载荷岩石材料在加载-卸荷扰动作用下声发射特性

D0I:10.13374/j.issnl(00103x.2011.01.001 第33卷第1期 北京科技大学学报 Vo]33 No 1 2011年1月 JoumalofUniversity of Science and Technopgy Beijng Jan 2011 载荷岩石材料在加载卸荷扰动作用下声发射特性 纪洪广四 侯昭飞张磊孔凡标 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室。北京100083 ☒通信作者.E.mail jhcn您um@ces ust edy c 摘要通过在不同应力水平下对岩石试样的加载卸荷实验，对岩石试件在不同应力状态下受到“加载卸荷”扰动时的声 发射特征进行了试验研究.结果表明：在较低的应力水平下，岩体在受到加载作用时，会产生少量离散的声发射，而在卸载过 程中几乎不产生声发射：而在较高的应力水平下，在受到加载扰动作用时，声发射活动相对活跃而且在卸载时也有明显声发 射信号出现.因此。在不同应力水平和应力状态下的声发射信号所反映的是材料不同的本构特征在进行地下工程原位岩体 的稳定性检测与评价时，必须考虑这种特性. 关键词岩石力学；岩石；加载：卸载：扰动：声发射 分类号D315 A coustic em ission character of loaded rock under load-un pad disturbance JIHag guan HOU Zhao fei ZHANG Lei KONG Fan-biao Key Laboratory of the Mnistry of Educatio ofChina orHighEfficientMining and Sa fety oMetalMines University of Science and Technokgy Beijing Beijng 100083 China ☒Comesponding author E.mail jhangguan@ces ustb a▣m ABSTRACT Based on loa-un pad experin ent the acoustic em issicn (AE)character of rock smp es under pad unlond d isurbance was sud ied and ested under different stress evek The results show that under a pw stress level there are several discrete AE signak when he rod sample is paded and amostno AE sgnals durng un pading under a hgh stress evel AE is active relatiey under pad disu rbance and there are obvpus AE sgnals even during unload ing AE signals underd iferent stress leves and stress states re flect different constiutie prperties of rock maerals This characteristic must be considered in he stability testing and evaluation of undergound engneering in siu rock mass KEY WORDS rock mechanics rocls loadng unpadng disturbance acoustic emisspn 岩石材料所处的应力状态和应力水平对其力学 析不同载荷作用下岩体声发射特征的变异性，为根 行为有着重要影响到，而其声发射特征除与岩体 据声发射信号特征进行岩体稳定性评价提供依据和 物理力学特征有关外也与受力状态密切相关. 参考. 试验研究表明，随着材料受力状态的变化声发射信 号及其特征会发生显著变化5-.对于同一材料，在 1试验设计及加卸载方式 不同应力水平时声发射特性也会表现出很大差 试验所用岩样是采自某矿地下800m深处的粉 异-.为了研究不同应力状态下岩石材料声发射 砂岩，按照国际岩石力学试验建议方法(RM进行 特征所表现出的这种变异性，通过岩石的加载卸 加工.试件为中50mm义100m的圆柱体.试件表 荷实验，对不同应力状态下岩石试件在“加载一卸 面光滑.其两端进行了研磨，不平行度和不垂直度 荷”扰动作用下的声发射特征进行了研究，旨在分 均控制在士0.02m以内.为了进行声发射观测， 收稿日期：2010-04-06 基金项目：国家高技术研究发展计划重点资助项目(N92008AA062104片国家重大基础研究发展计划资助项目(N92010C也268B为国家科 技支撑计划资助项目(N92008BAB33D3)

