聲發射和變形場聯合監測試驗研究

王曉雷，蔣鵬程，閆順璽，詹思博，皇甫潤，王尚政

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學以升創新教育基地，河北 唐山 063210)

隨著巖土工程向深部的推進，地下工程面臨高應力等復雜賦存條件。在開挖過程中，巖石內部應力集中產生裂紋，隨著裂紋的擴展和貫通，巖石破裂失穩，由此引發的災害嚴重影響巖土工程的安全。因此，研究巖石破裂特征、前兆預警有重要意義。

巖石在應力作用下發生錯動，產生的彈性波在介質中傳播，以聲發射(acoustic emission，AE)信號的形式被監測到，因此，聲發射可以監測巖石內部裂紋的發育、擴展情況，刻畫巖石破裂的孕育、發生過程。作為一種無損監測手段，聲發射技術被廣泛運用于巖石損傷監測，為巖石失穩參數特征演化分析、前兆信息識別與災害預警等研究提供了重要的數據[1-6]。但是，聲發射監測手段對巖石表面裂紋演化的監測效果較差，實際工程中，有時不僅需要知道預警時間，也需要知道預警位置。變形場能實時監測巖石表面裂紋演化情況，可彌補聲發射在此方面的不足。變形局部化是巖石不穩定的重要表現形式，同時也是巖石破壞的前兆[7]。許多學者就巖石的變形局部化進行了分析，諸如研究含預制裂紋試件的局部化演變過程[8-10]和沖擊荷載作用下砂巖的剪切局部化特征[11]等。

在巖石破裂失穩的預警中，考慮到災害發生的隨機性、突發性和影響因素的多樣性，多種手段聯合監測已成為災害預警的主要趨勢和途徑[12]。本文采用聲發射和變形場聯合監測的方式進行片麻巖單軸壓縮試驗，分析兩種監測手段與巖石破裂失穩的聯系，提供一種更全面的預警方法。研究結果為實際工程巖體的穩定性控制及防治提供理論依據。

1 聲發射和變形場聯合監測試驗

1.1 試樣制備

試驗選用的片麻巖樣品為唐山市某礦區一種極具代表性的層狀巖石材料，巖樣如圖1所示，整體呈青灰色，表面分布不同寬度、深淺不一的條帶狀礦物，淺色部分粒狀變晶礦物以石英、長石等礦物為主，黑云母、角閃石等深色礦物在其中相間分布。巖石深淺礦物分布相對集中，巖樣整體呈現出深淺條帶狀相間排列的片麻狀構造，條帶寬度區間為2～30 mm。取樣后經過切割、打磨等工序，將樣品制成50 mm×50 mm×100 mm表面不平行度小于0.02的標準長方體樣品。試驗準備10塊片麻巖樣品，將樣品編號為PM-A，PM表示片麻巖，A表示第A號樣品。

圖1 片麻巖試樣

1.2 試驗方法

試驗系統主要由加載系統、聲發射監測系統和數字散斑(digital image correlation，DIC)測量系統組成。

加載系統采用TAW-3000型剛性伺服試驗機(圖2)進行實驗加載和應力數據收集工作，單軸軸向壓縮試驗加載采用位移控制方式，加載速率為0.002 mm/s，加載至試樣失去承載能力后停止加載。聲發射設備采用北京軟島DS5-16B型聲發射監測系統，該系統是全局動態無損監測，穩定性好，靈敏度高，能實時監測巖石內部破裂信息。DIC測量系統采用美國CSI公司VIC-3D全場應變測量系統，該系統具有非接觸性、無損測試、環境要求低、實驗過程可追溯可評估的優點，可直接獲得全場應變、位移、形貌等數據。

為減小試驗的離散程度，選擇層理均勻、結構完整的試件。試驗前在試件觀測面繪制隨機散斑，將聲發射探頭固定在試件側面，布置位置如圖3所示。試驗開始時，將加載系統、聲發射監測系統和DIC測量系統同時開啟，保證以統一的時間記錄相關數據。

圖2 試驗系統

圖3 聲發射探頭布置位置

圖4 PM-2累計振鈴計數曲線

2 試驗結果和分析

2.1 聲發射振鈴計數

聲發射是指由于巖石內部結構發生變化而引起材料應力突然重新分布，機械能轉變為聲能，產生彈性波的現象。聲發射振鈴計數可反映巖石內部破裂的強度和頻度，累計振鈴計數能反映聲發射信號的增長速率。巖石應力-聲發射振鈴計數-時間三者的關系曲線如圖4所示，限于篇幅，僅列出較為典型的試件PM-2。應力較低時，應力曲線向上彎曲，當應力增加到一定值后，曲線呈近直線，最后，曲線向下彎曲，曲線整體呈“S”形。由應力曲線將巖石的變形分為壓密階段(Ⅰ)、彈性階段(Ⅱ)、塑性階段(Ⅲ)和破壞階段(Ⅳ)四個階段。

