單軸壓縮下巖石聲發(fā)射定位實驗的影響因素分析

1、第27卷第4期巖石力學(xué)與工程學(xué)報V ol.27 No.4 2008年4月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April,2008單軸壓縮下巖石聲發(fā)射定位實驗的影響因素分析許江,李樹春,唐曉軍,陶云奇,姜永東(重慶大學(xué)西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點實驗室,重慶 400044摘要:應(yīng)用聲發(fā)射及其定位技術(shù),在單軸壓縮載荷作用下,采用實驗方法觀察重慶細(xì)砂巖試樣破裂失穩(wěn)過程中其內(nèi)部微裂紋孕育、發(fā)展的三維空間演化模式,研究巖石聲發(fā)射定位實驗的影響因素。實驗結(jié)果表明:(1 端部摩擦對巖石破裂過程中的聲發(fā)射特征影響顯著,采用11(質(zhì)量比

2、硬脂酸和凡士林的混合物作為減摩劑進行AE定位實驗,在試樣初始壓密階段基本沒有AE事件,取得較好的效果。(2 重慶細(xì)砂巖的AE定位事件主要分布在中部,呈散漫分布,兩端沒有明顯的條帶叢集現(xiàn)象,中部沒有得到聲發(fā)射定位事件的“空白區(qū)”,通過與相關(guān)成果的對比,說明巖石的種類、構(gòu)造和均勻程度是AE定位實驗的主要影響因素之一。(3 加載方式和加載的控制方式會直接影響巖石試樣破壞的進程和程度,從而影響AE事件。(4 通過重慶細(xì)砂巖試樣疲勞荷載AE定位實驗說明加載歷史對AE時間序列及AE事件均有影響。以上實驗和分析結(jié)果可以為巖石聲發(fā)射定位實驗的方案設(shè)計提供參考。關(guān)鍵詞:巖石力學(xué);聲發(fā)射;巖石破裂;裂紋;單軸荷載

3、中圖分類號:TU 458+.3 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:10006915(200804076508INFLUENTIAL FACTORS OF ACOUSTIC EMISSION LOCATIONEXPERIMENT OF ROCK UNDER UNIAXIAL COMPRESSIONXU Jiang,LI Shuchun,TANG Xiaojun,TAO Yunqi,JIANG Yongdong(Key Laboratory for the Exploitation of Southwestern Resources and the Environmental Disaster Contr

4、ol Engineering,Ministry ofEducation,Chongqing University,Chongqing400044,ChinaAbstract:Acoustic emission(AE technique can be used to monitor the microcracks development in the rock test samples continuously in real-time;it is better than other methods. AE location technique is employed to study crac

5、k initiation and propagation process of Chongqing sandstone. Also,the crack spatial evolution mode with loading time has been observed and the influential factors of AE location experiment of the sandstone have been discussed. The experimental results are displayed as follows. (1 The attrition of th

6、e tip of the sample has remarkable influence on AE characteristic in the rock failure process;and the mixture of the stearic acid and the vaseline(weight ratio 11 is used as attrition-reduced agent to the AE location experiment. No AE event is found when the initial crack is closed;it will obtain a

7、better effect. (2 The AE location of the Chongqing sandstone test sample mostly is distributed in central-section and assumes dispersion. No void space is shown in the central-section of the sample. Contrasted with the relevant studies,it is shown that the rock type,the structure and the level of un

8、iformity are the major influential factors. (3 The load mode and the load control mode can directly affect the rock failure process so as to affect the AE events. (4 AE location experiment of the Chongqing sandstone test sample under fatigue load shows that the load history affects the AE time serie

9、s and the AE events. The experimental and analytical results can afford useful help for the program design of AE location experiment of收稿日期:20071016;修回日期:20071127基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50574108;國家自然科學(xué)基金重點項目(50534080;教育部博士點基金資助項目(20060611006作者簡介:許江(1960,男,博士,1982年畢業(yè)于重慶大學(xué)采礦系礦山工程物理專業(yè),現(xiàn)任教授、博士生導(dǎo)師,主要從事巖石力學(xué)與工程方

10、面的教學(xué)與研究工作。E-mail:jiangxu 766 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2008年rocks.Key words:rock mechanics;acoustic emission(AE;rock failure;crack;uniaxial load1 引言巖石材料受外力或內(nèi)力作用時,由于其自身的形變和裂紋擴展而造成的脆性材料內(nèi)局部因能量的快速釋放而發(fā)出的瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象,稱為聲發(fā)射(acoustic emission,AE。聲發(fā)射的研究有助于揭示材料內(nèi)部微破裂萌生、擴展和斷裂的演化規(guī)律,可廣泛應(yīng)用于巖石類材料的微破裂機制、地震序列、原巖地應(yīng)力以及巖體穩(wěn)定性等領(lǐng)域的研究1。目前對巖石聲發(fā)射

