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典型岩石在单轴压缩状态下的声发射特性研究


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工 程 地质 学 报

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典 型岩 石 在 单轴压 缩 状 态 下 的声发 射 特性 研 究

*

陶永胜



付 小敏
成都
1 00 9 6 )
, 、 ,

( 成 都 理 工 大 学地 质 灾 害 防治与地 质 环 境 保 护 国家 重 点实验 室

在 刚性 伺 服 试验机 上 对单 轴 受压岩 石破 坏 过程 进 行 声 发射 试验 得 到 了 白云 岩 粉 砂 岩 和 灰 岩 破 坏 过程力 学 特 征
,

和声 发射特 征 即岩石 应力 应 变 与声 发射振铃 累 计数 曲线
、 ,





通 过对应 力 应 变 与声 发射振铃 累计 数 曲线 的 分 析 可 以 知 道 振




,

铃 累 计数 出现急剧 点 时的 应力 应 变 同时我们 可 以 得 到急剧 点应力 与峰 值应力 的百 分 比
测 振铃数 急剧 点 知 道岩石此 时应力 与峰值应力 的百 分 比
, 。

从 而可 以 用声 发射 的监 测 技术 监


这 样在 工程 预 测 中能起 到很 好 的预防 作 用

关键 词

急剧 点
:

振铃 累 计数

应力
:

应变

中图 分类 号 6 P4 2

文 献标 识码

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应力 〔
1

`

,

2





著名的

Ka l

s e :

效 应是 岩 石 所 受 的 压 应 力
,




,

达到 或是 超 过 以 前 所 受 的最 大应 力 值 时 就 会 出现 明显 的声 发 射现 象


岩石的

Ka l

s e :

效应是


Go dm

l a


岩石 声 发 射就 是 岩石 在 加 载 受力 过 程 中 岩 石

最 先 通 过 岩石 的 单 轴 压 缩 实 验 证 明 的
Ka l
s e :

随后 岩 石

其 内部结 构 的裂 纹 和 裂 隙 的 开 始 延 长 以 及 新 的 裂
纹 产 生 过 程 所 释放 的 弹性 波
用 在两 方 面 一 方 面 是 运 用
,



效应 在 测 岩石 地 应 力 中得 到 了 广 泛 的 运 用
,



声发 射近 年 来 被广 泛
s e :

另一 方 面 是通 过岩 石声 发 射 试验研 究岩 石 的 变形 特 征


Ka l

效应测岩石的地

岩石 在受 力 和 发 生 变 形 过程 中产 生 的 信号 可

*

收稿 日期

:

201 2
:



4 0



0 2
,

;

收 到 修 改稿 日期
.

:

201 2
:



7 0



.

2
q

第一 作 者简介 陶永 胜 工程 地 质专 业

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I

: 究 S) P 陶 永胜 等 典 型 岩 石 在 单 轴 压 缩 状 态 下 的 声发射 特 性研0

以 根 据 岩 石 产 生 的信 号 多少 大 小 频率 等 参 数 形 象





后 自动 计算 应力 与应 变 并 绘 制 曲线 和 荷 载 与 位 移

,

地 了 解到 岩石 的 变形 破 坏 过程
、 、 、



Ho l

o m c

b 用岩 等利

曲线
,



二 是声 发 射 监 测 系 统 能 记 录 荷载 与声 发 射数


石在 单轴 压 缩 的 声 发 射 试 验 研 究 了 绢 英 岩 化 花 岗 岩 辉 绿岩 结 晶 灰 岩 黑 云 母 片 等脆 性 材 料 的 破 坏 情况 〔
3
,

据 并 且绘 制 时 间 与 荷 载 和 声 发 射 的 关 系 曲线
,



现 对 声发 射 的 实 时 监 测 根 据 岩 石 的 特 点 和 试 验 环 境 噪音声 发 射测 试 系 统 的 增 益和 门槛 电 压分别 设 置
35 db
2 2
.

5





s m Pe t

l 等研究 了砂 岩 在 三 轴应 力 状态 a
6

下 的破 坏 特 性 和 声 发 射特 征 〔





Da l

在通 过 岩 石 模



.

