單軸應力條件下巖石破壞特征與聲發射參數間對應規律

■張晉彰 張弦 楊子尹 王貴宇

（中國礦業大學礦業工程學院 江蘇徐州 221116）

單軸應力條件下巖石破壞特征與聲發射參數間對應規律

■張晉彰 張弦 楊子尹 王貴宇

（中國礦業大學礦業工程學院 江蘇徐州 221116）

本文通過對巖石單軸加載的室內試驗，測試了巖石破裂全過程的力學特征及其聲發射參數演化特征，得到巖石單軸應力時間序列狀態下聲發射能量、事件、峰值頻率和撞擊數等相關參數與應力水平、時間之間的關系；揭示了單軸應力條件下巖石破壞特征與聲發射參數間對應規律，為更好地應用聲發射手段進行巖體穩定性現場監測預報提供理論依據、方法和手段。[關鍵詞]聲發射單軸壓縮巖石破壞特征聲發射參數

0 引言

材料或結構受外載作用下發生變形和斷裂，內部產生微破裂，在此過程中以彈性波形式釋放出應變能的現象稱為聲發射[1]。由于聲發射信號是巖石在外在作用下內部微裂紋擴展而釋放的應變能，所以每個聲發射信號都從一定程度上反映出巖石的內部結構變化。

聲發射現象早在1937年就由美國礦山局的L.Obert和W. Duvall發現，并于1940年在阿米克銅礦檢測到爆發性聲發射，預測巖爆的來臨[2]。國內外學者對巖石的聲發射特性也做了許多室內研究，探究單軸壓縮、彎曲應力、拉伸應力等情況下的巖石聲發射特性，但主要是側重巖石破壞前的應力–應變與聲發射參數的關系方面，而對于單軸應力條件下巖石破壞特征與聲發射參數間對應規律之間的研究則較少，研究和分析此過程中聲發射信號參數的變化，對于揭示巖體破壞全過程中的特征規律有著重要作用。

1 巖石單軸受載破裂過程力學分析

（1）壓密階段：加載初期巖石試件受單向載荷后，內部已存裂隙受壓閉合[3]，有些許聲發射產生，主要是由內部原有裂隙的閉合和新裂隙的產生引起。巖石中的微裂隙或節理面在被壓密實的過程中會產生聲發射信號，其聲發射特征為：撞擊數少、能量低。

（2）彈性變形階段：隨著荷載增加，在此階段既無塑性變形，也無裂紋擴展[4]。試件中原有裂隙繼續被壓密，聲發射活動較少，甚至沒有。試件內部的微裂隙或節理面已被壓密，產生的聲發射信號很微弱，表現為撞擊數很少、能量很低。

（3）裂紋的穩定擴展和擴容階段：隨著荷載繼續增加，裂隙呈穩定狀態發展。產生的聲發射多為突發型，并有逐漸增加的趨勢，主要原因是由于大量的微裂紋開始形成、匯合，最后微裂紋穩定擴展所產生。

（4）裂紋的非穩定擴展階段：試件內斜交或平行加載方向的裂隙擴展迅速，裂隙進入不穩定發展階段，聲發射活動急劇增多。這個階段產生的聲發射信號非常強烈，表現為：撞擊數驟增、能量高。

（5）應變軟化和破壞階段：巖石達到峰值強度后，載荷隨變形的增加而減小，巖石內大量的微裂紋產生、擴展、匯合，最終導致巖石的完全破壞。此階段聲發射事件率、能率均呈下降趨勢。聲發射信號會繼續產生，表現為撞擊數驟減和能量減小。

2 巖石單軸受載破裂聲發射參數演化特征

2.1 聲發射參數簡介

根據聲發射參數本身的內涵和對聲發射信號描述方式和研究角度的不同，聲發射參數可以分為基本參數和特征參數兩類。基本參數和特征參數又可進一步分為過程參數和狀態參數[5-6]。過程參數是對整個聲發射過程或某個子過程的描述，而狀態參數反映則是在聲發射過程中某一狀態下的聲發射行為，是瞬時量。

本文中研究的聲發射參量主要有：聲發射的能量，聲發射事件數，聲發射撞擊數，以及聲發射的峰值頻率。研究這些參量在單軸應力狀態下和應力水平、時間序列之間的關系，進而得出巖石破壞特征與聲發射參數間對應規律。

