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单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究


摇 第 36 卷摇 增刊 2 摇 2011 年 9月

摇 摇 文章编号:0253-9993 ( 2011 ) 09-0237-04

JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY

煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报

Vol. 36摇 Supp. 2摇 Sep. 摇 2011摇

/>
单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究
(1郾 重庆大学 资源及环境科学学院,重庆摇 400030;2郾 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室( 重庆大学) ,重庆 摇 400030;3郾 复杂煤气层瓦斯抽 采国家地方联合工程实验室( 重庆大学) ,重庆摇 400030;4郾 重庆工业职业技术学院 建筑工程系,重庆摇 401120)

陈宇龙1 ,2 ,魏作安1 ,2 ,3 ,许摇 江1 ,2 ,3 ,唐晓军4 ,杨红伟1 ,2 ,李树春2

摘摇 要:利用 MTS 岩石力学试验系统和 PAC 声发射信号采集系统,研究了砂岩在单轴压缩条件下 应力 -应变全过程的声发射特征以及加载速率对其的影响。 获得了岩石轴向应力与应变、 横向应 变、体应变之间的关系曲线,以及全应力 - 纵向应变过程曲线中 4 个阶段的声发射特征; 在初始压 密和弹性阶段,声发射撞击数少、能量低、振幅小、无事件数产生; 在应变硬化阶段, 撞击数骤增、 能 量高、振幅大、有大量事件数产生;在应变软化阶段撞击数骤减、能量低、振幅小、有事件产生。 由于 岩石每个变形阶段具有不同的声发射特征,因此,可用声发射来表征岩石的微观损伤演化和预测现 场工程岩体的宏观断裂失稳过程。 另外,随加载速率的提高,岩石裂纹扩展速率会加快,损伤加大, 从而产生更多的声发射;但峰值处释放能量的最大值呈递减趋势,产生强烈声发射的应变值变小。 关键词:声发射;单轴压缩;加载速率;砂岩 中图分类号:TU459郾 3摇 摇 摇 文献标志码:A

Experimental research on the acoustic emission characteristics of rock under uniaxial compression

(1郾 College of Resource and Environmental Sciences,Chongqing University,Chongqing摇 400030,China;2郾 State Key Laboratory for Coal Mine Disaster Dynam鄄 Gas Seam( Chongqing University) ,Chongqing摇 400030,China;4郾 Department of Building Engineering,Chongqing Industry Polytechnic College,Chongqing摇

CHEN Yu鄄long1,2 ,WEI Zuo鄄an1,2,3 ,XU Jiang1,2,3 ,TANG Xiao鄄jun4 ,YANG Hong鄄wei1,2 ,LI Shu鄄chun2

ics and Control( Chongqing University) ,Chongqing摇 400030, China;3郾 State and Local Joint Engineering Laboratory of Methane Drainage in Complex Coal 401120,China)

Abstract :All characteristics of acoustic emission in the procedure of rock stress鄄strain and effect of loading rates were studied experimentally under uniaxial compression by using PAC acoustic emission acquisition system and MTS equip鄄 ment. The relationship of axial stress with axial strain,transverse strain and volume strain of rock,as well as the char鄄 strain hardening phase,hits instantly increases,energy go up,amplitude enhanced and events happen. In strain soften鄄 to study micro鄄damage evolvement and predict macro鄄destabilization of engineering rock mass on spot. The failure dam鄄 tics. The increase of loading rate can promote the rate of crack extension and damage,so there are more AE counts. But,intense AE events being,the energy release at the peak place and strain value decrease. Key words:acoustic emission( AE) ;uniaxial compression;loading rate;sandstone 摇 摇 声发射 [1] 是以弹性波形式释放出应变 能 的 现 acteristics of acoustic emission at four stages of the stress鄄strain curve were obtained. In initial consolidation and elastic

phase,it is found out that hits seldom happens,energy keeps low,amplitude is small and no event is produced. In ing phase hits decrease, energy became low, amplitude went back small and events happen. Due to the differences among acoustic emission characteristics in individual rock鄄transforming phases,acoustic emission method can be used age evolution rule of sandstone under the different loading rates is studied based on the acoustic emission characteris鄄

象。 早在 20 世纪 30 年代末期,Obert 和 Duvall 就发

收稿日期:2011 - 05 - 12摇 摇 责任编辑:韩晋平 摇 摇 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10772205) ;重庆大学大学生创新基金资助项目 摇 摇 作者简介:陈宇龙(1988—) ,男,四川泸州人,硕士研究生. E-mail:673054399@ qq郾 com