0

15 V

(图

1

)



型 材 料 的 实 验得 到 了 此 种 材 料 的 损 伤与 声发 射特 性

关 系并 进 行 了研 究 同 时 也 在不 同孔 隙度 时 其 声发 射
特性 之 间的 关 系 通 过 研 究 发 现 可 以 将 此 类 材 料 通 过实 时 监 测 和 预 报来 判 断 破 坏 的 过 程 〔 〕 尹 贤 刚
7

,

取样 与 制 样

试验 样 品 是 取 自野 外 的 块 状 岩 石 在 室 内将 岩
块制 备成 长 宽 高 分别 为
、 、

,

25 m m
,



25 m m



75 m m

的长

以 岩 石声 发 射 判 断 岩 石 破 坏 的 前 兆 对 工 程 预 测 有

,

方体 试件
,



试 件 经 粗 加 工 后 在 试 样两 端 面 经 手 工
,

相 当重 要 的 意义 〔 〕
8
,



精磨 让 试样 的 两 端垂 直 度 与 平 整 度 满 足 试 验 标 准


综上 所述 对 于 几种 常见 的 典 型 岩石 如 白云 岩 发 射 特 性 目前 研 究 甚 少 岩 和 灰岩
,

的要 求



为 了 消 除端 部 效 应 以 及 噪声 的 影 响 对 试


粉砂 岩 和 灰岩在 单轴 压缩 状态 下 的 破坏 过程 以 及 声


件两 端进 行 了 特殊 处 理
2 3
.

本 文 分 别 对 白云 岩 粉 砂



3

种 典 型岩 石 进 行 了单 轴压缩 声 发 射试


试验 过 程 首 先 在 每 个 岩样 中部 涂 抹 凡 士 林 使声 发 射 探
,

验 获 得 了 岩石 的 应 变 与 应 力 和 振 铃 累 计 数 与 应 变
的 关 系 曲线

通 过分 析试 验 曲线 得 到 了 每种 岩石 的


头 与 试 样 能 很 好 的 紧 贴 在一 起 让 声 发 射 信号 能 很 好

变形 破坏 过程 与声发 射信 号 特 性 的 关 系

利 用此 研

通 过 探 头 接 收到 然 后 通 过 橡 皮 圈 使探 头 完 全 固 定 在 试 样 上 最 后 才 将 试 样放 在 触

, ,

,

究结 果 可 以 通 过 检 测 岩石 在 单 轴压 缩 过 程 中的 声 发

M

T 加 载 压 力机 上 S
,

,

射信 号 来 推 测 岩石 的 变形 破裂 状态 试验 数据
2
2
.



为 岩 土 工程 的

通 过 手 动控 制将底 盘 向上移 动 使试 样上 下 端 刚 好 接 在 整 个 加 载 过 程 中 以 荷 载控 制 速 率采 取 国 家
S一`

安 全 监 测 和 研究 岩石 变形 破坏 过程 积 累值 得 借鉴 的


推荐 的 1 k 5 . N

加载 与 此 同 时 声 发 射 系 统 也 开 始


,

记 录 荷 载 和 声 发 射 数据

本 次实 验 加载 系 统 的 采 样

试 验方 案
1

数据 以位 移 每 0 l m m 采 样 一 个 同 时 荷 载 以 每 k Z N
的间隔 速 度采 集 一 个 最 大荷 载 也 单 独 采 取 ; 声 发
,

.

试验 设备

射 系 统采 样文 件 只 以 时间 每 隔
,

1

5

采 集 一 个数 据



本 次 试验需 要 通 过两 套 装 置 完 成 一 是 采 用 的 加载 控制 系 统是 成 都 理 工 大 学 引进 的
,

M

T S巧 型 液 S

3

测 试 结 果 与分 析
通过 上 述试 验 得 到 了
,

压伺 服岩 石力学 试 验 机 该 试 验 机具 有 控 制 精 度 非 常高 并且 加 载稳 定 刚 度 大 的 优点
控制 和 位 移控 制

, ,



可 以 采 取荷 载

3

种岩 石

9

个 试 件 的应

同 时 可 以将 试样 的尺 寸 输 人 电 脑

力 应 变 曲线 和 振 铃 累 计 数 与 应 变 的关 系 曲线


Fig
.

