单轴压缩条件下闪长岩的声发射特征

吴述宽，徐金明, 2，涂齐亮

(1.上海大学土木工程系, 上海 200444;2.上海大学文化遗产保护基础科学研究院, 上海 200444;3.中铁十七局集团有限公司, 山西 太原 030006)

0 引 言

外部荷载作用下，材料内部已有裂缝会闭合、扩展、贯通，也可能产生新的裂缝。裂缝变化过程中材料内部能量快速释放而发出瞬态弹性波的现象称为声发射AE(Acoustic Emission)。对于岩石材料，声发射现象对应的声发射特征参数与岩石中裂缝的产生、扩展、演变存在一定联系，可以通过分析声发射特征参数来研究岩石的变形破坏过程。

岩石变形破坏过程中的声发射特征，已经获得了很多成果。比如AGIOUTANTIS等[1]使用Nestos大理岩三点弯曲试验与声发射试验结果，对岩石损伤位置进行了比较准确的确定；Nomikos等[2]进行了DIONYSOS大理岩的单轴压缩试验和声发射试验，认为声发射活跃期开始时的应力比最大应力低30%、裂缝损伤阈值与平均信号电平有关；RODRGUEZ等[3]对大理岩与二长花岗岩进行了声发射源的三维定位和岩相学分析，研究了岩石变形破坏过程中裂缝的演变特征；ZHOU[4]根据声发射试验结果，研究了单轴压缩下大理岩的破坏演变过程及声发射分形维数变化特征；李俊平等[5]对大理岩、磁铁矿、含矿矽卡岩、花岗闪长斑岩进行了单轴压缩声发射试验，认为应力增加时同种岩石声发射主频不会平移、声发射主频特征与岩石强度有关；张省军等[6]研究了粗粒花岗岩 、大理岩和砂岩累计声发射振铃计数、声发射能量释放率和b值的变化规律与岩石破坏前兆的关系；赵兴东等[7]开展了花岗岩在单轴压缩条件下的声发射试验，分析了破裂过程中岩石内部微裂纹初始、扩展过程的空间演化模式；张茹等[8]研究了花岗岩在多级荷载下声发射事件率、能量释放率的变化规律，认为岩体破坏发生前多出现声发射的突然下降或相对平静期现象；ZHAO等[9]对北山花岗岩进行了单轴和三轴压缩声发射试验，提出了依据声发射特征参数确定裂缝出现初始应力和破坏应力的方法；乔兰等[10]根据深部花岗闪长岩压缩试验和声发射试验结果，研究了声发射参数与岩石破裂过程的关系；纪洪广等[11]根据不同围压下花岗岩声发射试验结果，研究了低频和高频声发射信号时振铃计数、能量累计数与岩石应力、时间之间的关系；李庶林等[12]研究了不同岩石在单轴受压时声发射事件数、事件率(单位时间内声发射事件数)与应力、时间的关系；ZHANG等[13]进行了花岗岩、石灰岩、砂岩的单轴压缩试验和声发射试验，推导了岩爆倾向指数与声发射累计振铃计数关系的理论公式；吴贤振等[14]探讨了不同岩石、不同破坏模式下的声发射特征，得到了声发射振铃累计计数与损伤变量、应力的耦合关系；付小敏[15]根据不同岩石声发射试验结果，认为岩石特征是声发射的初始应力水平各不相同的主要原因、声发射累计参数相对稳定阶段可作为岩石弹性极限的确定依据；谢强等[16]根据石灰岩单轴压缩试验的声发射测试，认为岩石内部裂纹形成与既有裂纹扩展是岩石加载过程中声发射活动的主要原因；吴永胜等[17]研究了单轴加载过程中云南大红山铜矿2组凝灰岩声发射活动与时间、应力、变形的关系；左建平等[18]开展了煤岩体破裂过程中声发射行为及时空演化机制的试验，研究了岩石、单体煤以及煤岩组合体在单轴压缩试验下的声发射特征，分析了不同岩石破坏机制的差异。

目前，闪长岩的声发射特征研究较少，声发射瞬时参数与累计参数两方面的综合分析不多，声发射传感器位置对声发射特征参数影响的考虑也不够。本文拟以闪长岩为例，根据岩石单轴压缩试验和声发射试验结果，从瞬时参数与累计参数两方面来分析单轴压缩条件下闪长岩变形破坏过程中的声发射特征，研究声发射传感器布设位置不同对声发射特征参数的影响。

