二長花崗巖受力記憶的聲發射檢測試驗研究?

張月征　紀洪廣?　侯昭飛　常 量

（1北京科技大學土木環境工程學院　北京　100083）

（2中國五礦集團公司　北京　100044）

（3機械工業勘察設計研究院　西安　710043）

二長花崗巖受力記憶的聲發射檢測試驗研究?

張月征1紀洪廣1?侯昭飛2常 量3

（1北京科技大學土木環境工程學院北京100083）

（2中國五礦集團公司北京100044）

（3機械工業勘察設計研究院西安710043）

為研究巖石類材料的受力記憶能力，本文采取三軸循環加卸載的力學試驗和聲發射試驗方法，獲取了二長花崗巖受力過程中的應力-應變曲線及聲發射特征參數數據。分析表明：（1）在加卸載過程中，初始壓密階段、彈性階段、塑性階段、峰后階段四個階段聲發射特征明顯，循環過程中Kaiser效應十分明顯。（2）在較低應力水平階段，Kaiser效應現象較為明顯；在較高應力水平階段，Felicity效應現象較為明顯。（3）巖石試樣對應變的記憶準確度要高于對應力的記憶準確度，巖石的物性參數（應變）記憶能力要明顯好于狀態參數（應力）。關鍵詞聲發射，Kaiser效應，不可逆性，不可逆比

1　引言

巖石類材料的應力-應變關系與其自身經歷的歷史力學過程密切相關，在完全相同的環境條件下相同的巖石材料可能因其經歷的力學過程不同而產生差異明顯的變形，也就是說在某些條件下巖石能夠“記憶”其之前所承受的應力過程或經歷變形的過程［1-2］。研究巖石材料的“記憶”屬性往往借助聲發射試驗，主要是利用巖石聲發射的Kaiser效應，表征巖石聲發射的不可逆性的參數有不可逆比、平均不可逆比、不可逆比均差值、不可逆比偏差值［3-4］。一般情況下，研究巖石聲發射不可逆性（即記憶效應）多從應力記憶著手，并且取得了一定進展［5-6］。巖石聲發射Kaiser效應的力學本質是巖石受到載荷后內部的損傷會增加（新的微裂紋出現或原有微裂紋擴展），重新加載時，只有在達到先前最大載荷后新的損傷才會重新擴展［7-8］。Kaiser效應表現的是巖石對所經歷的外部條件的改變的記憶，而其實質是巖石對自身受到的損傷程度的記憶，它明確表達了巖石材料破壞過程的不可逆性［9］。

為研究巖石材料聲發射不可逆性規律，本文對二長花崗巖的三軸循環加卸載試驗和聲發射試驗數據進行研究分析，通過對不可逆比的討論，展開了對巖石Kaiser效應、記憶內容及記憶準確性比較的研究［10-11］。

2　巖石力學試驗與聲發射試驗

2.1巖石材料聲發射的不可逆效應

Felicity效應與Kaiser效應相對應，是指材料重復加載到先前所加最大載荷之前發生明顯聲發射的現象，也可稱作是反Kaiser效應，不可逆比、平均不可逆比值、不可逆比均差值、不可逆比偏差值四項參數是描述表征材料聲發射不可逆性的主要指標。

（1）不可逆比值

在巖石聲發射試驗研究中，不可逆比值表征材料“記憶”先前所經歷應力過程的能力，該值越接近1表示材料對應力的“記憶”越準確；該值大于1表征巖石材料“記憶”滯后，反之則表示巖石材料“記憶”超前。研究中可將此概念延伸至巖石材料其他物理力學參數，如可采用應變不可逆比來表征巖石的“記憶”能力，則有FR（ε）［12］。

下標k表示重復加載時再次出現聲發射信號增強時所對應的荷載值；下標p表示先前所受最大荷載值。

（2）平均不可逆比

基于簡單數學統計原理建立的平均不可逆比值則反映了巖石材料整體上對應力、應變“記憶”能力的優劣程度，其計算式為

該值越接近1表示“記憶”越準確。

（3）不可逆比均差值

巖石材料記憶誤差值為不可逆比值與1的差的絕對值，即En=|FR-1|，誤差值反映了巖石記憶應力、應變超前或滯后的絕對程度；試驗所得記憶誤差的平均值為該巖石的不可逆比均差值PEn，計算式為

該值反映巖石記憶應力、應變能力的損失程度，可表示記憶能力超前或者滯后的程度，均差值越大，表明巖石記憶應力、應變的能力損失越強烈；均差值越小，表明不可逆比值越接近1，記憶的能力越準確。

（4）不可逆比偏差值

研究中可能會出現巖石記憶能力普遍超前或普遍滯后的現象，還需研究材料記憶穩定性的情況，巖石材料記憶能力偏差值為不可逆比值與平均不可逆比的差值的絕對值，即Dev=|FR-PFR|，平均偏差值PDev為所有不可逆比偏差值的平均值，計算式為

