单轴多级加载岩石破坏声发射特性试验研究

1、第25卷第12期岩石力学与工程学报V ol.25 No.12 2006年12月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.,2006单轴多级加载岩石破坏声发射特性试验研究张茹1,谢和平1,2,刘建锋1,邓建辉1,彭琦1(1. 四川大学水利水电学院,四川成都 610065;2. 中国矿业大学岩石力学与分形研究所,北京 100083摘要:在单轴多级加载条件下,进行花岗岩破坏全过程的声发射试验研究,得到应力应变、声发射参数与应力和时间的关系。研究结果表明:每级荷载稳压时AE事件率、能率降低,而AE事件数基本稳定或增加平缓,表明稳压阶段试

2、样内原有裂纹未发展、新生裂纹少、声发射水平低。随时间的延长和轴向荷载的增加,AE事件率增加,表明试样内裂纹逐渐增多或其内在裂隙逐步贯通。室内单轴多级加载试验在一定程度上反映出地下厂房分级开挖时应力调整前后声发射的趋势变化,建议在高地应力区进行水电地下厂房岩爆等地质灾害的现场声发射监测时,应选取合适的监测时机,特别要在上下台阶贯通时加强监测。整个加载过程中存在初始区、剧烈区和下降区,多数试样临近峰值强度时声发射活动活跃,尔后AE事件数趋于平缓,AE事件率下降,出现声发射平静期现象。与其他学者的室内和现场试验研究成果作一对比,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,并在物理过程上

3、对此作一探讨,为现场岩体稳定性监测与预报的判据提供借鉴和思路。关键词:岩石力学;岩体稳定性;声发射;平静期;岩爆;监测与预报中图分类号:TU 452 文献标识码:A 文章编号:10006915(200612258405 EXPERIMENTAL STUDY ON ACOUSTIC EMISSION CHARACTERISTICS OF ROCK FAILURE UNDER UNIAXIAL MULTILEVEL LOADINGSZHANG Ru1,XIE Heping1,2,LIU Jianfeng1,DENG Jianhui1,PENG Qi1(1. College of Water Res

4、ources and Hydropower,Sichuan University,Chengdu,Sichuan610065,China;2. Institute of Rock Mechanics and Fractals,China University of Mining and Technology,Beijing100083,ChinaAbstract:Experiments on acoustic emission(AE characteristics of complete granite failure process are carried out under uniaxia

5、l multilevel loadings. Relations between stress and strain,and relations of time with AE characteristics and stresses are obtained. The results show that during load stability period,AE rate and AE energy decrease,but AE events remain constant approximately,which show that cracks are not developed a

6、nd AE level is low. During load increase period,AE rate raises,indicating that cracks are developed. The uniaxial multilevel loading experiments reflect AE trend during stress regulation to certain degree when underground powerhouse is excavated step by step. It is suggested that,for rockburst geolo

7、gic hazards,appropriate monitoring opportunity should be adopted during AE monitoring,especially AE monitoring should be strengthened when the upper and nether steps are joined. AE progress of rock failure includes initial phase,tempestuous phase and drop phase. When the curve reaches to its peak ph

8、ase,major AE of events rock samples are active. Then AE events remain constant approximately and AE rate drop,indicating that there is a relatively quiet period. Compared with experimental studies of other scholars both in laboratory and in field,it is considered that relatively quiet period of AE a

9、ppears before rock failure,and then,the phenomenon is discussed with physical mechanism. The relatively quiet period of收稿日期:20060404;修回日期:20060427基金项目:国家重点基础研究发展规划(973项目(2002CB412707;国家自然科学基金资助项目(50579042第25卷第12期张茹等. 单轴多级加载岩石破坏声发射特性试验研究 2585 AE before rock failure can provide reference to rock mass

10、stability monitoring and prediction.Key words:rock mechanics;stability of rock mass;acoustic emission(AE;quiet period;rockburst;monitoring and prediction1 引言材料或结构受力作用时会发生变形或断裂,其以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射(acoustic emission,AE。同其他材料一样,受力的岩石因储存在其结构内部的应变能的释放而诱发产生脉冲,这种脉冲以弹性波的形式出现,一个声发射信号可定义为一个瞬态弹性波。此现象早在1937年就

11、由美国矿山局的L. Obert和W. Duvall发现,并于1940年在阿米克铜矿监测到爆发性声发射,预报岩爆的来临。此后,声发射技术广泛应用于金属矿山、煤矿及隧道工程的岩体稳定性与安全性问题的监测与预报,并逐渐扩大到边坡稳定等领域。岩石声发射作为岩石破坏过程中的一种伴生现象,蕴含着岩石内部破坏过程的许多信息。声发射方法作为岩石微裂纹及扩展的预报手段,监视岩石或岩体破坏的发生及地震预报具有重要价值。国内外学者对岩石的声发射特性也做了大量的室内研究,探索单轴压缩、弯曲应力、拉伸应力、受围压作用、循环荷载作用和温度变化等情况下的岩石AE特性111,如李庶林等3、谢强等6和付小敏7对单轴压缩条件下岩