第 33卷 第 1期 2011年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.1 Jan.2011 载荷岩石材料在加载 --卸荷扰动作用下声发射特性 纪洪广 侯昭飞 张 磊 孔凡标 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 北京 100083 通信作者, E-mail:jihongguang@ces.ustb.edu.cn 摘 要 通过在不同应力水平下对岩石试样的加载--卸荷实验, 对岩石试件在不同应力状态下受到“加载--卸荷”扰动时的声 发射特征进行了试验研究.结果表明:在较低的应力水平下, 岩体在受到加载作用时, 会产生少量离散的声发射, 而在卸载过 程中几乎不产生声发射;而在较高的应力水平下, 在受到加载扰动作用时, 声发射活动相对活跃, 而且在卸载时也有明显声发 射信号出现.因此, 在不同应力水平和应力状态下的声发射信号所反映的是材料不同的本构特征, 在进行地下工程原位岩体 的稳定性检测与评价时, 必须考虑这种特性. 关键词 岩石力学;岩石;加载;卸载;扰动;声发射 分类号 TD315 Acousticemissioncharacterofloadedrockunderload-unloaddisturbance JIHong-guang , HOUZhao-fei, ZHANGLei, KONGFan-biao KeyLaboratoryoftheMinistryofEducationofChinaforHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China Correspondingauthor, E-mail:jihongguang@ces.ustb.edu.cn ABSTRACT Basedonload-unloadexperiment, theacousticemission(AE)characterofrocksamplesunderload-unloaddisturbance wasstudiedandtestedunderdifferentstresslevels.Theresultsshowthatunderalowstresslevel, thereareseveraldiscreteAEsignals whentherocksampleisloaded, andalmostnoAEsignalsduringunloading;underahighstresslevel, AEisactiverelativelyunder loaddisturbance, andthereareobviousAEsignalsevenduringunloading.AEsignalsunderdifferentstresslevelsandstressstatesre￾flectdifferentconstitutivepropertiesofrockmaterials.Thischaracteristicmustbeconsideredinthestabilitytestingandevaluationof undergroundengineeringin-siturockmass. KEYWORDS rockmechanics;rock;loading;unloading;disturbance;acousticemission 收稿日期:2010-04-06 基金项目:国家高技术研究发展计划重点资助项目(No.2008AA062104);国家重大基础研究发展计划资助项目(No.2010CB226803);国家科 技支撑计划资助项目(No.2008BAB33B03) 岩石材料所处的应力状态和应力水平对其力学 行为有着重要影响 [ 1--3] , 而其声发射特征除与岩体 物理力学特征有关外, 也与受力状态密切相关 [ 4] . 试验研究表明 ,随着材料受力状态的变化,声发射信 号及其特征会发生显著变化 [ 5--7] .对于同一材料 ,在 不同应力水平时声发射特性也会表现出很大差 异 [ 8--10] .为了研究不同应力状态下岩石材料声发射 特征所表现出的这种变异性 , 通过岩石的加载--卸 荷实验, 对不同应力状态下岩石试件在 “加载--卸 荷”扰动作用下的声发射特征进行了研究 , 旨在分 析不同载荷作用下岩体声发射特征的变异性 , 为根 据声发射信号特征进行岩体稳定性评价提供依据和 参考. 1 试验设计及加卸载方式 试验所用岩样是采自某矿地下 800 m深处的粉 砂岩,按照国际岩石力学试验建议方法(IRTM)进行 加工.试件为 50 mm×100 mm的圆柱体.试件表 面光滑 .其两端进行了研磨 , 不平行度和不垂直度 均控制在 ±0.02 mm以内.为了进行声发射观测 , DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2011.01.001

