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基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究
2011-07-27
应用声发射及其定位技术,在单轴压缩载荷作用下,应用盖格尔定位算法,采用试验方法研究包括含不同 预制裂纹的花岗岩岩样破裂失稳过程中其内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化模式。试验 结果表明,声发射定位能够反映岩石裂纹动态演化过程,声发射事件的产生主要是由于裂纹扩展产生的,并随应 力–应变变化表现出不同的特征:在初始加载阶段至初始裂纹出现之前,其声发射活动不很明显;一旦岩样出现 初始裂纹,在相应应力点声发射事件明显增多;裂纹稳定扩展至岩石完全破坏之前,声发射总数应变曲线与 应力–应变曲线平行;在微裂纹扩展的非稳定阶段至岩石破坏瞬间,声发射活动变得异常活跃,声发射事件变化 ...
第26 卷 第5 期 007 年5 月 岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Vol.26 No.5 2 May,2007 基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究 赵赵赵,李元 赵,袁瑞 甫,赵天赵,赵建 勇,刘建 坡 ( 东北大学 资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110004) 摘要:应用声发射及其定位技术,在单轴压缩载荷作用下,应用盖格尔定位算法,采用试验方法研究包括含不同 预制裂纹的花岗岩岩样破裂失稳过程中其内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化模式。试验 结果表明,声发射定位能够反映岩石裂纹动态演化过程,声发射事件的产生主要是由于裂纹扩展产生的,并随应 力–应变变化表现出不同的特征:在初始加载阶段至初始裂纹出现之前,其声发射活动不很明显;一旦岩样出现 初始裂纹,在相应应力点声发射事件明显增多;裂纹稳定扩展至岩石完全破坏之前,声发射总数应变曲线与 应力–应变曲线平行;在微裂纹扩展的非稳定阶段至岩石破坏瞬间,声发射活动变得异常活跃,声发射事件变化 率最大。在完整岩样声发射事件定位结果中,出现声发射定位事件的空白区,宏观裂纹的贯通恰在声发射事件的 空白区之内,借此可以实现对岩石裂纹贯通位置预测;声发射定位结果也是岩样内部应力场演化过程的宏观表现, 可直观地反映岩样内部裂纹扩展空间位置、扩展方向以及裂纹扩展的空间曲面形态,这对于深入研究岩石破裂失 稳机制是十分有意义的。 关键词:岩石力学;声发射;岩石破裂;单轴加载;裂纹扩展过程 中图分类号:TU 45 文献标识码:A 文章编号:1000–6915(2007)05–0944–07 STUDY ON CRACK DYNAMIC PROPAGATION PROCESS OF ROCK SAMPLES BASED ON ACOUSTIC EMISSION LOCATION ZHAO Xingdong,LI Yuanhui,YUAN Ruifu,YANG Tianhong,ZHANG Jianyong,LIU Jianpo ( School of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang,Liaoning 110004,China) Abstract:Acoustic emission(AE),which is produced by the micro-cracks occurrence or growth,is a ubiquitous phenomenon associated with brittle fracture in many materials. AE technique can be used to monitor the micro-cracks development in the rock sample continuously and in-real-time,which is better than other methods. AE location technique is employed to study rock failure process. It is investigated using granite samples with different precut cracks;and AE sensors are mounted on the surface of the sample. A Geiger location algorithm allows AE event location from first arrival times to be determined by AE sensors,which is applied to study the crack