加卸荷条件下岩石力学特性与声发射特征*

刘崇岩，赵光明，许文松

(1.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

声发射是岩石在受到外界应力作用下内部裂隙萌生和扩展产生的弹性波，岩石的声发射信号变化可反映出岩石的受载状态及破坏过程，研究不同第二主应力加卸荷条件下岩石强度和声发射信号之间的关系，对探究复杂应力变化条件下岩石破坏机理具有重要意义。

何满潮等[1]通过真三轴试验机对花岗岩分级加载σ1，单面卸荷σ3进行瞬时岩爆模拟试验，分析得到试验过程中声发射信号与岩爆过程的对应关系；苗金丽等[2]研究了真三轴应力状态下突然卸载应变岩爆试验监测到的声发射数据，分析岩石破坏过程的微观机制；艾婷等[3]在不同围压下进行煤岩的三轴声发射试验，揭示了煤岩声发射的围压效应；刘倩颖等[4]对不同初始围压下煤样的卸荷破坏进行声发射试验，得到煤在卸荷过程中AE特征的围压效应及基于声发射的多参数综合破坏前兆信息；沙鹏等[5]采用真三轴卸载试验、声发射监测、SEM 电镜扫描等手段，对高储能岩体在不同应力路径与荷载速率下的卸载强度和破裂演化特征进行了研究；高真平等[6]以岩石循环加卸载声发射试验为基础，研究了岩石损耗比和加卸载响应比特性，分析岩石受载过程中的内部损伤演化和破坏前兆特性；何俊等[7]分析了常规三轴、三轴循环加卸载作用下岩石声发射特征，相同加载条件下，声发射能量和累计振铃计数的变化随时间的变化趋势基本一致，声发射突变点可作为判定煤样破坏的前兆；李文帅等[8]研究了真三轴应力状态下的岩石强度，变形及岩石的破坏强度，探讨了第二主应力对岩石强度的影响，并结合CT扫描技术分析了岩石内部的破裂形态；苏国韶等[9]利用真三轴岩爆试验系统进行花岗岩岩爆弹射破坏过程模拟物理的试验，分析不同高温作用后岩样岩爆弹射过程、破坏形态特征、峰值强度、声发射特性、碎块特征以及弹射动能的变化规律。

现阶段关于真三轴试验研究成果逐渐增多，但试验大多数是模拟岩爆和隧道开挖，对真三轴复杂应力条件下岩石强度及破坏模式的分析有待进一步开展。本文通过真三轴扰动卸荷岩石测试系统和声发射测试系统对岩石进行加卸荷试验，探讨岩石的力学特性与声发射特征，对地下岩体工程的建设具有重要的参考价值。

1 真三轴加卸荷试验

1.1 试验设备及试样制作

试验加卸荷系统所采用的是安徽理工大学真三轴扰动卸荷岩石测试系统，该系统通过3个独立的加载系统对立方体岩石试件三向六面进行加载，试验系统对Z方向可以施加最大5 000 kN的载荷，对X和Y方向可以施加最大3 000 kN的载荷，加卸荷采用全数字伺服测控器控制。

试验声发射监测系统采用北京软岛DS5声发射系统，配合6个声发射探头采集信号，采样频率为前置放大器(增益)为40 dB，为尽量减少噪音影响，门槛值设定为50 dB，声发射采样频率范围设定为1 kHz～1 MHz，声发射信号分析软件实时记录AE事件、能量、振幅等参数，并根据采集参数进行三维定位。图1为相关试验设备与试件的安装。

图1 试验设备与试件安装Fig.1 Test equipment and specimens installation

试验原岩样取自于安徽某矿的开拓巷道，埋深800 m，将原岩样加工成尺100 mm×100 mm×100 mm的试样，保证试样端面不平行度在0.02 mm以内，尺寸误差在0.1 mm以内，完整性和均匀性较好，试样精度满足试验要求。

1.2 试验内容和方法

试验开始前将试件固定于真三轴夹具中，将声发射探头上涂抹耦合剂后再分散安装于夹具表面，试验时同时开始真三轴试验机加卸荷操作和声发射监测系统，保证数据在时间上的一致性。其中，表1为初始应力值。

表1 初始应力值Table 1 Initial stress

试验中加卸荷采用载荷控制方式，加载速率均为0.5 MPa/s，卸荷速率均为5 MPa/s。首先将σ1，σ2，σ3加至表1中初始应力值，完成如图2中的初始阶段，再进行阶段1操作，将X方向的卸荷面进行瞬时卸载，稳压900 s，如试件未发生破坏，再次加载卸荷面，将σ1增加10 MPa，阶段2操作与阶段1操作相同，以此步骤进行Z方向增加轴压，Y方向卸荷面重复卸荷操作，直至试件失稳破坏。1#、2#、3#试件加载路径与图2中4#试件加卸荷路径示意图σ2大小不同，σ1加卸荷操作相同。