11、的理論研究主要集中在巖石受載破壞過程中的聲發(fā)射規(guī)律、Kaiser效應(yīng)及聲發(fā)射損傷理論等方面。李庶林等2和蔣宇等3分別對單軸受壓巖石破壞全過程和疲勞荷載過程進行了聲發(fā)射實驗,分析了巖石破壞過程中的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征。C. Li和E. Nordlund4通過8種巖石實驗發(fā)現(xiàn)除了鐵礦石以外大部分巖石具有Kaiser效應(yīng)。李元輝等5通過實驗提出巖石材料在受壓變形過程中產(chǎn)生的塑性變形是出現(xiàn)Felicity效應(yīng)的主要原因。張明等1利用累積聲發(fā)射數(shù)與損傷變量一致的觀點,建立了準(zhǔn)脆性材料聲發(fā)射的損傷模型,得到了聲發(fā)射率和Kaiser效應(yīng)的一般表達式。在巖石聲發(fā)射的應(yīng)用研究方面,張立杰等6基于聲發(fā)射的煤巖動力

12、失穩(wěn)行為實驗與現(xiàn)場相關(guān)測試的比較,綜合分析了復(fù)雜變化環(huán)境下煤巖的失穩(wěn)聲發(fā)射定量規(guī)律。姜永東等7應(yīng)用彈性力學(xué)理論推導(dǎo)出地下巖體測點處的地應(yīng)力表示和地應(yīng)力橢球基本方程,研究了聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測定巖體地應(yīng)力的原理、方法和測試技術(shù)。趙奎等8將小波分析技術(shù)應(yīng)用到巖石聲發(fā)射測量地應(yīng)力信號處理分析中,為研究巖石聲發(fā)射測量地應(yīng)力機制提供了新的研究思路和方法。盡管對巖石聲發(fā)射理論與應(yīng)用的研究已經(jīng)取得了不少成果,但這些研究成果不能完全反映巖石在整個加載過程中其內(nèi)部微裂紋孕育、萌生、擴展、成核和貫通的三維空間演化過程。趙興東等9在前人研究成果的基礎(chǔ)上,應(yīng)用聲發(fā)射及其定位技術(shù)研究了單向加載條件下含不同預(yù)制裂紋以

13、及完整的花崗試樣破裂失穩(wěn)過程中其內(nèi)部裂紋孕育、萌生、擴展、成核和貫通的三維空間演化過程,并分析了隨應(yīng)力應(yīng)變變化巖石的聲發(fā)射活動特性。這一形象化的研究成果增加了對巖石破裂過程中聲發(fā)射特征的新認(rèn)識。在單軸單調(diào)加載和疲勞荷載條件下對重慶細(xì)砂巖完整試樣的聲發(fā)射定位實驗過程中,筆者并未得到趙興東等9中的完整試樣的實驗結(jié)果。例如:趙興東等9所得到的結(jié)果表明,試樣兩端有較明顯的聲發(fā)射定位事件叢集,中部有較大的“空白區(qū)”。而本文的實驗結(jié)果表明,重慶細(xì)砂巖的AE定位事件主要分布在中部,呈散漫分布,兩端沒有明顯的條帶叢集現(xiàn)象,且其中部沒有得到聲發(fā)射定位事件的“空白區(qū)”。結(jié)果的差異并不能說明哪種現(xiàn)象更典型,不過,這

14、一現(xiàn)象引發(fā)了作者對聲發(fā)射定位實驗影響因素的思考。為此,本文擬通過不同實驗結(jié)果的對比,對端面減摩措施、加載方式和加載控制方式、探頭數(shù)量、加載歷史、巖石構(gòu)造和均勻程度等幾個在聲發(fā)射定位實驗中需要重點關(guān)注的問題進行了分析。2 實驗概述2.1試樣的采集與制作實驗用試樣選用重慶細(xì)砂巖,為盡可能降低因天然巖石試樣個體差異造成的實驗結(jié)果的離散性,在大塊完整無節(jié)理的砂巖體上采取密鉆取樣提取巖芯,且以自然位置最為臨近的試樣進行分組。采用濕式加工法在實驗室內(nèi)將所采集的細(xì)砂巖加工成50 mm×50 mm×100 mm(長×寬×高的長方體試樣,試樣加工成型后,打磨端面,使其端面