2° 北京科技大学学报 第33卷 在试件表面打磨出一小的平面，以保证声发射传感 方式进行归一化处理山 器与试件的平面接触，如图1所示. (1在加载过程中，取K为X轴值，且定义 K=-mK∈[0刂 (1) Ems一Emh 式中，E为加载过程中岩石实时应变，em为加载过 程中岩石最小应变，emx为加载过程中岩石最大 应变 (2在卸载过程取K为X轴值，且定义 K+IK∈la (2) 式中，e为卸载过程中岩石实时应变，em为卸载过 图1粉砂岩试样 程中岩石最小应变，emx为卸载过程中岩石最大 F 1 Siltsone samples 应变. 加载设备为GAW-2000型电液伺服刚性压力 所以，对应K的取值为[02] 试验机，采用西德产30压力传感器和日本进口 同样，将“声发射振铃计数率时间”关系中的 7V07程序控制记录仪进行数据记录，采用沈阳计算 时间参量也针对加载和卸载过程，分别采用不同的 机技术研究所生产的A臣1C声发射监测系统进行 处理方式进行归一化处理： 声发射检测 (1在加载过程中，取K为轴值.且定义 试验过程中，先分级进行预加载之后在预加的 K=Kea川 (3) 不同应力水平上再进行小幅度加、卸荷载.预先设 定的预加应力按照10%~20%、209%一35%、40% 式中，为加载过程中实时时间值，为加载过程中 ~50%、50%~65%和65%~85%五个等级进行预 最小时间值，击为加载过程中最大时间值 应力加载，并控制在岩石极限强度的15%~90%范 (2在卸载过程中，取K为X轴值，且定义 围内.之后，在每个应力水平上进行异常加载一卸 m+1K∈[12) K=aa一m (4) 载，加、卸载幅度取10MPa左右.屈服前的加卸载 采用负荷控制，加载速度为500~800Ns:进入屈 式中，为卸载过程中实时时间值，击为卸载过程中 服段后，采用轴向变形控制加载、负荷控制卸载的复 最小时间值，为卸载过程中最大时间值 合式控制方式进行试验，变形控制的控制速度为 所以对应K的取值为[02. 0006~0.012mmmr,卸载过程用负荷控制，直 采用上述方法的归一化处理后，可将“声发射” 至设定目标并稳定后，可以继续采用负荷控制加载. 与“应力应变”参量进行统一的归一化处理，并投 当临近屈服点时应转变为变形控制加卸载，以保证 影在统一的坐标体系中，可定量反映三者的相关关 试验能顺利进行. 系，见图2图8 采用这样的加载方式，是模拟不同应力环境下 2.2试验结果分析 岩体受到开采开挖扰动时的工作状况.试验过程 (1)油图2图3可以看出：当相对应力水平在 中，同时进行应力、应变观测和声发射检测.据此分 10.4%~20.1%和20.2%~35.4%时，加载过程中 析不同应力水平下加卸载过程的声发射特征及其变 声发射事件离散，多呈分散分布，且规模较小：而在 异性. 卸载过程中几乎不产生声发射.这主要是由于岩石 材料本身存在大量微观缺陷，在受载过程中，这些微 2不同应力状态下声发射与加卸载条件下 观裂隙和空洞不断随着荷载的增加而被压密、闭合， 应力应变耦合关系 从而伴随一定量的声发射信号出现以，而在卸载阶 21试验数据处理方法及试验结果 段，这种微观缺陷的压密、闭合过程停止 为了便于分析，对载荷应力进行了归一化处理， (2油图4图5则可看出：在相对应力水平分 即将载荷应力值除以试样的极限应力值，折算为相 别为44.4%~505%和505%~67.9%时，对应于 对载荷应力水平.同时，在分析应力应变关系时， 应力应变关系的弹性变形阶段.该阶段声发射信 对加载和卸载过程中的应变参数分别采用了不同的 号分布不均匀，加载过程的绝大多数时间内，声发射

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 在试件表面打磨出一小的平面, 以保证声发射传感 器与试件的平面接触,如图 1所示 . 图 1 粉砂岩试样 Fig.1 Siltstonesamples 加载设备为 GAW--2000型电液伺服刚性压力 试验机, 采用西德产 30 t压力传感器和日本进口 7V07程序控制记录仪进行数据记录,采用沈阳计算 机技术研究所生产的 AE21C声发射监测系统进行 声发射检测. 试验过程中,先分级进行预加载,之后在预加的 不同应力水平上再进行小幅度加、卸荷载 .预先设 定的预加应力按照 10% ～ 20%、20% ～ 35%、 40% ～ 50%、50% ～ 65%和 65% ～ 85%五个等级进行预 应力加载 ,并控制在岩石极限强度的 15% ～ 90%范 围内 .之后, 在每个应力水平上进行异常加载 -卸 载, 加、卸载幅度取 10 MPa左右.屈服前的加卸载 采用负荷控制 ,加载速度为 500 ～ 800 N·s -1 ;进入屈 服段后,采用轴向变形控制加载、负荷控制卸载的复 合式控制方式进行试验, 变形控制的控制速度为 0.006 ～ 0.012mm·min -1 , 卸载过程用负荷控制, 直 至设定目标并稳定后,可以继续采用负荷控制加载. 当临近屈服点时应转变为变形控制加卸载, 以保证 试验能顺利进行. 采用这样的加载方式, 是模拟不同应力环境下 岩体受到开采 (开挖 )扰动时的工作状况 .试验过程 中,同时进行应力、应变观测和声发射检测.据此分 析不同应力水平下加卸载过程的声发射特征及其变 异性 . 