基于聲發射特性的單軸壓縮泥巖損傷演化規律研究

王傳洋　霍亮

摘 要：作為最主要的蓋層，泥巖在漫長的地質年代中經歷了多次地質構造運動，賦存在一定的應力環境中，其內部孕育了從微觀到細觀以及宏觀的各種尺度的缺陷。泥巖本身所具有的物理化學性質，導致了其特有的裂縫發育、擴展和演化模式。選取鄂西-渝東地區志留系、侏羅系泥巖樣本進行了單、三軸壓縮-聲發射試驗，揭示了單軸壓縮過程中裂紋發展演化的過程，建立了單軸壓縮泥巖損傷模型，揭示了體積應變和聲發射事件累積計數與巖石裂紋產生、擴展、演化的關系，對體應變和聲發射曲線的特征變化進行了解釋。

關鍵詞：泥巖;聲發射;損傷演化

中圖分類號：TD325? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2022）07-0104-03

0 引言

作為最主要的蓋層，泥巖本身所具有的特殊性質導致了其特有的裂縫發育、擴展和演化模式。泥巖蓋層是天然氣藏形成與保存的重要因素，其質量好壞是評定保存條件的重要指標，也是重點研究對象之一。在漫長的沉積、壓實、抬升剝蝕等地質構造作用下，泥巖的溫壓環境發生改變，進而影響到其成熟度、物理化學性質、完整性與內部結構，誘發裂縫發育擴展，其封閉能力因此會受到極大影響。而天然氣的保存需要苛刻的封蓋條件，隨著其勘探開發步伐的不斷加快，蓋層密閉性越來越得到油氣地質工作者的關注[1]。

實驗觀察能夠實現對不同應力狀態下巖石破壞過程中裂紋發展演化的追蹤檢測，聲發射法和CT掃描試驗是其中較為代表性的兩種測試方法。早在1930年代美國礦山局的Obert應用聲發射技術來評價礦山巖體穩定性和巖爆的監測預報[2]。Cox S J D[3]將巖石變形過程中的聲發射參數同巖石內部微裂紋幾何尺寸聯系起來，探討了微裂紋的演化模式。左建平[4]等通過對單軸壓縮狀態下煤體、巖體和兩者組合的聲發射特性進行研究，揭示了試樣材料變形破環機制。趙興東[5]等研究了花崗巖在不同應力階段的聲發射特征，指出巖石裂紋初始發展階段存在一定的“平靜期”。李浩然[6]等通過對鹽巖進行單軸加載及循環荷載試驗，按照5個階段分析了變形破壞特征及聲發射、聲發射活動規律。王云飛[7]等從損傷力學角度出發研究了煤巖損傷萌生、成核、擴展和貫通的過程。

文章選取鄂西-渝東地區志留系、侏羅系泥巖樣本進行了單、三軸壓縮-聲發射試驗，揭示了單軸壓縮過程中裂紋發展演化的過程，建立了單軸壓縮泥巖損傷模型，揭示了體積應變和聲發射事件累積計數與巖石裂紋產生、擴展、演化的關系，對體應變和聲發射曲線的特征變化進行了解釋。

1 單軸壓縮-聲發射監測實驗

文章選擇龍馬溪組、沙溪廟組、桐竹園組樣品，依據《水利水電工程巖石實驗規程（SL264-2001）》加工成標準巖石試樣50 mm×100 mm。實驗前采用D8型X射線衍射儀對各組試樣各組試樣進行礦物組分分析。（各組試樣礦物成分如圖1所示）

實驗是在RMT-150C控制電液伺服實驗機上完成，在試樣的側面布置聲發射傳感器（具體如圖2所示）。采用位移加載方式，加載速率0.005 mm/s，依次對各個組別的試樣進行三組平行試驗。實驗中對于聲發射數據處理均采用累積聲發射事件計數作為裂紋發育擴展的評價指標（各個組別軸向應力-應變及累積聲發射事件計數-應變結果對比圖分別如圖3、圖4、圖5所示）。

本組采集式樣結構較為致密，從各個組別的應力應變曲線可以看出，整個破壞過程中峰值前變形幾乎是線性彈性的，峰值后變形較小，荷載急速下降。其中龍馬溪組巖石試樣破壞劇烈，有明顯的爆裂現象，炸裂聲清脆，這可能與其石英含量較高相關;而沙溪廟組和桐竹園組試樣破壞時未見爆裂現象，炸裂聲沉悶。上述試樣均呈現剪切破壞和拉伸劈裂破壞的綜合形式。

