D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.05.002 第29卷第5期 北京科技大学学报 Vol.29 No.5 2007年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing My2007 单轴加卸荷过程中岩石声学特性及其与损伤因子关系 韩放) 纪洪广)张伟) 1)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 2)总参工程兵第四设计研究院，北京100850 摘要设计了岩石试块的单轴加卸荷实验·利用声发射观测动态检测损伤的扩展，通过超声波检测来定量评价岩石试块的 损伤程度，结果表明：岩石在加载和卸载两种过程中都有新的损伤产生；其损伤扩展和演化过程可以通过声发射监测来动态 观测，损伤演化的水平则可通过超声波的信号特征进行定量评价· 关键词露天矿：岩石；加荷：卸荷：损伤：超声波：声发射 分类号TD315 岩体的开挖过程的力学本质是一个变荷过程， 1岩石声学实验研究 对于边坡工程，岩体开挖后，其力学状态主要表现为 卸荷；对于地下工程，洞室开挖卸荷后，产生二次应 1.1实验原理 力场，其切向主要表现为加荷，而径向则表现为卸 超声波的传播速度与岩石内部裂隙程度有直接 荷，近年来，在有关岩石卸荷特性的实验研究方面 关系，岩石的受荷变形直至破坏的过程，是由于岩 取得了一系列的成果.文献[6]指出岩石材料 石本身的裂隙的闭合、张开和扩展造成的·文献[5] 对应力历史具有记忆特性；也就是说岩石的力学性 指出岩石在单轴受荷条件下，微裂隙在单轴受荷后 能不仅取决于当时的应力状态，还取决于全部过去 的变形（闭合、张开、扩展等）将是改变岩石声学特性 的应力状态刀，而实际上，这种记忆是指材料对损 的主要因素，通过超声波可以直接反映在岩石不同 伤的记忆，因此，要研究水厂铁矿这类深凹露天矿 受荷状态下波速的变化， 边坡的稳定性，必须充分考虑边坡开挖的过程性，以 岩石在荷载作用下发生的破坏过程，主要与裂 及由这一开挖过程的卸荷对岩体性能本身产生的影 隙的产生、扩展及断裂过程有关，裂隙形成或扩展 响， 时，造成应力松弛，贮存的能量以应力波的形式突然 声发射(acoustic emission,简称AE)是材料受力 释放，产生声发射现象。因此，通过声发射检测，即 状态发生变化时而释放出的弹性波，研究表明：声 可以连续地检测材料或者结构内部变形或损伤演化 发射能量代表了岩石内部损伤的产生，声发射的 的全过程10]， KAISER效应记忆了岩石的先前损伤程度[8]，也是 将超声波与声发射检测系统同时用于岩石受荷 对岩石承受荷载产生损伤的一种测量，而超声波 过程中的监测，可以更加全面真实地反映岩石的破 穿过岩石后，会携带大量有关岩石材料性能、内部结 坏机理， 构及其组成的信息·应用超声波可检测不同状态岩 1.2实验装置及设备 石、岩体的损伤程度，准确测定这些声学参数的变 实验采用加卸载控制系统和超声波、声发射检 化，将可以推断岩石的性能、内部结构的变化， 测系统三套装置，加卸载控制系统采用长春市朝阳 本文设计了一个岩石试块在单轴加卸载条件下 实验仪器有限公司生产的WEP600液压式屏显万 的实验，利用AE观测追踪试块的损伤扩展，利用超 能实验机，最大压力为600kN,提供轴向的加载与 声波观测来定量评价不同状态下的损伤程度，以分 卸载，实验加载控制速率为56kPas,卸载速率 析岩石材料在卸载过程中力学性能的变化 为60kPas1. 收稿日期：2006-06-18修回日期：2006-12-18 超声波监测系统采用北京康科瑞公司生产的 基金项目：“十五"国家科技攻关计划(N。.2004BA615A05):教育 NM3C非金属超声波检测分析仪，测试参数设置如 部高等学校博士学科点专项科研基金项目(No,20040008025) 作者简介：韩放(1962一)，男，博士研究生：纪洪广(1963一)男， 下：采样周期为0.20s,采样长度为1024，发射电 教授，博士生导师 压为500V
