不同地质时期砂岩的声发射特性试验研究

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摘要：为研究地质时期对岩石损伤破坏的影响，在MTs815程控伺服刚性试验机上，对不同地质时期砂岩进行单轴压缩下的声发射试验。分析表明：随地质时期由旧到新，砂岩峰值强度处声发射振铃累计计数总量有明显降低的趋势；砂岩振铃计数突变点的累积突变量有上升的趋势；砂岩的破坏呈现越来越迟的特点。不同地质时期砂岩声发射振铃计数突变点处，累计突变量与振铃累计计数总量之比都保持在7.1%左右，此时应力与峰值强度之比都保持在60.0%左右，此时应变与破坏点处应变之比都保持在70.3%左右。据此，可为工程中岩体失稳与破坏的监测预报提供一定的理论基础与数据支撑。

关键词：砂岩声发射；振铃计数；应力；应变；地质时期

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）04-0009-06

0.引言

声发射是（acoustic emission，AE）是指岩石在受力变形破坏过程中，微裂纹的产生、扩展和贯通所释放的能量产生的瞬态弹性波现象lll。现代声发射技术的开始以Kaiser 50年代初在德国所作的研究工作为标志。1963年Goodman率先在试验中将其引入岩石界。随后国内外学者对声发射进行了大量的试验研究，包括受压、张拉、剪切等不同受力状态，线性加载、循环加载、加卸载等不同加载方式，砂岩、大理岩、花岗岩等不同试样材料。

Rao等采用声发射技术研究了岩石在循环加载过程中的渐进破坏性质：Pestman等对砂岩三轴应力状态下的破坏特性和声发射特性关系、应力记忆现象进行了研究：20世纪70年代，声发射技术首先在我国岩土工程和矿山生产中得到应用。陈耦较早地开展了岩石声发射特性的室内试验研究：秦四清等系统地对声发射基础知识、分维特性、地应力测定、岩体稳定性监测进行了论述；付小敏等昀对岩石单轴受力变形过程中的声发射特性开展了试验研究：徐东强等建立了双轴压缩下大理岩声发射与损伤变量之间的线性关系式：余贤斌等研究了直接拉伸、劈裂和单轴压缩时岩石的声发射特性，并进行了对比分析：彭守拙等针对花岗岩声发射特性与破坏机制开展了室内试验研究：李庶林等探讨了加卸载条件下岩石破裂过程的声发射特性：许江等研究了周期循环荷载下岩石的声发射特性：陈子全等研究了水力耦合作用下砂岩的声发射特性。

一次声发射代表材料的一次微损伤，声发射事件表征着材料的细观破裂，因此声发射参量（声发射事件数、能量等）可以用来表征材料的损伤程度，同应力、应变参量一样，声发射参量也应该属于一个本构参量。由于岩石结构的复杂性，在受力条件下岩石变形破裂是一个非线性过程，加之人们对岩石破裂演化机理认识不足，使得在运用声发射监测岩石失稳与破坏中缺乏可靠的理论基础与数据支撑。因此研究与运用声发射技术并将其运用于监测与预报具有重要意义。20世纪末，Dai研究了岩石类材料损伤与声发射特性之间的关系以及不同孔隙度的类岩石材料声发射特性，并认为其研究结果可用于对此类材料破坏的实时监测和预报：尹贤刚等以岩石声发射判断岩石破坏的前兆，对工程预测有相当重要的意义：Zhang等运用声发射技术研究了岩石变形过程中的岩爆倾向：吴贤振等探究了不同破坏模式下岩石声发射振铃计数的特征以及与损伤本构模型的耦合关系：李博等着重研究了单轴加载下砂岩声发射特征与应变之间的关系，并进行了数值拟合。

各国学者对砂岩的声发射特性已经做了大量研究，对砂岩声发射特征参数与应力应变的内在联系也进行了一定的研究。而跨越数亿年沉积下来的砂岩，也因应力历史的不同而显示出一定的规律性与差异性。本文针对3个不同地质时期的砂岩进行单轴压缩下的声发射试验，通过对采集数据的分析处理，探讨声发射振铃计数和应力应变的关系，并绘制声发射振铃累计计数与应变、应力与应变关系图，得到声发射振铃计数突变点，希望为不同地质时期砂岩的监测与预报提供一定的参考依据。

