岩石峰值应力前后声发射特性研究.doc

岩石峰值应力前后声发射特性研究 段晓亮DUANXiao-liang；鲁会军LUHui-jun （昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093） （FacultyofLandResourceEngineering，KunmingUniversityofScienceandTechnology，Kunming650093，China） 摘要：采用TAW-2000D微机控制电液伺服岩石三轴试验机和SDAES型数字声发射仪组成的动态测试系统，对云南大红山铜矿白云岩进行了单轴压缩条件下的声发射试验，研究岩石在峰值应力前后声发射特性。试验结果表明：加载早期就有声发射活动，岩样在试验接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小、声发射事件率出现明显下降，即出现相对平静期，峰值强度后的声发射现象仍然明显。 Abstract：ThispaperusestheTAW-2000DputertocontrolthedynamictestingsystemconsistingofservotriaxialtestingmachineandSDAESdigitalacousticemissionanalyzer，conductstheacousticemissiontestoftheYunnanDahongshancopperminedolomiteundertheuniaxialpressioncondition，andstudiestheacousticemissioncharacteristicsofrockbeforeandafterreachingthepeakstress.Theresultsshowthat：thereisacousticemissionactivityintheearlyloadingperiod，theperunittimestressgrowthrateofrocksampledecreaseswhenthetestnearpeakintensity，acousticemissionratedecreasessignificantly，namelyappearstherelativelyquietperiod，andtheacousticemissionphenomenonisstillevidentafterthepeakintensity. 关键词：岩石力学；声发射；单轴压缩；峰值应力 Keywords：rockmechanics；acousticemission；uniaxialpression；peakstress ：TU457：A：1006-4311（xx）18-0146-02 作者简介：段晓亮（1990-），男，江西九江人，硕士，研究方向为岩土工程。 0引言 声发射是指材料或结构受力作用时发生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象。近代声发射技术起源于德国科学家Kaiser的工作，而岩石声发射现象是由美国矿山局的Obert发现，并且它是最早把声发射技术应用到矿山矿柱岩体稳定性和岩爆的监测预报当中去的，自此在该领域得到了大力的推广和应用。到20世纪70年代，我国在理论研究和实际应用方面做了大量的工作，逐步开始在地下工程的稳定性监测中应用声发射技术。 当前国内外很多学者都会岩石声发射进行过研究，并且取得了不错的成绩，但对岩石峰值应力后的声反射特性研究很少。本文对云南大红山铜矿矿山白云岩进行单轴压缩声发射试验，并分析声发射特征，进而提高岩石声发射监测预报的准确性。 1岩石声发射实验研究 1.1实验装置 本次试验加载系统采用TAW-2000D微机控制电液伺服岩石三轴试验机，利用变形控制加载，加载速度保持在0.003mm/min。使用黄油将压电陶瓷换能器与试件进行耦合，再用橡皮筋将探头固定在试件侧面。 本次试验对设备有着严格的规定，岩石声发射采集分析系统应依照相关规范采用SDAES型数字声发射仪。声发射信号后，压电陶瓷换能器首先捕捉到信号，同时利用前置放大器把信号放大并发送至声发射信号处理器，在此会形成一系列的参数，比如声发射事件、能量、振铃、延续时间等，最后把这些参数输送给计算机保存。该系统充分发挥了计算机的优势，详细地监测了岩石的变形和破坏过程，具有很高的可信度。试验系统框图如图1所示。 1.2试样制备 根据国际岩石力学学会（ISRM）对实验室试样尺寸的建议，本次岩石声发射试验的岩石试样，采用直径为5cm，高度为10cm的标准圆柱体试样。试件断面的平行度保持在0.02mm以内，岩石试样采自云南大红山铜矿现场白云岩。 1.3试验内容 对取自云南大红山铜矿白云岩岩石试样进行单轴受压岩石破坏全过程试验，研究岩石破坏前后声发射参数特征和时间过程特征，探索岩石破坏后时间特性和声发射参数之间的特性，为岩石声发射技术现场应用提供依据。 1.4试验测试方法 采用TAW-2000D微机控制电液伺服岩石三轴试验机加载，为获得峰值应力后应力曲线，采用变形控制加载，加载速率保持为0.003mm/min直至岩石试件破坏。期间采用SDAES型数字声发射仪收集声发射信号，将数据导入EXCEL表格，绘制累计声发射数-时间-应力、累计AE能量-时间-应力、累计AE振铃数-时间-应力曲线，观测试样峰值应力前后声发射特性。 2试验结果及分析 本次试验采用的测试系统采集数据速度快，可对岩石破坏过程进行比较详细的检测，试验数据收集如下： 由图2、3、4所示，试验发现岩石在加载初期声发射活动极少，几乎观测不到，反应了岩石在加载初期裂隙闭合的作用。当继续加载进入线弹性阶段时，应力呈线性关系，在此试验过程中可以观测到声发射现象，主要原因是岩石在加载初期闭合裂隙发生滑移。当应力达到28.67MPa时，累计声发射数-时间-应力曲线出现拐点，此时声发射数与时间的关系曲线斜率增大，表明声发射活动加剧，此时主要原因为原有裂隙扩展及新裂隙生成。 当岩石进入弹塑性阶段，岩石声发射活动增长很快，但当应力达到岩石峰值强度的87-93时，单位时间内应力显著增大，而单位时间内声发射事件数明显减少，即在峰值应力前，岩石出现声发射事件数的相对平静期。 在峰值应力后，岩石的声发射活动并未停止，声发射事件数稳定增加。当岩石完全破坏时，AE能量急剧上升。 3结论 在单轴压缩实验中，声发射活动在加载早期就已经存在，这是裂隙闭合的影响造成的；随着载荷的不断增加，在加载初期很多试样的声发射率会有所下降；进入弹塑性阶段后，声发射活动大量会增加。但也存在部分岩样在接近峰值强度时会出现一个相对平静期，该期间表现是单位时间内的声发射事件率出现明显下降、应力增长速度减小，但是峰值强度后该平静期就会过去。需要注意的是，有的岩石试样在被破坏前，会出现声发射事件率明显下降的情况，这就是为什么现场岩体声发射监测时，在岩爆、冒顶片帮发生前出现声发射事件相对平静期现象的原因，掌握了此项规律就能够更好地监测岩体稳定性和岩爆，有效提高了预报的准确性。另外由于声发射活动和岩石变形有着直接的关系，一旦岩石出现大变形，累计声发射数-时间-应力曲线出现拐点。 参考文献： 1秦四清岩石断裂过程的声发射试验研究J地质灾害与环境保护，1994，5（3）. 2周小平，张永兴岩石结构面直剪试验中声发射特性研究J重庆建筑大学学报，2000，22. 3吴志勤.桥梁检测技术及其发展趋势简述J.山西建筑，xx，33（13）. 4陈喜强，王志强.桥梁结构声发射现场检测方法探讨J.科技创新导报，xx（32）. 5刘红帅，薄景山，刘德东.岩土边坡地震稳定性分析研究评述J.地震工