2 不同应力状态下声发射与加卸载条件下 应力 --应变耦合关系 2.1 试验数据处理方法及试验结果 为了便于分析 ,对载荷应力进行了归一化处理, 即将载荷应力值除以试样的极限应力值 ,折算为相 对载荷应力水平.同时 ,在分析应力 --应变关系时, 对加载和卸载过程中的应变参数分别采用了不同的 方式进行归一化处理 [ 11] . (1)在加载过程中 ,取 K+为 X轴值,且定义 K+ = ε-εmin εmax -εmin , K+∈ [ 0, 1] (1) 式中, ε为加载过程中岩石实时应变 , εmin为加载过 程中岩石最小应变 , εmax为加载过程中岩石最大 应变. (2)在卸载过程,取 K-为 X轴值 ,且定义 K- = εmax -ε εmax -εmin +1, K-∈ [ 1, 2] (2) 式中, ε为卸载过程中岩石实时应变 , εmin为卸载过 程中岩石最小应变 , εmax为卸载过程中岩石最大 应变. 所以,对应 K的取值为[ 0, 2] . 同样, 将 “声发射振铃计数率 --时间 ”关系中的 时间参量也针对加载和卸载过程 ,分别采用不同的 处理方式进行归一化处理 : (1)在加载过程中 ,取 K+为 X轴值,且定义 K+ = t-tmin tmax -tmin , K+ ∈ [ 0, 1] (3) 式中, t为加载过程中实时时间值 , tmin为加载过程中 最小时间值 , tmax为加载过程中最大时间值. (2)在卸载过程中 ,取 K-为 X轴值,且定义 K- = t-tmin tmax -tmin +1, K- ∈ [ 1, 2] (4) 式中, t为卸载过程中实时时间值 , tmin为卸载过程中 最小时间值 , tmax为卸载过程中最大时间值. 所以对应 K的取值为 [ 0, 2] . 采用上述方法的归一化处理后 ,可将 “声发射 ” 与 “应力 --应变 ”参量进行统一的归一化处理 ,并投 影在统一的坐标体系中, 可定量反映三者的相关关 系 ,见图 2 ～图 8. 2.2 试验结果分析 (1)由图 2、图 3可以看出 :当相对应力水平在 10.4% ～ 20.1%和 20.2% ～ 35.4%时, 加载过程中 声发射事件离散 ,多呈分散分布, 且规模较小 ;而在 卸载过程中几乎不产生声发射 .这主要是由于岩石 材料本身存在大量微观缺陷,在受载过程中,这些微 观裂隙和空洞不断随着荷载的增加而被压密、闭合 , 从而伴随一定量的声发射信号出现 [ 12] ;而在卸载阶 段 ,这种微观缺陷的压密、闭合过程停止. (2)由图 4、图 5则可看出 :在相对应力水平分 别为 44.4% ～ 50.5%和 50.5% ～ 67.9%时, 对应于 应力--应变关系的弹性变形阶段.该阶段声发射信 号分布不均匀,加载过程的绝大多数时间内,声发射 · 2·

第1期 纪洪广等：载荷岩石材料在加载-卸荷扰动作用下声发射特性 3 0 1200 120 4000 ,应力 160 115 应力 30 3000 120 110 20 2000 10- 1000 40 100 振铃计数率 振铃计数率 95 0.4 0.8 1.2 1.6 28 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 参数(，K 参数.K 图2粉砂岩试件在应力水平为104%一20%时声发射与应 图5粉砂岩试件在应力水平为50%~67.%时的声发射与 力应变耦合关系 应力应变耦合关系 Fg2 Couplng re ltonship between stessstran and AE on silt Fg 5 Coupling reka tionship be ween stress sta in and AE on silt smne samples at the stress kvel of 10.4%020. sone smples at he stress level of50679% 70 160 150 4000 应力 120 140 3000 应力 80 130 2000 40 120 000 振铃计数率 振铃计数率 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 参数，K 参数，K 图3粉砂岩试件在应力水平为202%~35.%时的声发射与 图6粉砂岩试件在应力水平为67.%~86%时的声发射与 应力应变耦合关系 应力一应变耦合关系 Fg3 Coupling e htionship berween stessstran and AE on silt Fg 6 Coupling rektonsh beween stress stain and AE on silt smne samples at the stress evel of20.2%035. sone smples at the stress kvel of67.863% 100 1600 180 4000 90 1200 160 应力 3000 应力 80 800 140 2000 振铃计数率 70 400 120 1000 振铃计数率 ⊥l 60 10 0 0.4 08 1.2 1.6 2.0 0 0.4 0.8 1.2 1.6 28 参数，K 参数，K 图4粉砂岩试件在应力水平为444%~50%时的声发射与 图7粉砂岩试件在应力水平为67.