紅砂巖單軸壓縮與短時蠕變破壞聲發射試驗

陳　康

(江西理工大學建筑與測繪工程學院)

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紅砂巖單軸壓縮與短時蠕變破壞聲發射試驗

陳康

(江西理工大學建筑與測繪工程學院)

摘要巖石在不同應力狀態下，其聲發射特征有所區別，研究對比單軸壓縮和蠕變2種狀態下巖石的聲發射特征對預測巖石破壞具有重要意義。通過進行紅砂巖單軸壓縮聲發射試驗和分級加卸載短時蠕變破壞聲發射試驗，對比分析了2種狀態下聲發射事件率和振幅的變化規律。試驗結果表明：聲發射事件率在蠕變破壞和單軸壓縮破壞過程中總體規律相近；在單軸壓縮破壞過程中在加載早期振幅較大，之后有所減小，直至破壞前增大明顯，然而在蠕變破壞過程中，振幅在進入蠕變破壞加速階段和破壞前均有明顯增大的趨勢。可見，相對于聲發射事件率，振幅在一定程度上可作為蠕變破壞與單軸壓縮破壞的聲發射判據。

關鍵詞紅砂巖單軸壓縮破壞短時蠕變聲發射事件率振幅

20世紀30代末，Obert、Duvall發現巖石在受壓過程中，其內部結構存在聲發射[1]活動，并將該項技術應用到巖爆與礦柱穩定性監測中。聲發射監測作為一種巖石無損監測方法，不僅能實時反映巖石微裂紋的演化行為，從而對巖石發生災變進行預測、預報，而且還提供了估測地應力的方法，因此得到了廣泛應用，成為研究巖石損傷和破壞機理的有力工具[2-3]。陳宇龍等[4]對比分析了砂巖在初始壓密、彈性變形、應變硬化、應變軟化等4個階段的聲發射特征；蘇承東等[5]研究了砂巖在單三軸壓縮過程中的聲發射特征；趙奎等[6]研究了不同應力水平條件下砂巖蠕變聲發射頻率特征；曹樹剛等[7]對具突出煤樣單軸壓縮下的全應力-應變、蠕變破壞過程中的聲發射特征進行了對比研究。由此可見，關于巖石單軸壓縮聲發射方面的研究成果豐碩，關于巖石蠕變破壞聲發射方面的研究成果則相對較少。巖石聲發射的產生與巖石的蠕變損傷有關，但兩者間的量化關系尚未構建，如何更好地利用聲發射信號對蠕變破壞行為進行分析，采用聲發射對巖石蠕變破壞進行監測和預報，值得深入探究[8]。本研究根據龔囪等[9]所做的紅砂巖分級加卸載條件下的短時蠕變聲發射試驗，設計與之條件相近的紅砂巖單軸壓縮聲發射試驗，對比分析2種試驗條件下紅砂巖的聲發射事件率和振幅的變化規律及特征，討論2種應力狀態下聲發射參數的異同點，為確定巖石在不同應力狀態下的聲發射判據提供參考，為預測巖石破壞形式提供新的思路。

1試驗系統與方案

1.1試驗系統

本研究采用與文獻[9]相同的試驗系統，壓力系統為RMT-150C巖石力學試驗系統，由中國科學院武漢巖土力學研究所研制，聲發射系統為SAEU2S數字聲發射系統，由北京聲華興業科技有限公司研制。其中，壓力系統最大荷載為1 000 kN，活塞行程50 mm，機架剛度5 MN/mm。聲發射系統為多通道聲發射系統,可實時采集聲發射信號。

1.2試驗方案

本研究所用試件為紅砂巖，根據相關標準[10]，巖石經鉆取、切割和打磨之后，制備成6件標準試件(50 mm×100 mm(直徑×高度))。經測量，試件的平均密度2 335 kg/m3，縱波波速2 505 m/s，含水率0.96%。本研究單軸壓縮聲發射試驗采用的加載方式為力控制，加載速率0.5 kN/s，聲發射門檻值為50 dB，采樣率為1 Mpbs，整個試驗過程采集聲發射信號，聲發射傳感器用膠布固定于試件中部，采用硅膠作為耦合劑。

2試驗結果

2.1單軸壓縮聲發射特征

聲發射事件率和振幅是常用的參數，事件率通常以1秒為1個計數單位，振幅通常用單位(dB)表示。該2個參數在分析巖石損傷方面有重要的參考價值，因此研究事件率和振幅在蠕變狀態和單軸壓縮狀態下的變化特征對于研究巖石的損傷過程和破壞機理具有重要的意義。由圖1可知：大部分的砂巖變形特征基本相近，均經歷初始壓密、彈性變形、應變硬化、應變軟化等4個階段[11]，在該4個階段中，巖石的聲發射特征各不相同[12]。

