單軸壓縮條件下砂巖的聲發(fā)射特征研究

徐騰飛，謝 妮，張曉華，張華偉

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

單軸壓縮條件下砂巖的聲發(fā)射特征研究

徐騰飛，謝 妮，張曉華，張華偉

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

通過對砂巖進(jìn)行單軸加載聲發(fā)射試驗(yàn)，獲取巖石破裂過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和相關(guān)聲發(fā)射參數(shù)，綜合分析了累計(jì)事件數(shù)、事件率、能率、聲發(fā)射率之間隨時(shí)間的變化規(guī)律。試驗(yàn)表明在加載初期小裂隙密集發(fā)育，后期以大裂隙發(fā)育為主。事件率和累計(jì)事件數(shù)沒有明顯前兆信息，聲發(fā)射率和能率有明顯的異常前兆。聲發(fā)射定位表明裂隙發(fā)育由端部向中部轉(zhuǎn)變，且無“空白區(qū)”階段。聲發(fā)射前兆信號(hào)為該類工程巖體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供重要的理論依據(jù)。

事件率；能率；聲發(fā)射；聲發(fā)射定位

由于聲發(fā)射信號(hào)是巖石微觀結(jié)構(gòu)變形、破裂產(chǎn)生的彈性波，是巖石材料最直接的信號(hào)反應(yīng)，這決定了聲發(fā)射技術(shù)不可替代的地位[1]。國內(nèi)外學(xué)者研究表明巖石破裂過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)豐富地記錄了微裂紋萌生、擴(kuò)展和貫通過程，采用恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采集、處理方式可以獲得微裂紋發(fā)展各個(gè)階段聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律[2-10]。通過研究聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)序分布特征，為找出巖石材料失穩(wěn)破裂之前的異常前兆提供可能。

隨著聲發(fā)射技術(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)者們針對巖石聲發(fā)射信號(hào)的研究更加多樣化，謝強(qiáng)、張永興等[2]研究了石灰?guī)r在單軸壓縮條件下聲發(fā)射能率、聲發(fā)射率、累計(jì)計(jì)數(shù)和分形的時(shí)序特征。近幾年對煤巖聲發(fā)射的研究方面更加深入全面，文獻(xiàn)[3-5]分別研究煤巖在單軸、三軸和蠕變條件下聲發(fā)射信號(hào)規(guī)律。Freeman[7]利用聲發(fā)射振幅和能量的分布規(guī)律，獲得材料形變、斷裂產(chǎn)生的聲發(fā)射源信號(hào)特征。趙興東，李元輝等[8-10]系統(tǒng)研究了巖石受載破裂過程中聲發(fā)射信號(hào)特征。

目前，許多文章單一地研究巖石聲發(fā)射參數(shù)的變化規(guī)律，而將聲發(fā)射基本參數(shù)和聲發(fā)射事件定位相結(jié)合的方法較少，通過兩者結(jié)合，探明聲發(fā)射信號(hào)發(fā)展規(guī)律與微裂紋破裂演化之間的對應(yīng)關(guān)系，為確定巖石破裂前兆信息提供更有力的證據(jù)。

1 聲發(fā)射試驗(yàn)

為了研究聲發(fā)射信號(hào)隨巖石受壓過程的變化規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)，這些試驗(yàn)不僅包括加載方式、加載速率、控制方法等試驗(yàn)方面控制因素的影響，而且包括如巖樣尺寸、顆粒大小、孔隙率等巖樣本身引起的聲發(fā)射信號(hào)特征[11]。目前關(guān)于對巖石應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系與聲發(fā)射參數(shù)時(shí)序特征的分布規(guī)律日益深入[6，11]，但是通過研究聲發(fā)射參數(shù)并與聲發(fā)射空間定位相結(jié)合的研究方法相對較少，這就預(yù)示著參數(shù)時(shí)效性的重要意義。本文通過將聲發(fā)射參數(shù)與聲發(fā)射事件定位相結(jié)合，研究裂隙發(fā)展過程的參數(shù)時(shí)序變化特征。

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)。MTS815.03電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)，具有三種控制方式：應(yīng)力控制、應(yīng)變控制和沖程控制，機(jī)架的剛度為10.5×109N/m，最小采樣間隔為50μs，滿足采樣要求，可以完成單軸加載、三軸加載、巖石滲透、巖石蠕變、溫度效應(yīng)等試驗(yàn)。聲發(fā)射儀采用PCI-2卡，包含核心硬件為18位A/D轉(zhuǎn)換，多個(gè)CPU對AE信號(hào)進(jìn)行采集和參數(shù)分析。采用最新的DMA技術(shù)能夠最大限度將PCI-2與計(jì)算機(jī)CUP進(jìn)行交互處理，40MHz的采樣率滿足試驗(yàn)需求。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