1 闪长岩的声发射试验

1.1 试样制备

原始试块取自于某铁路隧道的侧壁，切取方向垂直于侧壁水平方向。原始试块外径为130 mm、形状为圆柱形。在室内将原始试块沿三个方向加工成直径为50 mm、高为100 mm的圆柱体试样，三个方向分别为试样轴线与原始试块轴线成0°(纵向)、45°(斜向)、90°(横向)。试样表面进行磨滑处理、以便使试件不平行度与不垂直度控制在0.02 mm以内(图1)。

图1 试样外观示意图Fig. 1 Outline of specimens

1.2 加载方式

试验所用设备为岩石液压伺服试验机与PXDAQ1672G声发射测试系统(图2)。图2中，两个声发射传感器固定于试样上下两端、分别记为2号和1号。

试验时，采用位移控制方式进行单轴分级加载：一级加载速率为0.1 mm/s(加载至20 kN)，二级加载速率为0.05 mm/s(加载至250 kN)，三级加载速率为0.01 mm/s(加载至破坏)。每级加载后均保持45 s。声发射系统的增益设为40 dB，门槛为55 dB。该采集器具有16Bit的采集精度、每个通道的采样率为10 MS/s(图3)。

图2 声发射测试系统外观图Fig. 2 Outline of acoustic emission testing system

图3 PXDAQ16172G声发射采集器Fig. 3 Acoustic emission collector of PXDAQ16172G

2 闪长岩的声发射特征分析

2.1 不同试样声发射特征参数分析

试验过程中，随着荷载的逐步增加，岩石内部会不断产生裂隙；伴随着裂隙的产生、扩展以及颗粒间的相互作用，会产生大量声发射事件。

以1号传感器为例，从不同方向试样瞬时声发射特征参数(振铃计数率、能量释放率、声发射事件率)与累计声发射特征参数(累计振铃计数、累计能量、累计声发射事件)两方面来分析岩石变形破坏过程中的声发射特征。

2.1.1横向试样

(1)瞬时声发射特征参数

横向试样振铃计数率、能量释放率与声发射事件率分别如图4、图5、图6所示。

图4 横向试样振铃计数率Fig.4 Ringing count rate of the transverse specimen

图5 横向试样能量释放率Fig.5 Energy release rate of the transverse specimen

图6 横向试样声发射事件率Fig.6 Acoustic emission event rate of the transverse specimen

从图4和图5可以看出，横向试样的振铃计数率与能量释放率均存在3个峰值，在应力峰值附近声发射较为活跃。其中，第一个和第三个峰值较小，第二个峰值最大；三个峰值之间存在两个低谷，低谷处的振铃计数率与能量释放率均处于较低水平，声发射活动比较平静。

从图6可以看出，横向试样的声发射事件率也存在三个峰值，峰值之间的声发射事件率较低，与振铃计数率与能量释放率的变化相对应。

(2)累计声发射特征参数

横向试样的累计振铃计数曲线与累计能量曲线如图7所示，累计声发射事件如图8所示。

图7 横向试样累计能量与累计振铃计数曲线Fig.7 Cumulative energy and cumulative ringing count curve of the transverse specimen

图8 横向试样累计声发射事件曲线Fig.8 Accumulated event curve of the transverse specimen

从图7可以看出，累计振铃计数曲线与累计能量曲线均呈台阶式增长。从试验开始至307.32 s，累计振铃计数与累计能量均处于低水平、增长趋势缓慢；在307.32 s、476.54 s、528.80 s，累计振铃计数与累计能量曲线出现大幅度激增；307.32 s时，试样产生新生裂隙，对应应力为16.21 MPa；476.54 s时应力达到峰值(40.52 MPa)并发生跌落，岩石产生较大的裂隙；528.80 s时，应力为41.09 MPa，试样开始完全破坏，大量裂隙开始产生并贯通。

从图8可以看出，横向试样累计声发射事件出现三次激增，三个激增点与累计能量和累计振铃计数的三个激增点相对应；激增点之间的增长速度比较缓慢。

2.1.2纵向试样

(1)瞬时声发射特征参数

纵向试样的振铃计数率、能量释放率与声发射事件率分别见图9、图10和图11。

图9 纵向试样振铃计数率Fig.9 Ringing count rate of the longitudinal specimen

图10 纵向试样能量释放率Fig.10 Energy release rate of longitudinal specimen

图11 纵向试样声发射事件率Fig.11 Acoustic emission event rate of the longitudinal specimen

从图9和图10可以看出，纵向试样的振铃计数率与能量释放率存在三个峰值，三个峰值的数值较大、在时间上相距较近；三个峰值之间，振铃计数率与能量释放率较低、远小于峰值，声发射活动较少。从图11可以看出，纵向试样的声发射事件率也存在3个峰值，峰值之间的声发射事件率相对较低。

