單軸壓縮和劈裂試驗下不同巖性巖石聲發射特性研究

花曉鳴，羅晨曦，茍曉軍，李富明，張海超

(中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

21世紀是地下工程建設高速發展的時代，隨著工程越往深部探索，工程地質災害的發生頻率也隨之增高[1]。在研究地質災害發生機制中，聲發射(Acoustic Emission)技術作為一種無損傷可以監測材料內部裂紋擴張的新型檢測手段，廣泛應用于土木工程、礦業工程、材料工程等行業[2-3]。在開挖的地下工程中，巖體往往受自重影響處于受壓狀態，有些局部區域處于受拉狀態，而壓拉應力是導致工程結構體發生變形和垮塌的主要原因[4]。因此，在以往的研究中，學者們討論了各類巖石在單軸壓縮[5-7]和巴西劈裂[8-10]試驗下表現出的聲發射特性。

李術才等[5]對砂巖單軸壓縮全過程進行聲發射監測發現，巖石在微裂紋壓密階段、彈性變形階段和塑性變形階段的聲發射敏感性微弱，在裂紋擴張階段聲發射活動更為活躍。李庶林等[7]對三山島金礦礦石進行單軸壓縮試驗發現，巖樣聲發射事件率在應力峰值強度前出現相對平靜期，峰值強度后聲發射現象仍然明顯。余賢斌等[8]對砂巖進行巴西劈裂試驗發現，巖石層理方向對聲發射現象有一定的影響，且不同種類巖石聲發射特性差別較大。王林均[11]對花崗巖和砂巖樣品進行單軸壓縮試驗，并監測樣品破裂全程的聲發射信號發現，砂巖樣品在接近破壞時，微裂縫活動仍占據主導地位。譚贏等[12]對花崗巖、灰巖、砂巖、大理巖4種巖石進行巴西劈裂試驗，采集試樣破裂全過程的聲發射信號發現，在劈裂荷載下，巖石破裂產生的聲發射信號的累計振鈴計數呈穩定增長期、突增期、平靜期3個階段。Moradian等[13]對預制裂縫花崗巖進行單軸壓縮試驗結果顯示，AE撞擊數的大小可以反映裂紋數量和尺寸大小；另外，隨著加載應力水平的逐漸增大，聲發射信號也隨之增多，并在巖石峰值強度前期達到頂峰[14]；并且證實了能量的加速釋放[15]、b值的突然下降[16-18]和AE撞擊率的上升都能為預測巖石破壞提供依據。

巖石的形成是一個復雜的成巖過程，其形成環境、內部結構、礦物成分及顆粒尺寸都存在著很大的差異，而這些差異往往是導致巖石展現出不同的力學特性和聲發射特征的根本原因。在以往的研究中，針對不同巖性巖石在單軸壓縮和巴西劈裂試驗下聲發射特性之間的差異性研究還相對較少。為此，本文對白砂巖、大理巖、花崗巖和現場取樣巖石進行了單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，對比分析了4種巖石在單軸壓縮和巴西劈裂試驗條件下的聲發射特征的差異，可為相關地質工程災害監測提供理論依據。

1 試驗設計

1.1 試樣準備

本試驗所設計的單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗試樣分別制作成φ50 mm×100 mm的圓柱體和φ50 mm×30 mm的巴西圓盤。為研究不同巖性巖石的聲發射特征，準備了3類不同巖性，即白砂巖、大理巖和花崗巖分別代表沉積巖、變質巖和火成巖作為本試驗的研究對象，其中白砂巖取自四川自貢，大理巖為較為常見的細粒大理巖取自湖南耒陽，花崗巖為常規花崗巖取自湖南汨羅，作為均質、節理裂隙不發育的巖樣。此外，選取了成都地鐵隧道18號線火成巖的巖體加工而成的現場巖樣，作為不均質、節理裂隙發育巖樣，編號為B-1，B-2，B-3和B- 4。為確保試驗的精準性，對巖樣端面進行打磨加工，確保端面不平整度小于0.1 mm，且巖樣兩端面垂直于軸向。試驗巖樣見圖1。