試件取三峽庫區(qū)宜昌市五龍組砂巖，通過對砂巖進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射監(jiān)測，研究巖石的應(yīng)力、應(yīng)變、聲發(fā)射參數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系，并同時(shí)對聲發(fā)射事件形成定位，分析巖石裂隙的發(fā)展趨勢。

巖樣為標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件，巖石試樣按照文獻(xiàn)[12]所建議的方法完成加工，尺寸55mm×100mm(直徑×高)，其物理力學(xué)性質(zhì)見表1。試樣周圍設(shè)置4個(gè)傳感器探頭進(jìn)行空間定位，探頭在距離最近端面10mm處出對稱安置，耦合劑采用凡士林，并用膠帶固定，見圖1?？刂品绞讲捎铆h(huán)向應(yīng)變控制，加載速率為0.01mm/s，門檻和增益均為40dB。

表1 砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)

圖1 傳感器布置圖(t1=0s)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將聲發(fā)射和空間定位技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于砂巖單軸受載過程的研究，分析巖石力學(xué)及變形的時(shí)序特征，并將聲發(fā)射參數(shù)和事件空間定位相結(jié)合，獲得砂巖在整個(gè)破裂過程中聲發(fā)射信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2.1 聲發(fā)射參數(shù)時(shí)序特征

由應(yīng)力-應(yīng)變曲線和相關(guān)參數(shù)之間的對比圖(圖2，圖3)，明顯看出參數(shù)隨巖石的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律。在累計(jì)聲發(fā)射數(shù)和事件率的時(shí)序分布圖(圖2)中，事件率在初始?jí)好茈A段0～500s(圖2)較為集中，聲發(fā)射事件密集響應(yīng)，之后一直到巖石破裂都存在相對穩(wěn)定的聲發(fā)射事件。整個(gè)過程沒有出現(xiàn)所謂的聲發(fā)射“空白區(qū)”，且通過聲發(fā)射率和累計(jì)聲發(fā)射數(shù)幾乎看不出破裂異常。能率和聲發(fā)射率的特征曲線卻有著非常明顯特征，從圖3可以看出，能率和聲發(fā)射率的分布規(guī)律幾乎一致，在初期和后期波動(dòng)較大，能率在初期最高達(dá)到145左右，相對于中間階段15～40左右的幅度后期的變化是非常明顯的。聲發(fā)射率也有同步變化的趨勢，在初期高達(dá)2.6×104，隨著破裂的發(fā)展逐步降低，中間階段穩(wěn)定過渡，最后破裂階段約2500s(圖4)處，再次高達(dá)2.5×104，雖然事件率和累積聲發(fā)射曲線在最后巖石破裂沒有表現(xiàn)出異常，但能率和聲發(fā)射率卻有著明顯異常前兆。

圖2 累計(jì)聲發(fā)射數(shù)和事件率的時(shí)序分布圖

綜上所述，初期聲發(fā)射事件數(shù)和事件率數(shù)值較大，產(chǎn)生的能率在破裂后期相差不明顯，前期出現(xiàn)的事件數(shù)證明小事件密集發(fā)育，后期大事件發(fā)育較為集中，且單個(gè)事件釋放的能量相對高些。

圖3 能率和聲發(fā)射率的時(shí)序分布圖

圖4 應(yīng)力、應(yīng)變的時(shí)序分布圖

2.2 事件定位的時(shí)序特征

為了更好地分析聲發(fā)射事件隨時(shí)間的分布特征，本文截出7個(gè)不同時(shí)間段聲發(fā)射定位圖(圖5)，并對聲發(fā)射事件數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。從表2中可以看出，聲發(fā)射事件數(shù)在初期階段迅速增加，各個(gè)階段聲發(fā)射事件數(shù)的積累均占總數(shù)15%以上，之后聲發(fā)射事件數(shù)有些降低，比例在10%波動(dòng)，當(dāng)巖石達(dá)到最后破裂段(t6～t7段)，聲發(fā)射事件數(shù)迅速升高，占總事件數(shù)的21.2%，可能預(yù)示大事件的產(chǎn)生和相互貫通。

從事件定位圖中明顯看出，最初的470s(包括t1、t2)雖然產(chǎn)生大量的聲發(fā)射事件數(shù)，卻主要集中在試件兩端，說明在最初壓密階段，事件兩端裂隙萌生數(shù)量比試樣中部劇烈，這是否因?yàn)槎嗣嫘?yīng)[9]或其他因素的影響還需要進(jìn)一步研究。從t3之后直到最終破裂的整個(gè)過程，沿著剪切破裂面呈帶狀分布。本次實(shí)驗(yàn)所獲得的事件總數(shù)偏少，而文獻(xiàn)11認(rèn)為探頭數(shù)目對于事件數(shù)的影響非常顯著，探頭太少，可能產(chǎn)生采集的事件數(shù)相對少且空間定位精度低，目前探頭數(shù)對聲發(fā)射事件的影響方面的研究還不多，是否因?yàn)楸驹囼?yàn)探頭數(shù)目(4個(gè))的原因?qū)е驴偸录?shù)過少還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

