育岩样，编号为B-1，B-2，B-3和B- 4。为确保试验的精准性，对岩样端面进行打磨加工，确保端面不平整度小于0.1 mm，且岩样两端面垂直于轴向。试验岩样见图1。

图1 试验岩样

1.2 试验设备

试验采用中南大学高等研究中心MTS-322压力机和PCI-2声发射系统，试验机最大轴向载荷为500 kN，能够同步记录轴向载荷、轴向应变和轴向位移；声发射系统能够同步记录AE撞击数、AE计数、AE能量等基本AE参数。试验设备见图2。

图2 试验设备

1.3 试验方案

本试验分别对完整岩样和现场岩样进行单轴压缩和巴西劈裂试验，均采用位移控制加载方式，加载速率设定为0.15 mm/min。每个试样布置2个声发射探头，探头位置在试样上保持三维几何对称。声发射信号门槛设置为40 dB，采样率为5 MHz。为保证试样和声发射传感器紧密贴合，在其接触面涂抹凡士林，采用胶带进行固定。进行试验前，对每组试样都进行断铅测试，以确保传感器和试样接触良好。声发射系统和压力机系统同步开始和结束试验，确保了声发射信号和轴向载荷在时间上的同步性。此外，除现场岩石以外，白砂岩、大理岩和花岗岩都准备了3组试样以确保试验结果的普适性。

2 试验结果与分析

2.1 基本力学特性

根据国际岩石力学学会推荐测试方法[19]，对试样进行了单轴压缩和巴西劈裂试验，两者计算公式分别为

(1)

(2)

式中，σc和σt分别为单轴抗压强度和单轴抗拉强度；P为加载过程中最大载荷；S为承载面的面积；D为试样直径；t为试样厚度。

根据试验结果，完整岩样和现场岩样的单轴抗拉和抗压强度见表1。应力-应变曲线见图3。通过强度测试结果可以明显发现，无论是单轴抗压强度还是单轴抗拉强度，完整岩样都是花岗岩>大理岩>白砂岩，而现场岩样强度差异较大。从图3可知，完整岩样中，花岗岩弹性模量最大，白砂岩最小；现场岩样中，B-2弹性模量最大，B- 4最小。

表1 岩样单轴抗压强度和单轴抗拉强度

图3 试样应力-应变的关系

2.2 声发射特征分析

由于其他岩石规律与之保持较高的一致性，本文只对每类完整岩石中的1个岩样进行分析。本文选取了AE能量、AE撞击率和b值3个主要AE参数进行研究分析。AE撞击率为声发射系统每秒钟记录的声发射撞击次数。b值为动态b值，计算方法为把声发射数据依据时间等分成16份，将每1等分中的声发射数据通过最小二乘法计算求得，最大似然法对异常点进行修正，从而得出每1时间段的声发射b值，依据龙格-库塔[20]公式计算得出，即

lgN=a-bM

(3)

式中，M为地震的震级；N为大于M级的地震次数；a和b为经验常数。

2.2.1 单轴压缩试验

(1)完整岩样声发射特性。根据试验所得数据，绘制AE能量、AE撞击率和b值随轴向力的变化曲线，见图4。从图4可知，AE能量和AE撞击率在岩石破坏前出现剧增现象，这与岩石裂纹扩张阶段相对应，此时大量微裂纹快速扩张，能量急剧释放，产生大量的高幅值声发射信号。同时发现，岩石破坏前b值有一个大幅度的下降趋势。不同于裂纹扩张阶段，在微裂纹压密阶段、弹性变形阶段、塑形变形阶段的声发射能量相对偏小。此外，花岗岩在破坏瞬间所释放的最大能量值为65 000 mV·mm，相当于大理岩释放的最大能量值的100倍，白砂岩的200倍，这说明岩石破坏瞬时所释放的能量与岩石强度有着密切关系。3种岩石b值分布范围都在1～4之间，走势大体呈先上升中间波动随后回落的趋势。大理岩和花岗岩AE撞击率在弹性变形阶段开始缓慢上升，最终在岩石强度的80%处达到峰值，而白砂岩在前3个阶段(微裂纹压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段)AE撞击率接近为0，在裂纹扩张阶段急剧增长。

图4 完整岩样单轴压缩试验下AE撞击率、AE能量和动态b值

(2)现场岩样声发射特性。根据试验所得数据，绘制AE能量、AE撞击率和b值随轴向力的变化曲线，见图5。相比于完整岩样的声发射特征，现场岩样由于内部节理发育的特点，4个岩样都在弹性变形阶段就出现了AE撞击率大幅度增大的现象，且能量释放量剧增的现象也早于完整岩样，可能是由于现场岩样原生裂隙数量多，裂纹扩张在加载前期阶段更容易发生，这一点是易于解释的。在能量突然剧增时往往会伴随着b值的下降，如B-1中150 s处和B-2中360 s处，这是因为大尺寸裂纹的扩张释放了大量能量和产生了较高幅值的AE信号。与完整岩样相似的是，在岩石破坏时，都伴随着AE撞击率剧增、AE能量突增和b值下降。此外，4个现场岩样加载过程中所释放能量最大为B-1，为9 000 mV·mm；最小为B-3，为1 600 mV·mm，但岩样的单轴抗压和抗拉强度则B-3大于B-1。这说明现场岩样(不均质且节理裂隙发育)破坏所释放的能量与强度关联性不强，这与完整岩样截然不同。