initiation and propagation process,also to analyze the crack spatial evolution mode with stress changing during the total loading process. The experimental results show that AE activity represents different characters with stress-strain changing during the total loading process;the quantity of the AE events is very little from the initial loading to crack initiation;when the initial crack generates,AE events apparently increase;AE events are in quiet period after crack initiation up to the time before crack propagation;AE activity sharply increases from crack stable propagation up to crack unstable propagation,especially in crack unstable propagation step,AE events 收稿日期:2006–11–16;修回日期:2006–12–26 基金项目:国家自然科学基金重大项目(50490270);国家自然科学基金资助项目(50474017,50574022,50674025,50504005);中国博士后基金资助 项目(2005038253);东北大学博士后基金资助项目(2006018) 作者简介:赵兴东(1975–),男,博士,1999 年毕业于焦作工学院矿井建设专业,现任讲师,主要从事岩石失稳与控制方面的教学与研究工作。 E-mail:neuzxd@126.com 第26 卷 第5 期 赵兴东,等. 基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究 • 945 • reach to the most quantity in the division strain. There is “void space” of AE events during the AE location results;the “void space” of AE events is the position of macroscopic crack breakthrough,which can be used to predict the crack breakthrough position of rock samples. Meanwhile,AE location results are also direct reflection of interior stress field propagation process. AE location results also reflect directly the spatial position,direction and spatial curved face of crack propagation in the rock sample,which is very significant to study the mechanism of rock failure. Key words:rock mechanics;acoustic emission(AE);rock failure;uniaxial loading;crack propagation process 用声发射系统研究岩石的失稳破坏,并获得了大量 16~25] [ [17] 1 引 言 的研究成果 。K. Mogi 通过研究地震现象讨 论了岩石破裂过程中弹性振动的声发射活动;刘新 [ 18] [25] 岩石破裂失稳问题一直是国内外岩石力学工作 平 探讨了岩石破裂过程的声发射谱;李庶林等 者研究的热点和难点。由于诸多岩体工程灾害的发 研究了单轴加载条件下岩石声发射的活动特征。这 些研究成果促进了声发射技术在岩石力学中的应 生(如岩爆、岩质边坡失稳等)均和岩石破裂失稳过 程有关,因而如何采取有效的研究手段和研究方法, 用,同时也探讨了不同加载阶段其声发射的活动特 系统地研究岩石破裂失稳过程中其内部裂纹的演化 过程,这对进一步理解岩石破裂失稳机制无疑是十 分有意义的工作。随着科技的进步,目前对岩石失 稳机制的研究手段也在逐步地得到改善,如利用电 性,但这些研究成果未能反映整个加载过程中岩石 内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维 空间演化过程。 