圖1 試驗巖樣

1.2 試驗設備

試驗采用中南大學高等研究中心MTS-322壓力機和PCI-2聲發射系統，試驗機最大軸向載荷為500 kN，能夠同步記錄軸向載荷、軸向應變和軸向位移；聲發射系統能夠同步記錄AE撞擊數、AE計數、AE能量等基本AE參數。試驗設備見圖2。

圖2 試驗設備

1.3 試驗方案

本試驗分別對完整巖樣和現場巖樣進行單軸壓縮和巴西劈裂試驗，均采用位移控制加載方式，加載速率設定為0.15 mm/min。每個試樣布置2個聲發射探頭，探頭位置在試樣上保持三維幾何對稱。聲發射信號門檻設置為40 dB，采樣率為5 MHz。為保證試樣和聲發射傳感器緊密貼合，在其接觸面涂抹凡士林，采用膠帶進行固定。進行試驗前，對每組試樣都進行斷鉛測試，以確保傳感器和試樣接觸良好。聲發射系統和壓力機系統同步開始和結束試驗，確保了聲發射信號和軸向載荷在時間上的同步性。此外，除現場巖石以外，白砂巖、大理巖和花崗巖都準備了3組試樣以確保試驗結果的普適性。

2 試驗結果與分析

2.1 基本力學特性

根據國際巖石力學學會推薦測試方法[19]，對試樣進行了單軸壓縮和巴西劈裂試驗，兩者計算公式分別為

(1)

(2)

式中，σc和σt分別為單軸抗壓強度和單軸抗拉強度；P為加載過程中最大載荷；S為承載面的面積；D為試樣直徑；t為試樣厚度。

根據試驗結果，完整巖樣和現場巖樣的單軸抗拉和抗壓強度見表1。應力-應變曲線見圖3。通過強度測試結果可以明顯發現，無論是單軸抗壓強度還是單軸抗拉強度，完整巖樣都是花崗巖>大理巖>白砂巖，而現場巖樣強度差異較大。從圖3可知，完整巖樣中，花崗巖彈性模量最大，白砂巖最小；現場巖樣中，B-2彈性模量最大，B- 4最小。

表1 巖樣單軸抗壓強度和單軸抗拉強度

圖3 試樣應力-應變的關系

2.2 聲發射特征分析

由于其他巖石規律與之保持較高的一致性，本文只對每類完整巖石中的1個巖樣進行分析。本文選取了AE能量、AE撞擊率和b值3個主要AE參數進行研究分析。AE撞擊率為聲發射系統每秒鐘記錄的聲發射撞擊次數。b值為動態b值，計算方法為把聲發射數據依據時間等分成16份，將每1等分中的聲發射數據通過最小二乘法計算求得，最大似然法對異常點進行修正，從而得出每1時間段的聲發射b值，依據龍格-庫塔[20]公式計算得出，即

lgN=a-bM

(3)

式中，M為地震的震級；N為大于M級的地震次數；a和b為經驗常數。

2.2.1 單軸壓縮試驗

(1)完整巖樣聲發射特性。根據試驗所得數據，繪制AE能量、AE撞擊率和b值隨軸向力的變化曲線，見圖4。從圖4可知，AE能量和AE撞擊率在巖石破壞前出現劇增現象，這與巖石裂紋擴張階段相對應，此時大量微裂紋快速擴張，能量急劇釋放，產生大量的高幅值聲發射信號。同時發現，巖石破壞前b值有一個大幅度的下降趨勢。不同于裂紋擴張階段，在微裂紋壓密階段、彈性變形階段、塑形變形階段的聲發射能量相對偏小。此外，花崗巖在破壞瞬間所釋放的最大能量值為65 000 mV·mm，相當于大理巖釋放的最大能量值的100倍，白砂巖的200倍，這說明巖石破壞瞬時所釋放的能量與巖石強度有著密切關系。3種巖石b值分布范圍都在1～4之間，走勢大體呈先上升中間波動隨后回落的趨勢。大理巖和花崗巖AE撞擊率在彈性變形階段開始緩慢上升，最終在巖石強度的80%處達到峰值，而白砂巖在前3個階段(微裂紋壓密階段、彈性變形階段和塑性變形階段)AE撞擊率接近為0，在裂紋擴張階段急劇增長。