%一97.%时的声发射与 应力-应变耦合关系 应力-应变耦合关系 F4 Coupling e ltionship between stessstran and AE on silt F7 Coupling rekationshp beween stress sta in and AE on silt smne samples at the stress kevel of 44.4%050. sone smples at he stress level of67.0973% 活动保持很小水平，即声发射活动相对平静.在加 载全程中，声发射信号多集中出现在某些“特殊点

第 1期 纪洪广等:载荷岩石材料在加载-卸荷扰动作用下声发射特性 图 2 粉砂岩试件在应力水平为 10.4% ～ 20.1%时声发射与应 力--应变耦合关系 Fig.2 Couplingrelationshipbetweenstress-strainandAEonsilt￾stonesamplesatthestresslevelof10.4% to20.1% 图 3 粉砂岩试件在应力水平为 20.2% ～ 35.4%时的声发射与 应力-应变耦合关系 Fig.3 Couplingrelationshipbetweenstress-strainandAEonsilt￾stonesamplesatthestresslevelof20.2% to35.4% 图 4 粉砂岩试件在应力水平为 44.4% ～ 50.5%时的声发射与 应力-应变耦合关系 Fig.4 Couplingrelationshipbetweenstress-strainandAEonsilt￾stonesamplesatthestresslevelof44.4% to50.5% 活动保持很小水平 , 即声发射活动相对平静 .在加 图 5 粉砂岩试件在应力水平为 50.5% ～ 67.9%时的声发射与 应力--应变耦合关系 Fig.5 Couplingrelationshipbetweenstress-strainandAEonsilt￾stonesamplesatthestresslevelof50.5% to67.9% 图 6 粉砂岩试件在应力水平为 67.5% ～ 86.3%时的声发射与 应力--应变耦合关系 Fig.6 Couplingrelationshipbetweenstress-strainandAEonsilt￾stonesamplesatthestresslevelof67.5% to86.3% 图 7 粉砂岩试件在应力水平为 67.6% ～ 97.3%时的声发射与 应力--应变耦合关系 Fig.7 Couplingrelationshipbetweenstress-strainandAEonsilt￾stonesamplesatthestresslevelof67.6% to97.3% 载全程中,声发射信号多集中出现在某些 “特殊点 ” · 3·

4 北京科技大学学报 第33卷 180- 75000 应力状态密切相关.在较低的应力水平下，岩体再 受到加载作用时，会产生少量离散的声发射事件，而 40 160 在卸载过程中几乎不产生声发射.在较高的应力水 应力 平下，再受到加载扰动作用时，声发射活动相对平 3000 140 静，而再卸载时也无明显声发射信号出现.在更高 的应力水平下，如果再受到加卸作用，则出现大量声 120 发射信号，即便是在卸载过程中，声发射信号也成群 根玲计数单 100 出现.因此，在进行地下工程中原位岩体的稳定性 100 检测时，必须考虑这种特性， 0.4 0.8 1.2 参数，K (2试验结果表明，岩体所处的应力状态和应 力水平是岩体在受到力学扰动（加载或者卸载）后 图8粉砂岩试件在应力水平为682%~10%时的声发射与应 力应变耦合关系 产生声发射行为的重要前提.因此，要分析微破裂、 Fg8 Couplng re ltionship between stessstran and AE on silt 主破裂及其相应声发射过程的特征，必须首先明确 smne samples at the stress evel of68.2%100 此时岩体所处的应力状态和相对应力水平.在不同 附近，且伴随较大声响，在此点处对应的应力应变 应力水平和应力状态下的声发射信号所反映的是材 曲线出现跳跃式突降.卸载过程仍无明显声发射信 料不同的本构特征. 号出现。仅卸载初期出现少量声发射信号.在该应 (3岩石试样在相对低的应力水平下所产生的 力水平时，试件处于平稳的弹性变形阶段当弹性变 声发射信号所对应的是微破裂，而在高应力水平下 形和能量积聚达到一定程度后，原生裂隙开始突然 所发出的信号所对应的是主破裂.因此，低应力水 释放，从而出现较为集中的声发射和应力的突降. 