利用巖石聲發射Kaiser效應測試地應力的方法研究

張 昕，付小敏，沈 忠，黃興建

（地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學)，四川 成都 610059)

利用巖石聲發射Kaiser效應測試地應力的方法研究

張 昕，付小敏，沈 忠，黃興建

（地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學)，四川 成都 610059)

利用巖石聲發射Kaiser效應在室內測試地應力的原理及測試方法，對巖石塊體空間6個方向的試件進行單軸壓縮荷載作用下的聲發射測試。通過對試驗數據的處理，分析能量-時間曲線以選定多級Kaiser效應特征點，即多級應力分量。運用彈性力學理論及自編程序，對空間6個方向的多級應力分量進行自由組合計算地應力，結合取樣現場的地質環境綜合確定地應力的大小及方向。研究成果對于完善室內測試地應力以及提高確定地應力的準確度有所幫助。

地應力；Kaiser效應特征點；巖石聲發射

0 引 言

地應力是存在于地層中未受工程擾動的天然應力，它對采礦、水利水電、土木建筑和其他各種地下巖土工程或露天巖石開挖工程具有十分重要的意義。因此，對地應力的測量從理論到應用已經發展起來，常用的測量方法有鉆孔應力解除法、應力恢復法、水壓致裂法等，但在實際測量中，這些地應力測量方法必須在現場進行，工作量大，工藝復雜，費時費錢，并且一次測量只能獲得少量的實測數據，容易出現數據失真現象，測量結果具有不確定性，并且達不到所需數據的準確度，一定程度上限制了現場巖體應力測量工作的推廣使用[1]。近些年來，在室內利用巖石聲發射Kaiser效應測試地應力的方法改善了傳統的現場測量方法的缺點，具有簡捷、直觀、經濟且不受現場條件限制等優點，在實際工程的應用逐漸廣泛，能夠達到滿足工程需要的效果。

巖石聲發射技術是理論落后于實際應用的少數學科之一[2]。現今國內外對聲發射Kaiser效應測試地應力的方法存在較多爭論，特別是在Kaiser效應特征點的確定方法上尤為突出。目前普遍用來判斷Kaiser效應特征點的方法是將時間（或應力)作為橫坐標，將加載過程中聲發射某個參數或參數累計作為縱坐標，然后以關系圖上一開始出現的激增點作為Kaiser效應特征點，該點對應的應力大小即作為所測試的地應力值。同時，還有許多學者對于確定Kaiser效應特征點的方法有所探討，如M.Momayez[3]以聲發射累計計數曲線的最大曲率點作為Kaiser點；尹賢剛等[4]以聲發射累計數-應力曲線上的激增點作為Kaiser點，應用在廠壩鉛鋅礦單向地應力測量中，結果較為理想，可以較好地滿足工程需要；文獻[5]利用小波分析對巖石聲發射Kaiser點信號進行頻譜分析，通過分析Kaiser點聲發射信號的波形來確定Kaiser點；文獻[6]通過對沒有明顯拐點的聲發射參數（或累計參數)與時間（或應力)關系曲線求取切線交點，再根據巖石聲發射能量關聯維數曲線判讀Kaiser效應點的綜合分析方法；薛亞東等[7]提出了R/S統計分析法，通過對巖石聲發射信號重標區間（R/S)分析，將赫斯特指數H=0.5時對應的點確定為Kaiser點。

綜上所述，判斷Kaiser效應特征點的方法并不統一，適用條件、個人主觀性等都是造成誤差的原因。為此，提出更為準確、全面地選取Kaiser效應特征點的方法具有重要意義。本文重點介紹單軸壓縮荷載作用下巖石聲發射試驗的原理和過程及數據處理方法，利用測試結果，在每個試樣聲發射特征參數與時間的關系曲線上選取三級Kaiser效應特征點，確定其對應的應力值，每個方向多個試樣的三級應力各級求取算術平均值即為該方向的三級應力分量；再基于彈性力學理論，利用Visual Basic6.0編寫計算程序，將6個方向的三級應力分量進行隨機組合得到若干應力分量組合，計算出若干組應力分量對應的主應力及其方向；最后綜合現場地質環境等因素確定地應力，以期完善室內測試地應力方法并提高地應力測試的準確度。

1 巖石聲發射Kaiser效應測試地應力原理

巖石聲發射（acoustic emission，AE)是指巖石在受力變形破壞過程中，微裂紋的產生、擴展和貫通所釋放的能量產生的瞬態彈性波現象[8]。德國物理學家J.Kaiser通過研究首先發現鋅、鉛、錫、鋼、鑄鐵等金屬材料的應力從其歷史最高水平釋放后，再次重新加載，當應力未達到先前最大應力值時，很少有聲發射產生，而當應力達到和超過先前經受過的應力水平，會產生大量聲發射活動，這種現象稱作Kaiser效應。聲發射技術很快得到世界各國的關注，紛紛開始深入研究與發展應用。美國學者Goodman在巖石壓縮試驗中證實了巖石也具有Kaiser效應，即在加載過程中，巖石內部微裂隙擴展，巖石所受壓力達到其先期最大應力時，產生聲發射現象，繼續施加荷載，巖石所受壓力大于其先期最大應力時，已經產生的裂隙進一步擴展貫通和新的裂紋產生，同時伴有大量的聲發射活動出現。由此，基于巖石具有記憶原先應力水平的特性，在室內利用巖石聲發射Kaiser效應測試地應力的方法得以發展，巖石Kaiser效應為測量巖石應力提供了一個新的途徑[9]。