綜合本次試驗數據來看，聲發射曲線大致有以下兩種類型：

類型Ⅰ：在巖石試樣的初始壓密階段（峰值應力的0%～30%），巖石材料內部裂紋的萌生已開始進行，原有微觀缺陷、微裂紋等在應力作用下隨機發育，但由于受到同期壓縮荷載下的裂紋閉合效應的抑制，裂紋活動相對并不活躍，聲發射信號弱，不易于被探頭檢測到;當巖樣被加載到峰值應力的30%～60%時，處于初始裂紋發展階段，裂紋萌生效應和閉合效應同時進行，此時試樣處于穩定承壓狀態，但聲發射事件明顯增多，AE曲線會出現一個小的跳躍，這是典型的Kaiser效應的特征點;隨著載荷的增加，達到峰值應力的60%～80%時，試樣內部裂紋迅速擴展，此時聲發射事件計數呈現等階梯型跳躍;載荷達到峰值，巖樣內部裂紋瞬間貫通，巖樣失穩破壞，聲發射事件計數曲線隨之突變。整體來看，聲發射計數曲線非常好地響應了巖石整個破壞過程。

類型Ⅱ：AE曲線初始階段近乎直線，與應力應變曲線同步，聲發射計數基本勻速增加;AE累計計數曲線未明顯出現 Kaiser效應特征點，說明聲發射事件計數始終維持在同一水平。這個現象表明，在外界載荷的作用下，應力狀態的改變刺激了裂紋的發育;在彈性階段新裂紋產生直至巖石非穩定破壞過程中裂紋的發育拓展呈現一種隨機的展布形態，產生的聲發射事件在時間上是均勻分布的，空間上是彌散分布的，此類聲發射事件屬于群震型，影響了聲發射事件計數對于巖石變形破壞過程的響應。直到臨近破壞時，巖石裂紋貫穿進而急劇釋放能量，引起了聲發射信號急劇增加。

部分樣品在初始壓密階段，聲發射曲線就會產生大的跳躍，發生這種現象是由樣品的內部或外部含有缺陷所致（鄂西渝東泥巖內部存在蟲洞孔洞等缺陷），泥巖樣品只能是純手工磨制，樣品加工不夠精細，導致聲發射計數在加載初期就出現跳躍是正常現象。

2 單軸壓縮下基于聲發射特性的泥巖損傷模型

1980年代以來損傷力學得到了迅速發展，作為一門充滿潛力的新興學科，其成為了斷裂力學的重要發展和補充。Kachanov L M[10]首次提出用連續度的概念來描述材料的逐漸衰變，成為損傷研究出現的里程碑，自此科學家們采用連續變量來分析材料中復雜的、離散的衰壞過程;其后，Rabotnov Y N于1969年引入了損傷因子的概念。其理論基礎是經典連續介質力學和不可逆過程熱力學，研究對象是固體材料（以及結構）在一定荷載與環境條件下損傷發展最后導致破壞的過程與規律。

Kachanov將損傷變量定義為：

式中Ad為承載斷面上微缺陷的所有面積，A為初始無損時的斷面面積。假定所有試驗試樣初始狀態均為無損狀態，整個截面A完全破壞時的累積聲發射事件計數為B，則單位面積微元破壞時的聲發射事件計數Bv為：? ? ? ? ? ? ? ?當斷面損傷面積達到Ad時聲發射事件累積計數Bd為：

所以有：

因此基于聲發射特性的損傷模型為：

根據公式（2-4）基于“歸一化”聲發射事件累積計數的損傷變量，利用公式（2-5）得出典型泥巖應變–損傷關系如圖6所示。

從圖6可看出，各組泥巖典型的損傷變量-應變曲線類型有所不同：

對于龍馬溪組泥巖，曲線大致可以分為3個階段：第一階段（應變0～0.0075） 為初始損傷階段，此階段泥巖處于彈性變形階段，微裂紋的萌生及閉合作用相互抵消，損傷變量趨近于0，但應力的變化會引起孔隙率變化，這會成為微裂紋發展的誘因;第二階段為應變0.0075～0.009，損傷變量穩定增大，為損傷穩定演化和發展階段，此時微裂紋開始進一步產生，少數微裂紋擴展發育，匯集形成主裂紋;進入第三階段后損傷變量急劇增加，此時對應主裂紋的貫穿和微裂紋的繼續發育，能量得到迅速釋放，聲發射信號非常強烈，事件累積計數急劇增加直至試樣破壞。

沙溪廟組試樣也大致經歷了相同過程，但其損傷曲線大致分為兩個階段：第一階段（應變0～0.00936）時，損傷變量呈直線上升，說明試樣初始階段裂紋較為發育，且保持穩定演化趨勢，說明并未有產生裂紋的貫穿歸并現象;進入第二階段后，損傷變量同樣迅速增長，此時裂紋活動劇烈，能量釋放速率加快，主裂紋貫穿歸并，但可以看出后期損傷量增長減緩，這種現象的產生可能是由于該組泥巖本身承載力較低，屬于典型的軟巖，初始結構內部已經存在大量微孔洞和裂隙，非肉眼可見。