单轴加卸荷过程中岩石声学特性及其与损伤因子关系 韩 放1） 纪洪广1） 张 伟2） 1） 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 2） 总参工程兵第四设计研究院北京100850 摘 要 设计了岩石试块的单轴加卸荷实验．利用声发射观测动态检测损伤的扩展通过超声波检测来定量评价岩石试块的 损伤程度．结果表明：岩石在加载和卸载两种过程中都有新的损伤产生；其损伤扩展和演化过程可以通过声发射监测来动态 观测损伤演化的水平则可通过超声波的信号特征进行定量评价． 关键词 露天矿；岩石；加荷；卸荷；损伤；超声波；声发射 分类号 TD315 收稿日期：2006-06-18 修回日期：2006-12-18 基金项目：“十五”国家科技攻关计划（No．2004BA615A－05）；教育 部高等学校博士学科点专项科研基金项目（No．20040008025） 作者简介：韩 放（1962－）男博士研究生；纪洪广（1963－）男 教授博士生导师 岩体的开挖过程的力学本质是一个变荷过程． 对于边坡工程岩体开挖后其力学状态主要表现为 卸荷；对于地下工程洞室开挖卸荷后产生二次应 力场其切向主要表现为加荷而径向则表现为卸 荷．近年来在有关岩石卸荷特性的实验研究方面 取得了一系列的成果［1－5］．文献［6］指出岩石材料 对应力历史具有记忆特性；也就是说岩石的力学性 能不仅取决于当时的应力状态还取决于全部过去 的应力状态［7］．而实际上这种记忆是指材料对损 伤的记忆．因此要研究水厂铁矿这类深凹露天矿 边坡的稳定性必须充分考虑边坡开挖的过程性以 及由这一开挖过程的卸荷对岩体性能本身产生的影 响． 声发射（acoustic emission简称 AE）是材料受力 状态发生变化时而释放出的弹性波．研究表明：声 发射能量代表了岩石内部损伤的产生．声发射的 KAISER 效应记忆了岩石的先前损伤程度［8］也是 对岩石承受荷载产生损伤的一种测量［9］．而超声波 穿过岩石后会携带大量有关岩石材料性能、内部结 构及其组成的信息．应用超声波可检测不同状态岩 石、岩体的损伤程度．准确测定这些声学参数的变 化将可以推断岩石的性能、内部结构的变化． 本文设计了一个岩石试块在单轴加卸载条件下 的实验利用 AE 观测追踪试块的损伤扩展利用超 声波观测来定量评价不同状态下的损伤程度以分 析岩石材料在卸载过程中力学性能的变化． 1 岩石声学实验研究 1∙1 实验原理 超声波的传播速度与岩石内部裂隙程度有直接 关系．岩石的受荷变形直至破坏的过程是由于岩 石本身的裂隙的闭合、张开和扩展造成的．文献［5］ 指出岩石在单轴受荷条件下微裂隙在单轴受荷后 的变形（闭合、张开、扩展等）将是改变岩石声学特性 的主要因素．通过超声波可以直接反映在岩石不同 受荷状态下波速的变化． 岩石在荷载作用下发生的破坏过程主要与裂 隙的产生、扩展及断裂过程有关．裂隙形成或扩展 时造成应力松弛贮存的能量以应力波的形式突然 释放产生声发射现象．因此通过声发射检测即 可以连续地检测材料或者结构内部变形或损伤演化 的全过程［10］． 将超声波与声发射检测系统同时用于岩石受荷 过程中的监测可以更加全面真实地反映岩石的破 坏机理． 1∙2 实验装置及设备 实验采用加卸载控制系统和超声波、声发射检 测系统三套装置．加卸载控制系统采用长春市朝阳 实验仪器有限公司生产的 WEP－600液压式屏显万 能实验机最大压力为600kN提供轴向的加载与 卸载．实验加载控制速率为56kPa·s －1卸载速率 为60kPa·s －1． 超声波监测系统采用北京康科瑞公司生产的 NM3C 非金属超声波检测分析仪．测试参数设置如 下：采样周期为0∙20μs采样长度为1024发射电 压为500V． 第29卷 第5期 2007年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．5 May2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．05．002
第5期 韩放等：单轴加卸荷过程中岩石声学特性及其与损伤因子关系 .453. 声发射检测系统采用沈阳计算机技术研究设计 理：=cm,mam为岩石单轴强度；e=E/Emam, 院生产的AE21C声发射监测系统，测试参数设置 mx为实验过程中试样最大应变 如下：增益为20dB,门槛为10dB,撞击定义时间为 1.0 200八，撞击间隔时间为300八，波形选择突发波，触 加载 500 卸载 发电平为0.1V 0.8 400 由于超声波的接收换能器与发射换能器只能承 0.6 300 受有限的压力，不能直接在压力机荷载下工作，所以 200 本实验设计制作了一对换能器保护装置，利用两个 100 钢套筒作为传力装置同时保护换能器不被压坏，在 试样与套筒之间各垫一个钢制垫板，实验装置见 00.020.140.330.510.790.970.770.46 00 图1. 