15、平整度控制在0.02 mm以內(nèi),試樣加工好后置于室內(nèi)通風(fēng)條件較好的位置自然風(fēng)干2周以上。2.2加載裝置與方式實驗用動力裝置采用美國MTS815巖石力學(xué)測試系統(tǒng),該試驗機主要用于測試高強度固體材料在單軸、三軸、單調(diào)、循環(huán)、蠕變等各種條件下的力學(xué)實驗,設(shè)備具有軸向剛度大、測試精度高、性能穩(wěn)定以及可靠的特點,采用力、位移、軸向或橫向應(yīng)變等多種控制方式,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高、低速采集,第27卷第4期許江,等. 單軸壓縮下巖石聲發(fā)射定位實驗的影響因素分析 767 并通過軸向和橫向各種力、位移傳感器自動繪制材料的應(yīng)力、應(yīng)變、位移及時間曲線。實驗按加載方式分為單軸單調(diào)加載和單軸疲勞荷載兩大類,其中,疲勞荷載實驗的

16、上限應(yīng)力取相應(yīng)單軸抗壓強度的90%,下限應(yīng)力則取相應(yīng)單軸抗壓強度的45%,疲勞荷載實驗采用力控制,加載波形選擇三角波。2.3聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)采用美國物理聲學(xué)公司PAC(Physical Acoustic Corporation生產(chǎn)的PCI2聲發(fā)射測試分析系統(tǒng),該系統(tǒng)是該公司推出的最新產(chǎn)品,采用了PCI2板卡,最大限度地降低了采集噪聲,該系統(tǒng)是一種全數(shù)字化、多通道、計算機化系統(tǒng),由于采用了18位A/D轉(zhuǎn)換技術(shù),可以實現(xiàn)對聲發(fā)射信號實時采集的同時,對波形信號進行實時采集和存儲。PCI2系統(tǒng)具有超快處理速度,低噪聲,低門檻值和可靠的穩(wěn)定性。本實驗中設(shè)定聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)的主放為4

17、0 dB,門檻值為45 dB,探頭諧振頻率為20400 kHz,采樣頻率為1 M次/s。為保障實驗效果,實驗采用8個探頭進行檢測,其分布位置按PCI2聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)說明書進行布置,聲發(fā)射探頭的檢測面抹上一層偶合劑并緊貼在試樣表面,并排凈空氣,然后采用膠帶固定。圖1給出了AE傳感器安裝圖。圖1AE傳感器安裝圖Fig.1 Schematic diagram of allocation of AE sensors2.4減摩劑端部摩擦(承壓板與試樣上下端面間的摩擦在其表面產(chǎn)生了一個剪應(yīng)力,而該剪應(yīng)力起到了一個沿著試樣徑向向內(nèi)的“箍”的作用,使得試樣內(nèi)產(chǎn)生了三軸應(yīng)力狀態(tài)10,使單軸壓縮變成了局部三軸

18、壓縮。同時由于摩擦噪聲影響改變了AE 實驗結(jié)果。Z. T. Bieniawski和J. C. Bernede提出把試樣兩端用硫或膠泥涂封以達到一定的光滑度,但這2 種方式都會過大地強化試樣,而采用聚四氟乙烯填料以減小試樣兩端和加載端面的摩擦?xí)鹣蛲鈹D出的力,促使其過早出現(xiàn)劈裂破壞。P. L. Boyd和R. C. Robertson則使用一種扭剪裝置進行了測試各種減摩劑摩擦因數(shù)的實驗,結(jié)果表明,一種不被測試界廣為人知的物質(zhì)硬脂酸,具有最低的摩擦因數(shù): 0.02211。J. F. Labuz和J. M. Bridell12進行了系列實驗測試4種減摩劑硬脂酸、聚四氟乙烯、石墨和二硫化鉬在巖石類材

19、料壓縮實驗中的潤滑效果。實驗結(jié)果表明,11(質(zhì)量比硬脂酸和凡士林的混合物具有最低的摩擦因數(shù)。因此,在本文實驗中決定使用該減摩劑,其效果為:一是最大限度地減少端部摩擦效應(yīng),以有效消除試樣端部表面過早產(chǎn)生裂紋甚至有剝落現(xiàn)象的發(fā)生;二是充分降低端部噪聲。實驗結(jié)果表明,使用該減摩劑后,在巖石初始壓密過程中幾乎沒有聲發(fā)射信號產(chǎn)生。3 聲發(fā)射定位實驗結(jié)果及分析巖石聲發(fā)射定位實驗的影響因素多種多樣,本文只選擇其中幾種因素進行實驗并分析。3.1實驗結(jié)果為考察端部摩擦對聲發(fā)射定位實驗的影響,進行了使用減摩劑的單調(diào)加載實驗(圖2,圖中18位置見圖1,下同和不使用減摩劑的單調(diào)加載實驗(圖3,兩類實驗均采用位移控制(

