摘要: 通过岩石结构面直剪试验中声发射特性的研究, 总结了结构面破坏过程中声发射事件数和能率的基本规律, 发现用能率这一系数更容易判别岩石变形与破坏各阶段。
关　键　词: 结构面直剪试验; 声发射; 事件数; 能率

众所周知, 声发射是岩石受荷过程中晶格发生错动而发生以声波形式释放能量的现象。由于破坏前总会有小的破裂出现, 在室内研究声发射信号的特性和规律, 就可以为现场用声发射监测巷道和采场围岩的稳定性提供必要的参考资料和依据。
1　试验简介
试验在室内中型直剪仪上进行, 这种直剪仪可进行的最大试样断面尺寸为20×20 cm 2, 由于岩样尺寸太大时采集加工都很困难, 考虑到本次试验结构面强度较高, 试验机压力不够等因素, 试验选用了断面积为10×10 cm 2 试样。岩样运到实验室后, 采用锯石机将岩样加工成10×10×10cm 3 的规则试样, 加工中要使结构面尽可能准确地位于试样中部。直剪仪对试样的加载采用垂直和水平方向的两个千斤顶进行, 垂直千斤顶施加的荷载(对应于正应力) 垂直于结构面, 水平千斤顶施加的水平推力(对应于剪应力) 则平行于结构面, 并使试样受力后沿结构面产生滑移而破坏。千斤顶的最大压力为300 kN (30 吨)。实验过程中, 试样下半部固定, 对上半部进行加载。如图1, 先施加垂直荷载P 至预定值。考虑到本次试验的岩样采用距地表200～ 500 m 水平, 按自重应力估算, 施加垂
直荷载P 约5～ 7M Pa, 本次试验垂直荷载P 选用5M Pa, 然后再逐次施加水平荷载。试样破坏时, 水平荷载达到最大值, 记录下这一数值, 就可以获得试件被剪断时的最大剪应力, 这就是抗剪断强度。

图1　加载装置
加载过程中试样的水平和垂直位移各采用二个读数精度为0.01mm 的百分表测定。试验中施加垂直荷载千斤顶带有精密压力表, 因而垂直荷载的数值从压力表上直接读取。水平荷载的数值则从与水平千斤顶串接的500 kN (50 吨) 荷载传感器通过电阻应变仪读出。水平荷载按预估的抗剪强度分级施加, 使得加载约10～ 20 次试样破坏。试验分别对无厚度节理、层面和矿脉节理等三组结构面进行。对声发射结果而言, 有效试件共15 块。
由于加载过程中, 试件上、下端会产生摩擦效应和角应力集中, 从而产生大量的非真实的岩石声发射信号。为了消除这一影响, 有人采用在试件端部加软垫如聚四氟乙烯垫片, 橡胶片[ 1 ]。但软垫易变形压坏, 易使试件端部受张力作用产生噪声。而且用软垫, 端部应力集中, 摩擦噪音仍不少[ 2 ] ,也有人采用“承托”的方法来消除这一影响[ 3 ]。但这种方法费时费事。本人在实验中, 在试件两端除加垫一层垫片外, 另外用几张厚度均匀的打印纸来替代橡胶片。由于纸是柔性的, 不会为试件承受荷载, 而且对用纸来替代橡胶片所产生的噪音进行了验证, 证明该方法是可行的。
无论是岩石声发射的凯塞效应特性的实验研究, 还是结构面直剪试验的声发射特性研究, 都必须排除各种噪音的干扰, 检测出其真实的声发射信号。排噪效果的好坏, 将直接影响测量结果的可靠性和精度。为此本文采用如下措施排除噪音干扰:
(1) 利用声发射仪的自动门槛技术设置一个随噪音变化而变化的门槛水平, 并通过面板旋钮设置手动门槛电平, 两者组成复合门槛来压制低频信号。
(2) 在手动加载时, 注意操作, 使其尽量不产生尖锐的高频噪音。
试验中声发射监测系统如图2 所示。声发射信号被粘贴于试件上的加速计拾取后, 经前置放大器放大, 送入声发射仪处理后形成各种信号, 再输出X – Y函数记录仪绘图。

图2　声发射监测系统
1- 探头; 2- 前置放大器;
3- 声发射仪; 4- X 2Y 函数记录仪