压力机 换能器 图2应力应变曲线与声发射特征关系 保护套简 Fig-2 Relation of stress strain curve with AE characteristics 什算机 图2表明：在加载初期，岩石内部的裂隙处于调 超声被 整阶段，声发射事件随着应力的增长而迅速增加：进 检测仪 岩石 时仪 试样 入弹性阶段后，声发射事件趋于平静；而随着应力的 进一步增加，岩石进入新破裂产生阶段，声发射事件 超声波 换能器 声发射传感器 突然增加；进入卸荷阶段后，在卸荷的初始阶段，岩 弹簧 石试样声发射信号骤然增多，形成一个峰值；而随着 卸荷的深入，其声发射信号减少；当卸荷继续直至卸 图1实验装置图 Fig.1 Sketch of the text device 荷为零点，又出现声发射信号，但是强度降低 2.2声速特征与应力关系 1.3实验内容与方案 图3为岩石试样声速与应力关系曲线，从图中 对分别取自水厂铁矿、抚顺市西露天矿的岩石 可以看出，声速变化有明显的特征点，声速经历了 试样以恒定的加卸载速度进行单轴加卸荷，在临近 由增加到下降的过程，结合实验过程中声发射信 岩石的极限荷载时卸载直到荷载为零，在此过程中 号，试样的单轴加载与卸载的全过程声速与应力关 对超声波波速、声发射事件进行监测， 系可以分为以下几个阶段进行分析. 岩石试样加工成直径40mm、高80mm的圆柱 4.40 形样品.在105℃状态下烘干24h制成干燥样品. 4.35 岩石试样干燥密度为2.677gcm-3.在换能器与垫 4.30 板和试样与垫板之间涂一层黄油作为耦合剂， 4.25 压力机对试块施加轴向压力，分别在12,24， 4.20 36,48,60,72,60,48,36,24,12kN的荷载水平进行 4.15 超声波测试及数据的采集；在试样受力变形的的全 f 过程中，保持加卸载系统与声发射监测同步进行 400 0.20.40.60.81.0 在压力实验机上测出荷载位移曲线， 岩石受力变形达到极限强度的90%时进行卸 图3声速与应力关系 载，保持加卸载系统和超声波、声发射监测系统同步 Fig-3 Relation of sonic velocity with stress 进行， 第一阶段(AB):荷载从零开始逐渐增加的过 2实验结果与分析 程，声速逐渐增大，表明试样中原有裂隙由于受压闭 合 2.1岩石变形与声发射特征 第二阶段(BC):随着荷载继续增大，产生大量 图2为加卸荷过程中岩石试样声发射率与应 声发射信号，说明试样中新的裂隙开始开展；声速虽 力、应变的关系，将试样荷载和应变进行归一化处 然有所下降，但是下降速率不是很大，说明在新裂隙
声发射检测系统采用沈阳计算机技术研究设计 院生产的 AE21C 声发射监测系统．测试参数设置 如下：增益为20dB门槛为10dB撞击定义时间为 200μs撞击间隔时间为300μs波形选择突发波触 发电平为0∙1V． 由于超声波的接收换能器与发射换能器只能承 受有限的压力不能直接在压力机荷载下工作所以 本实验设计制作了一对换能器保护装置利用两个 钢套筒作为传力装置同时保护换能器不被压坏．在 试样与套筒之间各垫一个钢制垫板．实验装置见 图1． 图1 实验装置图 Fig．1 Sketch of the text device 1∙3 实验内容与方案 对分别取自水厂铁矿、抚顺市西露天矿的岩石 试样以恒定的加卸载速度进行单轴加卸荷在临近 岩石的极限荷载时卸载直到荷载为零．在此过程中 对超声波波速、声发射事件进行监测． 岩石试样加工成直径40mm、高80mm 的圆柱 形样品．在105℃状态下烘干24h 制成干燥样品． 岩石试样干燥密度为2∙677g·cm －3．在换能器与垫 板和试样与垫板之间涂一层黄油作为耦合剂． 压力机对试块施加轴向压力分别在1224 364860726048362412kN 的荷载水平进行 超声波测试及数据的采集；在试样受力变形的的全 过程中保持加卸载系统与声发射监测同步进行． 在压力实验机上测出荷载－位移曲线． 岩石受力变形达到极限强度的90％时进行卸 载保持加卸载系统和超声波、声发射监测系统同步 进行． 2 实验结果与分析 2∙1 岩石变形与声发射特征 图2为加卸荷过程中岩石试样声发射率与应 力、应变的关系．将试样荷载和应变进行归一化处 理：σ＝σ／σmaxσmax 为岩石单轴强度；ε＝ε／εmax εmax为实验过程中试样最大应变． 图2 应力－应变曲线与声发射特征关系 Fig．2 Relation of stress-strain curve with AE characteristics 图2表明：在加载初期岩石内部的裂隙处于调 整阶段声发射事件随着应力的增长而迅速增加；进 入弹性阶段后声发射事件趋于平静；而随着应力的 进一步增加岩石进入新破裂产生阶段声发射事件 突然增加；进入卸荷阶段后在卸荷的初始阶段岩 石试样声发射信号骤然增多形成一个峰值；而随着 卸荷的深入其声发射信号减少；当卸荷继续直至卸 荷为零点又出现声发射信号但是强度降低． 