1

试验 装置 图
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1

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白云 岩 应力 应 变 与振铃 累计 数关 系
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粉砂 岩 应力 应 变 与振铃 累计 数关 系
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灰 岩 应力 应 变 与 振铃 累 计数 关 系
,



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(图

2



3 4



)



通 过分 析试 验 曲线 得 到 了 每 个 试 件 的


件振 铃 累 计数 的 急 剧 点 如 图 所示 对 应 的 振 铃 累 计 数分 别 为
.

,

振 铃 累 计 数急 剧点 对 应 的 应力 应变 值 以 及 急 剧 点 应力 值 与 峰 值 的 比值 ( 表
1

65 9






5

1 6
,


,



21 8 9

次 应变分别 为
12
.

,

)



对此

3

种岩石 的测

0 0 039
.



0 0046
a

.

.

0 00 43
M Pa
.

.

应力分别为
.

OOM P a



试结 果 分 析如下
.

:

4 1


0 8

MP
.

4 1


9 7
a


急 剧点 应 力 与 峰 值 强 度 比 分


3

1

白云 岩应 力 应 变 及 声发 射 特 征

别为

6 5 97%

60 7 1%

62

0 1%



从图

.

2




b



C

中可知平均 应 变 在

.

0 004 3



通 过 分析 图
,

2

白 云 岩 应力 应变 与 振 铃 累 计 数
,



振 铃 累 计数突 然 增 加且此 时应 力 是 峰 值 强 度
62 9 0%

关 系 曲线 可 知 白 云 岩 所 受 荷 载 达 到一 定 量 级 时 突
然 产 生 大 量 的声 发 射 信号 岩 石 试件 产 生 明 显 的 张

裂 隙 振 铃 累计 数 急 剧 增 加

,





2



a



b



c

3

个试

0

u

(

I 永胜 等 典 型 岩 石 在 单 轴 陶 2压 缩 S状 P 态 )下 的 声发射 特 性研 究
:

粉砂 岩应 力 通 过 分析 图
,



应 变 及 声发 射 特 征 2

平均 抗压 强 度 低 于 粉 砂 岩 抗 压 强 度 灰 岩 强 度 明 显 高于 前两 者


,

灰岩 的 振 铃累 计数 明 显 比 前 白云 岩 和
,

3

粉 砂 岩 应力 应变 与 振 铃 累 计 数
,



粉砂 岩 的 高一 个数 量 级 这 是 因 为 灰 岩通 过 肉 眼 都 能看 到有 部 分 裂 隙 (2 )表
、 。

关 系 曲线 可 知 粉砂 岩 所 受 荷 载 达 到一 定 量 级 时 突
然 产 生 大 量 的声 发 射 信号 岩 石 试件 产 生 明 显 的 张 裂 隙 振 铃 累计 数 急 剧 增 加
,

1

中反 映 了

3

种 岩 石 出现 急 剧点 时 的 应




22 0

3
,


,

a



b



c

3

个试

变 应力 和 振 铃 累 计数 以 及 急 剧 点 应力 与峰 值 强 度
的关 系
,

件振 铃累 计数 的急 剧 点 如 图 所 示 对 应 的 振 铃 累 计 数分 别 为
0 0079
. .



在 实 际 工 程 建设 中可 以作 为监 测 岩 体 的 破
,

79 1



.



320
,





次 应变分别 为
61 22 M P
.

坏 通过 实 验 可 知 白云 岩 在 单 轴 抗 压 峰 值 强 度 的



.

0


0059
.

0 00 85
M Pa
.

应 力分 别为
.

a



0 6

%

左右 时 声发 射就 大 量 产 生 信 号 粉 砂 岩 在 单 轴
%

7 3

7

M Pa
.

2


4 0
a


,

急剧 点 应 力 与 峰 值 强 度 比 分


抗压 峰 值 强 度 的 8 0
, ,

左 右 时 声 发 射就 大 量 产 生 信

别为

8 7 82%

82 29 %

78

13%



号 灰岩在 单轴 抗压 峰 值 强 度 的 6 5 % 左 右 时声 发 射
0 0074
.

从图

.

