作者：江进辉等
摘　要:在单轴压缩条件下,分别研究分析了天然含水、浸水饱和和施加渗流岩石的声发射特性。研究表明:在低应力阶段,渗流不能引起AE 活动,一般在单轴压力达到岩石强度的60 %～80 % ,临近破坏时,加渗流和停止渗流的瞬间均会产生较大的AE 事件,从稳定渗流到停止渗流一般接收不到明显的AE 信号;岩石在荷载作用下的变形破裂特性与该过程中的声发射现象紧密相关。从平均意义的能量和形变角度分析,得出平均能量和平均形变在试件破裂过程中的变化是同步的,浸水饱和岩石较天然含水岩石的平均能量小、平均形变大的结论,并根据岩石破裂损伤机理给以解释。
关键词:声发射;平均能量;平均形变;单轴压缩;破坏机理
1 　概　述
岩石声发射(Acoustic Emission ,简称AE) 是指岩石材料在受荷变形过程中内部晶格错位或微裂纹扩展而引起瞬态弹性波的现象[5 ] 。早在20 世纪30 年代,Obert 和Duvall 就发现岩石中存在声发射现象[3 ] 。岩石声发射现象的产生与岩石变形、破裂过程中应变能的变化有关。一般认为,由于岩石大多为脆性材料,其内在裂纹的扩展表现为集聚后的能量的突然释放,并产生弹性应力波(声波) ,这是AE 能量的来源。在AE 信号由振源处传至岩面的过程中,通过对这一弹性应力波的监测和分析,了解岩石在受力过程中裂纹的发展规律,为现场观测及预测预报提供依据。
在中科院武汉岩土所陈从新等自制的节理面剪切渗流试验机上,对结构面发育的大理岩进行了天然含水、浸水饱和(浸水130 h 左右) 及施加渗流3 种条件下的单轴压缩试验,并引入声发射的平均能量和平均形变,分析了不同条件的岩石试验结果。
2 　实验设备、加载方式及岩石试件
2. 1 　实验设备
整个测试系统由节理面剪切渗流试验机、AE21C 声发射仪、施加渗流的水箱和调节水压的氮气瓶、施加轴向荷载的50t 千斤顶及其他辅助设备组成。试验时,应用20 kHz 和10kHz 的宽频探头采集声发射信号,用20 kHz 探头采集AE 波形,同时应用AE21C 声发射仪全自动地高速采样、记录声发射信号。见图1 。

AE21C 声发射系统的采样频率可高达2 MHz ,它支持快速傅立叶(FFT) 变换、相关分析和传递函数等数字信号处理工作,可以直接统计单位时间内的AE 能率、撞击计数(每次撞击就是一个完整的AE 波形,因此,可以理解为事件计数) 、振铃计数、主频值及其对应的幅值。本试验的采样频率为2 MHz。
为了尽量避免加载时因试件端部的摩擦而产生噪音干扰,在试样的端部涂少许凡士林,并在试件端部垫橡胶垫片。声发射探头涂抹凡士林耦合后用松紧带固定在试件相应部位。为了避免机械振动的干扰,应用50 t 的千斤顶手动加压。同时,为了减少噪音的影响应当保持实验环境的安静。
2. 2 　岩石试件加工
本次试验的试件采自鸡冠嘴金铜矿,试样为结构面发育的大理岩。试件通过切削,被加工成50mm ×50mm ×100mm 的长方体,其平行度、平整度和抛光度都符合试验规程要求。
结构面发育大理岩晶粒细、致密,质地软,结构面中有硅质充填物。
2. 3 　加载方式
试验时,保持恒定加载速度,以0. 25～1. 0 kN/ 级施加单轴压力,在稳压过程中采集AE 信号。考虑渗流耦合作用时,应用加水喷嘴给试件施加渗流,采用水箱和氮气瓶调节水压。在特制喷嘴的上表面中心(30 mm 直径以内) ,均匀布置有环状和径向的喷水槽,槽宽3 mm。将垫在喷嘴上的橡胶垫片沿喷嘴沟槽均匀开小孔,以便水雾均匀的渗入试件。由于橡胶垫片的外周不开孔,加1～2 MPa 的单轴压力后,橡胶垫片还可以起到密封水雾的作用,从而避免水雾沿接触面外泄。