图2 4#试件加卸荷路径示意Fig.2 4# specimens loading and unloading path schematic

2 试验结果及分析

2.1 加卸荷强度特征

应力-应变曲线是研究岩石破坏特征的重要方法，可以反映出岩石从开始加载的裂隙压密到起裂、扩展发育形成裂纹，再到岩石最终形成宏观破裂面的破坏过程，如图3所示。

图3 不同第二主应力加卸荷应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves ofload-unload under different second principal stresses

由图3可知，不同第二主应力加卸荷应力-应变曲线的变化趋势大体相同，加压到初始应力阶段之前，应力应变曲线斜率不断增加，试件经历了裂隙压密阶段，随后轴向载荷与轴向位移呈现近似直线的关系，试件进入弹性变形阶段。

图4为不同第二主应力加卸荷时间-应变曲线，其中，砂岩破坏特征参数见表2。1#、2#、3#、4#试件的破坏时轴向载荷分别为100，110，130和110 MPa，试件峰值强度对应的轴向应变ε1分别为23.12×10-3，28.12×10-3，28.81×10-3和20.38×10-3，峰值强度和轴向应变都随着第二主应力的增加呈现先增大后减小的趋势，在σ2=20 MPa时试件峰值强度和轴向应变都是最大。

图4 不同第二主应力加卸荷时间-应变曲线Fig.4 Time-strain curves ofload-unload under different second principal stresses

编号破坏载荷/MPaε1/10-3ε2/10-31#10023.12 4.012#11028.12 9.093#13028.8110.294#11020.3814.20

Y方向应变ε2分别为4.01×10-3，9.09×10-3，10.19×10-3和14.20×10-3，σ2在一定范围内延缓或限制了平行于σ3方向的裂纹产生，增强其承载能力，但随着σ2的增加也加速了ε2的变化，促进平行于σ2方向裂隙的发育贯通，弱化了试件的承载能力。第二主应力的增加对试件的承载能力起到先增强后弱化的效果。

单面卸荷后，试件积聚的弹性能瞬间释放，造成试件扩容，因此轴向出现回弹变形。但在试验中出现轴向继续压缩的现象，如图4，σ1=30 MPa时单面卸荷，第二主应力为10 MPa的1#试件轴向继续压缩，由于围压较小，试件积聚的弹性能小，卸荷后岩石主要向卸荷面扩容，在轴向载荷的作用下继续压缩。第二主应力为15，20和25 MPa时，岩石积聚的弹性能相对1#试件大，卸荷引起的轴向弹力大于轴向载荷，轴向出现回弹变形；σ1≥40 MPa后单面卸荷，1#试件继续压缩变形，2#、3#轴向依然出现回弹变形，但4#试件轴向变为压缩变形，σ2=25 MPa时加速了平行于σ2方向的扩展，随着轴向应力的增加，单面卸荷后，弹性能主要被裂纹的扩展所耗散，也就是试件主要向卸荷面扩容，同时裂隙的扩展贯通降低了试件的承载能力，因此试件会在最大主应力作用下继续压缩变形。

砂岩试件在破坏时可以听见岩石爆裂时清脆的响声，应力曲线突然下降，脆性破坏特征明显。瞬时单面卸荷后，砂岩试件没有宏观性破坏，一小段时间后，轴向应力突然跌落，破坏出现明显的滞后现象，卸荷后岩石内部应力重新调整，应力无法平衡才导致试件失稳破坏。

2.2 加卸荷的声发射特征分析

岩石的声发射现象可以反映出岩石内部的裂隙发育情况， 文中的试验试件破坏阶段远大于加卸荷过程中产生的声发射能量和振铃计数，为了更直观讨论加卸荷过程中的声发射特征，对声发射能量和累计振铃计数变化进行放大处理，如图5为放大处理后的砂岩应力—时间—能量及累计振铃计数关系，并对耗散能量比进行统计分析如图6所示，耗散能量比=(阶段单面卸荷至稳压结束产生的声发射能量)/(实验过程中声发射总能量)，耗散能量比越大，说明单面卸荷后岩石的损伤越大。

图5 不同第二主应力加卸荷应力—时间—能量及振铃计数关系Fig.5 Stress-time-energy and ringing count relationship ofload-unload under different second principal stress

图6 不同第二主应力耗散能量比与单面卸荷次数关系Fig.6 Relationship between different second principal stress dissipation energy ratio and single-sided unloading times