图5 现场岩样单轴压缩试验下AE撞击率、AE能量和动态b值

2.2.2 巴西劈裂试验

(1)完整岩样声发射特性。众所周知，由于岩石内在颗粒间摩擦对其强度有很大影响，这一影响是导致岩石抗拉强度比抗压强度小的主要原因。因此，巴西劈裂试验岩样往往短时间内就会形成宏观贯穿裂纹。根据试验所得数据，绘制AE能量、AE撞击率和b值随轴向力的变化曲线，见图6。从图6可知，与单轴压缩试验相似的是，巴西劈裂试验AE活动在试样破坏时，AE撞击率和AE能量迅速增大；不同的是AE活动活跃，贯穿在整个加载过程中。值得一提的是，白砂岩破坏时所释放的最大能量值为17 000 mV·mm，大于大理岩破坏时所释放的最大能量值6 800 mV·mm和花岗岩所释放的最大能量值2 750 mV·mm，这一结果与单轴压缩试验所得结果恰好相反。

图6 完整岩样巴西劈裂下AE撞击率和AE能量

(2)现场岩样声发射特性。根据试验所得数据，绘制AE能量、AE撞击率和b值随轴向力的变化曲线，见图7。从图7可知，与单轴压缩现场试样相似的是，AE能量突增现象相比于完整岩样要提前很多，现场岩样在加载前期AE活动就开始活跃。B-2试样强度为现场岩样中最大，但其破坏瞬时所释放的最大能量值却远小于B- 4，这说明现场岩石(不均质、节理裂隙发育)在破坏瞬间所释放的能量与岩石的强度之间关联性不大，这与现场岩样单轴压缩试验所得结果是一致的。MTS压力机保护机制会在岩石失效时，其施加载荷会自动减小，通过观察到的岩样B- 4的声发射特征，在115 s时轴向力有突降现象，此时伴随着高AE能量的释放和高AE撞击率，这是由于岩石产生大尺寸裂纹导致压力机误认为岩样已经没有承载能力，而形成的一个轴向力突降现象，这完美地解释了裂纹扩张时会伴随声发射信号增多和能量释放，这一现象为前面的分析提供了可靠的依据。

图7 现场岩样巴西劈裂下AE撞击率和AE能量

2.2.3 累积AE参数值

前文讨论了岩样在加载过程中AE参数瞬时变化规律，而整个加载过程中的累积AE撞击数、累积AE计数和累积AE能量也是反映岩石裂纹扩张数量和尺寸的重要参数。单轴压缩试验和巴西劈裂试验的累积AE撞击数、累积AE计数和累积AE能量

统计见表2。从表2可知：

表2 试验岩样累积AE撞击数、累积AE计数、累积AE能量统计

(1)巴西劈裂试验下岩石破坏所产生的累积AE撞击数、累积AE计数和累积AE能量都要小于单轴压缩试验。

(2)在完整岩样中，单轴压缩试验下花岗岩累积能量为1 318 711 mV·mm，是3种岩样中最大的，白砂岩其次，为花岗岩的10.6%，而大理岩仅为花岗岩的4.5%；花岗岩累积AE撞击数也是3种完整岩样中最大的。累积AE计数3种岩石则相差不大，这说明强度最大的火成岩在单轴压缩试验下破坏时所释放的累积能量和累积计数明显较大，而强度较为接近的大理岩和白砂岩则相差不大。不同的是，在巴西劈裂试验中，强度最小但延性较大、弹性模量小的白砂岩所产生的累积AE撞击数、累积AE计数和累积AE能量最大。

(3)在现场岩样中，无论是单轴压缩还是巴西劈裂试验，B- 4岩样在整个加载过程中所释放的AE能量、AE撞击数和AE计数相比于前3个岩样都是最大的，但其强度则远小于B-2和B-3，这与完整岩样是截然不同的，说明岩石的不均质性和节理裂隙发育程度直接影响岩石声发射特征。

3 结 语

本文对3种完整岩样(均质、节理裂隙不发育)即花岗岩、大理岩和白砂岩和现场岩样(不均质、节理裂隙发育)进行了单轴压缩试验和巴西劈裂试验，研究不同岩石声发射特性，得出以下结论：

(1)完整岩样和现场岩样在单轴压缩试验下，b值分布范围在1～4之间，整体呈先上升中间波动随后递减的变化规律，且在岩样破坏前有大幅度下降趋势，可作为预测岩体失稳的理论依据。

(2)在单轴压缩试下，完整岩样加载前期阶段(即原生裂纹压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段)声发射活动较少，裂纹扩张破坏阶段声发射信号剧增；而现场岩样在弹性变形阶段时声发射活动就开始活跃，在裂纹扩张破坏阶段达到顶峰。在巴西劈裂试验下，完整岩样和现场岩样相似的是声发射活动贯穿于整个加载过程中，不同的是现场岩样的AE能量突增现象早于完整岩样。

(3)完整岩样中，岩石整个加载过程中所释放的累积AE能量、累积AE撞击数和累积AE计数与强度有密切关系，较大强度的岩石破坏所产生的累积声发射数值更大；而在现场岩样中，累积声发射数值与岩石强度关联性不大，说明岩石的不均质性和节理裂隙发育程度对声发射特征有直接的影响。

(4)巴西劈裂试验中，整个加载过程中所释放的累积AE能量、累积AE撞击数和累积AE计数与岩石强度关联不大，与岩石破坏时所产生的裂纹尺寸大小和数量有关。