本文在以上研究成果的基础上,应用声发射及 其定位技术研究了单轴加载条件下含不同预制裂纹 的花岗岩样破裂失稳过程中其内部裂纹孕育、萌生、 扩展、成核和贯通的三维空间演化过程,并分析了 随应力–应变变化岩石声发射活动特性。 [ 1] [2] 镜扫描技术 、红外遥感技术 、CT(computerized [3] [4] tomography)方法 及数值模拟 等手段,研究岩石 破裂失稳全过程并分析各个加载阶段的力学特征, [ 2,5,6] 这方面已取得了许多进展。L. X. Wu 等 对岩石 破裂过程进行了大量的红外热像研究,但其试验的 2 声发射事件定位原理 岩样尺寸相对较小,试验条件相对较苛刻;赵永 [ 3,7~9] 红等 将SEM 和CT 等运用到岩石力学试验上, 声发射事件定位是研究岩石微裂纹动态演化过 对岩石破裂过程进行了细观试验研究,着重阐明微 [ 10] 程的首位工作,主要是通过不同位置的传感器拾取 缺陷对岩石破坏失稳的控制作用;刘冬梅等 应用 激光全息干涉法对岩石裂纹扩展变形过程进行动态 计量,但其不适用于岩石大变形测量,并且岩石局 部变形超出全息干涉范围时,只能采用分段记录; P(S)波到达的时间差来反演岩石破裂源位置,应用 [ 26~31] 定位算法来反演声发射事件位置 ,通过此时 间差和位置差,应用盖格尔算法反演声发射源位置, [32] 进而实现声发射事件定位 ,即 [ 11~13] 唐春安等 应用数值模拟研究了各种条件下岩 石裂纹演化过程及裂纹相互作用机制,但未能从试 验角度出发加以验证。 2 2 2 ( x − xi ) + (y − yi ) + (z − zi ) =νP (ti − t) (1) 岩石材料受外力或内力作用时,由于其本身的 弹性形变、裂纹扩展,造成脆性材料内局部因能量 的快速释放而发出的瞬态弹性波现象,称为声发射 声发射定位结果图中的声发射事件颜色代表声 发射定位事件的误差(见图1)。 0 5 mm [ 14,15] (acoustic emission,AE) ,亦被称为弹性波发射。 声发射是研究脆性材料失稳破裂演化过程的一个良 好工具,能连续、实时地监测载荷作用下脆性材料 内部微裂纹的产生和扩展,并实现对其破坏位置的 定位,这是其他任何试验方法都不具有的特点,已 被广泛应用于研究岩石、混凝土等材料的破裂失稳 机制研究。目前,国内外许多岩石力学工作者,利 图1 声发射定位误差 Fig.1 Location error of AE events 3 岩样制作、加载条件及声发射系统 3 .1 花岗岩岩样制作、加载条件 • 946 • 岩石力学与工程学报 2007 年 本试验所采用的岩样为花岗岩(采于医巫闾山 公司生产的,此声发射仪器是一个综合的、全波形 数据采集处理系统(见图 4),能够实现连续实时声发 射源定位。此声发射仪器有8 个通道,采样频率为 山脉),严格按照国际岩石力学学会建议方法,在实 验室内加工岩样,岩样尺寸为70 mm×70 mm×150 mm(长×宽×高),其 3 种不同预制裂纹的花岗岩岩 样如图2 所示,该花岗岩的物理力学参数见表1。 1 0 MHz,其门槛值设定为100 mV。所采用声发射 传感器的频率为125~750 kHz;前置放大器的增益 为40 dB;后置放大器的频率为0~20 dB。此声发 射系统可以对整个试验过程中所产生的 AE 事件总 数进行统计,并对其源参数进行计算,从而确定AE 源的空间位置。 3 0 mm 30 mm 3 0 mm 数 自岩事件 定位 8 通 数 据 信 号 前 置 放 大 后 置 放 大 据 岩 理 系 岩 道 A/D 板 波形 岩看 ( a) 裂岩 1 (b) 裂岩 2 (c) 裂岩 3 3D 微震事件 图2 3 种不同预制裂纹的花岗岩岩样 Fig.2 Three kinds of granite samples with different precut cracks 图4 声发射仪器监测系统及其数据处理系统 Fig.4 AE monitoring system and its data processing system 表1 花岗岩的物理力学参数 4 试验结果及分析 Table 1 Physico-mechanical parameters of granite 单轴抗压强度 /MPa 弹性模量 /MPa P 波波速 S 波波速 -1 泊松比 -1 /(m·s ) /(m·s ) 通过应用声发射及其定位技术,在压力机上对 花岗岩岩样进行单轴压缩加载,应用盖格尔定位算 法实现声发射事件的空间定位,采用试验方法研究 了含不同预制裂纹花岗岩岩样的裂纹空间演化过 程,并对其进行分析。 5 5~82 3 760 0.22 3 920 2 840 为对含裂纹岩样的破裂失稳过程进行研究,特 在东北大学岩石失稳与控制实验室设计一套声发射 试验系统(见图3),具体由以下3 个系统组成:(1) 加 载系统:采用液压式压力试验机(NYL–500 型,最 大载荷为5 000 kN)进行加载;(2) 声发射监测系统; 4 .1 岩石裂纹扩展过程声发射事件定位 图5 给出了3 种不同预制裂纹岩样破裂过程的 声发射试验定位结果。