20、位移控制速率為0.1 mm/min。 (a 試樣初始壓密時(b 試樣破壞時圖2 有端部減摩措施的AE定位結(jié)果(位移控制Fig.2 Testing results of AE events location of the attrition- reduced measures of the tip(displacement controlo 768 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2008年 (a 試樣初始壓密時(b 試樣破壞時圖3無端部減摩措施的AE定位結(jié)果(位移控制 Fig.3 Testing results of AE events location of the attrition- unreduc

21、ed measures of the tip(displacement control為觀察不同加載控制方式對巖石破壞特征和聲發(fā)射特征的影響,在使用減摩劑的同時,采用了位移控制(位移控制速率為0.1 mm/min,圖2和力控制(力控制速率為24.2 kN/min,圖4 2種不同的控制方式進行單調(diào)加載實驗,2 種速率在彈性變形階段相一致。 (a 試樣初始壓密時(b 試樣破壞時圖4有端部減摩措施的AE定位結(jié)果(力控制Fig.4 Testing results of AE events location of theattrition-reduced of the tip(force control

22、為觀察不同加載方式對巖石破壞特征和聲發(fā)射定位實驗的影響,在使用減摩劑的同時,采用了單調(diào)加載(位移控制速率為0.1 mm/min,圖2和循環(huán)加載(力控制速率為24.2 kN/min,圖5 2 種不同的加載方式分別進行實驗,2種速率在彈性變形階段相一致。此外,為考察探頭數(shù)量對聲發(fā)射定位實驗的影響,加做了采用5個探頭進行檢測的單調(diào)加載實驗進行對比。 (a 試樣初始壓密時(b 試樣破壞時圖5疲勞荷載的AE定位結(jié)果(減摩、力控制 Fig.5 Testing results of AE events location of the fatigue load(attrition-reduced tip,fo

23、rce control3.2實驗結(jié)果分析(1 減摩措施對AE定位實驗的影響在巖石力學(xué)實驗中,端面的處理是非常重要的,由于端面摩擦?xí)?dǎo)致巖石力學(xué)數(shù)據(jù)失真,尤其對于脆性材料更是如此,而端部噪聲則會對AE實驗造成極大的影響。從實驗情況看,降低端部噪聲的方式對巖石破裂過程中的聲發(fā)射特征影響顯著。在前期實驗中,也曾經(jīng)做過端部加墊實驗,加墊后減少端部摩擦效果遠不如使用減摩劑明顯。如圖2(a所示,以位移控制方式的試樣施用減摩劑后在初始壓密階段幾乎沒有AE定位事件,而圖3(a所示的無端部減摩措施的試樣在初始壓密階段出現(xiàn)了大量AE定位事件,而且端部較多,說明端部摩擦噪聲影響顯著。如圖4(a所示,以力控制方式的試

24、樣在初始壓密階段有少量AE事件,但都集中在軸向中部,試樣兩端沒有AE事件,說明端部減摩措施有效。初始壓密階段出現(xiàn)少量AE事件的原因如下:砂巖屬于塑彈性材料,在其應(yīng)力應(yīng)變曲線中,初始壓密階段曲線斜率低于彈性階段,同樣彈性變形速率下,力控制方式在試樣初始壓密階段的速率要高于位移或應(yīng)變控制,由于速率較高,而巖石在向彈性階段過渡的自組織調(diào)整過程相對滯后,所以在試樣中部出現(xiàn)少量裂紋和AE定位事件。(2 加載方式和加載控制方式對AE定位實驗的影響如前所述,實驗中以力和位移控制的2種速率在彈性變形階段相一致,但前者比后者在初始壓密階段的時間要短,同樣巖石屈服點到試樣破壞過程第27卷第4期許江,等. 單軸壓縮

25、下巖石聲發(fā)射定位實驗的影響因素分析 769 時間也短很多,所以前者的加載破壞全過程時間要明顯短于后者,裂紋擴展和損傷演化相對劇烈,破壞程度相對要大,觀測得到的AE定位事件數(shù)要多些,且整個加載過程的平均定位事件計數(shù)率高于后者(表1。從試樣最終破壞形態(tài)看,前者主裂紋貫通性更好,貫通性裂紋數(shù)目要多于后者,且貫通性裂紋寬度明顯較大。表1 AE事件數(shù)與AE事件計數(shù)率Table 1 AE events numbers and AE events rates實驗項目初始壓密時AE事件數(shù)破壞時AE事件數(shù)全過程時間/s全過程AE事件計數(shù)率/(次·s-18個探頭、有端部減摩措施(位移控制3 1478 7