于學馥等[10]從巖石材料的記憶性角度，對聲發射Kaiser效應作了解釋：巖石蠕變裂紋的疲勞再擴張對產生這種蠕變裂紋的先前應力水平具有記憶性，這是產生聲發射Kaiser效應的原因所在，在未達到或超過先前曾承受過的某一蠕變裂紋時，其作用應力相對于長期蠕變應力而言均具有瞬時載荷的特點，此時蠕變裂紋一般不再擴張，只有應力達到先前承受的蠕變應力水平時，巖石中的微裂紋才開始顯著擴張，并伴生有Kaiser效應。樊運曉[11]通過試驗研究認為單軸壓縮下巖石聲發射產生的原因是加載過程中試樣不斷受到損傷，Kaiser效應記憶應力的機理是巖石對先前損傷的記憶，這也是目前公認的利用聲發射Kaiser效應測量地應力的基本原理。

2 巖石聲發射試驗

2.1 巖石試樣的制備

圖1 制樣方向

圖2 巖石聲發射試驗設備

在室內把從現場取回的定向巖樣恢復到原始位置狀態，在其上尋找一個水平面，確定正北方向作為X 方向，建立 X、Y、Z空間坐標系，并分別在 X、Y、Z、X45°Y、Y45°Z、Z45°X 6 個方向上，每個方向至少各制取5個試樣以提高測量數據的可靠性，保證測試的準確度，如圖1所示。試樣經過切、磨成形后，兩個加載端面再經手工仔細研磨，使其上下表面的平行度、垂直度與平整度滿足巖石力學試驗標準的要求。

2.2 試驗設備及試驗方法

試驗在成都理工大學“地質災害防治與工程地質環境保護國家重點試驗室”進行，如圖2所示。單軸壓縮荷載作用下的聲發射試驗采用加載控制系統和聲發射監測系統兩套裝置配合完成，系統基本原理如圖3所示。

圖3 試驗系統原理圖

試驗加載設備為美國MTS公司的MTS815程控伺服剛性試驗機，框架整體剛度5 000 kN/mm，最大軸壓3000kN，應變率適用范圍10-7～10-2s-1，其控制準確度高、加載穩定，給試樣提供軸向荷載，確保聲發射試驗的真實性。聲發射監測設備采用北京聲華科技公司生產的SAEU2S聲發射系統（可同時記錄幅度、振鈴計數、能量等聲發射參數值)，對整個試驗過程全程跟蹤監測，其靈敏度高，采集的數據結果可靠。聲發射傳感器（探頭)型號為SR150N型，其工作頻率為 22～220 kHz，設置采樣頻率 2 500 kHz，采樣長度（點數)2044，參數間隔 500μs，外參（荷載)采集間隔1s，前置放大器增益值為40dB。

進行試驗時，用恒定加載速率控制加載，一般為10kN/min。為保證試驗過程中聲發射儀器探頭與試樣能夠緊密接觸，利于采集聲發射信號，加強探頭與試樣之間的耦合效果，在試樣的中部涂抹適量凡士林，并用橡膠圈將探頭牢牢固定在試件側面。為了消除加載過程中試件上下端部摩擦和試驗機傳來的外部噪音對聲發射信號采集的影響，采取在試樣兩端粘貼醫用膠布的特殊處理方法消除干擾。聲發射試驗狀態如圖4所示。

圖4 聲發射試驗狀態

3 試驗結果整理

3.1 選取多級Kaiser效應特征點

準確選定Kaiser效應特征點是利用巖石聲發射Kaiser效應測試地應力方法的關鍵所在。

在聲發射試驗過程中，儀器自動記錄聲發射到達時間、持續時間、事件數、振鈴計數和能量等聲發射基本參數。在確定每個試件的聲發射Kaiser效應特征點時，選用聲發射能量和振鈴計數作為測試參數。

圖5為一個試樣的聲發射特性曲線圖，其中a曲線為荷載與時間的關系曲線，b曲線為聲發射振鈴計數與時間的關系曲線，c曲線為聲發射能量累計數與時間的關系曲線。結合兩曲線的變化特征進行分析，臺階的起點對應聲發射信號突變點，即該試樣的Kaiser效應特征點。

