基于聲發射的深層砂巖裂紋發育分類研究

蔡國軍，周 揚，陳世豪，賈 俊，李蘇申，羅巧麗

(1.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；2.成都理工大學地質工程國家級實驗教學示范中心，四川 成都 610059；3.中國地質調查局西安地質調查中心/西北地質科技創新中心自然資源部黃土地質災害重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引 言

巖石在加載過程中內部裂紋的擴張及能量釋放等一系列問題[1-2]一直以來是巖土工程界關注的重點。目前，最常用的研究方法就是聲發射試驗[3- 4]。巖石在載荷作用下，其內部產生塑性變形，并伴隨新裂紋的產生、擴展，儲存的能量以彈性波的形式突然向外釋放出應變能的現象稱為聲發射。巖石聲發射包含巖石材料在壓縮破壞過程中的許多信息，如時間、振鈴計數、能量、累計能量等參數。根據這些信息在時間、空間上的變化特征，可了解巖石材料的受力變形及破壞過程，建立起巖石聲發射特性與其變形過程的內在聯系，揭示巖石材料的損傷、破壞機理[5- 6]。目前，對聲發射的研究十分廣泛，章思平等[7]對巖石試樣在靜、動載下的聲發射能量特征參量進行了研究；何正剛等[8]對不同應力狀態下巖石聲發射波形分形進行了研究；劉文德等[9]對單軸壓縮下巖石聲發射及其分形特征進行研究，得到了巖石破裂過程的聲發射參數序列具有分形特征；宋璐璐[10]對基于聲發射能量判定指標巖石破壞時刻預測進行了研究；劉蕩平等[11]對不同溫度作用后灰巖聲發射特征進行了研究；謝和平等[12]將損傷力學和分形幾何相結合，應用于巖石破裂全過程的分析中，建立了巖石分形理論；王艷升等[13]基于希爾伯特-黃變換(HHT)和聲發射(AE)主頻統計的巖石破壞進程分析，證明了巖石的AE波形主頻與內部微破裂模式有著緊密的聯系；沈忠等[14]對軟巖聲發射序列分形特征研究發現，聲發射序列分形是有限度的，超過一定限度不再分形；李庶林等[15]對巖石單軸多級循環加載聲發射分形特性進行研究發現，聲發射關聯維數能很好地反映巖石內部損傷破壞的發展。

以上研究都是在改變外部試驗條件和運用不同試驗手段，運用聲發射對巖石進行研究，運用聲發射對巖石本身層面與垂直加載方向的不同夾角的研究很少。為此，本文取深層砂巖(取樣深度在4 316～4 470 m之間)，對巖石在不同角度加載過程中，聲發射與應力的對應關系，以及基于聲發射巖石裂紋分類進行了研究和統計。

1 試驗設計

巖石的礦物成分對巖石的物理力學性質都有較大影響，對聲發射的活動也具有較大影響。因此，了解巖石的礦物成分對更好地認識巖石有重要的意義。本文利用X射線衍射，對深層砂巖進行礦物成分分析。制樣時，按層理面與垂直加載方向夾角的不同，即0°、45°和90°方向(加載方向平行于層理方向為0°，垂直于層理方向為90°)，制備3種巖樣，編號為SY- 0°、SY- 45°、SY- 45°。試驗采用型號DX-2700衍射儀(見圖1)。通過該儀器測試系統，進行X射線的發生、測角的控制和數據的自動采集，結果可作為物相定性、定量分析、結晶度分析、晶胞參數的測定和衍射數據指標化的參考依據。X衍射圖譜見圖2。圖2中，2θ為儀器與試樣測量角；d為礦物的不同粒徑。巖石礦物含量見表1。

圖1 DX-2700衍射儀

圖2 X射線衍射圖譜

對深層砂巖進行的礦物成分的定量分析發現，石英和長石這2種礦物成分含量較多，導致巖石抗壓強度較高。其中，石英含量在54%～63%之間，其對應衍射強度也最高，由于石英這種質地堅硬的礦物存在，巖石在破壞時伴有較強的聲發射信號；長石含量為13%～23%，其衍射強度也相對偏高。巖石中硬度較小的伊利石和綠泥石含量約為16%。

表1 砂巖礦物組成定量分析 %

2 聲發射結果分析

本文采用室內單軸壓縮試驗對深層砂巖試樣進行聲發射特性參數測試，研究巖石在不同方向上加載聲發射之間的規律。巖樣破壞情況見圖3。本文使用的聲發射時間序列參數包括聲發射事件、能量、累積能量、振鈴計數和幅值等。圖4、5為深層砂巖在單軸壓縮過程中不同方向上的聲發射事件數、能量、累積能量和應力隨加載時間變化的關系。從圖4、5可知，巖石在單軸壓縮過程中，不同角度對應的應力和聲發射參數，隨時間的變化都不相同。

圖3 砂巖破壞

圖4 單軸試驗聲發射事件、應力與時間的關系

圖5 單軸試驗聲發射能量、累積能量、應力與時間的關系

(1)SY- 0°加載初期有極少量聲發射出現，但在22 s時，能量有1次急劇增大，此段時間較短；此后，巖石在70、83 s出現2次較大的破裂，并且在發生較大破裂前都有很明顯的聲發射信號；之后直到破壞前，出現聲發射平靜期，破壞時又伴有明顯的聲發射信號。