壓密階段(Ⅰ，0～84 s)：試件中原有微裂紋或者張開性結構面被壓密，形成早期的非線性變形，應力曲線呈上凹型。由于片麻巖結構較致密，加載過程中壓密階段持續時間較短，試件內部沒有裂紋萌生或者裂紋尺度較小聲發射探頭無法接收，因此壓密階段監測不到振鈴計數。

彈性階段(Ⅱ，85～278 s)：該階段載荷曲線呈近直線形，裂紋穩定發展，并且有零星振鈴計數出現，表明隨著載荷增加，在外力作用下試件內部產生應力集中，裂紋開始萌生、擴展。加載至第205 s時，累計振鈴計數曲線第一次出現轉折點(點A)，作為啟動點，代表巖石處于裂紋穩定發展階段。

塑性階段(Ⅲ，279～328 s)：相較于彈性階段，此階段聲發射振鈴計數明顯增多，但仍維持在一個較低的水平。隨著應力的增加，累計振鈴計數曲線持續上升，上升速度比較穩定。

破壞階段(Ⅳ，329～363 s)：試樣承載力達到峰值后，其內部結構遭到破壞，但試件基本保持整體狀，具有一定的殘余應力。加載至第329 s時，應力突降，振鈴計數出現激增，累計振鈴計數曲線以近豎直的形態陡升，上升幅度約占總振鈴計數的20%。定義此轉折點(點B)為巖石破裂預警點，代表巖石接近破壞。隨后應力出現數次起伏波動，應力突降時一般伴有振鈴計數激增，但增加量和應力降幅無對應關系。直至第363 s巖石失去承載能力，試件完全破壞。

綜上所述，在單軸壓縮荷載作用下，聲發射振鈴計數可表征巖石內部狀態。定義累計振鈴計數曲線第一次出現斜率陡增(點B)作為巖石破裂預警點。結合所有試驗結果，預警點多出現在臨近峰值應力之前。

2.2 變形場應變均方差

雖然聲發射系統能夠有效監測巖石內部破裂信息，但無法描述巖石表面裂紋的演化過程。目前對于巖石變形演化特征分析常采用數字散斑相關(DIC)測量方法，該方法是對全場位移和應變進行量化分析的光測實驗力學方法。其原理是計算機將物體變形前后的圖像散斑進行對比，通過灰階找到圖像相關區域從而計算出物體表面位移和應變分布。試樣每一個觀測點對應此點的應變值，計算應變值的均方差，可得到應變分布的離散程度。定義某時刻應變場的均方差見式(1)。

(1)

(2)

計算試樣加載過程中的應變場，用式(1)統計其主應變場的均方差。限于篇幅，以PM-2試樣應變均方差的演化曲線(圖5)為例。

圖5 PM-2應變均方差曲線

從圖5中可以看出，巖石試樣的應力曲線和應變均方差曲線在時域上具有較好的對應關系，由應力曲線將巖石的變形分為壓密階段(Ⅰ)、彈性階段(Ⅱ)、塑性階段(Ⅲ)和破壞階段(Ⅳ)四個階段。圖6中，應變集中帶一般代表此處有裂紋出現，應變值大小代表應變的大小。

壓密階段(Ⅰ，0～84 s)：此階段試件原有微裂紋或者張開性結構面被壓密，橫向膨脹較小。圖5應變均方差整體偏小，選取第50 s應變圖表現此階段應變情況，由圖6可知，此階段變形場應變分布比較均勻，且應變值較小。

彈性階段(Ⅱ，85～278 s)：此階段裂紋穩定發展，圖5加載至第209 s時，應變均方差曲線第一次出現轉折點(點C)，作為啟動點，代表巖石處于裂紋穩定發展階段。由圖6第209 s(點C)應變圖可知，此時在巖石觀測面左上位置有應變集中帶出現，之后此條帶處應變值持續增大，代表此處裂紋持續發展。

塑性階段(Ⅲ，279～328 s)：此階段試件由體積壓縮逐漸轉為擴容，應變均方差曲線以穩定的速率增長，應變值穩定上升。選取第300 s應變圖表現此階段應變情況，由圖6可知，除了左上方原有裂紋持續發展外，正上方和右下方都出現應變集中帶，即此處有裂紋出現，之后此處裂紋持續發展。

破壞階段(Ⅳ，329～363 s)：此階段裂隙發展速度較快，裂隙交叉、聯合形成宏觀斷裂面，巖石變形主要表現為沿著宏觀斷裂面的塊體滑移。圖5加載至第353 s時，應力大幅度降低，應變均方差曲線激增。定義此轉折點(點D)為巖石破裂預警點，代表巖石接近破壞。由圖6第353 s(點D)應變圖可知，原有裂紋持續發展，正上和右下裂紋有貫通趨勢，應變值持續增大。隨后巖石失去承載能力，試樣完全破壞。應變集中帶位置與圖6破壞后圖像裂紋位置吻合，即應變圖可描述巖石表面裂紋演化情況。