3




b



C

中可 知 平 均 应 变 在



就 大 量产 生 信 号 当在 工 程 监 测 仪 出现 大量 的 振 铃

振 铃 累计 数 突 然 增 加 且 此 时 应 力 是 峰 值 强 度
82 75 %

数 时 我 们可 以 估 计 岩石 此 时 的 应 力 与 峰 值 强 度 的

,

关 系 我 们就 能提 前 加 强 管理 和 监 测 必 要 时 可 以 提


,

,

灰 岩 应 力 应变 及声 发 射 特 征 通 过 分析 图
,

前 防 护加 固




(3 ) 从表 者高


1

中能 明 显 得 知 白 云 岩 的 急 剧 点 应
,

4

灰 岩应 力 应 变 与振 铃 累 计 数关
, ,



变 应力低 于 粉砂 岩 灰 岩 急 剧点 应 变 应 力 较 前 两
急 剧点 应力 与峰 值 强 度 的 比值对 比看 白 云 岩
, , ,



系 曲线 可 知灰 岩 所 受 荷 载 达 到 一 定 量 级 时 突 然 产 生 大 量 的 声发 射 信号 岩 石 试件 产 生 明显 的张 裂 隙

和 灰 岩 相 近 而 粉砂 岩 要 比前 两者 高 离 岩石 破 坏 值 越近 所 以 在 监 测 粉 砂 岩 要 随 时 记 录 高 度 注意 4
,

振 铃 累 计 数急 剧增 加 为
. .





4
,


,

a



b



C

3

个试件振 铃
0 00 97
. .



累 计 数 的急 剧点 如 图 所示 对 应 的 振 铃 累 计 数 分别
23276



.



389
,





2 5012

次 应变分别 为
61 2 2 M Pa
.








0 0 1 12

0 0 12 2
,

应力分别 为




37 7 7 M Pa



2 2 O4 M P a

急 剧点 应 力 与 峰值 强 度 比分 别 为
.

本文 通 过 白 云 岩 粉 砂 岩 以 及 灰 岩
,

3

种岩石单

63 7 1%

.



52
4

83%

7 8 98%


.



轴压 缩声 发 射 实 验 对 应 力 应 变 与声 发 射 振 铃 累
0 0 11 0
.



从图

.



a



b

c

中可 知平 均 应变 在



计数 曲线 的 分 析 可 以 知 道 振 铃 累 计数 出现 急 剧 点
时 的 应力 应 变 同 时 我 们 可 以 得 到 急 剧 点应 力 与峰

,

,

振 铃 累计 数 突 然 增 加 且 此 时 应 力 是 峰 值 强 度
65
4 17 %


值强 度 的 百 分 比
百分 比




从 而 可 以 用 声发 射 的 监 测 技术 监

3

种 岩 石 声发 射 特 性 综 合分 析
1

测 振 铃数 急 剧点 知 道 岩石 此 时 应 力 与 峰 值 应 力 的

,

这 样 在 工 程 预 测 中 能起 到 很 好 的 预 防 作
,

(l ) 通 过上 面 分 析 可 得 从 表

T a bl e 1 Th
e s

中得 知 白 云 岩


,





所有 通 过 声发 射 可 以 实 时 监 测 岩 石 的 情况 这

1
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急 剧 点 的应 变 应 力 与 振 铃 累 计数及与 峰 值 强 度 比 值
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急 剧 点应 变 /

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1

急 剧 点应力 /

M

P a

振 铃 累计 】 改次 均值

峰值 /

P a

急 剧 点 应力 与 峰值 比 / ( % )

岩性

编号
0

单值
.

均值

单值
.

均值

单值
.

均值

单值
.

均值

00 3 9
. .

12
.

00
.

18
.

19
.

65
.

97
.

白云 岩

0

00 4 6

0

0 04 3

14
.

80 79
.

13

86

14

6 5 0 2 8 3 1 9 7 姗

3 6 4 肠

24
.

39 85
.

22

14

60
.

71 01
.

62

92

23 69

62 87
. .

61 22

71
.

82
.

粉砂 岩

.

.

.

00 5 9

0

0 0 74

37
.

77 04
.

40 34

45
.

90
21
.

47

94

82
.

29 19
.

82

75

22 00 9 7 52
. .

28 2 32 7 6
.

78 63
. .

60 77
.

82
.

56 35
.

71
.

灰岩
.

0 1 12 0 0 12 2

0

0 1 10

29 66

49 7 1 2 50 12

16 2 26

56 84

74

84

52
.

83

65

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是一 种 很 好 的研 究 岩 石 的 技术 现在 得 到 了 许 多 行

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( 一)
:

:



52

[5 ]

李 庶 林 尹贤 刚 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

,

2 0 04
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,

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