不同垫块包围角度下砂岩劈裂声发射特性试验研究

许 晓 通，鲁 鲲 鹏，周 瑜，吴 道 勇

(1.贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025； 2.贵州大学 喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025)

0 引 言

岩体承受一定的荷载后，即可在体积、形状或宏观连续性方面发生某种变化，一方面表现为其内部结构和外形的变化；另一方面其应力状态也将随之不断调整，并引起弹性能的积存和释放等效应[1]。岩体内部积存的部分能量以应力波的方式突然释放出来的现象，称之为声发射。1963年，Goodman[2]通过对砂岩和石英岩进行循环加卸载压缩实验，首次证实岩石中存在Kaiser效应，利用声发射的Kaiser效应可以较为准确地测出岩石历史应力分布，同时具有操作简便、不受试验场地限制、成本低廉等诸多优点，并且可通过大量测试来解决数据的离散性问题[3]。因此，国内外很多学者陆续尝试采用该方法进行原岩和复合材料Kaiser效应验证的研究和探索，主要围绕Kaiser效应的有效性及其存在的范围、时间效应及应变率等方面展开研究，不同的研究者得出了不同的、甚至相反的结论，但有些基本结论还是明确的。

基于岩石材料线弹性和均匀性的假设及二维弹性理论，国际岩石力学学会(ISRM)建议巴西劈裂试验的试样厚度应近似等于半径[4]，即厚径比(T/D)为0.5。在中国岩石试验国家标准和规范中，T/D在0.5～1.0之间[5-6]。

对于加载方法，ISRM建议通过两个钢制加载卡爪与圆盘形岩石试样接触来施加荷载，并且爪的半径为试样半径的1.5倍[4]。Jaeger等[7]认为通过在机器与试样之间平面加载区域插入碎木片可避免剪切破坏。文献[5-6]建议，在许多情况下，两个直径为1 mm的钢丝应用于坚硬岩石试样的加载，两个碎木片或胶木应用于软岩。

近年来，国内外学者提出了一种能够消除加载点应力集中的扁平巴西圆盘[8-10]。然而，一些实验表明，由于加工过程中很难保证试样的几何精度，因此对试样尺寸的要求不实用。Yu等[11]采用两个与试样完全接触的弧角为20°的特殊垫块替代两根钢筋，有效解决了加载点附近的应力集中的问题。然而，对于不同包围度数条件下的岩石声发射特征分析鲜有研究。高文根等[12]采用PFC数值软件研究了周期荷载应力水平对煤样声发射特征的影响，提出了声发射比率的概念。张伯虎等[13]通过振动理论和间接拉伸条件下声发射试验分析花岗岩损伤演化过程，并通过分形理论以及声发射信号的主频和能量分布特征来获得拉伸破坏机理。杨东辉等[14]对细砂岩试样开展了单轴压缩声发射试验，获得了岩石脆性破裂失稳临界应力特征。康玉梅等[15]通过对不同配筋率和不同壁厚钢管混凝土柱进行单轴压缩声发射试验，对比分析了各试件破坏全过程的声发射信号特征。

本文以砂岩作为研究对象，根据试样尺寸设计3种不同弧角的垫块进行单轴循环加卸载劈裂试验，对比分析不同包围度数条件下的砂岩声发射特性，并在此基础上，研究了声发射b值的演化规律。

1 试验方案设计

1.1 试样加工

以重庆中梁山某采石场的砂岩为研究对象。所选岩样位于浅表地层，从工程地质角度可以忽略其初始应力，或者说比在实验室测试程序中施加的应力小得多。在地质历史中起作用的应力不能被忽视，但应力记忆和Kaiser效应会随着时间的推移而消失，因此，在试验过程中不考虑初始应力对试样的影响。试样密度2.32 g/cm3，直径D=175 mm，厚度T=30 mm。试样T/D约为0.17，与国家标准[5-6]推荐的厚径比(0.5

1.2 试验设备

本次试验仪器为WAW-1000型微机控制电液伺服万能试验机。该试验机可实现自动采集试验中的相应数据，通过计算机控制系统控制试验的全过程，可以对负荷值、位移值、变形值、试验速度以及试验曲线进行实时动态显示，可适应不同材料需求的加载速率。声发射仪为美国物理声学公司的DISP系列2通道PCI-2全数字化声发射监测系统。试验设定声发射仪的门槛值为45 dB，声发射探头为NANO-30，谐振频率为125～750 kHz，采样频率为106s-1，采用100～400 kHz的带通滤波。