图5 的结果表明:岩石初始 压密阶段(峰值应力的0%~20%),岩样内部的声发 射定位事件非常少而且零星分布于岩样中,此阶段 产生的声发射事件主要是由岩样中原有缺陷、微裂 纹被压缩引起的;当岩样被加载到峰值应力的 ( 3) 数据采集系统:采用应力传感器和动态应变仪对 岩石所加载荷和纵向变形进行量测。为消除压力机 压头对声发射事件的影响,在压头与试件接触部分 采用橡胶材料进行隔离。 2 0%~30%时,处于初始裂纹出现阶段,声发射定 加岩系岩 声岩射岩岩系岩 位事件开始在一个小的区域内集中,裂纹1 岩样中 声发射定位事件在预制裂纹同一水平面附近集中, 裂纹 2,3 岩样中声发射定位事件在预制裂纹端部上 方的垂直面附近集中,说明岩样中有新的微裂纹产 生;随着载荷的增加,达到峰值应力的 30%~60% 时,裂纹1 岩样中声发射定位事件已经布满了预制 裂纹的同一水平面附近区域,裂纹2,3 岩样中声发 射定位事件布满了预制裂纹端部上方的垂直面附近 区域,裂纹已经由初始破坏位置分别向水平和垂直 方向稳定扩展;随着载荷的继续增加(达到峰值应力 的60%~80%),裂纹1 岩样中声发射的定位事件开 岩岩 岩岩岩岩岩 数据采集系岩 图3 声发射试验系统 Fig.3 AE experimental system 3 .2 声发射系统简介 本试验采用的声发射监测系统是由加拿大ESG 第26 卷 第5 期 赵兴东,等. 基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究 • 947 • U N E 峰岩岩力的 20%~30% 峰岩岩力的 20%~30% 峰岩岩力的 20%~30% 峰岩岩力的 30%~60% 峰岩岩力的 60%~80% 峰岩岩力的 60%~80% 峰岩岩力的 60%~80% 峰岩岩力的 80%~100% 峰岩岩力的 80%~100% 峰岩岩力的 80%~100% ( a) 裂岩 1 U N E 峰岩岩力的 30%~60% ( b) 裂岩 2 U N E 峰岩岩力的 30%~60% ( c) 裂岩 3 图5 3 种不同预制裂纹岩样破裂过程的声发射试验定位结果 Fig.5 Testing results of AE events location of three kinds of rock samples with different precut crocks during crack propagation processes 始向预制裂纹端部下方的垂直面附近集中,而裂纹 2,3 岩样中声发射定位事件同样开始向预制裂纹端 仪器的采样频率的限制,对岩石裂纹贯通瞬间不能 进行很好的定位捕捉。 部下方的垂直面附近集中,此时岩样内部出现的初 始裂纹已经贯通,裂纹开始向新的方向扩展,此时 岩样中已不再产生新的声发射定位集中区;岩样临 近峰值应力时,裂纹全部贯通,达到峰值应力时岩 样失稳破坏。 4.2 不同加载阶段声发射活动特征 图6 给出了3 种不同预制岩样声发射总数随应 力–应变变化关系曲线。从图6 中可以看出,大多 数岩样的变形都经历了4 个阶段:第1 阶段是岩样 初始压密阶段(OA 段),此阶段的产生的声发射事件 较少,而且在岩样内部的分布较零乱;第2 阶段是 弹性变形阶段(AB 段),开始出现初始裂纹,此阶段 声发射数量迅速增加,而且出现明显的Kaiser 效应 特征点;第3 阶段是裂纹萌生和稳定扩展阶段(BC 通过应用声发射及其定位技术对岩样破裂过程 中裂纹扩展声发射事件定位,结果表明,声发射事 件定位能够对裂纹初始及稳定扩展过程进行准确定 位,对裂纹非稳定扩展趋势进行判断,囿于声发射 • 948 • 岩石力学与工程学报 2007 年 够实现对岩石裂纹初始和扩展过程的声发射事件定 位,在此基础上,进一步研究了单轴压缩载荷下完 整岩样(所采用的岩样与上面的岩样完全相同)的初 始裂纹出现及扩展过程。从声发射试验定位结果 岩力–岩岩曲岩 岩岩–声岩射岩数曲岩 1 1 1 1 1 8 6 4 2 8 6 4 2 0 C 3 500 3 2 000 500 B 2 000 1 500 1 000 ( 见图7)可以看出:当载荷为0.0~32.6 MPa 时,岩样 A 5 00 0 O D 0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 处于压密阶段,其内几乎没有声发射事件(见图7(a)); 当载荷超过32.6 MPa 之后,在岩样底部出现声发射 事件定位的集中区,并产生肉眼可以观察到的初始 裂纹(见图7(b));随着载荷增加,裂纹也不断扩展, 当载荷增加到52.0 MPa 时,岩样底部裂纹开始出现 稳定扩展,并在岩样顶部亦出现裂纹;随着载荷继 续增加,超过71.4 MPa 之后,在岩样底部和顶部产 生的裂纹均不断向岩样中间扩展(见图7(c)),直至达 到岩石的最大承载能力(75.5 MPa)时,岩样顶、底部 裂纹贯通,导致岩样发生宏观劈裂破坏(见图7(d))。 