2∙2 声速特征与应力关系 图3为岩石试样声速与应力关系曲线．从图中 可以看出声速变化有明显的特征点．声速经历了 由增加到下降的过程．结合实验过程中声发射信 号试样的单轴加载与卸载的全过程声速与应力关 系可以分为以下几个阶段进行分析． 图3 声速与应力关系 Fig．3 Relation of sonic velocity with stress 第一阶段（ AB）：荷载从零开始逐渐增加的过 程声速逐渐增大表明试样中原有裂隙由于受压闭 合． 第二阶段（ BC）：随着荷载继续增大产生大量 声发射信号说明试样中新的裂隙开始开展；声速虽 然有所下降但是下降速率不是很大说明在新裂隙 第5期 韩 放等： 单轴加卸荷过程中岩石声学特性及其与损伤因子关系 ·453·
.454 北京科技大学学报 第29卷 开展的同时，一部分原有裂隙被压缩闭合 卸载过程中的变化， 第三阶段(CD):荷载加到预定最大压力值后卸 由于在现场取回的岩块经历的卸荷、烘干脱水 载，声发射信号反而骤然增多，说明卸载过程中有新 作用，在加工试样的过程产生一定的损伤，所以试样 裂隙开展，声速的下降也表明了损伤的扩展， 的波速低于完整岩石，因此将未受荷的岩石试样的 第四阶段(DE):荷载卸到D点时声发射信号 波速V代入式(6)，即得到岩石试样的初始损伤因 较少，声速增大，表明张拉破坏程度降低，新的裂隙 子： 开展减少，试样中由于受压张开的裂隙由于荷载的 Do≈1-(Vo/V)2 (7) 下降开始闭合， 本实验得到损伤因子随应力变化的曲线如图4 第五阶段(EF):荷载继续降低直到卸荷至零， 所示，表现如下几点规律，卸载阶段与加载阶段的 产生了少量声发射信号，说明随着卸荷的进一步增 主要区别在于：卸载初始阶段(CD段)损伤因子明 加，造成新的裂隙张开；但声速下降明显，说明试样 显增大，其他阶段卸载曲线近似于加载的逆过程， 中原有被压缩闭合的裂隙重新张开， AB段与EF段曲线较陡，变化较大，说明初始损伤 初始A点波速与F点波速的差值主要是由于 较大；BC与DE段损伤发展缓慢. 加卸过程中新裂隙的开展造成的，同时也说明可以 0.38 通过波速的测定确定岩石内部裂隙的开展程度，对 岩石加卸荷过程中的损伤进行估计 0.36 3岩石损伤因子的定量分析 A 。0.34 对于脆性材料通过弹性应变方法定义损伤因子 0.32 D].对于无损伤材料，应力和弹性应变满足下 B 式： 0.3000.20.40.60.81.0 o-Ee (1) 当材料受损时，在同一应力下其弹性应变将 图4损伤因子随应力变化曲线 改变为吃，即 Fig4 Curve of damage and stress 1D- (2) 因为损伤因子直接反映了岩石中裂缝及缺陷的 6=E(1一D)=E线 (3) 开展情况，所以不仅可以用于检测在承载过程中的 损伤程度，还可以用于评定岩石由于疲劳荷载、收 式中，E=E(1一D),为受损材料的弹性模量，称为 缩、徐变及其他环境因素影响下的损伤状况· 有效弹性模量，所以，有 4结论 n=1-长 (4) (1)加卸载都能造成岩石的损伤，这种损伤可 纵波速度V。与介质弹性系数的关系为[2]： 以用声发射变化来证实， E(1-) (2)声发射监测可以追踪损伤扩展的程度，两 V,=Np(1+)(1-2) (5) 种方法的结合，就可以全面动态监测与评价材料的 式中，E为弹性模量，U为泊松比，P为材料密度， 损伤状况， 将式(5)代入式(4)可得： (3)在加载初期，岩石内部的裂隙处于调整阶 D1-(V/V)2 (6) 段，声发射事件随着应力的增长而迅速增加；进入弹 式中，V。为岩石中的纵波速度，ms1；V:为完整 性阶段后，声发射事件趋于平静；而随着应力的进一 岩石（无损伤）中的纵波速度，ms:D为岩石的损 步增加，声发射事件突然增加，表明有新的损伤产 伤因子，变化范围为0~1.0，分别对应完全密实与 生；在高应力水平上转入卸载阶段后，初始阶段声发 完全开裂状态 射信号反而骤然增多，形成一个峰值；之后，随着卸 如前所述，纵波波速与岩石的弹性模量、泊松 荷的深入，其声发射信号减少；当卸荷继续直至卸荷 比、密度及裂隙的张开、闭合、开展有密切关系，因此 为零点，又出现少量声发射信号，表明卸荷过程也会 采用波速作为损伤因子能综合反映岩石各参数在加 引起损伤的扩展