(2)累计声发射特征参数

纵向试样的累计振铃计数曲线与累计能量曲线如图12所示，累计声发射事件数如图13所示。

图12 纵向试样累计能量与累计振铃计数曲线Fig.12 Cumulative energy and cumulative ringing count curve of the longitudinal specimen

图13 纵向试样累计声发射事件曲线Fig.13 Accumulated event curve of the longitudinal specimen

从图12 可以看出，累计振铃计数曲线与累计能量曲线也呈台阶式增长，两条曲线有三次大幅度激增：第一次激增发生在469.44 s，应力为42.72 MPa，试样内部开始产生新生裂隙；第二次激增发生于493.50 s，应力达到最大值47.08 MPa，试样内部出现较大裂隙；第三次激增发生于534.28 s，应力为43.91 MPa，贯通裂隙开始产生，试样开始完全破坏。三次激增中，第三次增长幅度最大，第二次次之，第一次最小。

从图13可以看出，纵向试样的累计声发射事件出现一次大幅激增，在开始加荷至激增点之间累计声发射事件处于低水平，从激增点开始累计声发射事件大幅增长、直至试样完全破坏。

2.1.3斜向试样

(1)瞬时声发射特征参数

斜向试样的振铃计数率、能量释放率与声发射事件率分别如图14、图15、图16所示。

图14 斜向试样振铃计数率Fig.14 Ringing count rate of the oblique specimen

图15 斜向试样能量释放率Fig.15 Energy release rate of the oblique specimen

图16 斜向试样声发射事件率Fig.16 Acoustic emission event rate of the oblique specimen

从图15和图16可以看出，斜向试样的振铃计数率与能量释放率也有三峰值：三个峰值大小顺序是第三、第二、第一个峰值；在峰值之间的两个低谷，声发射振铃计数率与能量释放率较低，声发射活动较少、持续时间较长。

从图16可以看出，斜向试样的声发射事件率有三个峰值，峰值之间的声发射事件率也较低。

(2)累计声发射特征参数

斜向试样的累计振铃计数曲线与累计能量曲线如图17所示，累计声发射曲线如图18所示。

图17 斜向试样累计能量与累计振铃计数曲线Fig.17 Cumulative energy and cumulative ringing count curve of the oblique specimen

图18 斜向试样累计事件曲线Fig.18 Accumulated event curve of the oblique specimen

从图17可以看出，斜向试样累计振铃计数与累计能量曲线均发生三次激增：第一次激增发生于396.08 s，增长速度缓慢，应力为25.30 MPa，试样内部开始产生裂隙；第二次和第三次为激增为大幅度激增；第二次激增发生于546.32 s，应力为49.47 MPa，试样内部出现较大裂隙；第三次激增出现于608.10 s，此时岩石开始完全破坏。