岩石发生初始破坏后,每级稳压30 s 左右后,采集60 s 不加渗流的AE 信号,然后施加0. 2～0. 4 MPa 的水压,同时采集60 s 加渗流的AE 信号。
3 　天然含水大理岩的AE 特性分析
应用AE21C 声发射系统,对20 kHz 的宽频探头采集的AE 波形信号进行FFT 变换,输出每次撞击(每个波形) 的主频和幅值,并统计振铃计数率、能量计数率及撞击计数率。
引入单次振铃的平均能量和单次振铃的平均形变。单次振铃的平均能量(简称平均能量) = 能量计数率/ 振铃计数率,用来表征岩石试件单次振铃的平均能量,反映振铃幅度的大小。单次振铃的平均形变(简称平均形变) = 单次振铃的平均能量/ 加载应力,根据力×位移= 功及功能转化理论,该值可以用来表征在振铃计数率单位时间内,伴随应力波释放的岩石变形量。
部分结果见表1 、图2 。为便于在同一图上表示,平均形变由表中数据放大10 倍。
在试验加载初期,监测仪没有AE 信号输出,直到应力达到岩石强度的65 %左右,才开始出现AE 信号,此后相当一段时间内监测不到AE信号;当应力加载到岩石强度的80 %左右时,会有大量AE 信号出现,同时试件开始初步破裂;此后到试件破坏时又会有大量AE 信号出现。

在试验过程中,通过肉眼观察,同时记录岩石各个破坏阶段的应力水平。通过试验观察发现,天然含水岩石在应力达到26 MPa 时,开始初次破裂;当应力达到32 MPa 时,岩石试件开始大范围破裂;当应力加到33 MPa 时,岩石试件将无法稳压而最终破坏。
从表1 及图2 可以看出,平均能量和平均形变在试件破裂过程中的变化是同步的,具有阶段性。在初裂时平均能量和平均形变都是最大的,说明在该阶段释放的主要是平均振幅较大的应力波。在无法稳压的破坏阶段,平均能量和平均形变都较初裂时小,说明在该阶段释放的主要是平均振幅较小的应力波。因此,岩石内部新裂纹大量出现(即初始破裂,应力水平对应于26 MPa) 时,平均每次声发射释放的能量最大;岩石大范围破裂(应力水平对应于32 MPa) 时,平均每次声发射释放的能量次之;岩石内部裂纹开始初步扩张或萌生(应力水平小于22 MPa) 时,平均每次声发射释放的能量较小;在无法稳压破坏阶段(应力水平大于33 MPa) 主要是沿已经成形的剪切破坏面的滑动,平均每次声发射的能量也较小。
图2 的平均能量和平均形变与压强分布可以通过岩石变形破坏特性解释。当应力小于20 MPa 时,没有监测到AE 信号,这对应于应力～应变曲线的裂隙压密段和线弹性阶段,主要是岩石原生裂纹的闭合和弹性压缩;压强达到22 MPa 时,岩石原生裂纹初始扩展,平均每次声发射释放的能量相对较小,激发少量的小振幅应力波;压强达到26 MPa 时,岩石初始破裂,产生大量微裂纹,并不断扩展,平均每次声发射释放的能量最大,激发相对较多的大振幅应力波;压强达到32 MPa 时,岩石大范围破裂,平均能量和平均形变比初始破裂时小,此时的破裂主要是沿主裂纹的贯通,激发了大量的相对初始破裂的振幅较小的应力波。在岩石试件变形破裂的过程中,裂纹的扩展
相对具有阶段性、突发性。平均能量(形变) ～压强分布图反映了天然含水岩石的变形破坏是从裂纹扩张的张性破裂开始的,当裂纹扩张调整到一定阶段后,岩石的破坏就转变为沿主裂纹方向的剪切破坏(裂纹贯通) 。