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现在受压力作用下, 岩石具有声发射现象, 并把声发 射技术应用到矿山矿柱岩体稳定性和岩爆的监测预 报中
[2-4]

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态单调加载 实 验 中 选 用 了 0郾 1、0郾 2 和 0郾 5 mm / min 作为实验控制指标。

研究脆性材料损伤演化的良好工具, 因为它能连续、 实时地监测脆性物体内部微裂纹的产生与扩展,这是 其他方法所不具备的。 目前,声发射技术的应用越来 越广泛 [7-11] 。 岩体作为一种复杂的地质体,其矿物成 分及组成结构、形成环境、地质构造作用、胶结物都不 尽相同,这意味着其力学特性和破坏机理等会有很大 的差异,那么它们的声发射特征也应该是各不相同 的。 为此,本文以常见的砂岩为对象, 采用 MTS815 程中声发射特征及其加载速率的影响进行研究。 试验机,针对其在单轴压缩条件下, 应力 - 应变全过

。 后来的一些研究成果表明

[5-6]

, 声发射是

三种位移加载速率。 整个实验过程中均以轴向位移

2摇 单轴压缩条件下岩石应力 - 应变全过程中 声发射特征
2郾 1摇 岩石的全应力 -应变曲线 图 2 所示。 砂岩的全应力 -应变曲线可分为 4 个阶段 [13] ,如

1摇 岩石声发射实验
1郾 1摇 实验设备

轴向载荷由安装在试验系统上的荷重计测定,轴向位 移则采用与试验机配套的位移引伸计测定。 声发射 测试分析系统采 用 美 国 物 理 声 学 公 司 ( Physical A鄄 coustic Corporation) 生产的 12CHs PCI-2 声发射测试 分析系统,其主放设定为 40 dB, 门槛值为 45 dB, 探 头谐振频率为 20 ~ 400 kHz, 采样频率为 1 MHz。 采 用双通道采集数据,探头放置于砂岩试件长度方向上 的中心( 相对放置) ,如图 1 所示, 每一通道对应一个 独立的前置放大器和传感器,并用胶带固定。

以 MTS815 岩石力学试验系统作为动力设备, 其

向和横向变形也增加, 但纵向变形大于横向变形, 体 应变增大,试件体积变小,曲线微向上弯曲,产生的原 积继续减小,试件内部的微裂隙或节理面被压密实闭 合后,应力与纵向应变曲线近似于直线, 但各曲线性 部分长度不同,这是由岩石中微裂隙或节理面的宽度 不一样产生的,使得闭合程度不同。 微裂隙,随载荷的增加, 试件内部的裂隙扩展最终汇 合贯通,使试件破坏 [14] , 这个阶段, 体应变有一个最 大值,最大值对应的应力就是屈服应力 滓 s , 约为峰值 应力 滓 c 的 2 / 3 [15] , 屈服点以前试件的体应变都在增 大,试件体积不断缩小,过了屈服点后,试件的横向变 形迅速增加,体应变开始减小,试件体积增大,到峰值 时,体应变趋于零,试件又恢复原来的体积。 坏,但试件保持整体状, 在本阶段, 裂隙快速发展, 交 叉且相互贯通形成宏观断裂面, 此后, 岩石变形主要 表现为沿宏观断裂面的块体滑移,试件承载力随变形 增大迅速下降,但并不降到零, 说明破裂的岩石仍具 2郾 2摇 岩石的全应力 -应变曲线过程中声发射特点 出,每个阶段的岩石具有不同的声发射特征 [16] 。 有一定的承载力。 不同阶段声发射特征如图 3 所示,从图中可以看 (4) CD 段为应变软化阶段, 其内部结构遭到破 (3) BC 段为应变硬化阶段, 岩石内部开始产生 (2) AB 段为弹性阶段, 体应变继续增大, 试件体 因是岩石试件中的微裂隙或节理面被压密实的结果。

(1) OA 段为初始压密阶段, 随轴向应力增加纵

Fig郾 2摇 Stress鄄strain curves of sandstone

图 2摇 砂岩全应力 - 应变曲线

1郾 2摇 试件制备

Fig郾 1摇 The fixing methods of deformeters and AE sensors

图 1摇 引伸计及声发射探头的安装

可能降低因天然岩石试件个体差异造成的实验结果 的离散性,采用湿式加工法在大块完整岩体上采取密 钻取样提取岩芯加工成 准50 mm 伊100 mm 的圆柱体 试件,几何精度满足规程要求 [12] 。 试样加工好后置 1郾 3摇 试验测试方法 于室内通风条件较好的位置,自然风干 14 d 以上。 试验时,保持加载过程与声发射监测同步。 在静

