细晶花岗岩的声发射特征试验研究

发布日期：2007-01-28 17:37　　　浏览次数：次

摘要：对葡萄牙细晶花岗岩同一岩样进行多次单轴压缩循环加卸载试验，监测试验过程中岩样的声发射活动，记录岩样的变形特征，分析总结声发射与变形之间的相互关系。试验表明，葡萄牙细晶花岗岩在高应力状态下凯塞效应明显，所受应力越高，凯塞效应越弱；在判断岩石凯塞点时，因时间–累计声发射能量曲线中拐点明显，比利用时间–累计声发射事件数曲线更容易、更合理；另外，了解试样的变形特征对解释声发射试验结果是一个有益的补充。

0 引言

1953年德国学者J. Kaiser[1]通过大量的研究发现，声发射活动对材料载荷历史的最大载荷值具有记忆能力，材料加载试验中表现出的这种弹性波效应被称为凯塞效应（Kaiser effect）。在岩石工程中，凯塞效应

最为广泛的应用就是根据岩样声发射曲线上Kaiser效应点的个数确定岩石受荷历史，计算其地应力[2-6]。众所周知，岩石是一种严重依赖于地质环境的复杂地质体，不同岩石的声发射特征不尽相同，深入了解不同岩石的声发射特性，对声发射技术在岩石工程中的应用具有重大意义。

目前关于岩石声发射已经有大量的研究成果，试验对象有石灰岩、大理岩、砂岩、页岩、花岗岩等[6-9]；试验条件有单轴压缩、劈裂、直接拉伸、三轴压缩、双向压缩、直剪、摩擦滑动等[7，10-14]。加载方式有循环加载、疲劳试验、对称和非对称加载等[11，15-16]。

本文利用PXWAE 声发射波形采集分析系统对葡萄牙细晶花岗岩进行单轴压缩循环加卸载条件下的声发射试验和变形试验，并对同一岩样进行多次循环加卸载试验，逐渐增加每次循环的最大荷载，直至试样破坏。试验过程中观测试样声发射活动，分析岩石声发射与试样变形特征之间的关系；同时验证利用时间–累计声发射能量曲线判断凯塞点的可行性和合理性，证明葡萄牙细晶花岗岩在高应力状态下的凯塞效应。

1 试验方法

1.1 试验设备

室内岩石声发射试验的PXWAE 声发射波形采集分析系统主要由声发射传感器、前置放大器、信号调理装置、声发射采集卡、计算机以及电缆附件和信号采集分析软件组成，如图1。声发射传感器为PXRw宽频带型，灵敏度>53 dB（0 dB=1 μv），外观为Ф18×17mm，外壳材料为1Cr18Ni9Ti；由于来自声发射传感器的电压输出信号非常微弱，传感器后端接有前置放大器，其带宽为10 kHz～2 MHz；除此之外，还串接有声发射信号调理装置，用以对由前置放大器放大后的声发射信号进行调理，选择有效信号进入采集卡。因为长距离的传输会导致信号衰减，电缆会引入电磁噪声干扰，而且前置放大器需要低脉动、低噪声的电源才能最大限度地发挥出高增益、低噪声的性能。另外，在信号进入采集卡前有必要对声发射信号进行补偿、滤波、比较等信号调理手段，以便过滤掉不需要的信号以及取得触发信号等。

PXDAQ 声发射信号采集卡是整个声发射系统中的核心硬件，采集卡最高采样速度为20 MHz，采样精度为12 位。采集卡与计算机的数据通讯采用PCI总线，可实现速率达132 MB/s 的波形信号传输，在连续采样时也可获得不低于80 MB/s 的波形通过率。该系统同时还集成12 位A/D 参数采集卡，用于测定作用于岩样的荷载以及试验过程中岩样的纵横向应变。

1.2 试验准备

细晶花岗岩岩样采自葡萄牙东南部露天采石场，花岗岩晶体颗粒约0.2 cm，分布均匀，是一种上等的装饰材料。细晶花岗岩被加工为直径3.5 cm，高径比2.5 的试样。取较小直径的试样主要与试验中所使用的载荷传感器极限承载力的限制有关，初步试验结果表明，细晶花岗岩的单轴抗压强度约160 MPa。试验过程中全程采集单轴压缩条件下试样的声发射参数和试样的应力应变参数。声发射传感器用真空脂耦合剂与岩样表面进行耦合接触。圆柱形试样外表面打磨出一小平面用于安装声发射传感器。试样表面贴纵横应变片四片，以半桥的方式接入动态电阻应变仪，信号经滤波、放大后输入A/D 卡由信号采集分析软件采集，然后进行后处理；荷载传感器以全桥的方式接入。

2 试验结果及讨论

2.1 试验过程中细晶花岗岩的声发射特征

图2 表示的是细晶花岗岩岩样GSC-1 在单轴压缩循环加卸载条件下的声发射试验结果，从曲线可以看出，在第一和第二次停止加载的初期声发射并未马上停止，事件数仍有所增加，但增加速率减小。荷载保持在某值一段时间后，声发射活动逐渐趋于平静，卸载开始后，声发射事件数不再增加或仅有少量的声发射产生。这就是凯塞效应（Kaiser effect）。这种现象在图2（b）中表现尤为突出，荷载从加载至停止至卸载，曲线转折点明显。