26、19 2.068個探頭、無端部減摩措施(位移控制 144 3691 609 6.068個探頭、有端部減摩措施(力控制19 2767 343 8.078個探頭、疲勞荷載(有端部減摩措施1 4 680 10 380 0.455個探頭、有端部減摩措施(位移控制 0 607140.08循環(huán)荷載下,整個疲勞破壞過程時間較長,給了細(xì)小裂紋充分發(fā)育的空間,同時,由于采用力控制方式,裂紋形成和發(fā)展過程相對劇烈,觀測得到的AE定位事件數(shù)明顯高于單調(diào)加載(表1,但由于循環(huán)加載過程有大量時間消耗在試樣的彈性變形上,所以整個疲勞破壞全過程的AE定位事件計數(shù)率相對較低。從試樣最終破壞形態(tài)看,疲勞破壞裂紋在巖石表面分布最

27、多,裂紋貫通性最充分,主裂紋間隙也最大。蔣宇13認(rèn)為,疲勞荷載作用下的破壞,裂紋的發(fā)展更加充分和細(xì)碎,表面有大量的平行于加載方向的裂紋產(chǎn)生。這一現(xiàn)象作者已經(jīng)通過大量實驗證明是正確的,但同時作者認(rèn)為,造成此現(xiàn)象的主要原因,并不一定是因為單調(diào)靜態(tài)加載或疲勞荷載作用方式的不同,而主要與加載的控制方式有關(guān),以力控制的勻速加載比相同速率(彈性變形階段換算成相同速率的應(yīng)變或位移控制方式裂紋的發(fā)展更加充分、裂紋間隙更大。(3 探頭數(shù)量對AE定位實驗的影響首先,探頭數(shù)量直接決定了聲發(fā)射事件數(shù)量,5個探頭試樣破壞時的AE事件定位結(jié)果,在破壞時只觀測到60個AE定位事件,而8個探頭時則能觀測到上千個AE定位事件(

28、表1;其次,探頭數(shù)量的多少對AE事件定位的精度也有較大影響,由于巖石試樣在加載過程中存在變形,會改變AE波傳輸和接收路徑,從而引起定位計算的誤差,所以探頭數(shù)量并不是越多越好,如何合理地選擇探頭數(shù)量和其分布位置是需要進一步研究的問題。(4 巖石種類、構(gòu)造和均勻程度對AE事件定位的影響從圖2(b中可以看出,重慶細(xì)砂巖破壞時的AE 定位事件主要分布在中部,兩端沒有明顯的叢集現(xiàn)象,中部沒有得到AE定位事件的“空白區(qū)”。從圖3中可以看出,由于沒有實施端部減摩措施,從加載初期試樣下端部就開始出現(xiàn)叢集,試樣破裂時下端部有AE定位事件的叢集現(xiàn)象,這主要與端部效應(yīng)有關(guān)。從圖4(b,5(b中可以看出,試樣破壞時的

29、AE 定位事件主要分布在中部,端部有少量的AE定位事件,中部沒有得到AE定位事件的“空白區(qū)”。綜合以上各實驗結(jié)果,重慶細(xì)砂巖AE源大多呈散漫分布,試樣中部均沒有得到AE定位事件的“空白區(qū)”。由于趙興東等9中的試樣其巖性是花崗巖,物質(zhì)構(gòu)成與重慶細(xì)砂巖有本質(zhì)不同,所以得出的AE定位實驗結(jié)果有所差異不足為奇。D. Lockner對Westly花崗巖的實驗結(jié)果表明, AE源沿未來的主破裂面叢集出現(xiàn),而在日本地質(zhì)調(diào)查所進行的Inada花崗巖AE源在標(biāo)本中散漫分布14。劉立強等14對日本Inada細(xì)晶花崗巖和法國Mayet粗晶花崗巖的對比實驗同樣證明了這一差異。這些結(jié)論說明即使同一種巖石由于巖石晶粒粗細(xì)的

30、差異也會造成AE空間分布圖像的不同。重慶細(xì)砂巖屬于晶粒較細(xì)、結(jié)構(gòu)較均勻的巖石,其AE定位實驗結(jié)果表明,對于此類巖石,AE源大多呈散漫分布,微破裂的空間分布對主破裂的空間位置并無明顯的指示意義,只有對具有先存缺陷或構(gòu)造非均勻的巖石,微破裂的空間分布對主破裂的空間位置才有明顯的指示意義。由于巖石AE實驗中AE頻率較高、波長較短,因而試樣中微裂紋及晶粒大小等對波速有強烈的影響,在加載過程中,試樣內(nèi)部裂紋數(shù)目及其分布等亦會發(fā)生明顯變化,這同樣會對波速產(chǎn)生不容忽視的影響,因而可以認(rèn)為巖石的種類、構(gòu)造和均勻程度是AE定位實驗的主要影響因素之一。(5 加載歷史對AE事件定位的影響 770 巖石力學(xué)與工程學(xué)報