开展的同时一部分原有裂隙被压缩闭合． 第三阶段（CD）：荷载加到预定最大压力值后卸 载声发射信号反而骤然增多说明卸载过程中有新 裂隙开展声速的下降也表明了损伤的扩展． 第四阶段（ DE）：荷载卸到 D 点时声发射信号 较少声速增大表明张拉破坏程度降低新的裂隙 开展减少试样中由于受压张开的裂隙由于荷载的 下降开始闭合． 第五阶段（ EF）：荷载继续降低直到卸荷至零 产生了少量声发射信号说明随着卸荷的进一步增 加造成新的裂隙张开；但声速下降明显说明试样 中原有被压缩闭合的裂隙重新张开． 初始 A 点波速与 F 点波速的差值主要是由于 加卸过程中新裂隙的开展造成的同时也说明可以 通过波速的测定确定岩石内部裂隙的开展程度对 岩石加卸荷过程中的损伤进行估计． 3 岩石损伤因子的定量分析 对于脆性材料通过弹性应变方法定义损伤因子 D ［11］．对于无损伤材料应力和弹性应变满足下 式： σ＝ Eεe 1 （1） 当材料受损时在同一应力下其弹性应变εe 1 将 改变为εe 2即 σ 1－ D ＝ Eεe 2 （2） σ＝ E（1－ D）εe 2＝ Eεe 2 （3） 式中E＝ E（1－ D）为受损材料的弹性模量称为 有效弹性模量．所以有 D＝1－ E E （4） 纵波速度 V p 与介质弹性系数的关系为［12］： V p＝ E（1－υ） ρ（1＋υ）（1－2υ） （5） 式中E 为弹性模量υ为泊松比ρ为材料密度． 将式（5）代入式（4）可得： D≈1－（ V p／V f） 2 （6） 式中V p 为岩石中的纵波速度m·s －1 ；V f 为完整 岩石（无损伤）中的纵波速度m·s －1 ；D 为岩石的损 伤因子变化范围为0～1∙0分别对应完全密实与 完全开裂状态． 如前所述纵波波速与岩石的弹性模量、泊松 比、密度及裂隙的张开、闭合、开展有密切关系因此 采用波速作为损伤因子能综合反映岩石各参数在加 卸载过程中的变化． 由于在现场取回的岩块经历的卸荷、烘干脱水 作用在加工试样的过程产生一定的损伤所以试样 的波速低于完整岩石．因此将未受荷的岩石试样的 波速 V p0代入式（6）即得到岩石试样的初始损伤因 子： D0≈1－（ V p0／V f） 2 （7） 本实验得到损伤因子随应力变化的曲线如图4 所示表现如下几点规律．卸载阶段与加载阶段的 主要区别在于：卸载初始阶段（ CD 段）损伤因子明 显增大其他阶段卸载曲线近似于加载的逆过程． AB 段与 EF 段曲线较陡变化较大说明初始损伤 较大；BC 与 DE 段损伤发展缓慢． 图4 损伤因子随应力变化曲线 Fig．4 Curve of damage and stress 因为损伤因子直接反映了岩石中裂缝及缺陷的 开展情况所以不仅可以用于检测在承载过程中的 损伤程度还可以用于评定岩石由于疲劳荷载、收 缩、徐变及其他环境因素影响下的损伤状况． 4 结论 （1） 加卸载都能造成岩石的损伤这种损伤可 以用声发射变化来证实． （2） 声发射监测可以追踪损伤扩展的程度两 种方法的结合就可以全面动态监测与评价材料的 损伤状况． （3） 在加载初期岩石内部的裂隙处于调整阶 段声发射事件随着应力的增长而迅速增加；进入弹 性阶段后声发射事件趋于平静；而随着应力的进一 步增加声发射事件突然增加表明有新的损伤产 生；在高应力水平上转入卸载阶段后初始阶段声发 射信号反而骤然增多形成一个峰值；之后随着卸 荷的深入其声发射信号减少；当卸荷继续直至卸荷 为零点又出现少量声发射信号表明卸荷过程也会 引起损伤的扩展． ·454· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第5期 韩放等：单轴加卸荷过程中岩石声学特性及其与损伤因子关系 .455. (4)利用超声波波速来定义损伤因子，可以根 [4]张永兴，哈秋舲。三峡工程永久船闸高边坡岩体力学特性研 据超声波特征变化来定量反映岩石加卸荷过程中损 重庆建筑大学学报.1996,18(4)：64 [5]赵明阶，吴德伦.单轴受荷条件下岩石的声学特性模型与实验 伤状况，这对于检测岩石加卸载过程中的损伤程度 岩土工程学报.1999,21(5)：540 更为方便. [6]于学馥.岩石记忆与开挖理论，北京：治金工业出版社，1993 (⑤)露天开挖过程对岩石力学参数的影响十分 [7]于学馥·岩石力学的科学主题是过程的研究一岩石力学结合 显著，在水厂铁矿这类深凹露天矿的边坡设计优化 工程的原则与方法.东北煤炭技术，1997,2(1)：10 和稳定性分析中，必须充分考虑这种变化 [8]纪洪广，李造鼎-混凝土材料Kaiser效应与Felicity效应关系的 实验研究-应用声学，1997,16(6)：30 参考文献 [9]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 [1]沈军辉，王兰生·卸荷岩体的变形破裂特征.