1.3 试验方案

考虑到圆盘试样尺寸的特殊性，采取3对30 mm厚的钢制垫块分别放置于加载试样的受压部位，包围度数α分别为10°，30°，60°，外部尺寸分别为57 mm×30 mm×13 mm，92 mm×30 mm×16 mm，115 mm×30 mm×23 mm，如图1所示。本次试验共制作了9个岩样，根据包围度数不同分为3组，对应岩样上分别标有大写英文字母：A-60°、B-30°、C-10°。

6个声发射探头分别放置在试样两侧，如图2所示。为了便于连接，探头均匀分布于试样靠近中部的位置。为消除试验过程中试样与探头间由于胶带粘贴时的松弛，在试样的两侧提前贴好弹性胶带，端部和加载装置间涂抹专用减摩剂，声发射探头与试样间涂抹真空硅脂。

采取位移控制的方式，加载速率为1.0 mm/min。以砂岩圆盘的任一方向为初始加载方向循环加卸载3次，每次达到目标值后保持荷载60 s以加强砂岩对荷载的记忆性。根据不同包围度数下的单轴抗压实验结果，第一次加载至峰值荷载的0.4，目的是赋予岩石试样一个初始应力；第2次加载至峰值荷载的0.6倍左右，主要是判断是否产生Kaiser效应；第3次加载至试样破坏。

2 试验结果分析

2.1 试样峰值强度与破坏类型

通过对试验数据整理分析，得到不同垫块包围度数下的平均峰值强度关系对比曲线，如图3所示。随着垫片包围度数的增加，平均峰值强度逐渐增加；在包围度数为10°时，试样峰值强度分布最为稳定。

受垫片包围度数的影响，裂纹的起裂点和裂纹扩展特征表现出明显的差异。结合图4试样破坏类型，当包围度数为10°时，起裂点位于试样中部(见图4(a))。由于砂岩为脆性岩石，且试样与垫块接触面积较小，达到峰值强度后瞬间破坏的模式与劈裂近似，主要表现为沿荷载所在直径方向破坏，同时，受垫片端部约束的影响，形成局部的次级裂纹。当包围度数为30°时，试样与垫片接触面积增大，使得荷载分散于岩样直径附近较大范围内。试样表现出一定的屈服性，试样两端起裂点不在一条线上，一端位于试样中部，另一端位于试样与垫片接触部位的端部，破坏类型为沿荷载直径附近的“Z”字型破坏，且在试样与垫片接触部位产生次一级的裂纹(见图4(b))。当包围度数为60°时，两者接触面积进一步增大。试样破坏表现出明显的屈服性，起裂点由试样中部转移到试样与垫片接触部位端部，破坏类型为沿端部产生破坏(见图4(c))。

2.2 试样声发射特性分析

由于试验过程中人为及天然的不确定性，往往会产生一些质量较差数据，为此可通过参考前人研究成果筛选出较为合理的数据。由于每个声发射探头位置不一样，有的可能会在试验过程中伴随试样的局部破坏而失效，如图5所示。通过对各完好通道声发射探头采集数据的研究分析，发现它们图形较为一致。因此，本文选取试验数据较好的典型试样的任一完好通道探头声发射数据进行研究分析。

如图6所示，第1次循环加卸载过程中，均可明显看到时间-荷载曲线上锯齿形的突变现象。此现象主要是加载初期试样内部原有裂纹的闭合导致细微变形产生瞬间卸荷造成的，但随着裂纹的闭合，荷载转而继续回升。在第2次循环加载过程中，当荷载接近第一次循环目标荷载时，声发射计数率、累计计数、累计能量计数急剧增加，即为Kaiser效应点，如图6蓝点处所示。由声发射振铃计数-时间曲线可知，声发射活动主要集中在加载过程中，在保载及卸载过程声发射振铃产生较少，这与试样与垫片接触面积较小，使得荷载集中于岩样直径附近很小范围内，试样内部缓冲的力较为局限有关。随着垫片包围度数的增加，试样内部缓冲的力增加，在保载过程也产生声发射活动；达到峰值强度前，声发射计数率剧烈增加，并在临界破坏阶段出现最大值；此过程为声发射剧烈期，主要是因为试样内部裂纹交汇贯通，形成宏观裂纹。累计计数和累计能量计数与荷载一致，表现为逐级增加，当达到各级循环的目标荷载时，两者也达到最大值。在保载和卸载过程中，表现为水平阶梯，表明在此期间声发射活动处于相对平静期。如图7所示，随着垫片包围角度的增大，试样的声发射累计计数、累计能量计数逐渐增加。

2.3 单轴循环加卸载声发射b值分析

对b值的研究起始于地震，Gutenberg和Richter提出了地震震级与频度间的经验关系式，也称G-R关系式[17]：

lgN=a-bM

(1)