由圖6可知，巖石試樣發生局部變形后，應變場分布特征為少數散斑(應變集中帶內)的變形量遠大于其他散斑(應變集中帶外)的變形量，導致應變均方差曲線在第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段尤其是第Ⅳ階段的急劇上升。第Ⅳ階段為宏觀裂紋活動階段，從應變演化的角度可理解為更加嚴重的局部變形階段，因此應變均方差數值持續增加。

綜上所述，在單軸壓縮荷載作用下，變形場可有效表征巖石表面裂紋演化，且具有一定預警能力。定義應變均方差曲線第一次出現斜率陡增(點D)作為巖石破裂預警點。結合所有試驗結果，預警點多出現在破壞階段。

圖6 變形場應變演化云圖

3 聲發射與變形場聯合監測

聲發射監測技術能較好表征巖石內部破裂情況，但無法描述巖石表面裂紋的演化過程；DIC測量方法能描述巖石表面裂紋的演化情況，但對巖石內部破裂信息監測效果較差。聲發射和變形場聯合監測可進一步對預警指標提供理論依據。為了比較聲發射監測與DIC測量兩種手段的預警效果，將聲發射累計振鈴計數曲線和變形場應變均方差曲線進行對比。同樣由應力曲線將巖石的變形分為壓密階段(Ⅰ)、彈性階段(Ⅱ)、塑性階段(Ⅲ)和破壞階段(Ⅳ)四個階段，如圖7所示。

圖7 PM-2累計振鈴計數和應變均方差曲線

表1 片麻巖預警點處曲線上升幅度占總體比例

壓密階段(Ⅰ，0～84 s)：兩個預警參數量值較小，上升速度緩慢，不需要進行預警。

彈性階段(Ⅱ，85～278 s)：兩個預警參數皆出現啟動點，由圖7可知啟動點時間差別不大，聲發射累計振鈴計數啟動點(點A)稍早于變形場應變均方差啟動點(點C)，聲發射累計振鈴計數曲線上升幅度小于應變均方差曲線。

塑性階段(Ⅲ，279～328 s)：兩個預警參數曲線以穩定的速率增長，聲發射累計振鈴計數上升速度大于變形場均方差曲線。

破壞階段(Ⅳ，329～363 s)：兩個預警參數曲線出現激增，激增處定義為預警點。統計所有試樣結果，整體上聲發射累計振鈴計數預警點(點B)早于變形場應變均方差預警點(點D)。聲發射累計振鈴計數曲線上升幅度小于應變均方差曲線上升幅度。預警點處聲發射累計振鈴計數曲線上升幅度占總體的20%～50%，平均占比34.65%；應變均方差曲線上升幅度占總體的25%～65%，平均占比41.15%。在實際工程巖體破裂預警時，由于監測手段實時觀測，無法得知預警參數總體量值。但是相同地質環境下巖體物理性質差別不大，可根據經驗估計總體占比。

綜上所述，聲發射累計振鈴計數和變形場應變均方差兩個參數曲線啟動點出現時間差距不大，預警點出現時間差距較大，總體上聲發射比變形場更早監測到破裂信息。兩個預警參數曲線以近豎直斜率大幅上升時即可預警，聲發射累計振鈴計數曲線上升幅度占總體的20%～50%，平均占比34.65%，應變均方差曲線上升幅度占總體的25%～65%，平均占比41.15%。在時間上，聲發射整體早于變形場，但在空間上，變形場可實時觀測巖石表面裂紋演化情況。將兩種監測手段聯合，能更全面了解工程巖體破裂情況，為實際工程巖體的穩定性控制及防治提供理論依據。

4 結 論

1) 聲發射累計振鈴計數和變形場應變均方差兩個參數曲線啟動點出現時間差距不大，預警點出現時間差距較大，總體上聲發射比變形場更早監測到破裂信息。

2) 聲發射累計振鈴計數曲線和應變均方差曲線第一次以近豎直斜率大幅上升時即可預警，代表巖石即將破壞。聲發射累計振鈴計數曲線上升幅度占總體的20%～50%，平均占比34.65%，應變均方差曲線上升幅度占總體的25%～65%，平均占比41.15%。

3) 巖石破裂失穩預警，在時間上聲發射比變形場更早觀測到，在空間上變形場可實時觀測巖石表面裂紋演化情況。將兩種監測手段聯合，能更全面了解工程巖體破裂情況，為實際工程巖體的穩定性控制及防治提供理論依據。