岩石力学与工程学 [10]纪洪广，混凝土材料声发射性能研究与应用，北京：煤炭工业 报，2003,22(12)：2028 出版社，2004 [2]李建林，熊俊华，杨学堂。岩体卸荷力学特性的实验研究水 [11]谢和平.岩石混凝土损伤力学.北京：中国矿业大学出版社， 利水电技术，2001,5：48 1990 [3]哈秋於.岩石边坡工程与卸荷非线性岩石（体）力学。岩石力 [12]孙成栋.岩石声学测试.北京：地质出版社，1981 学与工程学报，1997,16(4)：386 Relationship bet ween the acoustic characteristics and damage variable in the process of uniaxial loading and unloading HAN Fang,JⅡHongguang）,ZHA NG Wei)? 1)The Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety for Metal Mines of China Ministry of Education.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)The 4th Engineering DesignResearch Academy,General Staff PLA.Beijing 100850.China ABSTRACI Underground excavation is an unloading process,which not only results in the change of stress distribution in surrounding rocks,but also gives rise to the change in rock properties.In order to analyze the sta- bility of slope and optimize the design,studies on the change in mechanical properties of rocks,due to unloading process caused by excavation in an open pit mine,must be carried out.In uniaxial loading and unloading pro- cess,the damage process in rocks was tested by ultrasonic wave and acoustic emission,in which the damage de- velopment was dynamically measured by acoustic emission and the damage degree was quantitatively estimated based on ultrasonic wave.The result shows that new damage can be induced in both loading and unloading pro- cesses.The damage development and its evolution process can be dynamically measured by monitoring of acoustic emission,and the level of damage evolution can be quantitatively estimated by the signal characteristics of ultra sonic wave. KEY WORDS open pit mine;rock;loading:unloading;damage;ultrasonic wave;acoustic emission
