三軸不同加載路徑下花崗巖Kaiser效應(yīng)試驗(yàn)研究

魏筱樂，宦秉煉，余賢斌，魯會(huì)軍

（昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

巖石受力變形時(shí)，在巖體內(nèi)原先存在或新產(chǎn)生的微裂紋發(fā)生突然的破裂，從而向四周輻射彈性波，這就是巖石的聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱“AE”）[1]。采用設(shè)備監(jiān)測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)，并利用聲發(fā)射信號(hào)判斷聲發(fā)射源的技術(shù)，稱為聲發(fā)射技術(shù)[2]。近年來，聲發(fā)射技術(shù)已廣泛用于諸多領(lǐng)域，例如，氣液兩相流動(dòng)檢測(cè)[3]、機(jī)械密封端面膜厚監(jiān)測(cè)[4]以及復(fù)合材料的低速?zèng)_擊損傷監(jiān)測(cè)[5]等；同時(shí)巖石力學(xué)工作者還利用聲發(fā)射技術(shù)探究巖石破壞機(jī)制[6]，巖石損傷演化過程[7]以及地應(yīng)力測(cè)定[8]等，研究人員在聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用方面進(jìn)行了大量研究，并獲得了一些研究成果。

在聲發(fā)射中伴隨著一種重要的現(xiàn)象：對(duì)材料進(jìn)行加載時(shí)，如果材料所受的應(yīng)力小于先前所受應(yīng)力的最大值，則沒有或只有很少的聲發(fā)射產(chǎn)生；只有當(dāng)材料所受的應(yīng)力大于先前所受到的最大應(yīng)力時(shí)，才會(huì)有大量的聲發(fā)射產(chǎn)生，這一現(xiàn)象叫Kaiser效應(yīng)[9]。

早在1950年，約瑟夫·凱塞發(fā)現(xiàn)多晶金屬具有聲發(fā)射特性。后來人們通過試驗(yàn)得到，許多巖石如礫巖、灰?guī)r、灰綠巖、片麻巖、閃長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖、安山巖、砂巖、石英巖、大理巖、花崗巖等也具有顯著的Kaiser效應(yīng)[9]。近年來，巖石力學(xué)工作者對(duì)不同應(yīng)力路徑以及不同加載速率下的巖石進(jìn)行了Kaiser效應(yīng)研究。陳勉等[10]對(duì)不同加載速率下不同巖性巖石的Kaiser效應(yīng)影響進(jìn)行了研究；曾鵬等[11]對(duì)花崗巖進(jìn)行了三軸壓縮循環(huán)加卸載試驗(yàn)，認(rèn)為花崗巖Kaiser點(diǎn)出現(xiàn)的位置大致相同；何俊等[12]對(duì)煤樣進(jìn)行常規(guī)三軸以及三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤樣的Kaiser效應(yīng)的記憶效果較差；傅翔等[13]研究了加載方向變化對(duì)Kaiser效應(yīng)點(diǎn)的影響，發(fā)現(xiàn)加載方向偏轉(zhuǎn)角度越大，Kaiser效應(yīng)越不明顯。

試驗(yàn)先在假三軸（σ1＞σ2=σ3）條件下對(duì)花崗巖給予不同加載路徑的預(yù)加載，再進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，探索三軸不同路徑預(yù)加載對(duì)花崗巖Kaiser效應(yīng)的影響規(guī)律，以期為揭示Kaiser效應(yīng)的原理和巖石的損傷破壞機(jī)制提供一定的參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 巖石試件制備

試驗(yàn)對(duì)象為產(chǎn)自廣東省湛江市的花崗巖。按照巖石試件加工標(biāo)準(zhǔn)，將花崗巖加工成直徑50 mm，高100 mm的圓柱體試件，共有50塊試件，兩端面經(jīng)過打磨，平整度和平行度均滿足試驗(yàn)規(guī)程的要求。制備出的花崗巖試件如圖1。

圖1 花崗巖試件Fig.1 Granite specimen

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)系統(tǒng)采用長(zhǎng)春市朝陽(yáng)試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的TAW-2000D微機(jī)控制電液伺服三軸試驗(yàn)機(jī)（圖2），聲發(fā)射采集使用北京聲華科技有限公司生產(chǎn)的SDAES型數(shù)字聲發(fā)射儀。進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，在試件上下兩端放置橡膠墊，從而緩解端部效應(yīng)及降低試驗(yàn)機(jī)本身的噪聲和震動(dòng)對(duì)信號(hào)采集的影響。