圖5 巖石聲發射特性曲線圖

巖石本身是天然的復雜地質體，需考慮到在試驗過程中受制樣加工應力和加載初期試樣內部原生微裂紋被壓密實發生閉合及微結構面錯動的影響，產生的聲發射信號較多，因此一般不選取初始聲發射點作為Kaiser效應特征點[12]。應盡量規避試驗人員的個人主觀性導致的誤差，對聲發射活動特征進行具體分析，對每個方向上各個試樣的聲發射能量累計-時間曲線及振鈴計數-時間曲線結合對應進行分析，各個試樣均選定三級聲發射Kaiser效應特征點。

3.2 計算應力分量

由于巖樣的不均勻性，同一地點、同一方向的不同試樣測試所得的應力水平值也會不同，因此每個方向上需要盡量多個試樣進行試驗。根據每個試樣選定的Kaiser效應特征點確定其荷載值，由試樣的受力面積計算應力值，同一方向多個試樣的平均值即為該方向的應力分量。

每個試樣的Kaiser效應特征點應力σk計算公式為

式中：σk——Kaiser效應特征點試樣所受應力，MPa；

Pk——Kaiser效應特征點試樣所受荷載，kN；

A——試樣截面積，cm2。

同一方向多個試樣的三級應力分量計算公式為

式中：σx、σy、σz、σx45y、σy45z、σx45z——X、Y、Z、X45°Y、Y45°Z、Z45°X 6 個方向的應力分量；

σkx、σky、σkz、σkx45y、σky45z、σkz45x——X、Y、Z、X45°Y、Y45°Z、Z45°X 6 個方向的 Kaiser效應特征點應力；

n——每個方向的試樣個數。

3.3 計算地應力

依據彈性力學理論，利用Visual Basic6.0編寫計算程序，將6個方向的三級應力分量進行隨機組合得到若干應力分量組合，通過程序計算得出若干組應力分量對應的主應力及其方向。

程序代碼如下：

′h為每個方向測定塊數r為級數a為傾角b為方位角

其中，z（1)、z（2)、z（3)為空間主應力值；c（1，i1)、c（2，i2)、…、c（6，i6)為各方向的應力分量值；l（i)、m（i)、n（i)為主應力與 X 軸、Y 軸、Z 軸的余弦值；a（i)為主應力σ1與XOY平面的夾角，即傾角，仰角為正，俯角為負；b（i)為主應力σ1在XOY面上的投影與X軸的夾角，即方位角，逆時針為正，順時針為負；i=1，2，3。

4 結束語

1)利用巖石聲發射Kaiser效應測試地應力的方法為實際工程中巖體地應力的測量提供了一種可靠的途徑。與傳統的現場地應力測量方法相比，這種方法具有簡單、經濟、限制少等顯著優點。通過試驗可以獲得大量的測試數據并且能夠長期保存，有利于后續的科學研究。

2)目前多數研究者對Kaiser效應特征點的選取方法上存在爭議，本文討論了不選取初始聲發射點作為Kaiser效應特征點的原因，利用每個方向多個試樣的聲發射能量累計-時間曲線與振鈴計數-時間曲線相互對照分析，各個試樣均選定三級聲發射突變點即Kaiser效應特征點的方法。

3)求得每個方向上各個試樣的三級Kaiser效應特征點在應力-時間曲線上對應的荷載值，計算出相應的應力值后，將試樣的三級應力各級取平均值，即得到該方向的三級應力分量。根據彈性力學理論，利用Visual Basic6.0編寫計算程序，將6個方向的三級應力分量進行隨機組合得到若干應力分量組合，通過程序計算得出若干組應力分量對應的主應力及其方向。最后結合具體取樣點的地形地貌特征、地質構造條件等因素，綜合分析并確定與實際情況相符合的主應力大小及方向。

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Study on the method of in-situ stress measurement with Kaiser effect of rock acoustic emission

ZHANG Xin， FU Xiaomin， SHEN Zhong， HUANG Xingjian
（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection（Chengdu University of Technology)，Chengdu 610059，China)

In this paper，using the principle and test method of in-situ stress measurementin the laboratory with the Kaiser effect of rock acoustic emission（AE)， AE test of rock specimen in six directions is carried out under uniaxial compression.Based on test data processing，and analyzing the energy-time curve to select the multi-level Kaiser effect feature points，namely multi-level stress components.By using the theory of elastic mechanics and self programming，the in-situ stress is calculated by the free combination of the multi-level stress components in the six directions of the space，and combined with the geological environment of the sampling site to determine the magnitude and direction of in-situ stress.The research results are of great significance to complete in-situ stress measurementin the laboratory and improve the accuracy of the determination of in-situ stress.

in-situ stess； Kaiser effect feature point； rock acoustic emission

A

1674-5124（2017）10-0018-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.004

2017-06-12；

2017-07-20

國家自然科學基金項目（41272321)

張 昕（1992-)，男，河南駐馬店市人，碩士研究生，專業方向為巖土工程。

付小敏（1963-)，女，四川綿陽市人，研究員，主要從事巖石室內試驗相關工作。

（編輯：李剛）