不同第二主应力加卸荷条件下试件的声发射能量与累计振铃计数变化规律基本相同，在试验初始阶段中，试件处于裂隙压密阶段和弹性阶段，声发射能量持续变化，累计振铃计数曲线斜率逐渐减小。4块试件均是在轴向荷载达到峰值强度40%～60%时，单面卸荷后才出现明显的声发射能量变化，耗散能量比开始小幅增加。破坏阶段之前,随着轴向应力的增加，阶段单面卸荷产生的声发射能量峰值先增大后减小，产生能量最大值阶段对应的耗散能量比突增，说明在此阶段单面卸荷后应力达到岩石损伤强度，裂纹开始不断扩展形成破裂面，4块试件耗散能量比突增点对应的轴向载荷分别是70，80，90和70 MPa，随着第二主应力的增加，达到岩石损伤强度所需的轴向载荷先增大后减小，从另一个方面验证了前文中第二主应力的增加对试件的承载能力起到先增强后弱化的效果。

瞬时单面卸荷为试件提供了一个变形空间，试件积聚的弹性能向自由面进行瞬间释放，微元体的张拉与摩擦造成声发射量和累计振铃计数增加。破坏阶段之前，单面卸荷后声发射能量呈现下降趋势，累计振铃计数曲线平缓，但在破坏阶段单面卸荷后，声发射能量和累计振铃计数持续上升，随后突然大幅增加，紧接着听到岩石爆裂清脆响声，试件破坏，声发射能量峰值提前于试件应力跌落，声发射能量和累计振铃计数大幅突增可作为岩石破坏的前兆，预测岩爆等动力灾害。

2.3 破坏形态与声发射定位探讨

对试件断裂面进行素描处理，如图7所示。砂岩试件破裂面不平整，端口出现剪切张拉的痕迹，存在多斜面张剪破裂面和2条近似对称的弧形张剪破裂面以及微张裂纹，破裂面可以观察到有明显的剪切摩擦形成的细小粉末颗粒。每次单面卸荷后，岩石中应力都会重新调整平衡，并出现新生裂纹，试件破坏时裂纹贯通就形成了多斜面剪切破裂面。在轴向应力作用下，岩石产生纵向劈裂，平行σ2方向的劈裂纹向X方向产生张性扩展，但是由于试验机的承压板与试件端面之间的摩擦力限制区内试件的侧向扩张，所以2条弧形破坏面是边界约束效应的效果。随着第二主应力的增加，砂岩试件有逐渐由剪切破坏向劈裂破坏转移的趋势。

图7 砂岩破坏形态Fig.7 Sandstone failure pattern

通过安装的6个声发射探头可以对声发射事件进行定位，以4#试件损伤破坏的声发射定位过程进行分析，图8(a)是在加载到σ1=40 MPa单面卸荷后定位点情况，定位点95%处于试件表面，主要是由于夹具与试件表面错位摩擦造成的，少数定位点随机在试件内部，由于原生裂隙压密引发；图8(b)是σ1=70 MPa单面卸荷后的定位点情况，增加的定位点一部分出现在试件表面，另一部分分散在试件内部；图8(c)是σ1=80 MPa单面卸荷的定位点，增加的定位点出现小范围集中，逐渐形成小面积破裂面；图8(d)是试件破坏后的定位点，增加的定位点主要集中在破裂面附近，在轴压达到岩石损伤强度后岩石中的损伤破坏主要是大裂纹的贯通。燕思周在真三轴加载条件下对花岗岩岩爆过程进行声发射定位分析[13]，定位点比较集中，砂岩比花岗岩的原生裂隙更多，反复加卸荷对砂岩内部的损伤更加彻底，破坏后有更多的裂隙发育及小面积破裂面形成，声发射定位点分散，破坏后声发射定位点集中区域与4#试件主要破裂面形状基本吻合。

图8 4#试件不同第一主应力的声发射定位Fig.8 Acoustic emission localization of different first principal stresses of 4# test pieces

3 结论

1)不同第二主应力加卸荷应力-应变曲线的变化趋势大体相同，第二主应力的增加对试件的承载能力起到先增强后弱化的效果。单面卸荷后试件的压缩和扩容受第二主应力的影响。岩石内部应力重新调整是造成试件失稳破坏出现滞后现象的主要原因。

2)声发射能量与累计振铃计数的变化趋势与加卸荷过程相对应，破坏阶段之前随着轴向应力的增加，单面卸荷后声发射能量峰值先增大后减小，在最大值点裂纹发育扩展最剧烈，有破裂面形成。声发射能量峰值提前于试件轴向应力跌落，单面卸荷后，声发射能量和振铃计数大幅突增可作为岩石破坏的前兆，预测岩爆等动力灾害。

3)砂岩试件破坏存在多斜面张剪破裂面和2条近似对称的弧形张剪破裂面以及微张裂纹。通过声发射定位过程分析可知，在低轴压载荷下岩石中活动主要是裂隙压密与发育，在达到岩石损伤强度后岩石中的损伤破坏主要是裂纹贯通形成破裂面。砂岩试件声发射定位点集中区域与试件主要破裂面基本吻合。