从图18可以看出，斜向试样累计声发射事件曲线发生两次激增，两次激增后一段时间内累计声发射事件曲线增长缓慢、随后又快速增长。

2.2 不同传感器位置对声发射特征的影响

1号传感器位于试样下部，2号传感器位于试样上部(见前述图3)。现对这两种位置下不同试样声发射参数测试结果作以简要分析。

(1)横向试样

振铃计数率与能量释放率：1号传感器最大峰值出现在试样开始产生贯通裂缝、发生完全破坏之前，2号传感器最大峰值出现在试样产生贯通裂缝、发生完全破坏之时。

声发射事件率： 2号传感器在相对平静期的声发射事件率低于1号传感器。

累计振铃计数与累计能量：1号传感器陡增幅度很小，最大陡增幅度位于开始出现较大裂隙时、试样完全破坏之前；2号传感器陡增幅度较大，最大陡增幅度出现于试样破坏之时。

累计声发射事件数：1号传感器有三个激增点，2号传感器的累计声发射事件曲线有四个激增点。

(2)纵向试样

振铃计数率与能量释放率：1号传感器有三个峰值，最大峰值发生在岩石完全破坏时；2号传感器有两个峰值，最大峰值出现于岩石完全破坏之前。

声发射事件率：1号传感器在相对平静期和峰值时的声发射事件率相差不是很大、没有出现明显的低谷；2号传感器在相对平静期的声发射事件率远低于峰值、出现明显的低谷。

累计振铃计数与累计能量：1号传感器出现三次陡峭式激增，2号传感器的数值较小、仅出现两次陡峭式激增(分别与1号传感器的第二和第三次激增相对应)。

累计声发射事件数：1号传感器在首次激增到试样完全破坏的增长比较大，2号传感器的增长速度非常缓慢。

(3)斜向试样

振铃计数率与能量释放率：两个传感器的变化规律基本一致，但2号传感器所测数值比1号传感器要小得多。

声发射事件率：1号传感器在峰值之间的声发射事件率比2号传感器要高，低谷不太明显。

累计振铃计数率与累计能量：两个传感器的变化趋势基本一致，但2号传感器所测数值要低于1号传感器。

累计声发射事件数：1号累计声发射事件数有三个激增点， 2号传感器只有一个激增点。

2.3 声发射特征参数与岩石变形破坏的关系

振铃计数与能量释放率：三个试样均出现三个峰值，第一个峰值对应于试样出现新生裂隙，第二个峰值均较大、对应于试样内部产生了较大裂隙，第三个峰值对应于试样完全破坏、贯通裂缝出现并不断扩展。

累计振铃计数与累计能量曲线：三个试样均出现三次大幅度激增、与振铃计数率和能量释放率的三个峰值相对应。

综合声发射瞬时参数(振铃计数率、能量释放率)与累计参数(累计振铃计数、累计能量)变化过程可知，三个试样在变形破坏过程中均经历了两次声发射相对平静期。第一个相对平静期发生在岩石首次产生新生裂隙之后；第二个声发射相对平静期发生在岩石开始完全破坏前、开始时应力与最大应力之比平均值为0.84、结束时应力与最大应力之比为0.97，第二个相对平静期结束后岩石裂缝迅速扩展、贯通并形成主裂缝、可作为岩石破坏的前兆。据此，可以将闪长岩变形破坏过程分为三个阶段：

第一阶段：岩石压密期。该阶段为试验开始至累计声发射参数的第一个激增点；在这一阶段，累计振铃计数与累计能量均处于较低水平，声发射主要是岩石中既有裂缝出现压密、不同颗粒产生摩擦所致。

第二阶段：裂缝产生期。该阶段为出现第一个激增点至岩石开始破坏；在这一阶段，岩石中产生许多新生裂缝、出现大量声发射、释放较大能量，但在该阶段内两个相对平静期累计振铃计数与累计能量增长速率较慢、声发射发生次数较少。

第三阶段：岩石破坏期。该阶段为岩石第二个声发射相对平静期结束至岩石完全破坏；在这一阶段，裂缝扩展迅速、持续时间较短，贯通主裂缝在瞬间产生、并释放大量的能量，岩石有少量碎屑飞出、并迅速失去承载能力。

2.4 不同方向试样的声发射参数与裂缝差异

下面分别从瞬时声发射参数(振铃计数率、能量释放率、声发射事件率)、累计参数(累计振铃计数、累计能量)和试样变形破坏过程中产生的裂缝等方面阐述不同试样的声发射参数与裂缝在岩石变形破坏过程中的差异。

就振铃计数率与能量释放率而言，横向试样和斜向试样振铃计数率与能量释放率曲线的第一个峰值较小，而纵向试样的第一个峰值较大。横向试样的振铃计数率与能量释放率在第二次声发射活跃期时峰值最大，而纵向试样与斜向试样在第三次声发射活跃期时峰值最大。就声发射事件率而言，横向试样和斜向试样声发射事件率峰值之间的两个低谷相对于纵向试样更为明显，且三个峰值之间的时间间隔较长，而纵向试样声发射事件率峰值之间的时间间隔较短。

就累计振铃计数与累计能量而言，在累计振铃计数与累计能量曲线发生第一次激增时，横向试样和纵向试样的激增较为陡峭，而斜向试样较为平缓。在累计振铃计数与累计能量曲线发生第三次激增时，横向试样激增幅度较小，而纵向试样和斜向试样激增幅度较大。不同方向试样在整个试验过程中的累计振铃计数与累计能量在数值上斜向试样与纵向试样均较为接近，远大于横向试样。