桐竹園組泥巖和龍馬溪組泥巖整體過程十分相似，也可以分為三個階段：第一階段（應變0～0.013），此階段泥巖處于彈性變形階段，可以發現損傷變量緩慢增長，說明存在裂紋活動;第二階段為應變 0.013～0.017，損傷變量穩定增大，為損傷穩定演化和發展階段，此時微裂紋開始進一步產生，少數微裂紋進一步擴展發育，為下一步歸并貫通奠定基礎;進入第三階段后損傷變量急劇增加，此時對應主裂紋的貫穿和微裂紋的進一步發育，能量得到迅速釋放，聲發射信號非常強烈，事件累積計數急劇增加直至試樣破壞。

根據圖7典型泥巖應變–損傷關系曲線擬合得到各個組別單軸壓縮荷載作用下典型泥巖損傷演化方程分別為：

所以單軸壓縮荷載作用下典型泥巖損傷本構模型為：

3 泥巖三軸壓縮-聲發射監測實驗

實驗在XTR01 型微機控制電液伺服巖石三軸實驗儀上完成（見圖8）。其主要技術指標為：

軸向系統：最大軸向力2 000 kN，示值最大相對誤差<1%;最大位移100 mm，示值最大相對誤差<1%;軸向變形最大測量值5 mm，示值最大相對誤差<1%;徑向變形量2.5 mm，示值最大誤差<1%。側向系統：最大側向壓力100 MPa，測量精度<1%，適合尺寸φ 50～100 mm。

實驗采用軸向位移控制，速率為0.3 mm/min，直至實驗破壞。同時鑒于實驗條件所限，針對性地對龍馬溪組試樣在實驗過程中增加AE聲發射檢測，與以往聲發射檢測方式不同，此次聲發射傳感器直接固定在軸向壓頭裝置中（聲發射裝置預制在兩端壓頭內部）經過斷鉛測試，能達到靈敏度測試要求。三軸聲發射探頭圖9所示。

由于三軸聲發射實驗技術尚不成熟，實驗期間成功率相對較低，因此我們選取如下樣本進行分析（實驗結果整理如圖10所示）。

通過圖10可以看出，圍壓與泥巖的峰值應力及殘余強度均呈現正相關關系，說明圍壓效應增強了材料的塑性及承載能力，同時使得剪脹現象滯后。通常來講，我們會通過聲發射監測或者體積應變拐點來確定三軸壓縮試驗的起裂應力。圍壓的提升引起體積應變的拐點整體后移，說明圍壓效應下裂紋的萌生效應得到抑制，加上原有微裂紋的閉合效應得以提高，從而一定程度上延長了巖石材料的穩定承載階段。

偏應力的增加使得原有平衡系統被打破，應變能持續累積，刺激了微裂紋發育、擴展，并逐步匯集為主裂紋匯集，材料內部結構重新排布。隨著偏應力進一步增加，材料內部主裂紋進一步、匯集貫通，同期伴有大量新裂紋出現，宏觀破裂面瞬時形成，體積應變曲線出現突變跳躍（龍馬溪組應力-應變及聲發射曲線如圖11所示）。

國內三軸聲發射技術尚處于起步階段，探頭接收及處理信號手段尚不完善;加之泥巖材料離散性較大，實驗針對性地選取了較為典型的聲發射數據來進行分析：通過圖11試驗結果可以看出圍壓效應下聲發射曲線突變點明顯后移，聲發射累計計數明顯減少，這意味著圍壓作用下巖石材料內部顆粒的滑移潛勢弱化，微裂紋的萌生受到抑制，剪切破壞強度進一步增強，殘余強度也得到提升，試驗表現為巖石聲發射事件減少且突變點后移。

4 結語

巖石變形破壞過程中聲發射檢測的數據信息能夠反映泥巖內部損傷破壞情況，較好的響應了過程中內部萌生、發育、擴展、貫通等演化過程。加載初期，原始裂隙受應力作用趨于閉合，聲發射活動較少，甚至沒有;隨著荷載的增加，應變能得以累積，從而刺激裂紋發育，聲發射累積計數平穩增加;繼續加載，微裂紋進一步歸集貫通形成主裂紋，聲發射事件計數相應激增;直至峰值荷載，裂紋瞬間完成貫通，形成宏觀破裂面，導致試樣破壞。

文章選取鄂西-渝東地區志留系、侏羅系泥巖樣本進行了單、三軸壓縮-聲發射試驗，揭示了單軸壓縮過程中裂紋發展演化的過程，同時基于累積聲發射事件計數的損傷變量，研究了單軸壓縮泥巖損傷演化曲線和方程;基于三軸-聲發射實驗結果，揭示了由體積應變和聲發射累積計數與巖石裂紋產生、擴展、演化的關系，對體應變和聲發射曲線的特征變化進行了解釋，為更好地了解受載巖體的損傷演化規律，進一步評價泥巖蓋層密閉性奠定基礎。

參考文獻

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收稿日期：2022-03-29

作者簡介：王傳洋（1990—），男，山東泰安人，碩士研究生，工程師，研究方向：鐵路采空區勘察、巖石實驗。