（4） 利用超声波波速来定义损伤因子可以根 据超声波特征变化来定量反映岩石加卸荷过程中损 伤状况这对于检测岩石加卸载过程中的损伤程度 更为方便． （5） 露天开挖过程对岩石力学参数的影响十分 显著在水厂铁矿这类深凹露天矿的边坡设计优化 和稳定性分析中必须充分考虑这种变化． 参 考 文 献 ［1］ 沈军辉王兰生．卸荷岩体的变形破裂特征．岩石力学与工程学 报200322（12）：2028 ［2］ 李建林熊俊华杨学堂．岩体卸荷力学特性的实验研究．水 利水电技术20015：48 ［3］ 哈秋 ．岩石边坡工程与卸荷非线性岩石（体）力学．岩石力 学与工程学报199716（4）：386 ［4］ 张永兴哈秋 ．三峡工程永久船闸高边坡岩体力学特性研． 重庆建筑大学学报199618（4）：64 ［5］ 赵明阶吴德伦．单轴受荷条件下岩石的声学特性模型与实验． 岩土工程学报199921（5）：540 ［6］ 于学馥．岩石记忆与开挖理论．北京：冶金工业出版社1993 ［7］ 于学馥．岩石力学的科学主题是过程的研究－－－岩石力学结合 工程的原则与方法．东北煤炭技术19972（1）：10 ［8］ 纪洪广李造鼎．混凝土材料 Kaiser 效应与 Felicity 效应关系的 实验研究．应用声学199716（6）：30 ［9］ 樊运晓．损伤：KAISER 效应记忆机理的探讨．岩石力学与工程 学报200019（2）：254 ［10］ 纪洪广．混凝土材料声发射性能研究与应用．北京：煤炭工业 出版社2004 ［11］ 谢和平．岩石混凝土损伤力学．北京：中国矿业大学出版社 1990 ［12］ 孙成栋．岩石声学测试．北京：地质出版社1981 Relationship between the acoustic characteristics and damage variable in the process of uniaxial loading and unloading HA N Fang 1）JI Hongguang 1）ZHA NG Wei 2） 1） The Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety for Metal Mines of China Ministry of EducationUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） The4th Engineering Design ＆ Research AcademyGeneral Staff PLABeijing100850China ABSTRACT Underground excavation is an unloading processwhich not only results in the change of stress distribution in surrounding rocksbut also gives rise to the change in rock properties．In order to analyze the stability of slope and optimize the designstudies on the change in mechanical properties of rocksdue to unloading process caused by excavation in an open-pit minemust be carried out．In uniaxial loading and unloading processthe damage process in rocks was tested by ultrasonic wave and acoustic emissionin which the damage development was dynamically measured by acoustic emission and the damage degree was quantitatively estimated based on ultrasonic wave．The result shows that new damage can be induced in both loading and unloading processes．The damage development and its evolution process can be dynamically measured by monitoring of acoustic emissionand the level of damage evolution can be quantitatively estimated by the signal characteristics of ultrasonic wave． KEY WORDS open-pit mine；rock；loading；unloading；damage；ultrasonic wave；acoustic emission 第5期 韩 放等： 单轴加卸荷过程中岩石声学特性及其与损伤因子关系 ·455·