表2 事件數(shù)統(tǒng)計(jì)表

該試驗(yàn)條件下，裂隙發(fā)育具有明顯的規(guī)律，首先在巖樣兩端密集發(fā)育，最后沿著剪切破裂面擴(kuò)展、貫通，形成宏觀破裂。

3 結(jié) 論

本文將聲發(fā)射基本參數(shù)、事件空間定位及應(yīng)力、應(yīng)變的時(shí)序特征進(jìn)行對比分析后得出以下結(jié)論。

1)聲發(fā)射參數(shù)在巖石破裂過程中都有著明顯的變化規(guī)律，事件率和累計(jì)事件數(shù)對裂隙發(fā)育密集程度反映靈敏，振鈴計(jì)數(shù)和能率對能量大小反映靈敏。多參數(shù)對比分析能夠看出小而密的裂隙主要產(chǎn)生在初期，大而疏的裂隙主要產(chǎn)生在破裂后期。

2)聲發(fā)射定位圖顯示裂隙初期主要分布在巖樣的兩端，這是否是端面摩擦效應(yīng)仍需要進(jìn)一步討論，中后期主要沿剪切破裂面發(fā)育，裂隙貫通直至巖樣破壞。整個(gè)加載過程中沒有出現(xiàn)“空白區(qū)”。

對聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行綜合分析并結(jié)合精確的空間定位是研究巖石破裂前兆、分析破裂信息最有力的工具，這為研究巖石失穩(wěn)破裂機(jī)制提供了理論依據(jù)。

圖5 聲發(fā)射空間定位圖

[1] 李俊平.聲發(fā)射技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1995，14(4)：371-376.

[2] 謝強(qiáng)，張永興，余賢斌.石灰?guī)r在單軸壓縮條件下的聲發(fā)射特性[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24(1)：19-22.

[3] 高保彬，李回貴，劉云鵬，等.單軸壓縮下煤巖聲發(fā)射及分形特征研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9(5)：986-991.

[4] 肖曉春，朱洪偉，等.瓦斯煤巖變形破裂過程聲發(fā)射預(yù)警信號(hào)變化規(guī)律研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，23(6):122-126.

[5] 楊永杰，王德超，趙南南，等.煤巖蠕變聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，21(1)：159-165.

[6] 張黎明，王在泉，石磊，等.不同應(yīng)力路徑下大理巖破壞過程的聲發(fā)射特性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(6)：1230:1236.

[7] Freeman S F.Characterization of Lamina and interlaminar Damage in Graphite-Epoxy Composites by the Deeply Technique[J].Composite Materials Testing and Design，1981，(5)：50-57.

[8] 趙興東，李元輝，劉建坡，等.基于聲發(fā)射及其定位技術(shù)的巖石破裂過程研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(5)：990-995.[9] 趙興東，劉建坡，李元輝，等.巖石聲發(fā)射定位技術(shù)及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(10)：1472-1476.

[10] 李元輝，劉建坡，趙興東，等.巖石破裂過程中的聲發(fā)射b值及分形特征研究[J].巖土力學(xué)，2009，30(9)：2559-2574.

[11] 許江，李樹春，唐曉軍，等.單軸壓縮下巖石聲發(fā)射定位實(shí)驗(yàn)的影響因素分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(4)：765-772.[12] Fairhurst CE，Hudson J A.單軸壓縮試驗(yàn)測定完整巖石應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€ISRM建議方法草案[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(6)：802-808.

Studies on acoustic emission characteristics of sandstone under uniaxial compression

XU Teng-fei，XIE Ni，ZHANG Xiao-hua，ZHANG Hua-wei

(Faculty of Engineering，China University of Geosciences (Wuhan)，Wuhan 430074，China)

In order to analyze connections of stress-strain diagram and AE parameter during rock failure process under uniaxial compression AE testing，and at the same time，make an analysis about synthesis variables such as accumulated AE events，event rate，energy rate，AE rate versus time.Results indicate that little fracture forms at preliminary stage and larger fracture forms at final stage.Event rate and accumulated AE events have no manifest foreboding information，but AE rate and energy rate are just the opposite.AE location suggests that fractures shift along time from end to central part without any phase of “blank space”.AE precursory signal is regarded as an important theory basis to estimate the stability of the rock mass.

event rate；energy rate；acoustic emission (AE)；AE location

2014-09-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51209188)

徐騰飛 (1990- )，男，山東微山人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛诩?xì)觀力學(xué)的飽和脆性砂巖各向異性損傷與本構(gòu)模型研究。E-mail：162291232@qq.com。

謝妮(1985-)，女，漢族，湖南南縣人，講師，博士，主要從事巖土工程方面的研究。E-mail：253818328@qq.com。

TU45

A

1004-4051(2015)06-0147-04