12、石声发射特征;张渊等8对岩石热破裂的声发射现象进行了研究。但主要是侧重岩石峰值强度前的应力应变与声发射参数的关系方面。而怎样由声发射试验参数指导现场岩体稳定性的监测与预报,虽然有些学者进行探讨,如高峰等10,11利用分形理论、王宁等12利用声发射相对强弱指标对此做研究,但迄今为止仍是一个难题。本文以瀑布沟地下厂房洞室群花岗岩为例,在室内采用单轴多级加载条件近似模拟水电厂房开挖(地下厂房一般采用先顶拱、后台阶逐层向下的开挖方式,开展岩石破坏全过程的声发射特征研究。需要说明的是,目前文献多见单轴压缩条件下岩石声发射的试验研究,而单轴多级加载条件的研究鲜见报道。虽然室内单轴多级加载条件不能完全模拟地

13、下厂房实际分级开挖方式,但多级加载在一定程度上反映出分级开挖时岩石声发射的趋势变化。对过对本次试验结果与其他学者的室内和现场试验研究成果作一对比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,并在物理过程上对此作一探讨,可为声发射试验参数指导现场岩体稳定性监测与预报提供借鉴。2 室内单轴多级加载声发射试验2.1试验仪器和试验材料试验仪器是由RMTS150型程控伺服混凝土与岩石力学试验系统和美国DECI公司的AESMART 2000声发射系统组成,室内声发射试验系统框图如图1所示。RMTS150型程控伺服混凝土与岩石力学试验系统为全数字计算机自动控制系统,可实时记录荷载、应力、位移和应

14、变值,并同步绘制荷载位移、应力应变曲线。AESMART 2000声发射系统与计算机和示波器建立通讯,可对声发射事件自动计数、存储,实现声发射的实时监测。声发射传感器频率为150 kHz。 图1 室内声发射试验系统框图Fig.1 Block diagram of AE test system in laboratory试验材料是取自瀑布沟水电站地下厂房和1#尾水隧洞的花岗岩。采用长方体试件,高100 mm,边长25 mm,其平行度、平整度和垂直度都符合试验规程。试件加压两端及与声发射传感器接触处均经过磨光,以便消除初始加载时产生的干扰信号,并使声发射传感器更加有效地接收试件内部裂纹产生时发出的A

15、E信号。为保证传感器与试件的耦合效果,在二者接触部位涂凡士林,再用橡胶管把传感器固定在试样侧面,同时用示波器显示波形信号。2.2试验方法·2586· 岩石力学与工程学报 2006年实行单轴多级加载,每加载至10,20,25,30,35 kN 时稳压一次,即在每一级加载完成后保持荷载不变稳定一段时间后重新加载。保持加载过程与声发射监测同步,研究岩石破坏全过程、声发射参数对时间的变化特征。 2.3 试验结果与分析图25为花岗岩岩样的典型应力应变和声发射全过程试验结果。具有岩石单轴压缩破坏过程中典型的声发射特征阶段: 应变图2 花岗岩岩样应力应变关系曲线 Fig.2 Stress

16、-strain curve of granite samples时间/s图3 花岗岩岩样应力、AE 事件数与时间关系曲线 Fig.3 Relationship curves of time with stress and AE eventsfor granite samples(1 加载初期为微裂隙压密阶段,反映出岩石试件受载后,内部已存裂隙受压闭合,应力应变曲线上凹,有小振幅的声发射产生,主要原因是由 于多数微裂隙的闭合和少量微破裂的产生引起。(2 随着荷载增加,进入弹性变形阶段,应力应变曲线保持线性关系,既无塑性变形,也无裂纹时间/s图4 花岗岩岩样应力、AE 事件率与时间关系曲线 Fig

17、.4 Relationship curves of time with stress and AE rate forgranite samples时间/s图5 花岗岩岩样应力、AE 能率与时间关系曲线 Fig.5 Relationship curves of time with stress and AE energyrate for granite samples扩展。试件中原有裂隙继续被压密,声发射活动较少,甚至没有。(3 继续加载,进入裂纹的稳定扩展和扩容阶段。裂隙呈稳定状态发展,受施加应力控制。产生的声发射多为突发型,并有逐渐增加的趋势,主要原因是由于大量的微裂纹开始形核、成核、汇合,