圖1　單軸壓縮狀態下應變、聲發射參數與時間關系

本研究所用的6件紅砂巖樣品試件在加載初期便開始產生聲發射信號。在初始壓密階段聲發射事件率大，振幅相對較小，在該階段中，巖石中的節理和原生裂紋等逐漸被壓密，裂隙的粗糙面被擠壓而產生聲發射信號，隨著應力的增大，試件內部節理和原生裂紋充分壓密，成為1個彈性體，進入彈性變形階段，在該過程中由于試件體積不斷減小，聲發射事件率減小，振幅也較小。當應力繼續增大，應變增大的速度變緩，進入應變硬化階段，此時聲發射信號增強，事件率逐漸增大，振幅驟然增加，在該過程中，試件內部逐漸產生宏觀裂隙，并隨著應力的增加，裂紋擴展直至貫通匯合，形成斷裂面。最后試件進入應變軟化階段，事件率達到最高值，振幅略有下降。在試件破壞后的一段時間內，巖石仍具有一定的承載力，此時，聲發射信號強度逐漸減弱，聲發射事件率驟減，振幅也隨之變小。

2.2蠕變聲發射特征

巖石蠕變曲線根據應變速率的不同，其蠕變過程可分為減速蠕變、等速蠕變、加速蠕變等3個階段[13]。龔囪等[9]所做的分級加卸載條件下紅砂巖短時蠕變試驗，發現了在第5級加載過程中出現加速階段。因此，本研究利用第5級加載過程中的聲發射事件率和振幅曲線圖(圖2)描述巖石蠕變破壞過程中的聲發射事件率和振幅的變化特征。

圖2　蠕變狀態下應變、聲發射參數與時間的關系[9]

由圖2(a)可知，試件在前2個階段(減速階段、等速階段)，聲發射事件率隨著時間的增大而減小，在減速階段初期相對較大，之后逐漸下降；在加速階段，聲發射事件率在初期略有增大，之后開始減小，最后在破壞前十數秒，聲發射事件率驟然增大，直至破壞。

由圖2(b)可知，在減速階段初期，振幅在初期相對較大，之后隨著時間的增大而減小，達到一定范圍后維持相對不變；在等速階段，振幅基本不變，在接近加速階段時，振幅增大明顯，在進入加速階段初期，振幅增大仍然明顯，之后有一定程度的減小，在臨近破壞時，振幅驟然增大，直至破壞。總體上看，振幅在加速階段的均值大于減速階段和等速階段。

由于紅砂巖內部存在原生裂紋、節理、層理等軟弱結構面，因而在加載過程中，原始裂紋閉合與新的裂紋的形成、擴展都會產生聲發射信號。在單軸壓縮與蠕變2種應力狀態下，紅砂巖均有明顯的應力-應變階段，聲發射參數的階段性變化特征較明顯。

3結論

(1)2種應力狀態下紅砂巖試件在早期均出現了聲發射活動，反映了裂隙、節理閉合的影響，隨著時間的變化，聲發射事件率較加載初期有所下降，在臨近破壞時，聲發射事件率和振幅均增大明顯。

(2)2種應力狀態下紅砂巖試件的聲發射事件率和振幅的峰值分布均可與應力-應變曲線有較好對應。

(3)在整個蠕變破壞過程中，聲發射事件率在減速階段初始值較大，之后隨著時間的增大不斷減小，直至加速階段，在試件破壞前十數秒驟然增大。然而在單軸壓縮破壞過程中，聲發射事件率在第1階段初始值較大，之后在短期內聲發射事件率隨試件的增大而減少，減少至一定范圍內保持穩定，最后在即將破壞前聲發射事件率才不斷增大，且增大的速率不斷變大，直至破壞。

(4)振幅在蠕變破壞全過程起始階段相對較大，之后略有減少，減少至一定范圍后并維持在一定水平，直至進入加速階段和破壞階段時才明顯驟增。然而在單軸壓縮破壞過程中，振幅在前期也相對較大，但之后隨時間的增大總體上有所減小，直至破壞前振幅才明顯增大。

參考文獻

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[13]蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社，2002.

Acoustic Emission Tests of Uniaxial Compressive Failure and Short-term Creep Compressive Failure of Red Sandstone

Chen Kang

(School of Architectural and Surveying & Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology)

AbstractThe acoustic emission characteristics of rock under different stress conditions are different.Analyzing the acoustic characteristics of rock under uniaxial compression and creep compression is of great significance to predict the rock failure.The acoustic tests of uniaxial compressive failure and creep compressive failure by using step loading and unloading method are done to analyze the changing rule of acoustic emission rate and amplitude of red sandstone under the two states.The results show that the changing rules of acoustic emission rate under the uniaxial compressive failure and creep compressive failure are similar;the acoustic emission amplitude is large in the initial stage during the uniaxial compressive failure,then,it is inclined with time increasing and finally,it is increased again significantly before the specimen failure,however,during the creep failure,the acoustic emission amplitude is increased during the creep failure step into acceleration phase and before the specimen failure.Based on the above analysis results,it can be inferred that compared with the acoustic emission rate,the acoustic emission amplitude can be taken as the criterion of red sandstone under uniaxial compressive failure and creep compressive failure to some extent.

KeywordsRed sandstone, Uniaxial compressive failure, Short-term creep, Acoustic emission rate, Amplitude

(收稿日期2015-11-01)

陳康(1989—)，男，碩士研究生，341000 江西省贛州市章貢區客家大道156號。