平下的声发射信号可视为是主破裂的前兆信号，这 然而，这个阶段能量积聚程度还不足以使整个试件 样可通过前兆性微破裂信号的分析来预测主破裂， 破坏，所以该阶段内的破坏仍为局部的、小规模的破 同时，研究微破裂信号与主破裂声发射信号的相关 坏，试件仍具有承载能力，载荷仍可以继续增加，变 性与差异性，包括微破裂与主破裂信号在时域、频域 形仍能继续保持较低速度发展，声发射也相应进入 上的相关关系及其差异性，对实现这一目的更为 另一段平静期. 有益 (3)油图6和图7可以看出：在相对应力水平 参考文献 在67.5%-~863%和67.6%~97.3%时，在再次加 载过程中的多数时间内均能观测到声发射信号，且 【刂XuJX知K F W ag H et al Expermennl sudy on ooc de fomma tion charac eristics under cycling load ing and unbading con 声发射信号呈“集群”分布，集中程度也更高.而在 ditins Chin J RockMech Eng 2006 25(Supp 1).3040 卸载过程中也出现了声发射事件，如图6所示.由 许江，鲜学福，王鸿.等.循环加，卸载条件下岩石类材料变 图7可以看出：当试件应力达到133MPa(76.9%) 形特性的实验研究.岩石力学与工程学报。200625（增刊1： 左右时，声发射活动开始明显增加，可视该点为该试 3040) 件的屈服点.当试件应力达到150MPa左右时，出 Yin X C Zhang HH New devebpment of the badunpad re 现较大规模的声发射信号，试验过程中伴随较大声 ponse mtp (LURR)theo Reoent DevWord Seimol 2006 5 98 响，该点所对应的应力水平为86.3%，应变出现较 (伊样础张晖辉.加卸载响应比的新进展.国际地震动态， 大幅度的瞬间增大现象试验出现了较大规模的破 2005598) 坏.试验中由于卸载及时，试样破坏得到了有效控 [习 Yin X,WangY Pengk et al Deveppment of a new approach 制.图8所示是当应力再次达到150MP班右时，应 o earthquake prediction loed,un bad iesponse ratio LURR) 变速度相应增快声发射信号异常活跃，破坏再次延 theory Pure APplGeophys 2000 157:2365 续；当加载至168.7MP(97.3%,试件再次出现较 LiY H Yua R F Zhao X D Effect of different suess paths on 大破坏，声发射异常活跃应力出现跳跃，岩样出现 Kaiser effect of rock acoustic am ission J Nonheastemn UniNat 主破裂. S9200m28(4.576 李元辉袁瑞甫，赵兴东.不同应力路径对岩石声发射Kar 3结论 效应的影响.东北大学学报：自然科学版，200728(4)：576) 【习Xu J LiS C Tang X J et al Rock fatue damag您e evoution (1载荷岩体的声发射响应特性与岩体所处的 based on acoustic emission JUnivSci Technol Beiing 2009 31

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 图 8 粉砂岩试件在应力水平为 68.2% ～ 100%时的声发射与应 力--应变耦合关系 Fig.8 Couplingrelationshipbetweenstress-strainandAEonsilt￾stonesamplesatthestresslevelof68.2% to100% 附近 ,且伴随较大声响 ,在此点处对应的应力--应变 曲线出现跳跃式突降.卸载过程仍无明显声发射信 号出现,仅卸载初期出现少量声发射信号 .在该应 力水平时 ,试件处于平稳的弹性变形阶段,当弹性变 形和能量积聚达到一定程度后, 原生裂隙开始突然 释放 ,从而出现较为集中的声发射和应力的突降. 然而 ,这个阶段能量积聚程度还不足以使整个试件 破坏 ,所以该阶段内的破坏仍为局部的 、小规模的破 坏, 试件仍具有承载能力, 载荷仍可以继续增加, 变 形仍能继续保持较低速度发展, 声发射也相应进入 另一段平静期 . (3)由图 6 和图 7 可以看出 :在相对应力水平 在 67.5% ～ 86.3%和 67.6% ～ 97.3%时, 在再次加 载过程中的多数时间内均能观测到声发射信号, 且 声发射信号呈 “集群”分布, 集中程度也更高 .而在 卸载过程中也出现了声发射事件, 如图 6所示 .由 图 7可以看出 :当试件应力达到 133 MPa(76.9%) 左右时,声发射活动开始明显增加 ,可视该点为该试 件的屈服点.当试件应力达到 150 MPa左右时 , 出 现较大规模的声发射信号, 试验过程中伴随较大声 响, 该点所对应的应力水平为 86.3%, 应变出现较 大幅度的瞬间增大现象, 试验出现了较大规模的破 坏.试验中由于卸载及时, 试样破坏得到了有效控 制.