18、最后微裂纹稳定扩展所产生。(4 继续加载,进入裂纹的非稳定扩展至破坏阶段,试件内斜交或平行加载方向的裂隙扩展迅速,裂隙进入不稳定发展阶段,声发射活动急剧增多。裂隙扩展接交形成滑动面,最终导致岩石试件完全破坏。(5 岩石峰后的应变软化和破坏阶段,岩石达到峰值强度后,载荷随变形的增加而减小,岩石内应力/M P aA E 事件数/(105次应力/M P a应力/M p aA E 能率/103应力AE 事件数应力AE 事件率应力AE 能率第25卷第12期张茹等. 单轴多级加载岩石破坏声发射特性试验研究 2587 大量的微裂纹产生、扩展、汇合,最终导致岩石的完全破坏。此阶段AE事件率、能率均呈下降趋势。

19、通过监测这两段的声发射可研究岩石的破坏特性。分析本次试验结果,声发射活动亦有如下规律:(1 单轴多级加载每级荷载稳压时AE事件率、能率明显降低(见图4,5,AE事件数基本稳定或增加平缓(见图3,即AE事件数与时间关系曲线上表现为近似水平的一段线段。表明稳压阶段试样内原有裂纹未发展、新生裂纹少、声发射水平低。随时间的延长,即随轴向荷载的增加,AE事件数与时间关系曲线的斜率总体上表现为逐渐增大,即AE 事件率增加,表明试样内裂纹逐渐增多或其内在裂隙逐步贯通。当轴向荷载达到试件的最大承载力时,试件破坏,此时声发射事件数与时间的关系曲线斜率达到最大。进一步表明岩石声发射与岩石微裂纹及扩展的内在联系。(

20、2 室内单轴多级加载每级荷载稳压时声发射水平低,而低一级荷载稳压后继续加载时声发射现象明显增强,在一定程度上反映地下厂房分级开挖时应力调整前后声发射的趋势变化。建议在高地应力区进行水电地下厂房岩爆等地质灾害的现场声发射监测时,应选取合适的监测时机,特别要在上下台阶贯通时加强监测。二滩的工程经验亦证明,上下台阶或两个洞室贯通时,围岩变形突增,岩爆亦多发生于此时。(3 整个压缩过程中AE活动丰富,存在初始区、剧烈区和下降区。由图3,4可知,在以时间为参数的坐标系中,多数试样在临近峰值点时声发射活动活跃,尔后AE事件数趋于平缓,AE事件率下降。说明在室内试验岩石破坏过程中存在声发射平静期现象,且预示

21、着岩石峰值破坏的来临。李庶林等3在单轴受压岩石破坏全过程的声发射特性研究中亦证实此点。3 讨论节2.3中已阐述,本次室内单轴多级加载岩石破坏试验中存在声发射平静期现象,预示着岩石峰值破坏的来临。李俊平和周创兵4在武山铜矿井下采用静态胀裂的加载方式,研究岩体破坏的声发射全过程,见图6。本文认为在岩体破裂过程中,AE在时间序列上分为初始区(I、剧烈区(II、下降区(III和沉静区 时间/min图6 岩体破裂过程中AE频度时间统计曲线4 Fig.6 AE count frequency-time relationship curves during period of rock mass failu

22、re4(IV 4个阶段。从AE活动较活跃的II区的出现到岩体完全破坏,其间存在III,IV区,意味着AE活动在高峰后逐渐下降并最终趋于平静,但并不表明岩体趋于稳定,而是已发生结构破坏。即岩体破坏前存在声发射平静期现象,并预示着结构破坏的来临。李庶林等3亦指出,在岩体声发射技术的监测应用中,采场冒顶、片帮和岩爆发生前大多都出现声发射事件的突然下降或出现相对平静期现象。谢和平13在物理机制上由损伤力学描述岩爆发生前AE监测中的“平静期”现象。认为由于岩石内的自然损伤,在开采诱发的压应力下,岩体内将形成局部损伤拉应力状态,从而引起岩体内的局部微破裂。随着开采诱发应力的增加,局部微破裂也相应增加,且在

23、岩体内某些区域形成微破裂集聚,称为“集聚区”或“严重损伤区”,该区域裂纹密度明显大于背景区,由声发射仪能探测到高的AE事件频度。若由于某些地质构造若面的存在使得进一步开采诱发的应力状态是拉应力,则严重损伤区将进一步演化成为岩爆震心,并且突然发生一个大的破坏(岩爆。若进一步开采所诱发的仍然是高压应力状态,则集聚区将经历一个“损伤愈合”过程,由此一部分应变能将被吸收。此过程刚好对应于AE 探测中的“平静期”或反常现象。损伤愈合过程后,持续作用的高压应力再一次在严重损伤区形成局部拉应力场,这时的裂断非常容易汇合聚集,就可能发生一个强的破坏(岩爆。由以上讨论可看出,无论是室内还是现场试验研究,岩石破坏