圖2 加載設(shè)備Fig.2 Loading equipment

1.3 試驗(yàn)方案

所有試件在假三軸（σ1＞σ2=σ3）條件下進(jìn)行不同加載路徑的預(yù)加載，在這一過程中使用PE薄膜包裹試件，防止油液滲入影響后續(xù)試驗(yàn)。預(yù)加載完成后馬上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)并采集聲發(fā)射信號(hào)。在前期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)試件在峰值應(yīng)力（99.8 MPa）的56%左右會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的聲發(fā)射信號(hào)，為了避免干擾，選取預(yù)加載軸壓為35 MPa，加卸載速率均為0.15 MPa/s；圍壓則選定10 MPa和30 MPa兩種情況，加卸載速率均為0.2 MPa/s，各加載路徑如下：

方案1：先加載圍壓到10 MPa，然后加載軸壓到35 MPa并保載60 s；

方案2：先加載軸壓到35 MPa，然后加載圍壓到10 MPa并保載60 s；

方案3：先加載軸壓到35 MPa，然后加載圍壓到30 MPa并保載60 s；

方案4：圍壓和軸壓同步加載到10 MPa并保載60 s，再加載軸壓到35 MPa并保載60 s；

方案5：圍壓和軸壓同步加載到30 MPa并保載60 s，再加載軸壓到35 MPa并保載60 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了說明試樣的聲發(fā)射特性以及Kaiser點(diǎn)的選取過程，以三軸預(yù)加載路徑為方案1的一塊試樣C3作為研究對(duì)象，給出其單軸壓縮試驗(yàn)的聲發(fā)射參數(shù)－時(shí)間－應(yīng)力曲線圖，如圖3。

由于巖石受壓超過損傷應(yīng)力之后會(huì)產(chǎn)生數(shù)量和能量都很大的聲發(fā)射，這將掩蓋前期的聲發(fā)射特征，故需給出局部放大圖，即圖 3（d）～（f）。

可以看出，在加載初期，巖石會(huì)有一些聲發(fā)射，這是試件內(nèi)部與加載方向夾角比較大的微裂隙被壓密導(dǎo)致的。隨著應(yīng)力的增大，巖石的聲發(fā)射開始減小，巖石的聲發(fā)射活動(dòng)進(jìn)入“平靜期”，直至加載到預(yù)加載給予的35 MPa應(yīng)力附近，巖石的聲發(fā)射活動(dòng)開始活躍，意味著微裂隙開始?jí)好?、擴(kuò)展以及連通。

Kaiser效應(yīng)意味著聲發(fā)射數(shù)量和能量的增長(zhǎng)速率在Kaiser點(diǎn)前后有明顯且并不偶然的差別，因此在累計(jì)能量計(jì)數(shù)曲線和累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線上斜率突然變大的點(diǎn)，就可能是Kaiser點(diǎn)。對(duì)于有些巖石試件，整個(gè)加載過程可能會(huì)有若干個(gè)斜率突變點(diǎn)，所以需要人工分析篩選。

由圖3（e）可以看出210s處曲線的斜率有了明顯的變化，結(jié)合圖3（f）得出更加精確的時(shí)間點(diǎn)207 s。這是“平靜期”之后第一個(gè)斜率突然變大，且沒有回落到之前水平的斜率突變點(diǎn)，最終確定該點(diǎn)為Kaiser點(diǎn)，定義該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力32.22 MPa，與預(yù)加載應(yīng)力的比值為FR值為0.92。

需要注意的是有一些試件會(huì)在加載過程中產(chǎn)生與圖3（d）中箭頭所示相似的較高能量的聲發(fā)射，但過后會(huì)有一段比較長(zhǎng)的時(shí)間并沒有聲發(fā)射，這種孤立的高能聲發(fā)射并不是Kaiser效應(yīng)的開端。

由圖 3（b）、（c）、（e）、（f）可以看出，當(dāng)試件加載到峰值應(yīng)力的80%左右（270 s處）時(shí)，曲線斜率突然增大且幅度大于Kaiser點(diǎn)處，即開始產(chǎn)生了極強(qiáng)的聲發(fā)射活動(dòng)，這說明試件內(nèi)部裂隙開始非穩(wěn)定擴(kuò)展，進(jìn)入了屈服階段。隨著應(yīng)力的增加，巖石聲發(fā)射數(shù)量和能量急劇增加，短時(shí)間內(nèi)巖石就會(huì)發(fā)生破壞。