2.2 巖石聲發射特征分析

圖1

圖2為聲發射事件以及應力與時間曲線圖。分析知試件加載過程中的聲發射序列曲線呈現連續性增長波動，在應力達到應力臨界點之前，聲發射事件比較高，而后減弱大幅度減少。

圖2

圖3為聲發射峰值頻率以及應力與時間曲線圖。分析可知試件聲發射峰值頻率在破裂前處于較低水平且波動較小；臨近破裂時，聲發射頻率曲線出現多次較大的跳躍式上升。

圖3

圖4為聲發射撞擊數以及應力與時間曲線圖。分析可知隨著時間的推移，應力不斷增大過程中，聲發射撞擊數也不斷增長。

圖4

3 聲發射時間序列過程分析

本次室內單軸巖石破壞試驗中存在聲發射平靜期，預示著巖石峰值破壞的來臨。巖體破裂過程中，AE在時間序列上分為初始階段(I)、劇烈階段(II)、下降階段(III)和平靜階段（IV）[7]。從AE活動較活躍的II階段到巖體完全破壞，這中間存在著第III，IV階段，即AE活動在高峰后逐漸下降并最終趨于平靜，但這并不意味著巖體趨于穩定，事實上卻已發生結構破壞。也就是說巖體破壞前存在聲發射平靜階段---預示著結構破壞的來臨。因此在巖體穩定性聲發射監測中，若AE活動急劇增加后突然下降或出現相對平靜期，則預示著巖體的破壞，此點為現場巖體穩定性監測與預報的判據提供了理論依據和方法。

4 結論

（1）試件初期加載過程中聲發射是巖石內部預存裂隙受壓閉合產生的，聲發射能量較低，波動性也比較大。

（2）隨載荷增加，新裂紋的產生和原有裂紋的擴展，形成了相應的斷裂面，導致試件破壞時聲發射能量和聲發峰值射頻率達到最大值。

（3）整個壓縮過程中聲發射活動豐富，存在初始階段、劇烈階段和下降階段。在時間序列坐標系中，臨近峰值點時聲發射活動活躍，然后聲發射事件數趨于平緩。說明在室內巖石單軸破壞過程中存在聲發射平靜階段，且預示著巖石峰值破壞的來臨。

[1]勝山邦久.聲發射 (AE)技術的應用 [M].馮夏庭譯.北京:冶金工業出版社，1996.

[2]秦四鼎，李造鼎，張倬元，等.巖石聲發射技術概論 [M].成都；西南交通大學出版社，1993.

[3]李庶林，尹賢剛，王泳嘉，等.單軸受壓巖石破壞全過程聲發射特征研究 [J].巖石力學與工程學報,2004,15:2499-2503.

[4]季明，高峰，徐小麗，等.單軸壓縮下巖石聲發射及其分維特征 [J].金屬礦山學報. 2008.

[5]謝強，張永興，余賢斌.石灰巖在單軸壓縮條件下的聲發射特征 [J].重慶大學學報，2002，24（1） :19-22.

[6]付小敏.典型巖石單軸壓縮變形及聲發射特性研究 [J].成都理工大學學報:自然科學版，2005，32（1）：17-21.

[7]張暉輝，顏定玉，余懷忠，等.循環載荷下大試件巖石破壞聲發射實驗--巖石破壞前兆的研究 [J].巖石力學與工程學報，2007，26（1）：3621-3628.

圖2 預應力錨索結構圖

4 結束語

（1）對于高邊坡樁錨結合的支護結構，錨索的設計應該采用上面的介紹方法比較簡便實用。

（2）預應力的錨索通過一些特殊的手段實現了將鋼絞線變成長期處于高溫狀態的受拉結構體，從而增強了土體的錨固強度，改善了巖土體的應力狀態，提高了巖土體的穩定性。

（3）在進行邊坡開挖前，應該對地質情況了解清楚，在隨著開挖暴露，進一步的了解地質條件的變化，從而進行設計的調整與變更，實習動態設計，信息化施工。

參考文獻

[1]李海光.新型支擋結構設計與工程實例 [M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]程良奎,范景倫,韓軍,許建平.巖土錨固 [M].北京:中國建筑工業出版社,2003.

[3]《建筑邊坡工程技術規范》 (GB50330-2013).北京:中國建筑工業出版社.2014.

[4]《混凝土結構設計規范》 (GB 50010-2010).北京:中國建筑工業出版社.2011.

P58[文獻碼]B

1000-405X（2015）-11-73-1

2014年江蘇省大學生創新訓練計劃指導項目(項目編號201410290021X)