平均偏差值可表明研究范圍內巖石整體上記憶先前應力、應變狀態的穩定程度，該值越小，表明記憶穩定性越好；反之，則說明巖石記憶能力超前或滯后的波動越厲害，穩定性越差。

2.2試樣選取與試驗設備

試驗中所選用的巖石材料均取自山東招遠玲瓏金礦大開頭礦區地質鉆孔內的二長花崗巖，采樣深度為-600 m以下、-1100 m以上地層。試件加工為?50 mm×100 mm圓柱體，巖樣表面光滑，無明顯影響試驗的缺陷，加工精細，保證不平行度、不垂直度精度達到±0.02 mm，防止巖樣在試驗過程中受到集中偏心應力而影響試驗結果的準確性，見表1。

表1　三軸壓縮試驗巖石試件信息Table 1 Rock information in triaxial compressive test

試驗設備：GAW-2000型電液伺服剛性壓力試驗機、西德產300 kN壓力傳感器、日本進口7V07程序控制記錄儀、沈陽計算機技術研究所研制的AE21C聲發射監測系統。

2.3試驗步驟

放置花崗巖試件，連接伺服試驗機系統，開始試驗，使壓力機與試件接觸良好，在試件正式受壓的同時記錄力學和聲發射數據，此時將圍壓加載至相應水平，保持圍壓不變；進行軸向加載，前期采用應力控制方式，加載速率500 N/s，后期采用變形控制加載，變形控制速率為0.006～0.012（mm/min），同時按照循環加卸載要求直至失穩破壞，加壓應力水平見表2。

表2　三軸剛性壓縮循環加卸載加壓應力水平表Table 2 Stress level table in triaxial cycle load-unload experiment

3　巖石聲發射記憶效應試驗結果分析

3.1試驗結果分析

觀察圖1與圖2，在進行三軸循環加卸載過程中，二長花崗巖試樣受力變形的初始壓密、彈性、塑性、峰后破壞四階段聲發射信號特征明顯［13-14］。初始壓密階段，巖石材料內部的微裂縫在較低應力水平下閉合壓密，幾乎無聲發射信號，本試驗中該過程十分短暫。當應力-應變曲線進入線性增長的模式時，即為彈性階段，該階段以彈性壓縮變形為主，后期在向塑性過渡時聲發射信號有增強趨勢。當應力-應變曲線在線性增長過程之后進入塑性階段，聲發射信號出現猛增現象，說明此時巖石材料內部損傷裂縫發展擴大。破壞階段的巖石內部損傷發展加劇，裂縫貫通進而巖石承載能力降低，所以產生強烈的聲發射信號。

圖1　試樣G5-13應力-應變及應力-時間特征參數關系圖Fig.1　Feature parameters diagrams of stressstrain and stress-time of sample G5-13

同時，巖石的循環加卸載過程中，聲發射信號亦呈現相應特征。巖石的Kaiser效應十分明顯，每次循環當加載超過上一次峰值之后時，聲發射信號才開始增強；每次循環卸載到最低值過程中聲發射信號十分微弱，幾乎為零；在加載到上一次峰值之前，也無聲發射信號產生。因此，參照循環加卸載過程中聲發射特征，可根據巖體中所釋放的聲發射信號來判斷巖體是處在應力-應變的何種過程中，是處在加載階段還是處于卸載階段，進而為評價實時巖體安全穩定性提供依據。

圖2　試樣G2-3應力-應變及應力-時間特征參數關系圖Fig.2　Feature parameters diagrams of stressstrain and stress-time of sample G2-3

3.2不可逆比值隨應力水平變化以及Kaiser效應有效范圍討論

試驗結果表明，試驗獲取的應力-應變和聲發射數據典型，符合聲發射規律特征。在此基礎之上進一步分析聲發射不可逆特征，首先根據式（1）和式（2）及試驗數據獲取不可逆比值，結果如表3所示。

表3　試樣G5-13結果統計Table 3 Statistics of sample G5-13

由表3可得加卸載過程中以應力為記憶參量的不可逆比與相對應力水平變化關系，如圖3所示。

圖3和表3反映了相對應力在50%—85%期間的不可逆比值的變化，對受壓巖石來說，這正是彈性階段中期至塑性階段中期。通過對表和圖的分析可以看出：

（1）在彈性階段的中期和后期，即相對應力水平在50%—63%時，應力的Felicity比值分別為1.163和1.09，Kaiser效應是較為清晰的。在此階段有與所加應力平衡的微裂紋結構，巖石的蠕變可以忽略不計，即巖石的微結構穩定，且與時間無關，所以應力能被記憶下來，Kaiser效應較為明顯。

（2）在彈性變形階段的后期至塑性變形階段的中期，即相對應力水平在67%—83%時，應力的Felicity比值分別為0.956，0.944和0.857。在該階段，試樣內斜交或平行加載方向的裂隙擴展迅速，巖石內部損傷程度高，聲發射信號的恢復表現出超前現象，Felicity比值小于1，應力的記憶能力明顯超前，表現出明顯Felicity效應，且不可逆比值隨著應力的升高而降低。