圖4 完整巖樣單軸壓縮試驗下AE撞擊率、AE能量和動態b值

(2)現場巖樣聲發射特性。根據試驗所得數據，繪制AE能量、AE撞擊率和b值隨軸向力的變化曲線，見圖5。相比于完整巖樣的聲發射特征，現場巖樣由于內部節理發育的特點，4個巖樣都在彈性變形階段就出現了AE撞擊率大幅度增大的現象，且能量釋放量劇增的現象也早于完整巖樣，可能是由于現場巖樣原生裂隙數量多，裂紋擴張在加載前期階段更容易發生，這一點是易于解釋的。在能量突然劇增時往往會伴隨著b值的下降，如B-1中150 s處和B-2中360 s處，這是因為大尺寸裂紋的擴張釋放了大量能量和產生了較高幅值的AE信號。與完整巖樣相似的是，在巖石破壞時，都伴隨著AE撞擊率劇增、AE能量突增和b值下降。此外，4個現場巖樣加載過程中所釋放能量最大為B-1，為9 000 mV·mm；最小為B-3，為1 600 mV·mm，但巖樣的單軸抗壓和抗拉強度則B-3大于B-1。這說明現場巖樣(不均質且節理裂隙發育)破壞所釋放的能量與強度關聯性不強，這與完整巖樣截然不同。

圖5 現場巖樣單軸壓縮試驗下AE撞擊率、AE能量和動態b值

2.2.2 巴西劈裂試驗

(1)完整巖樣聲發射特性。眾所周知，由于巖石內在顆粒間摩擦對其強度有很大影響，這一影響是導致巖石抗拉強度比抗壓強度小的主要原因。因此，巴西劈裂試驗巖樣往往短時間內就會形成宏觀貫穿裂紋。根據試驗所得數據，繪制AE能量、AE撞擊率和b值隨軸向力的變化曲線，見圖6。從圖6可知，與單軸壓縮試驗相似的是，巴西劈裂試驗AE活動在試樣破壞時，AE撞擊率和AE能量迅速增大；不同的是AE活動活躍，貫穿在整個加載過程中。值得一提的是，白砂巖破壞時所釋放的最大能量值為17 000 mV·mm，大于大理巖破壞時所釋放的最大能量值6 800 mV·mm和花崗巖所釋放的最大能量值2 750 mV·mm，這一結果與單軸壓縮試驗所得結果恰好相反。

圖6 完整巖樣巴西劈裂下AE撞擊率和AE能量

(2)現場巖樣聲發射特性。根據試驗所得數據，繪制AE能量、AE撞擊率和b值隨軸向力的變化曲線，見圖7。從圖7可知，與單軸壓縮現場試樣相似的是，AE能量突增現象相比于完整巖樣要提前很多，現場巖樣在加載前期AE活動就開始活躍。B-2試樣強度為現場巖樣中最大，但其破壞瞬時所釋放的最大能量值卻遠小于B- 4，這說明現場巖石(不均質、節理裂隙發育)在破壞瞬間所釋放的能量與巖石的強度之間關聯性不大，這與現場巖樣單軸壓縮試驗所得結果是一致的。MTS壓力機保護機制會在巖石失效時，其施加載荷會自動減小，通過觀察到的巖樣B- 4的聲發射特征，在115 s時軸向力有突降現象，此時伴隨著高AE能量的釋放和高AE撞擊率，這是由于巖石產生大尺寸裂紋導致壓力機誤認為巖樣已經沒有承載能力，而形成的一個軸向力突降現象，這完美地解釋了裂紋擴張時會伴隨聲發射信號增多和能量釋放，這一現象為前面的分析提供了可靠的依據。