费利西蒂（Felicity）比通常被用来表征凯塞效应是否成立。如果我们定义重复加载时声发射的起始荷载为AE p ，原先所加最大荷载为max p ，则费利西蒂比FR为pAE / pmax。材料重复加载时，重复荷载达到原先所加最大荷载前发生明显的声发射的现象称为费利西蒂效应（Felicity effect）[17]，也可以认为是反凯塞效应。费利西蒂比大于等于1 表示凯塞效应成立，反之费利西蒂效应成立。费利西蒂比能在一定程度上定量化描述材料中原先所受的损伤或结构缺陷的严重性，一般情况下，费利西蒂比越小表示原先所受的损伤或结构缺陷越严重。

从图2（a）或（b）得出max p ＝62.11 MPa， AE p ＝68.28 MPa，则FR＝1.10，说明试样GSC-1 的凯塞效应明显，在荷载达到68.28 MPa 后岩样内部受损较小。对GSC-1 重新加卸载（与第一次试验时间间隔5min），得出试验曲线如图3，同样可以看出，时间–累计声发射能量曲线中拐点明显，较时间–累计声发射事件数曲线更容易判断凯塞点。

在GSC-1 的第二次加卸载试验中有一个明显的特征，试验至2.0 min 左右有一个较大的声发射出现，此时荷载并未增加，保持在115 MPa 左右，大于第一次试验中的最大值87.47 MPa。这种现象说明：①试样内部已经发生了明显的破裂；②声发射并不总是发生在荷载增加阶段，在较高应力下即使保持荷载不变，试样也会有声发射出现，此时试样有蠕变，内部有能量集聚，类似岩爆的形成机理。另外，从图中还可以看出，加载至第一次试验的最大荷载值87.47 MPa 时，声发射累计能量仅为15000左右，远小于第一次试验加载至87.47 MPa 时的累计能量，约128000。说明细晶花岗岩对历史应力的确具有记忆性。计算得第二次试验时费利西蒂比FR＝1.06，略小于第一次试验结果。图4（a）为对GSC-1 进行的第三次加卸试验得出时间–应力和时间–声发射累计能量试验曲线（与第二次试验时间间隔5 min）。加载在很长一段时间内试件声发射活动都比较平静，再次出现明显声发射时AE p ＝136.57 MPa，由第二次试验的max p ＝139.82MPa，得第三次加卸试验时FR＝0.98<1，说明试样GSC-1 在较高压力时凯塞效应开始减缩。此时Pae /S c＝136.57/146.97＝92.92%，其中c S 为试样GSC-1 的单轴抗压强度，也就是说在外荷载在达到抗压强度约93%以前，岩石声发射的凯塞效应仍很明显。图4（a）是时间–应力和时间–累计声发射事件数曲线，在整个加载过程中，声发射活动一直未停止过，在荷载达到先前最大应力135.57 MPa 时，曲线出现拐点，事件数增加缓慢，但此时的事件能量都较大，这一点从图4（b）可以看出。因此，仅仅用时间–累计声发射事件数曲线来判断岩石的凯塞效应是不完全的，需辅以时间–累计声发射能量曲线。

2.2 试验过程中细晶花岗岩的变形特征

图5 为GSC-1 三次试验的应力应变曲线，应变ε角标第一位数字表示试验次数，第二个角标的1 和3分别表示纵向应变和横向应变。

在第一次试验中11 ε -σ 和13 ε -σ 曲线体现为一滞回环，但基本上保持为直线，纵横向应变小，卸载后能基本上回到零点，试样仍处于弹性阶段。第二次的试验曲线由于岩样经过预压，压缩和拉伸弹模都明显升高，试样变形仍体现出线弹性特征，该阶段有声发射大事件出现（有破裂，图3（b）），但在变形曲线上未见反映，可见破裂出现在内部，或应变片检测范围之外。第三次试验所得的变形曲线斜率较前两次曲线更缓，即压拉弹模都降低了，说明第二次试验已经使得试样内部出现损伤，试件变得软弱。三次试验泊松比基本保持不变，即每次试验纵横应变变化一致。

2.3 试验统计结果

表1 所列为试验室内所作5 个细晶花岗岩试样的声发射试验统计结果。

试样GSC-5 的两次试验未进行循环加卸载，所得FR 为第二次试验出现明显声发射时的AE p 与第一次试验的最大应力max p 的比值，由于有较长的时间间隔（卸载至0 后重新加载试验），试样内部应力有所恢复[18]，使得第二次试验时试样出现明显声发射的荷载值较大，FR 远大于1（严格说来，此处GSC-5 的FR 值与表中其它几个试样的FR 值是不能类比的），这一现象在其它几个试样中也有表现。除GSC-5 外，其它试样FR 值都在0.98～1.14 之间，体现出了良好的凯塞效应。5 个试样中除GSC-1 在第二次试验中有破裂其应力应变曲线出现异常外，其它试样的应力应变曲线与图6 雷同，几次试验的曲线基本重合，破坏前均表现出良好的线性。