24、过程中均存在声发射的相对平静期现象。因此在岩体稳定性声发射监测中,若AE活动急剧增加后突然下降或出现相对平静期,则预示着岩体的破坏,此点为现场岩体稳定性监测与预报的判据提供借鉴和思路。AE频度/(次·min-1·2588·岩石力学与工程学报 2006年4 结语(1 以瀑布沟地下厂房洞室群花岗岩为例,开展室内单轴多级加载条件下破坏全过程的声发射特征研究。试验结果表明,岩石单轴压缩破坏过程中具有典型的声发射特征阶段。(2 每级荷载稳压时AE事件率、能率明显降低,AE事件数基本稳定或增加平缓,表明稳压阶段试样内原有裂纹未发展、新生裂纹少,声发射水平低。随时间的延长和轴向

25、荷载的增加,AE事件率增加,表明试样内裂纹逐渐增多或其内在裂隙逐步贯通。(3 室内单轴多级加载试验在一定程度上反映出地下厂房分级开挖时应力调整前后声发射的趋势变化。建议高地应力区水电地下厂房岩爆等地质灾害的现场声发射监测时,应选取合适的监测时机,特别要在上下台阶贯通时加强监测。(4 整个压缩过程中AE活动丰富,存在初始区、剧烈区和下降区。在以时间为参数的坐标系中,多数试样在临近峰值点时的声发射活动活跃,尔后AE事件数趋于平缓,AE事件率下降。说明在室内进行试验岩石破坏过程中存在声发射平静期现象,且预示着岩石峰值破坏的来临,经与其他学者的室内和现场试验研究成果作一对比认为,岩体破坏发生前多出现声

26、发射的突然下降或相对平静期现象,并在物理过程上对此作一探讨,可为现场岩体稳定性监测与预报的判据提供借鉴和思路。参考文献(References:1 胜山帮久. 声发射(AE技术的应用M. 冯夏庭译. 北京:冶金工业出版社,1996.(Katsuyama T. Application of Acoustic Emission TechniqueM. Translated by Feng Xiating. Beijing:ChinaMetallurgical Industry Press,1996.(in Chinese2 吴定洪,陆业海. 岩石声发射特征研究J. 中国地质灾害与防治学报,1996,

27、7(增:7377.(Wu Dinghong,Lu Yehai. Study on acousticemission characteristics of rocksJ. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,1996,7(Supp.:7377.(in Chinese 3 李庶林,尹贤刚,王泳嘉,等. 单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究J. 岩石力学与工程学报,2004,23(15:2 4992 503.(Li Shulin,Yin Xiangang,Wang Yongjia,et al. Studies on acousti

28、cemission characteristics of uniaxial compressive rock failureJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(15:2 4992 503.(in Chinese4 李俊平,周创兵. 岩体的声发射特征试验研究J. 岩土力学,2004,25(3:374378.(Li Junping,Zhou Chuangbing. Experimentalresearch on acoustic emission characteristics of rock massJ. Roc

29、kand Soil Mechanics,2004,25(3:374378.(in Chinese5 谢和平,左建平. 岩石断裂破坏的声发射机制初探A. 见:谢和平,彭苏萍,何满潮编. 深部开采基础理论与工程实践C. 北京:科学出版社,2006. 6672.(Xie Heping,Zuo Jianping. Primaryexploration of acoustic emission mechanism during rock fracturefailureA. In:Xie Heping,Peng Suping,He Manchao ed. BasicTheory and Engineeri

30、ng Practice of Deep MiningC. Beijing:Science Press,2006. 6672.(in Chinese6 谢强,张永兴,余贤斌. 石灰岩在单轴压缩条件下的声发射特性J. 重庆建筑大学学报,2002,24(1:1922,58.(Xie Qiang,Zhang Yongxing,Yu Xianbin. Study on acoustic emission of limestone in uniaxial compression testJ. Journal of ChongqingJianzhu University,2002,24(1:1922,58.

31、(in Chinese7 付小敏. 典型岩石单轴压缩变形及声发射特性试验研究J. 成都理工大学学报(自然科学版,2005,32(1:1721.(Fu Xiaomin.Experimental study on uniaxial compression deformation and acoustic emission property of typical rocksJ. Journal of ChengduUniversity of Technology(Science and Technology,2005,32(1:1721.(in Chinese8 张渊,曲方,赵阳升. 岩石热破裂的声

32、发射现象J. 岩土工程学报,2006,28(1:7375.(Zhang Yuan,Qu Fang,Zhao Yangsheng.Acoustic emission phenomena of thermal cracking of sandstoneJ.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006,28(1:7375.(in Chinese9 蒋宇,葛修润,任建喜. 岩石疲劳破坏过程中的变形规律及声发射特性J. 岩石力学与工程学报,2004,23(11:1 8101 814.(Jiang Yu,Ge Xiurun,Ren Jianxi. Deformation rules and acousticemis