由圖 3（e）、（f）可以看出，巖石在加載初期，一直有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生且數(shù)值很均勻，這有可能是微裂隙的壓密導(dǎo)致的，但這個(gè)過程一般不會(huì)產(chǎn)生如此均勻且能量大致相同的聲發(fā)射。結(jié)合圖3（d）的幾個(gè)小的峰值，可信度更高的猜測(cè)是聲發(fā)射采集設(shè)備的參數(shù)并不完全合理，采集到了一些背景噪聲。在Kaiser點(diǎn)之后的加載過程中依然有能量計(jì)數(shù)很低的“間歇期”，這也對(duì)上述猜測(cè)提供了一些依據(jù)。

圖3 試件C3聲發(fā)射特征－應(yīng)力曲線Fig.3 Acoustic emission characteristics-stress curve of C3

上述分析可以看出，巖石在整個(gè)加載過程中，巖石累計(jì)聲發(fā)射特征曲線并不是單純地呈現(xiàn)線性或非線性變化，如果放大局部觀察，可以發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射的產(chǎn)生往往是以一個(gè)又一個(gè)不連續(xù)的峰值出現(xiàn)，這與裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展有一定的相似性。

采用相同的方法對(duì)其他試件的聲發(fā)射特征曲線進(jìn)行分析，匯總各組試件的試驗(yàn)結(jié)果如表1。

將方案1、方案2進(jìn)行對(duì)比可以得知，先加軸壓Kaiser效應(yīng)記憶的準(zhǔn)確度高于先加圍壓，說明先加圍壓可以抑制軸向加載微裂隙的產(chǎn)生，將花崗巖所受損傷減小，導(dǎo)致Kaiser點(diǎn)提前。

將方案2、方案3進(jìn)行對(duì)比可以得知，先加軸壓，后加較小的圍壓，則對(duì)已有損傷影響較小，后加圍壓如果較大，則會(huì)加大花崗巖所受損傷，導(dǎo)致Kaiser點(diǎn)延后。

由方案3、方案4可以發(fā)現(xiàn)圍壓與軸壓同步加載似乎會(huì)使試件的損傷保持原有狀態(tài)，在后續(xù)的單軸壓縮試驗(yàn)中表現(xiàn)出與未進(jìn)行預(yù)加載的試件相似的聲發(fā)射特征，但由于試件數(shù)量不足，兩方案之間并未表現(xiàn)出足夠差異。

表1 三軸預(yù)加載路徑對(duì)Kaiser效應(yīng)的影響Tab.1 Influence of tri-axial preloading path on Kaiser effect

由于巖石屬于不均勻介質(zhì)，同一批試件的數(shù)據(jù)也有很大差異，故試驗(yàn)僅能對(duì)大體趨勢(shì)作一定分析，還需要進(jìn)行更多的試驗(yàn)來獲得更確切的結(jié)論。

3 結(jié)論

通過對(duì)花崗巖試樣進(jìn)行不同加載路徑的三軸預(yù)加載，再進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)花崗巖加載到峰值應(yīng)力的80%，聲發(fā)射活動(dòng)的能量和數(shù)量進(jìn)入一個(gè)更高的水平，巖石開始屈服，直至試件完全破壞。

（2）三軸預(yù)加載時(shí)先加圍壓可以抑制軸向加載微裂隙的產(chǎn)生，使花崗巖所受損傷減小，導(dǎo)致Kaiser點(diǎn)提前。

（3）三軸預(yù)加載時(shí)先加軸壓，后加圍壓如果較小，則對(duì)已有損傷影響較小，后加圍壓如果較大，則會(huì)加大試件所受損傷，導(dǎo)致Kaiser點(diǎn)延后。

（4）三軸預(yù)加載時(shí)，若同步加載軸壓和圍壓，試件在后續(xù)加載試驗(yàn)中不存在Kaiser效應(yīng)，甚至觀察不到預(yù)加載的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王創(chuàng)業(yè)，劉 偉，杜曉婭.基于聲發(fā)射的巖石損傷演化特征分析[J].中國(guó)鎢業(yè)，2017，32（5）：17-20.WANG Chuangye，LIU Wei，DU Xiaoya.Analysis of rock damage evolution based on acoustic emission[J].China Tungsten Industry，2017，32（5）：17-20.

[2] 趙興東，李元輝，袁瑞甫，等.花崗巖Kaiser效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，28（2）：254-257.ZHAO Xingdong，LI Yuanhui，YUAN Ruifu，et al.Experimental verification analysis of Kaiser effect in granite [J].Journal of Northeastern University（Natural Science），2007，28（2）：254-257.