式中：M为地震震级，N为一个震级中大于M的计数；α，b为常数。

在岩石的声发射试验中，b值为表示试样宏微观裂隙扩展尺度的函数，其动态变化特征具有直接的物理意义[18]。然而在岩石的试验过程中，通常将岩样声发射的峰值振幅代替震级M[19-22]：

(2)

式中：AdB为声发射振铃计数峰值对应的幅值。

根据国内外学者对于b值的相关研究成果[19-25]，声发射b值随时间的变化揭示了不同荷载阶段岩石内部的应力变化及裂纹扩展规律。因此，本文通过将时间等分为10组，对每组时间段的幅值以5 dB为步距进行分组并统计各个幅值范围峰值振铃计数对应振幅作为AdB，累计振铃计数作为N，之后采用最小二乘法计算得到该时间段的b值。图8为循环加卸载过程中典型的声发射幅值分布图。声发射信号的幅值多集中在45～65 dB范围内，如图8(b)所示。

图9为不同垫块包围度数下试样的声发射b值随着3次循环加卸载过程中的加载、保载和卸载的b值变化的情况，从中可以得出试样内部宏微观裂隙的持续变化情况。随着垫片包围度数的增加，b值演化规律相对较为一致。

第1次循环阶段，加载过程中初始b值随着荷载的增加逐渐增大，说明试样内部以小尺度微破裂为主，主要表现为试样原有张开裂隙的压密闭合和局部新裂纹的产生，而后在小范围内逐渐变化，说明试样内部微裂纹的产生及闭合处于稳定发展过程。保载和卸载过程中，b值主要表现为接连发生跃迁，且跃迁幅度逐渐增大，体现为试样内部的微破裂状态发生突然的变化，小尺度微裂纹增加，同时，说明试样已进入不稳定的破裂发展阶段，即使应力保持不变，试样内部微裂纹仍不断地产生。在卸载过程中，b值达到最大值，随后减小，说明试样内部微破裂由小尺度转变为大尺度破裂。

第2次循环阶段，加载过程中初始b值发生跃迁，而后逐级减小，说明试样首先以小尺度的微破裂为主，随着应力超过第1次循环的最大荷载，由小尺度转变为大尺度破裂。保载和卸载过程中，b值在一定范围内逐渐变化，说明在此阶段荷载并未达到试样的峰值强度，试样始终处于不稳定的破裂发展阶段。

第3次循环阶段，加载过程与第2次循环阶段一致，加载初期，b值逐渐增加，以小尺度为破裂为主，当荷载超过第2次循环最大荷载时，b值逐级减小，试样内部大尺度微破裂比重逐渐增加，当荷载达到试样的峰值强度时，b值突然跃迁，试样破坏，停止产生声发射现象。然而，随着垫片包围角度的增大，在卸载阶段仍有b值，这是因为砂岩试样的破坏由突发式的劈裂破坏转变为一定屈服性的复杂破坏。

3 结 论

(1) 单轴循环加卸载过程中，垫片包围度数的增加对Kaiser效应几乎不产生影响，累计计数、累计能量计数、峰值强度明显提高。

(2) 随着包围度数的增加，试样破坏过程逐渐复杂化，表明合理的包围度数是相当重要的。较小的包围度数可以降低荷载点的应力集中，利于试验数据的采集分析，而较大的包围度数反而会影响荷载在试样上的均匀性和垂直分布。

(3) 在整个循环加卸载过程中，不同包围度数下砂岩声发射b值随时间变化的规律总体一致，不同荷载阶段试样内部损伤的程度不同，b值呈现出一定的演化规律。峰值b值随着垫片包围度数的增加有增大的趋势。加载过程中，b值先增大，而后在小范围内逐渐变化呈减小的趋势，随着垫片包围角度的增大，这种趋势更为明显，说明试样在此过程中以小尺度破坏为主，而后大尺度的微破裂比重增大。保载和卸载过程中，b值主要表现为接连发生跃迁，且跃迁幅度逐渐增大，说明试样在第1次循环阶段的加载过程就已进入不稳定的破裂发展阶段。

本文研究验证了垫片包围度数的变化对砂岩声发射Kaiser效应不产生影响，分析了砂岩声发射b值的演化规律，可为研究岩石破裂过程提供一定帮助。但是本文仅分析了单轴循环加卸载条件下砂岩圆盘试样b值随其破坏过程的演化规律，对于不同加载方式、不同岩性岩石及其所处环境温度、湿度以及内部可能含有宏观裂隙等复杂情况是否适用，还需进一步开展研究工作。