[mem]试验中所使用的声发射仪为沈阳生产的SFS- 4B 型岩石声发射信号监测仪。该仪器具有性能稳定、通频带宽(下限频率为300 Hz)、前置放大器噪音低、主放大器内配有多个不同的频通道的滤波器、仪器可监测多种声发射参数(如事件数、振铃数、事件长度、加权振铃、能率等) 等方面的优点, 其前置放大器和主放大器的主要参数如下:
根据本人多年来对岩石声发射特性的研究结果, 在声发射信号的诸参数中, 除事件数这一基本参数外, 能率具有对于破坏较为敏感, 可用来作为破坏预测参数的优点, 因此, 本次试验中选取了事件数和能率两个参数进行分析。试验中主放大器增益设定为40 dB, 加上前置放大器, 总增益为80dB, 因系室内试验, 主放大器前的滤波器选用了5 kHz 的高通滤波器。
2　试验主要结果
根据试验中所记录到的声发射率(单位时间内的事件数) 和能率(单位时间内声发射信号的相对量之和) 的不同表现, 可将试件分为三类:
2. 1　主破裂明显, 主破裂后声发射活动活跃
这类试件的部分典型结果见图3。它们的共同特点是, 加载初期就可记录到声发射信号, 随着水平推力的增加, 事件数有所增加, 约为10～ 30% 的破坏荷载(最大水平推力) 范围内形成一个活跃期; 但在约40～ 60% 破坏荷载这一阶段, 记录到的信号很少, 声发射处于低潮或平静期, 在80～90% 的破坏荷载, 信号明显增加, 达到或超过“平静期”的事件数。临近破坏时, 不少试件声发射数大增, 通过仪器可听到响声不断, 记录仪上则显示出信号持续处于高水平。破坏时, 人耳可以听到试件发出的响声, 水平推力下降, 水平位移明显增加, 表明主破裂已经发生, 此时记录仪上的事件计数达到峰值。主破裂后, 继续施加水平推力, 事件记数仍保持高水平, 记录仪上事件数的幅值与主破裂时大体相同, 或稍有降低。
能率的变化与事件数基本一致, 所不同的是, 其规律更为明显, 即从记录到的能率图上更容易观察出声发射的活跃、平殂、再次活跃、主破裂、主破裂后等各个阶段, 而且在主破裂发生后, 能率计数多数达到(有时甚至大于) 主破裂的数值。[/mem]
总之, 在整个加载过程中声发射活跃程度有很大的变化, 阶段性相当明显, 且声发射率和能率的规律性一致, 是这类试件的特点。虽然不同试件在加载的不同阶段发射活跃程度不完全相同, 有时甚至有较大差别, 但基本规律是一致的。服从上述规律的试件达11 块, 占有效试件总数的73%。

图3　加载过程中事件和能率记录(J – 6, 无厚度节理)
2. 2　能率的规律性明显, 但声发射率始终较高
这类试件的能率计数与前述第一类相同, 即加载过程中依次出现的活跃、平静、再次活跃、主破裂、主破裂后等各个阶段均可从试验记录中判断出来。然而, 事件初期至主破裂后事件记数一直保持基本一致的高水平,难于辩认出其特征。属于这一类的试件共二块, 均为无度节理, 其中一块试验前已沿结构面断开。张开型节理的主破裂实际上是某些较大的突超被剪断而产生的。事件数始终较多, 则与结构面表面粗糙度(二级突起) 有关。
2. 3　无明显的主破裂
这类试件在整个加载过程中, 所记录到的事件数始终较多, 与前述第二类试件相同。但当水平推力达到最大值时, 事件数或能率都未出现最高峰。
这类试件共有两块, 其中无厚度节理一块(编号J – 3) , 层面一块(BJ – 3)。J – 3 也是已经断开的张开型节理, 表面粗糙度系数JRC 按目测约为10, 达到峰值推力后, 此试件声发射率仍较高。BJ – 3 为层面, 表面平整, JRC 约为1 左右, 破坏后声发射信号相对较少, 与其它屋面的试验结果一致。
