單軸壓縮條件下預制裂紋紅砂巖試樣聲發射特征研究*

宋宜猛，趙凱杰，楊小彬

(1.應急管理部信息研究院，北京 100029；2.中國礦業大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京 100083)

0 引言

材料變形演化破壞過程、受載方式及微觀結構等內外因素對巖土工程建設、運營及維護均具有決定性作用。巖石材料在荷載作用下發生破壞，主要與裂紋的形成、擴展及聚合過程有關，在裂紋演化過程中，其巖石內部儲存的能量以應力波的形式突然釋放，進而產生聲發射現象。聲發射技術是1種研究巖石材料力學性質的較為有效的方法。目前，學者通過研究含預制裂紋的巖石試樣在單軸壓縮過程中的聲發射特征，從試驗層面獲取信息進行巖土災害預測預報，成果顯著：梁鵬等[1]通過研究巖石聲發射特征，分析巖石聲發射與巖石微破裂之間的關系；姜永東等[2]研究砂巖在飽和、自然、風干3種狀態下的單軸抗壓強度特性和三軸抗壓強度特性，并將其劃分為3個階段；胡昕等[3]通過采集紅砂巖的微細結構圖像系列，對單軸壓縮條件下微結構演化規律進行分析；Wassermann等[4]研究常規壓縮條件下砂巖試樣的聲發射和損傷演化特征；鄧琦等[5]對云南坡銅礦2種砂巖進行單軸壓縮試驗，并利用聲發射儀測試加載中的聲發射活動，證明巖石變形與聲發射活動之間存在良好對應關系；Yang等[6]對單裂隙的脆性砂巖試樣進行單軸壓縮試驗，分析單裂隙試樣幾何形狀對于砂巖試樣強度和變形破壞過程的影響，并對單裂隙類型進行分類；Wasanth[7]研究單軸壓縮作用下不同方向層理間砂巖的力學行為及能量釋放特性，并運用聲發射系統監測試件在整個失穩破壞過程中的聲發射能量情況；Patonin[8]研制用于記錄聲發射信號的MSR-AE-21高速多通道系統，對實驗室單軸和三軸應變條件下的巖石進行測試。

雖然國內外學者用聲發射對巖石材料在單軸壓縮條件下的失穩破壞過程進行監測[9-15]，但大部分只對巖石試樣裂紋的演化規律進行分析，對含預制裂紋試樣在單軸壓縮條件下的整體失穩破壞過程研究尚有不足，尤其對裂紋角度鮮有涉及。因此，本文對含預制裂紋的砂巖試樣在單軸壓縮條件下的聲發射特征進行分析，裂紋角度包括0°，45°，90°，并基于振鈴計數、聲發射能量等基本參數，對聲發射RA值在不同角度預制裂紋試樣中的變化規律進行研究。

1 巖石單軸壓縮聲發射試驗

1.1 巖石試樣制備

試驗選用紅砂巖材料，按照ISRM測試方法制作尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的試件，如圖1所示。根據預制裂紋有無及角度不同，將試件分為4類，分別為無裂紋完好試件A、含水平0°角裂紋試件B、含垂直90°裂紋試件C、含傾斜45°裂紋試件D。其中裂紋為穿透裂紋，裂紋長13 mm，寬2 mm。

圖1 紅砂巖試樣Fig.1 Red sandstone specimens

1.2 試驗設備

試驗通過采用伺服加載控制系統及聲發射檢測系統配合完成，試驗系統如圖2所示。

圖2 試驗系統Fig.2 Test system

加載裝置采用伺服壓力機，自動記錄加載時荷載-位移曲線等。聲發射采用DS5-32B全信息聲發射儀，探測砂巖試件損傷和破壞過程，可同時采集幅度、振鈴計數、能量等參數。