1.试验样品制备

本文的3组岩石试验样品分别取自古生界志留系下统小河坝组（S₁x）绿灰色粉砂岩，形成年代为志留纪，距今4.1-4.38亿年，介壳相：中生界三叠系上统须家河组五段（T₃X⁵）深灰色粉砂岩，形成于三叠纪，距今2.05～2.5亿年，滨海一滨岸沼泽一河流相：中生界侏罗系中统沙溪庙组一段（J₂S¹）灰绿色粉砂岩，形成于侏罗纪，距今1.35～2.05亿年，河流相。3组岩石质地较软，无明显节理裂隙，均匀性较好。试样经粗加工和细加工后，垂直度和平整度均满足试验准确度要求。岩石试样信息见表1，试样见图l。

2.试验设备与测试方法

2.1试验设备

本次试验由两套设备共同完成，加载设备为进口MTS815程控伺服刚性试验机，框架整体刚度5000kN/mm，最大轴压3000kN，应变率适用范围10^-2～10^-7S^-1，加载方式有荷载控制和位移控制两种，数据采集方式和采集参数灵活多变，可根据试验需要任意选取。声发射设备选用声华公司生产的SAEU2S系统，可对试验过程进行全程跟踪监测，并同时采集振铃计数、能量、幅度、荷载等参数，设置前置放大器增益值为40dB，门槛电压值为0.15v。系统结构如图2所示。

2.2测试方法

试验时保持加载过程和声发射监测过程同步进行。对3组不同地质时期砂岩试样进行单轴压缩试验，加载方式首先采用荷载控制，速率15kN/min，荷载达20kN之后转换为位移控制，速率为0.1mm/min，直至试验结束。数据采集选择按荷载每2kN采集一组，同时按位移每0.1mm采集1组，并且采集试验过程中最大荷载组，3种采集方式相互独立，每组数据采集运行时间、荷载和位移3个参数。在单轴压缩试验的同时采集声发射信号。试样端部粘贴医用胶布消除端部噪音影响，声发射探头安放在试样的中央，耦合剂采用凡士林，并用橡皮筋固定。单轴压缩过程声发射数据每组采集间隔1s，各组数据采集绝对时间、幅度、振铃计数、能量和荷载5个参数。振铃计数是指振铃脉冲越过门槛的次数，振铃是在电压信号和时间时域图形上，换能器每震荡一次输出的一个脉冲。将振铃脉冲的峰值连接起来的包络线所围成的一个大信号，称为一个声发射撞击，而幅度是一个声发射撞击的峰值。

3.测试结果与分析

对以上3组不同地质时期的砂岩试样进行单轴压缩下的声发射试验，处理MTS815采集数据和声发射SAEU2S监测系统采集数据，分别得到应力应变相关关系和应力振铃计数相关关系。以应力为桥梁搭建应变与振铃计数相关关系，并绘制3组砂岩的应力一应变曲线图以及试样未破坏前振铃累计计数一应变曲线图，如图3～图5所示。

3.1砂岩声发射振铃计数分析

振铃计数是岩石内部结构变化的外在声学表现，反应声发射活动的强弱程度和岩石内部损伤的演化过程㈣。振铃计数突变点即振铃累计计数随应变激增的点，是声发射活动频繁的起点，也是岩石损伤程度加快的起点，寻找并监测此点出现的位置在实际工程中意义重大。3组试样振铃计数突变点的位置如图3～图5所示。不同地质时期砂岩峰值强度处声发射振铃累计计数总量（累计总量）、振铃计数突变点处累计量（累计突变量）以及累积突变量与累积总量的百分比值，见表2。不同地质时期砂岩声发射过程具有以下特征：