本次试验为结构面直剪试验, 岩石变形和破坏机理与单轴压缩有很大的不同, 试验过程中测出声发射信号的基本规律却与单轴压缩下基本相同。本文认为这再次验证了岩石是裂隙介质这一结构的正确性, 说明无论压缩还是剪切试验中, 岩石破坏都是微裂隙发展、相互贯通, 最后导致宏观破坏的过程。根据本次试验结果, 本文认为现场发射监测中应该综合采用能率和声发射两个参数, 并互相补充, 以获得更为全面的结果。
3　声发射与破坏前兆
根据声发射信号的特殊来研究岩石破坏规律, 探索岩体破坏前兆和破坏预报方法, 是进行岩石声发射研究主要目的之一。本次试验中, 约半数试件的声发射记录上可观察到破坏前兆, 这就是, 主破坏前能率在一段时间内持续保持高水平, 其幅值低于主破裂, 但高于在此以前任一阶段的平均水平。具有如此行为的试件包含矿脉节理和无厚度节理。然而前兆期的延续时间有的试件长, 有的试件则很短, 彼此相差达数倍, 无一定的规律可循。因此, 声发射计数, 特别是能率的持续高水平虽然可以作为主破坏前兆, 但是准确的破坏时间还是难以确定的。
某些试件的主破裂虽很明显, 但临近破坏时信号未显示出有明显变化, 主破裂在较低水平的背景下突然发生。这类试件数量相对较少, 对它们的试验结果寻找主破裂前兆显然更为困难。
从现场的情形考虑, 例如以巷道围岩的冒落片帮为例, 这种冒落和片帮一般是被结构面切割而成的结构块体沿某一结构面下滑而形成的, 由于大多数结构面并不是光滑平直的, 在它被剪断、主破裂发生以后的滑移过程中, 由于结构面上仍存在许多不同尺度的突起, 只有这些突起多数被剪断, 结构体才会下滑, 从而产生冒顶和片帮。在这些突起被剪断的过程中, 仍有大量声发射信号产生, 并大体保持与主破裂时相当的水平, 这一过程也是需要一定时间的。根据这一分析, 本文认为,可以利用主破裂后发射信号的持续高水平来进行岩体稳定性监测, 监测中预报点的选择应根据现场实际情况来确定, 监测参数则以能率和事件记数结合为宜。
4　声发射与结构面性质的关系
在所试验的三组结构中, 层面系原生结构面, 表面平整, 试验结束后剪断也保持平整。层面试验记录中主破裂时信号水平与其余二组结构面基本一致, 但在其余阶段, 无论事件还是能率的记数水平都远低于其余二组结构面。试验中采集矿脉节理样品, 其厚度约58mm , 试验后观察, 这种试件破坏面相当粗糙, 粗糙度系数JRC 值约8～ 12, 但均为尺度较小的二级突起。
这组试件在试验中各阶段声发射率和能率水平都较高, 显然, 主破裂后声发射信号是表面的二级突起被剪断而产生的。
无厚度节理试件数量较多, 结构面表面粗糙度不一, 试验结果也较复杂, 但基本规律是, 结构面表面粗糙则事件数和能率水平都较高, 表面平坦则较低; 试件上正应力较低时信号水平一般也较低。
总之, 声发射事件数和能率都与结构面表面粗糙程度、正应力数值大小有密切的关系。
5　主要结论
(1) 在本次试验大多数结构面在破坏过程中显示出的基本规律是: 施加水平推力后声发射信号逐步增加并达到一定水平, 约在破坏荷载40～ 60 下降, 形成一个相对平静期; 以后信号数量再次增加, 在主破裂发生时达到最大值; 主破裂发生后信号大体保持主破的水平, 或有所降低。
(2) 试验中声发射事件数和能率都与结构面的粗糙程度有关, 结构面粗糙则信号记录水平较高。
(3) 使用能率这一参数更容易辩别岩石变形和破坏的各阶段。在岩体稳定性监测中应将能率与事件数相结合进行综合判断为宜。
(4) 从试验结果看, 要对主破裂进行准确预报还有一定困难, 但本文认为, 利用主破裂发生后能率和事件仍保持高水平这一特征来进行现场监测, 以图实现岩体冒落破坏的预报, 仍是可能的。