实验选用均质各向同性的砂岩为研究对象,为尽

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陈宇龙等:单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究

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3摇 加载速率对岩石声发射的影响
由于加载速率是影响岩石力学特性主要因素之 一
[15]

结果及 3 种不同加载速率下累积声发射数的对比如 表 1 和图 4 所示。 从图中可以看出,砂岩在不同加载 速率下的声发射率规律基本一致,随着加载速率的增 加,产生明显声发射数的时间将提前, 即加载速率的 hits、counts 和 energy 均随加载速率而增大。 这是由 于加载速率的不同, 使裂纹扩展速率产生了差异, 加 载速率越高裂纹扩展速率就越快,相应的声发射率就 越大,而此时监测到的声发射能量也越大, 说明岩石 的损伤是伴随着能量的释放过程。 从能量的释放过 程来看,都是在峰值破坏时释放出最多的能量, 但随 着加载速率的提高在峰值处释放的能量最大值呈递 减趋势。 加载速率快使岩石在加载过程中能量释放 速度加快,在达到峰值前已将压力机提供的能量慢慢 释放出来,从而在破坏时不能释放出更多的能量, 反 从产生明显声发射的应变值上可以看出加载速率越
图 3摇 砂岩单轴压缩试验的声发射特征 under uniaxial compressing experiment

。 砂岩在 3 种不同加载速率下的典型试件实验

提高使产生强烈声发射的应变值变小。 表 1 亦显示,

之加载速率低时在破裂时短暂释放出更多的能量。 高,相应的应变值就越小,一直持续到完全破裂,使高 声发射率的持续时间越长,即平均声发射率越高。
表 1摇 声发射参数统计

Fig郾 3摇 The acoustic emission characters of sandstone

Table 1摇 The parameter statistics of acoustic emission
比较项目 平均 AE 率 / ( 次·s -1 ) Hits 0郾 1 34 加载速率 / ( mm·min -1 ) 0郾 2 85 0郾 5 110

体应变增大,岩石中的微裂隙或节理等被压密实, 试 件体积变小,在这过程中产生的声发射信号具有: 撞 击数少、能量低、振幅小。 线,体应变继续增大,试件体积继续减小,试件内部的 撞击数很少、能量很低、振幅很小。 (3) 应变硬化阶段 ( BC ) 。 随着轴向载荷的不断 (2) 弹性阶段 ( AB ) 。 应力 - 应变曲线近似于直

(1) 初始压密阶段 ( OA ) 。 随着轴向应力增加,

Energy Counts Hits

Counts

1 943 2 036 18 693 65 535 16 412 579

6 543 2 865 23 333 32 917 25 306 603

6 622 3 043 19 583 13 767 29 358 534

微裂隙或节理等已被压实, 这时声发射信号很微弱, 加大,岩石内部开始产生微裂隙, 微裂隙扩展最终汇 合贯通,使试件破坏。 这个阶段的声发射信号非常强 烈,表现为:撞击数骤增、能量高、振幅大。 能量和振幅减小。 力,会继续产生声发射信号, 其特征为: 撞击数骤减、 果,与岩石内部损伤演化的 4 阶段是一致的, 所以可 以利用声发射的变化来表征岩石的变形破坏。 程曲线可分为 4 个阶段:初始压密阶段、弹性阶段、应 变硬化阶段和应变软化阶段。 从实验获得的岩石在单轴条件下声发射特征结 (4) 应变软化阶段 ( CD ) , 岩石还有一定的承载

最大 AE 值 / 次

Hits 总数 / 次

Energy

4摇 结摇 摇 论
(1) 砂岩在单轴压缩条件下全应力 -纵向应变过 (2) 岩石在单轴压缩条件下, 每个变形阶段产生

的声发射具有不同的特征, 因此, 不仅可以用声发射 方法来研究岩石的微观损伤和演化过程以及预测现 场工程岩体的宏观断裂失稳过程,亦可以用声发射来 表征岩石微观损伤和演化。 载速率的增大,岩石会产生更多的声发射, 但峰值处 (3) 加载速率对岩石声发射影响较大。 随着加

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2011 年第 36 卷

释放的能量最大值呈递减趋势,同时使产生强烈声发 射的应变值变小。 参考文献:
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Fig郾 4摇 The figures of AE under different loading rates

图 4摇 不同加载速率下的声发射

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