岩岩/µε a) 裂岩 1 ( 4 4 3 3 2 2 1 1 5 0 5 0 5 0 5 0 5 2 500 2 000 岩力–岩岩曲岩 C B 岩岩–声岩射岩数曲岩 D 1 1 500 000 500 0 A O 0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 岩岩/µε ( b) 裂岩 2 4 5 3 500 全岩力–岩岩曲岩 C 4 3 3 2 2 1 1 0 5 0 5 0 5 0 3 2 2 000 500 000 岩岩–声岩射岩数曲岩 1 500 1 000 A B 500 0 5 0 D 0 .000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 岩岩/µε ( c) 裂岩 3 图6 3 种不同预制岩样声发射总数随应力–应变变化关系 (a) 32.6 MPa (b) 46.9 MPa 曲线 Fig.6 Cumulative AE events with stress-strain changing of three kinds of rock samples with different precut cracks 段),此阶段应力未达到峰值应力,在弹性阶段后期 和塑性变形的前期是声发射事件明显增加期,岩样 达到峰值应力的 80%~90%后会出现一段应力增长 缓慢,而相对应的应变明显增加的塑性变形阶段, 该阶段声发射总数与应变关系曲线平行于应力–应 变关系曲线,直观反映了裂纹开裂对声发射累积数 贡献的大小;第4 阶段是裂纹不稳定发展系贯通阶 段(CD 段),此阶段声发射率变化非常剧烈,表明声 发射事件的产生主要是由于裂纹扩展引起的。 U N E ( c) 71.4 MPa (d) 75.5 MPa 图7 裂纹扩展过程声发射试验定位结果 Fig.7 Testing results of AE events location during crack propagation process 从图 7(d)中可以看出,在岩样顶、底部出现声 发射事件的集中区域,但在岩样中部几乎没有声发 5 单轴压缩载荷下岩石裂纹扩展过 射事件,出现声发射定位事件的空白区(见图8),然 而岩石宏观裂纹的贯通却恰恰在声发射事件的空白 区之内,这与大地震发生之前的平静期具有一定的 相似性,借此亦可以实现对岩石裂纹扩展的位置 程 本文的声发射定位试验验证了此声发射仪器能 第26 卷 第5 期 赵兴东,等. 基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究 • 949 • 声岩射事件 空白区 阶段过长,这也是需要解决的问题。 参考文献(References): 裂岩岩通区 [ [ [ 1] SCHEDL A ,KRONENBERG A K ,TULLIS J. 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Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1 997,16(4):368–374.(in Chinese)) 5] 吴立新. 遥感岩石力学及其新近进展与未来发展[J]. 岩石力学与 工程学报,2001,20(2):139–146.(WU Lixin. Remote sensing rock mechanics and its recent achievements and future development[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2001,20(2): (1) 声发射事件三维定位结果直观反映了岩样 裂纹初始位置、扩展方位、裂纹宽度变化、裂纹演 化过程以及裂纹扩展的曲面形态,为深入研究裂纹 扩展过程及空间形态奠定了基础,同时亦为研究不 同加载阶段裂纹的扩展程度提供了可能。 1 39–146.(in Chinese)) [ [ 6] WU L X,LIU S J,WU Y H,et al. Changes in infrared radiation with rock deformation[J]. Int. J. Rock Mech. and Min. Sci.,2002,39(4): (2) 在岩石破裂过程中,声发射活动随应力– 8 25–831. 应变变化表现出不同的特征,声发射事件的产生主 要是由裂纹扩展引起的。在初始加载阶段至初始裂 纹形成之前,其声发射活动不是很明显;一旦岩样出 现初始裂纹,在其加载时间点和相应的应力点声发 射事件明显增多;裂纹稳定扩展直至岩石破坏,其 声发射活动变得异常活跃,特别在微裂纹扩展的非 稳定阶段,声发射事件随应力–应变变化非常显著。 7] 许 江,李 贺. 对单轴应力状态下砂岩微观断裂全过程的试验研 究[J]. 力学与实践,1986,6(4):16–21.(XU Jiang,LI He. Experimental research on microfracture process of sand rock under uniaxial compression [J]. 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