就试验过程中产生的裂缝而言，横向试样裂缝与试样轴线夹角较大，且各裂缝相交于试样上端面或下端面。与横向试样相比，纵向试样裂缝与试样轴线夹角相对较小且分布相对集中，裂缝之间的间隔较小，裂缝之间近似平行。斜向试样裂缝试样轴线近似平行，裂缝分布相对分散。

作者认为，横向试样在第二次声发射活跃期时产生了较大的新生裂隙，在第三次声发射活跃期时，新生裂隙扩展贯通整个试样，使试样失去承载能力。纵向试样和斜向试样在第二次声发射活跃期产生了较大的新生裂隙，在第三次声发射活跃期时，再次产生新的较大裂隙，各主裂隙贯通而使试样失去承载能力。不同试样的产生裂缝的差异与岩石成分的含量与分布、岩石成因以及试样内部原有的微裂隙有关。

3 确定Kaiser点的建议方法

下面根据不同方向试样的瞬时声发射参数与累计声发射参数来确定Kaiser点。

3.1 横向试样

在173.18 s时，累计声发射事件数与累计振铃计数在短时间内出现较大幅度增加，但增加后曲线增长缓慢、能量释放率处于较低水平，说明此时声发射事件并非由新生裂缝所致、而是原有裂隙中微小颗粒间摩擦造成的。

在307.32 s时，累计声发射事件与累计振铃计数出现大幅度激增，此后起振铃计数率、声发射事件率与能量释放率均开始大幅增加，岩石内部产生新生裂缝，此时对应曲线位置可作为Kaiser点。由于此时应力为16.21 MPa，因而横向试样Kaiser点对应的应力为16.21 MPa。

3.2 纵向试样

累计声发射事件曲线的转折点发生于399.83 s；此时，振铃计数率、能量释放率、累计振铃计数处于较低水平、并未在短时间内大幅度增加；此时的声发射现象应该是岩石内部原有裂隙中颗粒摩擦造成的，此刻的对应曲线位置可不应视作Kaiser点。

在469.94 s时，累计振铃计数开始较大幅度激增，声发射累计事件在短时间内急剧增加，能量释放率、振铃计数率开始处于较高水平，声发射事件率也处于较高水平。此后开始出现大量声发射事件、大量能量迅速释放，岩石中产生较大的新生裂隙，对应曲线的位置可作为Kaiser点。由于此时应力为42.81 MPa，因而纵向试样Kaiser点的对应应力为42.81 MPa。

3.3 斜向试样

在350.42 s时，累计声发射事件数增加幅度较大，此时的大量声发射事件是由于既有裂隙中颗粒间摩擦造成的，该点不应视作Kaiser点。

自395.91 s起，振铃计数率和能量释放率均处于较高水平，声发射事件率处于较高水平，开始出现大量的声发射事件、较多能量也迅速释放，累计振铃计数曲线出现较为明显的转折点，曲线对应位置可视作Kaiser点。由于此时应力为25.74 MPa，因而斜向试样Kaiser点的对应应力为25.74 MPa。

3.4 Kaiser点的综合确定

由3.1～3.3可知，结合瞬时声发射参数与累计声发射参数可较为准确地确定Kaiser点的位置。

根据声发射事件率、累计声发射事件数与能量释放率的大小及其变化特征，可确定振铃计数曲线转折点的原因(是既有裂隙中颗粒间摩擦造成、还是新生裂隙造成)；如果振铃计数曲线转折点是新生裂隙造成，则可将振铃计数曲线转折点视作Kaiser点。

4 结论

本文根据闪长岩的单轴压缩试验和声发射试验结果，研究了单轴压缩条件下闪长岩变形破坏过程的瞬时与累计声发射参数特征，分析了声发射传感器位置对声发射特征参数的影响，得到如下结论：

(1) 在变形破坏过程中，三个方向的闪长岩试样声发射事件都经历了两次相对平静期，第一次相对平静期发生在岩石产生新生裂隙之后，第二次相对平静期发生于岩石完全破坏之前，第二个相对平静期对应应力与最大应力之比的平均值为0.84, 此值可作为岩石破坏前兆；

(2) 根据三个试样的声发射特征参数变化规律将岩石变形破坏过程分为三个阶段，依次为岩石压密期、裂缝产生期、岩石破坏期。

(3) 可结合瞬时与累计声发射参数来较为准确地确定Kaiser点，闪长岩试样轴线与原始试块轴向成0°(纵向试样)、45°(斜向试样)、90°(横向试样)时Kaiser点对应的应力分别为25.74、42.81、16.21 MPa。