1.3 參數選取

從試驗中選取應力、時間等力學參數以及聲發射振鈴計數、能量、上升時間、幅度等聲發射參數，用以分析4組砂巖試樣。

加載系統采用位移控制，加載位移速率為0.01 mm/s；聲發射信號采集探頭布置在試件兩相鄰側面，每個側面布置3個探頭；前置放大器增益設為40 dB，門檻值設為100 dB，采樣率為3 MHz。

2 砂巖試樣聲發射試驗結果分析

對未處理砂巖試樣及含預置裂紋砂巖試樣進行單軸壓縮全過程試驗，保持加載系統及聲發射系統同時啟動。

2.1 單軸壓縮過程中試樣力學特征分析

根據試驗結果繪制砂巖A～D試樣的應力應變全過程曲線，反映砂巖試樣在單軸壓縮下的變形演化特征，如圖3所示。試樣應力-應變全過程曲線可分為4個階段，即壓密階段、彈性階段、塑性階段和峰后階段。由圖3可知，預制裂紋對砂巖試樣的峰值應力有較大影響。A試樣峰值應力為74.49 MPa，B、C、D試樣的峰值應力為48.78，54.18，51.21 MPa，對比可知含有預制裂紋將明顯降低砂巖試樣的峰值應力，其中含有水平裂紋的砂巖試樣抗壓強度相對最低。

圖3 砂巖試樣應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of sandstone specimen

1)壓密階段。試樣A在壓密階段，隨軸向應力增加，試樣中原生微裂隙和孔隙或節理面被壓密發生閉合，軸向應變逐漸增大至0.002左右；含預制裂紋的B、C、D試樣在壓密階段，試樣內部微觀缺陷被壓實，裂紋周圍應力集中，最大應變約為0.003 6～0.007 5。相對無裂紋試樣，含預制裂紋試樣在壓密階段應變較大。

2)彈性階段。4種試樣新裂紋產生極少，應力應變曲線基本一致，保持近似直線上升趨勢。

3)塑性階段。隨應力增加，試樣內部產生大量微裂紋，裂紋不斷擴展并產生不可逆的塑性變形。此時，應力應變曲線上升速率明顯下降，可將應力應變曲線的上升速率下降點作為試樣發生塑性變形的前兆信號。

4)峰后階段。4種試樣產生宏觀斷裂，滑移面失穩破壞。砂巖試樣加載破壞示意如圖4所示。

圖4 砂巖試樣破壞示意Fig.4 Schematic diagram for failure of sandstone specimens

2.2 單軸壓縮過程中聲發射振鈴數及能量分析

單軸壓縮下4種砂巖試樣聲發射振鈴與能量的計數、累積值以及應力與時間曲線如圖5所示。由圖5可知，巖樣A～D在加載全過程中聲發射序列曲線均有良好的對應性，包括平靜期、上升期、波動期3個階段：

圖5 砂巖試樣振鈴與能量的計數、累積值、主應力與時間關系Fig.5 Relationship between ringing count,energy count,accumulated value,principal stress of sandstone specimens and time

1)平靜期階段。4種試樣在開始加載較長一段時間內，聲發射計數很少，能量較為平穩；在壓密階段后期，有少量聲發射事件激增點出現，此時聲發射能量曲線可明顯看到激增點；D試樣(即含45°預置裂紋試樣)激增現象相對比較明顯。

2)上升期階段。隨應力增加，新的微裂隙不斷產生，聲發射信號由近似平穩階段變為增長趨勢。C試樣砂巖即含90°裂紋砂巖應力-時間曲線出現“跌落”現象，這是由于加載過程中試樣內部產生新裂紋或者預制裂紋有一定擴展導致的。在應力“跌落”時刻，聲發射計數出現瞬時突增，累計聲發射計數曲線斜率變大，能量曲線可看出“跌落”附近有較為密集的激增點。

3)波動期階段。試樣發生失穩破壞，破裂面之間發生摩擦、錯動，聲發射事件異常活躍，聲發射信號進入波動期，此時聲發射累積曲線快速上升，應力接近峰值，各試件聲發射事件數達到峰值應力前聲發射事件總數的2倍以上。

