淺談巖石蠕變聲發射試驗對巖體路基穩定性監測應用與展望

陳康

摘 要：首先介紹了巖石蠕變的相關概念以及聲發射在巖石穩定性監測中的應用，然后根據聲發射在室內試驗研究的相關文獻，對巖石在單軸壓縮與蠕變狀態下聲發射試驗做了綜述，并根據試驗結果簡要分析了兩種狀態下聲發射參數特征，最后對應變與聲發射參數的關系判定巖石蠕變與單軸壓縮狀態的方法借鑒至巖體路基穩定性的監測中進行了展望，同時指出了今后研究的重點與方向。

關鍵詞：巖體路基；聲發射；蠕變；穩定性；監測

引言

隨著高鐵與高速公路的快速發展，巖體工程的穩定性問題越來越得到關注。在路基以及隧道的邊坡開挖過程中，工程師既要保證施工期間巖體的穩定性，還要考慮地基沉降滿足通車運營要求。在巖石蠕變的研究中，聲發射監測技術是重要的研究手段。巖石蠕變聲發射研究發展至今，已有了許多的研究成果，目前較少對相關成果進行整理和歸納，本文主要整理了近年部分有關聲發射在室內試驗中的研究文獻，并基于此提出巖石蠕變聲發射研究方向并將其應用至巖體路基邊坡、地下礦井等工程的穩定性監測進行展望。

1 相關概念的闡述

巖石蠕變是指巖石在恒定荷載作用下，變形隨著時間的推移而逐漸增大的現象；聲發射信號是聲發射儀器將材料內部微裂紋因外部荷載作用下不斷孕育、發展所釋放的彈性波進行轉化所得到的信號。

2 巖石聲發射研究現狀

由于在實際的工程中，巖體的應力狀態較為復雜，例如在邊坡的開挖過程中，巖體的截面不斷減小，應力不斷增大，類似于單軸壓縮狀態，當開挖停止或緩慢進行時，應力狀態幾乎不變或增加緩慢，類似于蠕變狀態，為了更好研究巖石在開挖時開挖后的穩定性情況，本文在整理巖石蠕變聲發射文獻的基礎上還整理了部分相關巖石單軸壓縮聲發射的研究。相對于蠕變聲發射，巖石在單軸壓縮聲發射方面的研究已有多年，主要探究巖石在單軸壓縮狀態下應變、應力等力學物理參數與聲發射各參數的關系，以下為部分代表性研究內容。

陳宇龍[1]等人通過砂巖的單軸壓縮聲發射試驗，發現了巖石軸向、橫向、體積等應變之間的關系，以及聲發射特性。吳永勝[2]等人研究了巖石在單軸壓縮狀態下AE活動規律，分析了巖石破壞機理，發現能率較聲發射率更適合預測巖石破壞。趙玉成[3]等人利用AE振鈴計數率以及能率分析了煤巖的損傷過程，并得到了各階段的損傷臨界值。蘇承東[4]等人通過單軸壓縮條件下兩種尺寸煤樣聲發射試驗，對比了兩種煤樣的AE特征，發現大尺寸煤樣的AE特征更適合預測煤巖的動力災害。紀洪廣[5]等人通過在不同應力水平下粉砂巖的聲發射試驗，發現在較低的應力水平下，AE事件很少，當應力水平提高，AE事件相對活躍。文獻[6]通過不同加載方式下砂巖的聲發射試驗，發現在單軸壓縮狀態下巖樣在變形的各個階段具有各不相同的聲發射特征；在常規三軸狀態下，試樣AE事件主要出現在屈服階段和峰值后破壞階段；在三軸卸圍壓時，AE事件主要出現在試樣卸圍壓過程中。

在巖石蠕變聲發射研究方面。由于巖石發生蠕變破壞的時間較長，早期聲發射儀器連續作業時間有限，國內相關研究一直不多。以下為近幾年部分相關文獻。徐子杰[7]等人通過不同應力水平下大理巖的蠕變聲發射試驗，分析巖石蠕變損傷以及破壞的規律，發現AE數在壓密與彈性階段較少，隨后加載破壞時顯著增加。楊永杰[8]等人通過分級加載聲發射試驗，發現通過聲發射特征能較好表征煤巖蠕變各階段的損傷過程。龔囪[9]等人通過進行紅砂巖分級循環加卸載的聲發射試驗，發現了巖樣在蠕變的三個階段中的聲發射能量和振幅特征。王煜曦[10]等人當法向力不變的情況下，分別進行斷裂砂巖在壓剪破壞與巴西拉破壞的蠕變分級剪切試驗。發現了兩種破壞形式的巖石在不同的蠕變分級剪切階段AE能率和蠕變剪切位移之間的關系。王德超[11]等通過蠕變試驗研究發現：隨著壓力上升巖石AE信號不斷增強；當壓力穩定后，聲發射信號有所減弱，整體的變化趨勢平穩。巖石抗壓強度和AE能量的最大值表現為正相關性。武晉文[12]等人通過對花崗巖在3種不同溫度、軸壓以及圍壓條件下蠕變聲發射試驗，研究對比了不同條件下巖體的蠕變聲發射特征。文獻[13]進行了分級加卸載條件下短時蠕變試驗，研究分析了紅砂巖在蠕變三個階段的聲發射b值特征。趙奎[14]等人分析在不同應力水平下巖石蠕變聲發射主頻的變化規律，發現隨著應力水平的增大，頻帶相應變寬。