图 8所示是当应力再次达到 150MPa左右时 ,应 变速度相应增快,声发射信号异常活跃 ,破坏再次延 续;当加载至 168.7 MPa(97.3%),试件再次出现较 大破坏,声发射异常活跃, 应力出现跳跃 ,岩样出现 主破裂. 3 结论 (1)载荷岩体的声发射响应特性与岩体所处的 应力状态密切相关.在较低的应力水平下 ,岩体再 受到加载作用时 ,会产生少量离散的声发射事件,而 在卸载过程中几乎不产生声发射.在较高的应力水 平下,再受到加载扰动作用时, 声发射活动相对平 静 ,而再卸载时也无明显声发射信号出现.在更高 的应力水平下,如果再受到加卸作用 ,则出现大量声 发射信号,即便是在卸载过程中 ,声发射信号也成群 出现.因此 ,在进行地下工程中原位岩体的稳定性 检测时 ,必须考虑这种特性 . (2)试验结果表明 , 岩体所处的应力状态和应 力水平是岩体在受到力学扰动 (加载或者卸载)后 产生声发射行为的重要前提.因此, 要分析微破裂 、 主破裂及其相应声发射过程的特征, 必须首先明确 此时岩体所处的应力状态和相对应力水平.在不同 应力水平和应力状态下的声发射信号所反映的是材 料不同的本构特征. (3)岩石试样在相对低的应力水平下所产生的 声发射信号所对应的是微破裂 ,而在高应力水平下 所发出的信号所对应的是主破裂 .因此 ,低应力水 平下的声发射信号可视为是主破裂的前兆信号 ,这 样可通过前兆性微破裂信号的分析来预测主破裂 . 同时,研究微破裂信号与主破裂声发射信号的相关 性与差异性 ,包括微破裂与主破裂信号在时域 、频域 上的相关关系及其差异性, 对实现这一目的更为 有益. 参 考 文 献 [ 1] XuJ, XianXF, WangH, etal.Experimentalstudyonrockde￾formationcharacteristicsundercyclingloadingandunloadingcon￾ditions.ChinJRockMechEng, 2006, 25(Supp1):3040 (许江, 鲜学福, 王鸿, 等.循环加、卸载条件下岩石类材料变 形特性的实验研究.岩石力学与工程学报, 2006, 25(增刊 1): 3040) [ 2] YinXC, ZhangHH.Newdevelopmentoftheload-unloadre￾sponseratio(LURR)theory.RecentDevWorldSeismol, 2005, 5: 98 (尹祥础, 张晖辉.加卸载响应比的新进展.国际地震动态, 2005, 5:98) [ 3] YinX, WangY, PengK, etal.Developmentofanewapproach toearthquakeprediction:load/unloadresponseratio(LURR) theory.PureApplGeophys, 2000, 157:2365 [ 4] LiYH, YuanRF, ZhaoXD.Effectofdifferentstresspathson Kaisereffectofrockacousticemission.JNortheasternUnivNat Sci, 2007, 28(4):576 (李元辉, 袁瑞甫, 赵兴东.不同应力路径对岩石声发射 Kaiser 效应的影响.东北大学学报:自然科学版, 2007, 28(4):576) [ 5] XuJ, LiSC, TangXJ, etal.Rockfatiguedamageevolution basedonacousticemission.JUnivSciTechnolBeijing, 2009, 31 · 4·

第1期 纪洪广等：载荷岩石材料在加载-卸荷扰动作用下声发射特性 5 (1:19 Mech Eng200019(2片254 (许江，李树春，唐晓军，等.基于声发射的岩石疲劳损伤演 樊运晓.损伤：Kae效应记忆机理的探讨.岩石力学与工 化.北京科技大学学报.200931(1).19) 程学报。200019(2,254) [6 JiHG ZhangTS CaiME et a]Experm ental sudy on concrete 10]Zhang R X ie H P Li JE et a]Expermentlsudy on acoustic damage by dynamic measurem et of acoustic em ission Chin J emission charac teristics of rock file under uniaxialmultilevel R0 ckMech Eng200019(2):165 bedings Chin J RockMech Eng 2006 25(12):2584 (纪洪广，张天森，蔡美峰。等.混凝土材料损伤的声发射动态 张茹，谢和平，刘建锋，等.单轴多级加载岩石破坏声发射 检测试验研究.岩石力学与工程学报200019(2).165) 特性试验研究.