31、 2008 年 從圖 6 中可以看出，重慶細(xì)砂巖試樣疲勞加載 過程中，AE 事件主要發(fā)生在最初和最后幾個循環(huán)， 其應(yīng)力應(yīng)變曲線的塑性滯回環(huán)較大，在巖石的疲 勞破壞進程中，70%的時間都在中間穩(wěn)定變形階段， 此階段 AE 事件數(shù)很少，AE 事件計數(shù)率很低，其應(yīng) 力應(yīng)變曲線的塑性滯回環(huán)較小且塑性滯回環(huán)間距 也較小。在循環(huán)加、卸載過程中，AE 事件數(shù)也有 實質(zhì)性差異，大多數(shù) AE 事件出現(xiàn)在加載過程中， 而在卸載時 AE 事件相對較少并且不像加載過程那 樣與應(yīng)力具有系統(tǒng)性的相關(guān)。在等幅循環(huán)加、卸載 前期，若應(yīng)力不超過以前加載的最大應(yīng)力，AE 信 號較少，但在等幅循環(huán)加載后期則出現(xiàn)了大量的 AE 信號

32、，圖 7 所示為試樣失穩(wěn)前一個半循環(huán)疲勞荷載 的應(yīng)力、AE 振鈴計數(shù)時間曲線，可以看出，在 下次循環(huán)還未達到上次加載的上限應(yīng)力處，已經(jīng)有 明顯的 AE 信號，在應(yīng)力從 45.5 MPa 增加 10%時， AE 振鈴計數(shù)增加了 2 170 個，遠遠大于 20 個振鈴 計數(shù)，F(xiàn)elicity 效應(yīng)顯著，而且在卸載過程中也產(chǎn)生 明顯的 AE 信號，這可能與巖石試樣損傷后造成巖 石記憶混亂有關(guān)。這些現(xiàn)象充分說明加載歷史對 AE 時間序列和 AE 事件定位均有影響。此外，巖石的 破壞往往受到變形的控制，應(yīng)力水平的改變僅僅會 影響疲勞的進程而不會影響疲勞的極限，反映了疲 勞破壞極限變形對應(yīng)力路徑的非依賴性

33、 13 圖7 Fig.7 疲勞荷載的應(yīng)力、AE 振鈴計數(shù)時間曲線 Stress and AE counts number-time curves under fatigue loading (6 加載測試設(shè)備的影響 加載測試設(shè)備對 AE 實驗結(jié)果也會產(chǎn)生影響， 如加載設(shè)備的剛度和噪音等，尤其在疲勞實驗時， 試樣處于交變荷載作用下，背景噪音比較大3。 (7 AE 測試儀器性能的影響 AE 定位儀器性能直接影響 AE 定位效果，此 外，儀器軟件采用的定位算法以及為消除環(huán)境噪聲 而設(shè)定的門檻值也會對 AE 實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。 D. Lockner 等15 ，16 通過對花崗巖的 AE 實驗研 究認(rèn)為

34、，實驗所檢測到的 AE 數(shù)目不到花崗試樣品 中微裂隙破裂后數(shù)目的 1%，暗示 AE 測量并未能完 全表征破壞的全部過程，該工作被認(rèn)為是美國該研 究領(lǐng)域 19911994 年期間最重要的進展之一17。 事實上，大片空白區(qū)的出現(xiàn)反映了目前實驗觀測到 的 AE 事件的缺失，當(dāng)然在巖石失穩(wěn)破裂的瞬間， 依當(dāng)前的 AE 測試儀器和手段，要想觀測到更多的 。因此， 應(yīng)用 Kaiser 效應(yīng)計算巖石先存歷史最大應(yīng)力的方法， 對于在地質(zhì)歷史中長期承受疲勞荷載的地區(qū)是無效 的，比如地震頻發(fā)區(qū)、火山活動區(qū)、其他構(gòu)造異常 活躍區(qū)等。 35 AE 事件計數(shù)率/(次·s 1 30 25 20 3 000 15

35、 10 5 0 0 2 000 4 000 6 000 時間/s 8 000 10 000 2 000 1 000 0 AE 事件計數(shù)率時間 累積 AE 事件數(shù)時間 6 000 5 000 4 000 累積 AE 事件數(shù) AE 事件是難以完成的。 由于 AE 測試儀器的發(fā)展，在“死時間”方面 技術(shù)的改善，為重新認(rèn)識各種實驗條件下的 AE 特 征提供了依據(jù)。由于 AE 技術(shù)對儀器本身的依賴性， 因此對 AE 技術(shù)在巖石力學(xué)與工程中的應(yīng)用也是認(rèn) 識和再認(rèn)識的過程。 4 討 論 圖6 Fig.6 疲勞荷載的 AE 事件計數(shù)率、累積 AE 事件數(shù)時間曲線 通過對重慶細(xì)砂巖這種均質(zhì)巖石的 AE 定位實