為避免試件力學性質個體差異大，繪制4種試樣應力比(試樣所受應力在各自峰值應力中的比值)與聲發射累積計數率(對應聲發射振鈴累積值在總累計值中的比值)關系，如圖6所示。

圖6 試樣聲發射計數累積率與應力比關系Fig.6 Relationship between AE count accumulation rate and stress ratio of specimens

根據圖5聲發射3階段應力區間，找到圖6所對應應力比區間并進一步分析發現，平靜期4種試樣應力比約為0～0.1，A、B、C試樣在平靜期聲發射累積計數率約0.4%～1%，D試樣聲發射事件在平靜期積計數率約6.6%，可見45°預制裂紋在平靜期聲發射事件比其他試樣聲發射事件更為活躍，與前文描述一致。上升期B試樣應力比為0.2～0.8，A、C、D試樣應力比為0.2～0.9，且可明顯看出含預置裂紋的B、C、D試樣聲發射累積率比A試樣聲發射累積率更高。波動期即加速破壞階段，B試樣當應力比增長至0.8進入波動期，A、C、D試樣當應力比增長至0.9時開始發生失穩破壞，B試樣(即0°裂紋試樣)更早進入失穩破壞階段。

2.3 單軸壓縮過程中聲發射RA值分析

聲發射參數RA值是指聲發射撞擊上升時間與幅度的比值[16-17]。文獻表明RA值高時對應張拉裂紋，RA值低時對應剪切裂紋。因此對試樣進行比較，分析單軸壓縮條件下試樣的微觀破壞機制。繪制4種試樣主應力-時間-聲發射RA值關系如圖7所示。

由圖7可知，4種試樣聲發射RA值隨應力加載呈一定規律性。4種試樣整體聲發射RA值偏低，均在6 ms/dB以下；加載初期以低RA值為主，波動較大，隨后保持穩定，僅在試樣主破裂發生前后有高RA值出現。其中，不同角度預制裂紋對于聲發射RA值分布有一定影響：0°裂紋與原試樣對比，低RA值所占比重更高；90°裂紋試樣加載初期低RA值分布與原試樣基本一致，破壞前后所出現的高RA值占比較大；45°裂紋試樣與原試樣基本保持一致。

圖7 試樣主應力-時間-聲發射RA值關系Fig.7 Relationship between principal stress,time and AE RA value of specimens

因此，4種試樣破壞類型總體以剪切裂紋為主，當試樣內部的局部應力超過試樣承載力之后，試樣內部發生剪切破壞，隨應力持續增加，試樣內部剪切裂紋大量出現，并在應力峰值前后出現少量張拉裂紋；隨原生裂紋與預置裂紋的擴展貫通，產生宏觀破裂面，最終試樣發生破壞。0°裂紋試樣主要為剪切破壞，90°裂紋試樣相對于其他試樣張拉裂紋所占比例更大，45°裂紋與原試樣破壞類型基本一致，以拉剪復合裂紋為主。

3 結論

1)預制裂紋試件與無裂紋試件相比，存在明顯的4個變形階段，裂紋的存在會明顯降低砂巖的峰值應力，壓密階段含預置裂紋砂巖試樣應變更大，塑性變形階段試樣應力應變曲線上升速率明顯下降。

2)相對于無裂紋試樣，含預制裂紋試樣其聲發射信號略有不同，含預制裂紋的聲發射信號較原試樣更為活躍；平靜期45°裂紋試樣聲發射事件更為活躍，振鈴累計率相對最高；聲發射信號波動期對應試樣失穩破壞階段，0°裂紋試樣最早進入該階段。

3)裂紋角度的不同直接影響試樣破壞形式，通過分析RA值可知，0°裂紋試樣低RA值占比大，90°裂紋試樣高RA值占比大；在同等載荷條件下，可用聲發射信號RA值的演化判斷巖石材料中裂紋方向與荷載方向的關系。