1）小河坝组、须家河组和沙溪庙组3组砂岩试样声发射振铃累计计数总量依次为268 803次、146821次、105827次。Goodman等证实岩石具有记忆功能，满足Kaiser效应。地层年代由旧到新，所经历的应力历史越少，岩石上记忆的应力次数相应越少，并且累计损伤程度也相应越小，所以振铃累计计数总量呈现出明显逐渐下降的特性。

2）3组试样声发射振铃计数突变点处累计突变量分别为7516次、10 389次、11486次。因此，随地质时期由旧到新，砂岩声发射振铃计数累计突变量有逐渐上升的趋势。

3）砂岩声发射振铃计数突变点始终出现在振铃累计计数总量7.1%左右，一个相对较低的水平。随地质时期由旧到新，砂岩振铃累计计数总量越来越小，而振铃累计计数突变量越来越大，所以砂岩振铃累计计数突变量与总量之比越来越大，突变点的出现呈现越来越迟的特点。

3.2砂岩应力应变与振铃计数突变点关系分析

单轴压缩过程和声发射过程同步进行，当声发射振铃计数突变时，应力一应变曲线上存在一点E，使得E点应变与振铃累计计数一应变曲线上突变点应变相等。突变点和E点是试验过程中同一特定时刻岩石所处的状态。E点位置如图3～图5所示。不同地质时期砂岩峰值应力和振铃计数突变点处应力（突变点应力）以及突变点应力和峰值应力比值见表3；不同地质时期砂岩峰值强度处应变（破坏应变）和振铃计数突变点处应变（突变点应变）以及突变点应变与破坏应变比值见表4。分析表3、表4可知：

1）3组砂岩振铃计数突变点应力与峰值应力平均百分比分别为：54.97%、61.51%、63.38%。即随着地质时期的发展，砂岩振铃计数突变点应力与峰值应力之比逐渐增大，E点的出现呈现越来越晚的特点，也即突变点出现的越来越迟。

2）3组砂岩振铃计数突变点应变与破坏应变平均百分比分别为：68.56%、68.74%、73.71%。即随着地质时期的发展，砂岩振铃计数突变点应变与破坏应变之比逐渐增大，E点的出现呈现越来越晚的特点，也即突变点出现的越来越迟。

3）振铃计数突变点处，砂岩应力达到峰值应力的60.0%左右，即突变点应力水平（3组砂岩突变点应力与峰值应力的均值百分比）维持在60.0%附近，突变点应力和峰值应力之比相对突变点应力水平的偏差范围为0～23.8%：砂岩振铃计数突变点处，应变达到破坏应变的70.3%左右，即突变点应变水平维持在70.3%，突变点应变和峰值应变之比相对突变点应变水平的偏差范围0～26.2%。然而，同时到达的突变点应力水平和突变点应变水平进程并非等值匹配，而是后者高出前者10%。越靠近破坏，岩石损伤程度越严重，声发射振铃累计计数总量越大；因此，在振铃计数突变点处相对应力而言，应变进行的程度更大（最大为100%），因此，应变对声发射活动具有更高的敏感性。此数据可为工程监测砂岩失稳与破坏提供参考。

4.结束语

通过对不同地质时期砂岩的声发射振铃计数以及应力应变3者之间的关系分析得出：

1）随地质时期由旧到新，砂岩声发射振铃累计计数总量呈明显下降的趋势：振铃累计计数突变量有逐渐上升的趋势。

2）随地质时期由旧到新，砂岩声发射振铃计数突变点的出现呈现越来越迟的特点。越来越迟的并非是岩石变形到出现声发射振铃计数突变点的时间，而是相对振铃累计计数总量、峰值应力、破坏应变而言，突变点出现的位置振铃累计计数突变量、突变点应力、突变点应变都越来越大。

3）砂岩声发射振铃计数突变点始终出现在振铃累计计数总量7.1%附近，一个相对较低的水平：突变点始终出现在砂岩应力达到峰值应力的60.0%附近：突变点始终出现在砂岩应变达到破坏应变的70.3%附近。据此，可为工程监测提供一定的理论基础与数值支撑。

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