36、驗及分析可以得出，均質(zhì)巖石在均勻載荷作用下， 在盡可能降低端部效應(yīng)情況下，AE 源(微破裂呈散 漫分布于巖石內(nèi)部，隨著應(yīng)力增大，中間過程的 AE Curves of AE events rate and AE cumulative events number and time under fatigue loading 第 27 卷 第4期 許 江，等. 單軸壓縮下巖石聲發(fā)射定位實驗的影響因素分析 771 孔隙往往被后來的 AE 源充滿。此時，巖石內(nèi)部微 裂紋相互貫通，并有新的微裂紋產(chǎn)生，在均質(zhì)巖石 整個破壞過程中，巖石中部沒有出現(xiàn)空白區(qū)。對于 非均質(zhì)巖石，其內(nèi)部應(yīng)力分布是非均勻的，應(yīng)力集 中

37、區(qū)域容易發(fā)生微破裂，形成 AE 叢集區(qū)，在應(yīng)力 水平較低區(qū)域易形成 AE 空白區(qū)。 AE 事件三維定位結(jié)果直觀反映了試樣裂紋初 始位置、各 AE 源位置、巖石損傷狀況、不同加載 階段裂紋的發(fā)展程度，為深入研究裂紋擴展過程及 空間形態(tài)奠定了基礎(chǔ)。但是，試樣裂紋擴展方位、 裂紋寬度變化、裂紋演化過程以及裂紋擴展的曲面 形態(tài)，還需要結(jié)合試樣的真實裂紋狀況，通過深入 分析才能得到。從本次實驗結(jié)果看，細(xì)砂巖試樣 AE 源的出現(xiàn)順序大量都是隨機的，而相鄰近 AE 源的 出現(xiàn)在時間上不是連續(xù)的，無法從直觀上把哪個 AE 源同另外一個 AE 源相連從而確定局部微裂紋擴展 方向，因而還不能真實地通過 AE 定位

38、看到巖石破 裂的發(fā)展過程。但 AE 源的出現(xiàn)也是有序的，巖石 裂紋擴展的方向從宏觀上是有其自身規(guī)律的，只是 依據(jù) AE 源從直觀上確定裂紋擴展存在一定難度， 從某種意義上講，AE 源是隨機中的有序，是混沌 的，這從另一方面反映了巖石力學(xué)的非線性特征。 呈散漫分布于試樣中部，兩端沒有明顯的條帶叢集 現(xiàn)象，中部沒有得到聲發(fā)射定位事件的“空白區(qū)”。 對于此類巖石，微破裂的空間分布對主破裂的空間 位置并無明顯的指示意義。 (4 重慶細(xì)砂巖試樣等幅循環(huán)加載后期出現(xiàn)了 明顯的 Felicity 效應(yīng)，而且在卸載過程中也產(chǎn)生了 明顯的 AE 信號，說明加載歷史對 AE 時間序列及 AE 事件均有影響。巖石疲

39、勞過程中卸載時應(yīng)力下 降的 AE 信號多少可以判斷巖石所處的疲勞階段， 同時，可以根據(jù)疲勞過程中 Felicity 效應(yīng)顯著程度 了解巖石損傷狀況。 (5 本文對端面減摩措施、加載方式和加載控 制方式、探頭數(shù)量、加載歷史等方面的實驗結(jié)果及 分析，以及在加載測試設(shè)備、AE 測試儀器性能、 巖石構(gòu)造和均勻程度等方面所提出的觀點，對于大 多數(shù)準(zhǔn)脆性巖石材料來說具有普適性，對在單軸壓 縮條件下巖石聲發(fā)射定位實驗具有很好的參考價值。 AE 定位的影響因素較多，如未充分考慮這些 因素的影響，也許會得出錯誤的結(jié)論，本文未對這 些影響因素一一進行實驗分析，建議增加不同條件 實驗以正確認(rèn)識和分析 AE 定位的影

40、響因素，用于 指導(dǎo)巖石的 AE 定位實驗。 參考文獻(References： 張 明，李仲奎，楊 強，等. 準(zhǔn)脆性材料聲發(fā)射的損傷模型及 5 結(jié) 論 通過以上對巖石聲發(fā)射特征的實驗測試和分析 討論，可以得到以下初步結(jié)論： (1 端部摩擦對巖石破裂過程中的聲發(fā)射特征 影響顯著，采用 11(質(zhì)量比硬脂酸和凡士林的混 合物作為減摩劑進行 AE 定位實驗，在試樣初始壓 密階段基本沒有 AE 事件，取得了較好效果。 (2 實驗過程中，單調(diào)或循環(huán)(疲勞等不同加載 方式，以及以力和位移控制等不同加載控制方式直 接影響巖石試樣破壞的進程和程度， 從而影響 AE 定 位事件。從試樣最終破壞的形態(tài)看，以力控制方式