(2)SY- 45°加載初期，巖石仍然只有很少量的聲發射出現，在58、82、96 s時有3次較為明顯的微破裂，微破裂前，也有很明顯的聲發射信號；之后，出現一小段平靜期，直到巖石破壞再次出現比較強的聲發射信號。值得注意的是，由于聲發射事件數和聲發射信號的振幅沒有關系，而能量卻反映了聲發射信號的振幅，這就是聲發射事件數維持在很低的水平，而能量卻保持在很高的水平的原因。

(3)SY-90°加載初期，巖石還是只有少量的聲發射信號，之后有一系列聲發射信號出現，并在118 s時出現1次很大的破裂。其原因是因為加載方向垂直于層理面，導致能量一直累積，最終發生1次較大的破裂。對比于0°、45°時，巖石在加載過程中發生了多次的微小破裂，這與傾角的不同有一定關系。之后，出現了一段聲發射平靜期，直到巖石破壞產生較大聲發射。

3 基于聲發射的巖石裂紋發育研究

巖石在單軸壓縮試驗中破壞主要是內部微裂紋萌生、擴張和貫通的過程。在力的作用下，巖石破壞類型有張拉破壞和剪切破壞。隨著加載的進行，兩者之間所占的比例上在不斷變化。理清巖石在各加載階段中，張拉破壞和剪切破壞之間的變化情況，對研究巖石破壞機理并最終指導工程實踐有一定的意義。

3.1 聲發射的裂紋分類理論

JCMS—IIIB 5706(2003)[16-17]提出了一種檢測和分類鋼筋混凝土結構裂紋擴展的方法。JCMS—IIIB 5706(2003)常見裂紋分類方法見圖6。圖6中，RA為聲發射參數中的上升時間和最大振幅的比值；AF為聲發射計數和持續時間的比值。本文利用該方法，對本次試驗過程中所伴隨的破壞方式進行分類研究。利用巖石試樣表面安裝的聲發射傳感器檢測到微裂紋引起的聲發射信號，聲發射信號通過處理器處理，得到聲發射參數，并由聲發射檢測系統記錄和存儲。

圖6 常規裂紋分類

一般來說，低RA值和高AF特征的聲發射信號意味著張拉裂紋的萌生或擴展貫通；相反，高RA值和低AF特征的聲發射信號一般表示剪切裂紋的萌生或擴展貫通。

3.2 基于聲發射裂紋分類研究

根據JCMS—IIIB 5706提出的方法，對按3個方向制備的試樣的聲發射時間序列中的上升時間、最大振幅、振鈴計數和持續時間進行了分析，得到RA和AF的值。對3組試樣的RA和AF全部數據進行研究，得到單軸加載條件下的RA-AF協方差矩陣的散點分布圖(見圖7)。由于1個聲發射振鈴計數時間序列代表1次巖石破裂，區分張拉破壞裂紋和剪切破壞裂紋為RA和AF散點圖的對角線連線的直線(對角線斜率K=0.01)，并由此統計了3組試樣在單軸壓縮條件下各加載階段中張拉破壞和剪切破壞的聲發射計數，見表2。從圖7和表2可知，同一塊巖石，不同的制備方向上的破壞形式存在一定偏差。

表2 3個方向張拉、剪切裂紋在不同應力區間內統計個數

圖7 RA-AF散點分布

(1)SY- 0°張拉裂紋數據點與剪切裂紋數據點數量相當，但還是以張拉裂紋居多。初始階段，巖石以張拉裂紋擴散，剪切裂紋只有張拉裂紋的一半。隨著加載繼續到應力區間為0.4～0.5 MPa時，剪切裂紋開始增加，直到巖石破壞時剪切裂紋與張拉裂紋大致持平。可以判斷，巖石破壞是張拉、剪切共同作用導致的。

(2)SY- 45°張拉裂紋數據點要遠大于剪切裂紋數據點。巖石加載初期，主要以張拉裂紋擴散。應力區間為0.5～0.6 MPa時，剪切裂紋開始增加，但增加的幅度有限，到巖石破壞，張拉裂紋大致是剪切裂紋的2倍。巖石破壞以張拉破壞為主。

(3)SY-90°張拉裂紋數據點也遠大于剪切裂紋數據點。初始階段，巖石仍以張拉裂紋擴散。應力區間為0.4～0.5 MPa時，剪切裂紋開始增加且增加劇烈。此后，剪切裂紋在一定范圍內波動，直到破壞時剪切裂紋超過了張拉裂紋。巖石雖然是以張拉、剪切共同作用，但以剪切破壞為主。

4 結 語

本文對深層砂巖層理面與垂直加載方向夾角不同的巖樣進行了X衍射試驗和聲發射試驗，對其聲發射信號進行了分析，并對加載過程中的裂紋類別進行了分類，得到以下結論：

(1)在加載初期，不論垂直加載方向與層理傾角如何，加載初期都只是微裂紋在力的作用下發生閉合而產生的少量聲發射活動。

(2)軸向應力變化趨勢隨著角度的增加而增加，即軸向應力SY- 0°

(3)砂巖在加載初期，不論巖石的加載方向如何，都主要以張拉裂紋的方式進行擴散，剪切裂紋開始增多主要發生在應力區間為0.4～0.6 MPa的階段，該階段對應巖石塑性變形階段，表明在塑性階段剪切裂紋開始增加，之后剪切裂紋穩定上升或在一定范圍內波動。

(4)從巖石破壞形式來看，SY- 0°是張拉、剪切共同作用導致的，SY- 45°以張拉破壞為主，SY-90°是張拉、剪切共同作用，但以剪切破壞為主。

(5)對所有RA-AF散點分布圖中的點統計可知，張拉裂紋點高于剪切破壞點，即在整個加載過程中，張拉裂紋居多。