由此可知，在應力水平低于峰值強度的63%時卸載后的重復加載過程中，在未達到前次加載應力水平之前時巖樣的聲發射事件數很少或不產生聲發射，即出現典型的Kaiser效應現象；而在超過67%峰值強度的應力水平卸載后的重復加載過程中，則出現明顯的聲發射現象，即出現所謂的Felicity現象。

圖3　二長花崗巖FR（σ）隨相對應力水平變化曲線Fig.3　The relation curve of irreversible ratio（stress）and the relative stress of monzonitic granite

3.3巖體記憶內容準確性比較

為比較分析巖石在不同應力水平下應力與應變記憶能力的準確度，由表3數據，在圖3的基礎上加入以應變為記憶參量的不可逆比，得出分別以應力和應變為記憶參量的不可逆比與相對應力水平的變化關系，如圖4所示。

圖4　二長花崗巖FR隨相對應力及應變水平變化曲線比較Fig.4　The relation curve of irreversible ratio and the relative stress of monzonitic granite

圖4表明，無論選取應力作為記憶參量，還是選取應變作為記憶參量，其總體的波動變化趨勢存在一定的相似性，巖石應力與應變有一定的關聯性，應變是應力狀態的外在顯現。

為進一步比較兩者的關系，根據式（3）～式（5）分別計算平均不可逆比、不可逆比均差值、不可逆比偏差值三個參數，結果見表4。

表4　應力記憶與應變記憶比較Table 4 Comparison between stress memory and strain memory

參照表4，比較分析：

（1）從平均不可逆比值來看：平均應力不可逆比值為1.002，平均應變不可逆比值為1.067，即說明在研究范圍內巖石記憶能力上，對應力的記憶要優于對應變的記憶。

（2）從不可逆比均差值來看：應力不可逆比均差值為0.0992，應變不可逆比均差值為0.067，即說明應變記憶均差值較小，應變不可逆比值更趨近于1，記憶損失越微弱，記憶效果更好。

（3）從不可逆比偏差值來看：應力不可逆比偏差值為0.0996，應變不可逆比偏差值為0.0316，即說明應變記憶的平均偏差值較小，記憶穩定性越好；而應力記憶在研究范圍內記憶超前或者滯后波動厲害，記憶穩定性差。

綜合對以上參數的比較可知，巖石試樣對應變的記憶準確度要高于對應力的記憶準確度，這說明巖石聲發射的Kaiser效應記憶的是巖石在受到先前最大損傷時內部的物理特征。巖石記憶應力的能力，是通過巖石應變損傷實現的，實質上Kaiser效應記憶的是歷史應變，通過歷史應變反演出歷史應力。應力記憶是間接記憶參量，而應變直接反映損傷，是巖石記憶的直接參量，故而，對應變的記憶要優于對應力的記憶。

4　結論

（1）在對二長花崗巖試樣進行三軸循環加卸載過程中，初始壓密階段、彈性階段、塑性階段、峰后階段四個階段聲發射特征明顯；同時在循環過程中Kaiser效應十分明顯，在循環的卸載及再加載階段（上一次峰值前）聲發射信號微弱，在加載到上一次峰值之后才有明顯的聲發射信號產生。

（2）在較低應力水平階段（相對應力低于63%），Kaiser效應現象較為明顯；在較高應力水平階段（相對應力高于67%），Felicity效應現象較為明顯。

（3）由平均不可逆比值、不可逆比均差值、不可逆比偏差值三個比值綜合比較分析可以得出，巖石試樣對應變的記憶準確度要高于對應力的記憶準確度，巖石的物性參數（應變）記憶能力要明顯好于狀態參數（應力）。

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Monzonitic granite memory based on the acoustic emission testing

ZHANG YuezhengJI Hongguang1HOU Zhaofei2CHANG Liang3
（1 State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines Ministry of Education，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）
（2 China Minmetals Corporation，Beijing 100044，China）
（3 China JK Institute of Engineer Investigation and Design，Xi'an 710043，China）

In order to study the memory capacity of rock materials，AE experiments were used to investigate rock stress or strain memory ability.The monzonitic granite was taken as the research object，and triaxial cyclic loading and unloading mechanical test was carried out to obtain the stress-strain curves of the rock.At the same time acoustic emission characteristic parameters were recorded.The analysis shows that：1.In the process of loading and unloading，the four stages include of initial compaction phase，elastic stage，plastic stage，and post-peak phase，which have obvious acoustic emission characteristics.Kaiser effect is very obvious.The loaded into the last peak before anyone had obvious acoustic emission signal is generated.2.At the low stress level stage，Kaiser effect phenomenon is obvious.At the high stress level stage，Felicity effect is obvious.3. The accuracy of rock memory to strain is higher than stress，in other words，the memory capacity of physical parameters（strain）is better than state parameter（stress）.

Acoustic emission，Kaiser effect，Irreversible，Irreversible ratio

TU528

A

1000-310X（2015）02-0163-06

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.02.012

2014-07-14收稿；2014-09-15定稿

?國家自然科學基金（51174015），國家重大基礎研究項目（973計劃）（2010CB226803，2010CB731501）

張月征（1986-），男，河北人，博士研究生，研究方向：巖土工程。

E-mail：jihongguang@ces.ustb.edu.cn