[3] 方立德，張 垚，張萬嶺，等.基于聲發(fā)射技術(shù)的垂直管氣液兩相流動(dòng)檢測(cè)方法[J].化工學(xué)報(bào)，2014，65（4）：1243-1250.FANG Lide，ZHANG Yao，ZHANG Wanling，et al.Flow detection technology based on acoustic emission of gas-liquid two-phase flow in vertical pipe[J].CIESC Journal，2014，65（4）：1243-1250.

[4] 李曉暉，傅 攀，張 智.基于聲發(fā)射技術(shù)的機(jī)械密封膜厚測(cè)量[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2014，46（6）：198-204.LI Xiaohui，F(xiàn)U Pan，ZHANG Zhi.Measurement of film thickness in mechanical seals based on AE technology[J].Journal of Sichuan Universit：Engineering Science Edition，2014，46（6）：198-204.

[5] 嚴(yán) 實(shí)，趙金陽(yáng)，陸夏美，等.基于聲發(fā)射技術(shù)的三維編織復(fù)合材料低速?zèng)_擊損傷分析[J].材料工程，2014（7）：92-97.YAN Shi，ZHAO Jinyang，LU Xiamei，et al.Low-velocity impact response of 3D braided compoites by acoustic emission[J].Journal of Materials Engineering，2014（7）：92-97.

[6] 周子龍，李國(guó)楠，寧樹理，等.側(cè)向擾動(dòng)下高應(yīng)力巖石的聲發(fā)射特性與破壞機(jī)制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（8）：1720-1728.ZHOU Zilong，LI Guonan，NING Shuli，et al.Acoustic emission characteristics and failure mechanism of high-stressed rocks under lateral disturbance[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33（8）：1720-1728.

[7] 楊永杰，王德超，郭明福，等.基于三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)的巖石損傷特征研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（1）：98-104.YANG Yongjie，WANG Dechao，GUO Mingfu，et al.Study of rock damage characteristics based on acoustic emission tests under triaxal compression [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33（1）：98-104.

[8] 趙 奎，閆道全，鐘春暉，等.聲發(fā)射測(cè)量地應(yīng)力綜合分析方法與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（8）：1403-1411.ZHAO Kui，YAN Daoquan，ZHONG Chunhui，et al.Comprehensive analysis method and experimental vertification for in-situstress measurement by acoustic emission tests[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34（8）：1403-1411.

[9] 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程[M].第2版·北京：科學(xué)出版社，2013：146-148.

[10] 陳 勉，張 艷，金 衍，等.加載速率對(duì)不同巖性巖石Kaiser效應(yīng)影響的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（增刊1）：2599-2604.CHEN Mian，ZHANG Yan，JIN Yan，et al.Experimental study of influence of loading rate on Kaiser effect of different lithological rocks[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（supply1）：2599-2604.

[11] 曾 鵬，紀(jì)洪廣，高 宇，等.三軸壓縮下花崗巖聲發(fā)射Kaiser點(diǎn)信號(hào)頻段及分形特征[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016，41（增刊 2）：376-384.ZENG Peng，JI Hongguang，GAO Yu，et al．Characteristics of fractal and frequency bands at Kaiser signal of acoustic emission in granite under triaxial compression [J].Journal of China Coal Society，2016，41（supply 2）：376-384．

[12] 何 俊，潘結(jié)南，王安虎.三軸循環(huán)加卸載作用下煤樣的聲發(fā)射特征[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（1）：84－90.HEJun，PANJienan，WANG Anhu.Acoustic emission characteristics of coal specimen under triaxial cyclic loading and unloading[J].Journal of China Coal Society，2014，39（1）：84－90.

[13] 傅 翔，謝 強(qiáng)，江小城，等.受拉加載方向變化對(duì)Kaiser效應(yīng)點(diǎn)準(zhǔn)確度的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（7）：1365-1370.FU Xiang，XIE Qiang，JIANG Xiaocheng，et al．Influence of tensile loading direction on accuracy of determining Kaiser effect point[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2014，36（7）：1365-1370.

[14]魯會(huì)軍.不同加載路徑對(duì)巖石Kaiser效應(yīng)影響的試驗(yàn)研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2017.LU Huijun.Experimental study on the influence of different loading paths on Kaiser Effect of rock[D].Kunming：Kunming University of Science and Technology，2017.