3 總結與展望

綜上所述，通過聲發射監測巖石穩定性具有較強的可行性，在巖體路基、地下礦井開挖過程中可有效對邊坡、礦柱等類似巖體進行監測。在開挖進行與停止過程中，巖體截面不斷減小或不變，軸向應力不斷增大或恒定，通過巖石在單軸壓縮與蠕變狀態下發射特征可較好的判斷巖柱的應力狀態，從而進行穩定性分析。尤其在巖體路基中，由于在蠕變和單軸壓縮狀態下聲發射參數與巖石應變的關系不同，可通過聲發射與巖石應變的關系對邊坡的變形進行監測。然而，聲發射在巖石蠕變現象的研究成果相對較少，有關巖石加速蠕變階段的聲發射研究更是欠缺。目前鮮有關于監測巖石蠕變破壞的聲發射定量判據，因此，聲發射與巖石蠕變損傷關系的量化將會是今后的科學研究重點。在實際的工程應用中，由于現場環境的復雜，聲發射技術的廣泛應用還存在一定困難，例如如何應對噪音的干擾，延長儀器的連續作業時間等問題上還有待研究。

參考文獻

[1]陳宇龍，魏作安，許江，等.單軸壓縮條件下巖石聲發射特性的實驗研究[J].煤炭學報，2011，36（S2）：237-240.

[2]吳永勝，余賢斌.單軸壓縮條件下巖石聲發射特性的實驗研究[J].金屬礦山，2008（10）：25-28.

[3]趙玉成，林斌，唐興宜，等.單軸壓縮下煤體聲發射特征及損傷演化過程分析[J].山東科技大學學報，2013，32（5）：1-7.

[4]蘇承東，郭保華，唐旭.漳村煤礦兩種尺度煤樣單軸壓縮聲發射特征的試驗研究[J].煤炭學報，2013，38（1）：12-18.

[5]紀洪廣，侯昭飛，張磊，等.載荷巖石材料在加載-卸荷擾動作用下聲發射特性[J].北京科技大學學報，2011，30（1）：1-5.

[6]蘇承東，翟新獻，李寶富，等.砂巖單三軸壓縮過程中聲發射特征的試驗研究[J].采礦與安全工程學報，2011，28（2）：225-230.

[7]徐子杰，齊慶新，李宏艷，等.不同應力水平下大理石蠕變損傷聲發射特性[J].煤炭學報，2014，39（S1）：70-74.

[8]楊永杰，王德超，趙南南，等.煤巖蠕變聲發射特征試驗研究[J].應用基礎與工程科學學報，2013，21（1）：159-166.

[9]龔囪，陳輝.紅砂巖不同蠕變階段聲發射振幅與能量特征研究[J].中國礦業，2014，23（10）：144-149.

[10]王煜曦，王金安，唐君.斷裂巖石在蠕剪過程中的聲發射特征[J].巖石力學與工程學報，2015，34（S1）：2948-2958.

[11]王德超，楊永杰，李玉壽，等.煤樣蠕變變形規律及聲發射特征試驗研究[A].2010年海峽兩岸材料破壞斷裂學術會議暨第十屆破壞科學研討會第八屆全國MTS材料試驗學術會議論文集[C].2010.

[12]武晉文，趙陽升，萬志軍，等.熱力耦合作用魯灰花崗巖蠕變聲發射規律[J].巖石力學與工程學報，2012，31（S1）：3061-3067.

[13]龔囪，李長洪，趙奎.紅砂巖短時蠕變聲發射b值特征[J].煤炭學報，2015，40（S1）：85-92.

[14]趙奎，林穎，熊雪強.不同應力水平下砂巖蠕變聲發射頻率特征研究[J].銅業工程，2012（4）：22-24.