41、 比以位移控制方式形成的主裂紋貫通性更好，貫通 性裂紋數(shù)目要多于后者，且貫通性裂紋寬度明顯較 大。 而疲勞破壞裂紋在巖石表面分布最多， 裂紋貫通 性最充分，主裂紋間隙也最大。 (3 巖石的種類、構(gòu)造和均勻程度是 AE 定位實 驗的主要影響因素之一。重慶細(xì)砂巖屬于晶粒較細(xì)、 結(jié)構(gòu)較均勻巖石，其 AE 定位實驗結(jié)果顯示，AE 源 1 統(tǒng)計分析J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(12：2 4932 501. (ZHANG Ming， Zhongkui， LI YANG Qiang， al. A damage model et and statistical analysis of acoust

42、ic emission for quasi-brittle materialsJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2006， 25(12： 2 4932 501.(in Chinese 2 李庶林，尹賢剛，王泳嘉，等. 單軸受壓巖石破壞全過程聲發(fā)射 特征研究J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2004， 23(15： 4992 503.(LI 2 Shulin，YIN Xiangang，WANG Yongjia，et al. Studies on acoustic emission characteristics of uniax

43、ial compressive rock failureJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2004， 23(15： 2 4992 503.(in Chinese 3 蔣 宇，葛修潤，任建喜. 巖石疲勞破壞過程中的變形規(guī)律及聲 發(fā)射特性J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(11：1 8101 818. (JIANG Yu， Xiurun， GE REN Jianxi. Deformation rules and acoustic emission characteristics of rocks in process

44、of fatigue failureJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2004， 23(11： 772 1 8101 818.(in Chinese 4 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2008 年 建筑技術(shù)開發(fā)，2005，32(3：6971.(LIU Jiguo，ZENG Yawu. Research on the end frictional effect of rock specimen and parameter sensitivityJ. Building Technique Development，2005，32(3：6

45、9 71.(in Chinese 11 黃 滾. 巖石斷裂失穩(wěn)破壞與沖擊地壓的分叉和混沌特征研究 LI C，NORDLUND E. Experimental verification of the Kaiser effect in rocksJ. Rock Mechanics and Rock Engineering，1993，26(4： 333351. 5 李元輝， 袁瑞甫， 趙興東. 巖石受載記憶的聲發(fā)射實驗研究J. 遼 寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報， 2006， 25(4： 518520.(LI Yuanhui， YUAN Ruifu， ZHAO Xingdong. Research on abi

46、lity of memorizing previous load by AE testing in rockJ. Journal of Liaoning Technical University， 2006，25(4：518520.(in Chinese 博士學(xué)位論文D. 重慶：重慶大學(xué)，2007.(HUANG Gun. Study on chaos and bifurcation characteristics of instability and fracture of rock and rock-burstsPh. D. ThesisD. Chongqing：Chongqing Univ

47、ersity， 2007.(in Chinese 12 LABUZ J F ， BRIDELL J M. Reducing frictional constrain in compression testing through lubricationJ. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts， 1993，30(4：451455. 13 蔣 宇. 周期荷載作用下巖石疲勞破壞及變形發(fā)展規(guī)律碩士學(xué)位 6 張立杰，蔡美峰，來興平，等. 基于 AE 的深部復(fù)變環(huán)境下急斜

48、 特厚煤層開采動力失穩(wěn)分析J. 北京科技大學(xué)學(xué)報， 2007， 29(1： 14.(ZHANG Lijie， CAI Meifeng， LAI Xingping， al. Dynamical et destabilization analysis of steep and heavy thick coal seam in a deep-mine under the complex-variable environment based on AEJ. Journal of University of Science and Technology Beijing，2007， 29(1：14.(in Chinese 論文D. 上海：上海交通大學(xué)，2003.(JIANG Yu. Fatigue failure and deformation development law of rock under cyclic loadM. S. ThesisD. Shanghai： Shanghai Jiaotong University， 2003.(in Chinese 14 劉立強，馬勝利，馬 瑾，等. 巖石構(gòu)造對聲發(fā)射統(tǒng)計特征的影 7 姜永東，鮮學(xué)福，許 江. 巖石聲發(fā)射 Kaiser 效應(yīng)應(yīng)用于地應(yīng)力 測 試 的 研