4 　浸水饱和大理岩AE 特性分析
长时间(130 h 左右) 浸泡后,结构面发育的大理岩明显软化,刚度降低而呈现出渐进破坏的特征,产生和接收到的AE过程较完整。
应用AE21C 系统对20 kHz 的宽频探头采集的AE 波形进行FFT 变换,输出每次波形的主频。部分结果见表2 、图3 。

由图3 可以看出,在加载初期产生和接收的AE 信号较少。初始破裂时,AE 信号急剧增加。岩石破坏越激烈,AE 信号增加也越剧烈。
由表2 及图3 可以看出,浸水饱和岩石的平均能量和平均形变在试件破裂过程中的变化也是同步的。
观察发现:浸水饱和的岩石在20 MPa 压强时,开始初次破裂;当压强达到22 MPa 时,开始大范围破裂。通过与天然含水岩石对比,发现浸水饱和后的岩石从初次破裂到大范围破裂,压强仅增加了2 MPa ,比天然含水岩石从初次破裂到大范围破裂增加的压强6 MPa 小了4 MPa ,这种现象说明了结构面发育大理岩受水软化非常显著,开始初次破裂后浸水饱和岩石的变形破裂对应力变化较天然含水岩石要敏感一些。
5 　不同含水岩石平均能量(形变) 应力对比
对比图2 与图3 及表1 与表2 ,可以发现受水影响岩石的平均能量(形变) 应力关系相对于天然含水岩石试件简单。在较小的应力下就开始出现AE 信号,初裂和大范围破裂的应力水平也明显降低,说明岩石试件受水软化作用非常显著,再次说明了受水软化后岩石内部裂纹的扩张对应力变化非常敏感。
比较不同含水条件下结构面发育大理岩试件的初裂和大范围破裂时的平均能量,可以看出:在岩石原生裂纹开裂阶段(分别对应22 MPa 和14 MPa) ,单次振铃平均所释放的能量没有明显差异;在岩石内部裂纹大量扩展阶段(分别对应26 MPa和16 MPa) ,天然含水岩石已经开始初次破裂,而浸水饱和岩石直到20 MPa 时才开始初次破裂,这可能是由于岩石受水软化显著,具有蠕变趋向,以至于软化岩石的变形破坏激烈程度比天然含水岩石相对减弱的缘故。
比较岩石各个变形阶段的平均形变可看出:浸水饱和岩石的平均形变较天然含水岩石大,这进一步验证结构面发育的大理岩受水软化显著,以至于具有蠕变趋向。
通过实验过程的观察,发现造成以上浸水饱和岩石与天然含水岩石的平均能量(形变) 应力分布差异的原因可能是天然含水岩石较浸水饱和岩石脆,其破坏是以张裂为主的张性破坏开始,至主裂纹开始形成时逐渐转变为剪切破坏,以至于变形破坏较浸水饱和岩石激烈,具有突发性,体现了天然含水的结构面发育的大理岩具有脆性破坏的特点。天然含水岩石的这种变形破坏特点便于进行AE 监测。浸水饱和的结构面发育的大理岩受水软化作用显著,变形破坏比天然含水岩石更早趋向于剪切破坏,在各个变形破裂阶段的变形量较大,具有渐进性,其破坏的激烈程度显著减弱,更便于进行变形观测。
6 　结　语
通过试验研究,可以得出如下结论。
(1) 岩石试件处于低应力水平时,AE 信号很微弱。应力水平必须达到一个界限值或能量必须积累到一定的量才能激发能够使监测仪接受到的AE 信号。
(2) 浸水饱和后,结构面发育大理岩的AE 信号一般较天然含水状态下丰富;在初步破裂和大范围破裂时的平均形变较天然含水状态岩石有明显增大,便于进行变形观测和预报。这是由于结构面大理岩受水软化以至于对应力变化较敏感,具有蠕变趋向的缘故。

(3) 岩石声发射现象与岩石内部变形破坏紧密相关,平均能量(形变) 与应力关系进一步验证了岩石AE 过程具有明显的阶段性,平均能量和平均形变在试件破裂过程中的变化是同步的。