岩石力学与工程学报200625(12).2584) [7 ZhaoX D Tang CA LiY H et al Sudy o AE activity charac I111 Kong F B Experm ental Research on Dynem ical Reponse of te ristics under uiaxal compression loeding Chn J Rock Mech Ioad ing Rock Dissena tion.Beijing Universit of Sc ence and Eng200625(Supp213673 Technokgy Beijing 2008 (赵兴东，唐春安，李元辉等.花岗岩破裂全过程的声发射特 孔凡标.载荷岩体动力学响应特性试验研究[学位论文]. 性研究.岩石力学与工程学报。200625（增刊2）：3673) 北京：北京科技大学，2D08) [8 JiHG LiZ D Expermentl study on the e htionship of Kaiser 【2 Qn SQ LiZD Zhang Z Y et a]htroduct知Rock Acoustic and Felicity effect in cncete materl ApplAoustis 1997 16 Em ission Technobgy Chengdy Southwest Jiaoong Universit (6):30 Press 1993 (纪洪广，李造鼎.混凝土材料凯塞效应与F阳ici0效应关系的 秦四清，李造鼎，张倬元。等.岩石声发射技术概论.成都： 实验研究.应用声学，199716(6)：30) 西南交通大学出板社，1993) I9 Fan YX Damage the mechanism ofKaiser effect.Chin J Rock

第 1期 纪洪广等:载荷岩石材料在加载-卸荷扰动作用下声发射特性 (1):19 (许江, 李树春, 唐晓军, 等.基于声发射的岩石疲劳损伤演 化.北京科技大学学报, 2009, 31(1):19) [ 6] JiHG, ZhangTS, CaiMF, etal.Experimentalstudyonconcrete damagebydynamicmeasurementofacousticemission.ChinJ RockMechEng, 2000, 19(2):165 (纪洪广, 张天森, 蔡美峰, 等.混凝土材料损伤的声发射动态 检测试验研究.岩石力学与工程学报, 2000, 19(2):165) [ 7] ZhaoXD, TangCA, LiYH, etal.StudyonAEactivitycharac￾teristicsunderuniaxialcompressionloading.ChinJRockMech Eng, 2006, 25 (Supp2):3673 (赵兴东, 唐春安, 李元辉, 等.花岗岩破裂全过程的声发射特 性研究.岩石力学与工程学报, 2006, 25(增刊 2):3673) [ 8] JiHG, LiZD.ExperimentalstudyontherelationshipofKaiser andFelicityeffectinconcretematerial.ApplAcoustics, 1997, 16 (6):30 (纪洪广, 李造鼎.混凝土材料凯塞效应与 Felicity效应关系的 实验研究.应用声学, 1997, 16(6):30) [ 9] FanYX.Damage:themechanismofKaisereffect.ChinJRock MechEng, 2000, 19(2):254 (樊运晓 .损伤:Kaiser效应记忆机理的探讨.岩石力学与工 程学报, 2000, 19(2):254) [ 10] ZhangR, XieHP, LiuJF, etal.Experimentalstudyonacoustic emissioncharacteristicsofrockfailureunderuniaxialmultilevel loadings.ChinJRockMechEng, 2006, 25(12):2584 (张茹, 谢和平, 刘建锋, 等.单轴多级加载岩石破坏声发射 特性试验研究.岩石力学与工程学报, 2006, 25(12):2584) [ 11] KongF B.ExperimentalResearchonDynamicalResponseof LoadingRock[ Dissertation] .Beijing:UniversityofScienceand TechnologyBeijing, 2008 (孔凡标 .载荷岩体动力学响应特性试验研究[ 学位论文] . 北京:北京科技大学, 2008) [ 12] QinSQ, LiZD, ZhangZY, etal.IntroductiontoRockAcoustic EmissionTechnology.Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity Press, 1993 (秦四清, 李造鼎, 张倬元, 等.岩石声发射技术概论.成都: 西南交通大学出版社, 1993) · 5·