圖7 現場巖樣巴西劈裂下AE撞擊率和AE能量

2.2.3 累積AE參數值

前文討論了巖樣在加載過程中AE參數瞬時變化規律，而整個加載過程中的累積AE撞擊數、累積AE計數和累積AE能量也是反映巖石裂紋擴張數量和尺寸的重要參數。單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗的累積AE撞擊數、累積AE計數和累積AE能量

統計見表2。從表2可知：

表2 試驗巖樣累積AE撞擊數、累積AE計數、累積AE能量統計

(1)巴西劈裂試驗下巖石破壞所產生的累積AE撞擊數、累積AE計數和累積AE能量都要小于單軸壓縮試驗。

(2)在完整巖樣中，單軸壓縮試驗下花崗巖累積能量為1 318 711 mV·mm，是3種巖樣中最大的，白砂巖其次，為花崗巖的10.6%，而大理巖僅為花崗巖的4.5%；花崗巖累積AE撞擊數也是3種完整巖樣中最大的。累積AE計數3種巖石則相差不大，這說明強度最大的火成巖在單軸壓縮試驗下破壞時所釋放的累積能量和累積計數明顯較大，而強度較為接近的大理巖和白砂巖則相差不大。不同的是，在巴西劈裂試驗中，強度最小但延性較大、彈性模量小的白砂巖所產生的累積AE撞擊數、累積AE計數和累積AE能量最大。

(3)在現場巖樣中，無論是單軸壓縮還是巴西劈裂試驗，B- 4巖樣在整個加載過程中所釋放的AE能量、AE撞擊數和AE計數相比于前3個巖樣都是最大的，但其強度則遠小于B-2和B-3，這與完整巖樣是截然不同的，說明巖石的不均質性和節理裂隙發育程度直接影響巖石聲發射特征。

3 結 語

本文對3種完整巖樣(均質、節理裂隙不發育)即花崗巖、大理巖和白砂巖和現場巖樣(不均質、節理裂隙發育)進行了單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，研究不同巖石聲發射特性，得出以下結論：

(1)完整巖樣和現場巖樣在單軸壓縮試驗下，b值分布范圍在1～4之間，整體呈先上升中間波動隨后遞減的變化規律，且在巖樣破壞前有大幅度下降趨勢，可作為預測巖體失穩的理論依據。

(2)在單軸壓縮試下，完整巖樣加載前期階段(即原生裂紋壓密階段、彈性變形階段和塑性變形階段)聲發射活動較少，裂紋擴張破壞階段聲發射信號劇增；而現場巖樣在彈性變形階段時聲發射活動就開始活躍，在裂紋擴張破壞階段達到頂峰。在巴西劈裂試驗下，完整巖樣和現場巖樣相似的是聲發射活動貫穿于整個加載過程中，不同的是現場巖樣的AE能量突增現象早于完整巖樣。

(3)完整巖樣中，巖石整個加載過程中所釋放的累積AE能量、累積AE撞擊數和累積AE計數與強度有密切關系，較大強度的巖石破壞所產生的累積聲發射數值更大；而在現場巖樣中，累積聲發射數值與巖石強度關聯性不大，說明巖石的不均質性和節理裂隙發育程度對聲發射特征有直接的影響。

(4)巴西劈裂試驗中，整個加載過程中所釋放的累積AE能量、累積AE撞擊數和累積AE計數與巖石強度關聯不大，與巖石破壞時所產生的裂紋尺寸大小和數量有關。