声发射和变形场联合监测试验研究

王晓雷，蒋鹏程，闫顺玺，詹思博，皇甫润，王尚政

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.华北理工大学以升创新教育基地，河北 唐山 063210)

随着岩土工程向深部的推进，地下工程面临高应力等复杂赋存条件。在开挖过程中，岩石内部应力集中产生裂纹，随着裂纹的扩展和贯通，岩石破裂失稳，由此引发的灾害严重影响岩土工程的安全。因此，研究岩石破裂特征、前兆预警有重要意义。

岩石在应力作用下发生错动，产生的弹性波在介质中传播，以声发射(acoustic emission，AE)信号的形式被监测到，因此，声发射可以监测岩石内部裂纹的发育、扩展情况，刻画岩石破裂的孕育、发生过程。作为一种无损监测手段，声发射技术被广泛运用于岩石损伤监测，为岩石失稳参数特征演化分析、前兆信息识别与灾害预警等研究提供了重要的数据[1-6]。但是，声发射监测手段对岩石表面裂纹演化的监测效果较差，实际工程中，有时不仅需要知道预警时间，也需要知道预警位置。变形场能实时监测岩石表面裂纹演化情况，可弥补声发射在此方面的不足。变形局部化是岩石不稳定的重要表现形式，同时也是岩石破坏的前兆[7]。许多学者就岩石的变形局部化进行了分析，诸如研究含预制裂纹试件的局部化演变过程[8-10]和冲击荷载作用下砂岩的剪切局部化特征[11]等。

在岩石破裂失稳的预警中，考虑到灾害发生的随机性、突发性和影响因素的多样性，多种手段联合监测已成为灾害预警的主要趋势和途径[12]。本文采用声发射和变形场联合监测的方式进行片麻岩单轴压缩试验，分析两种监测手段与岩石破裂失稳的联系，提供一种更全面的预警方法。研究结果为实际工程岩体的稳定性控制及防治提供理论依据。

1 声发射和变形场联合监测试验

1.1 试样制备

试验选用的片麻岩样品为唐山市某矿区一种极具代表性的层状岩石材料，岩样如图1所示，整体呈青灰色，表面分布不同宽度、深浅不一的条带状矿物，浅色部分粒状变晶矿物以石英、长石等矿物为主，黑云母、角闪石等深色矿物在其中相间分布。岩石深浅矿物分布相对集中，岩样整体呈现出深浅条带状相间排列的片麻状构造，条带宽度区间为2～30 mm。取样后经过切割、打磨等工序，将样品制成50 mm×50 mm×100 mm表面不平行度小于0.02的标准长方体样品。试验准备10块片麻岩样品，将样品编号为PM-A，PM表示片麻岩，A表示第A号样品。

图1 片麻岩试样

1.2 试验方法

试验系统主要由加载系统、声发射监测系统和数字散斑(digital image correlation，DIC)测量系统组成。

加载系统采用TAW-3000型刚性伺服试验机(图2)进行实验加载和应力数据收集工作，单轴轴向压缩试验加载采用位移控制方式，加载速率为0.002 mm/s，加载至试样失去承载能力后停止加载。声发射设备采用北京软岛DS5-16B型声发射监测系统，该系统是全局动态无损监测，稳定性好，灵敏度高，能实时监测岩石内部破裂信息。DIC测量系统采用美国CSI公司VIC-3D全场应变测量系统，该系统具有非接触性、无损测试、环境要求低、实验过程可追溯可评估的优点，可直接获得全场应变、位移、形貌等数据。

为减小试验的离散程度，选择层理均匀、结构完整的试件。试验前在试件观测面绘制随机散斑，将声发射探头固定在试件侧面，布置位置如图3所示。试验开始时，将加载系统、声发射监测系统和DIC测量系统同时开启，保证以统一的时间记录相关数据。

图2 试验系统

图3 声发射探头布置位置

图4 PM-2累计振铃计数曲线

2 试验结果和分析

2.1 声发射振铃计数

声发射是指由于岩石内部结构发生变化而引起材料应力突然重新分布，机械能转变为声能，产生弹性波的现象。声发射振铃计数可反映岩石内部破裂的强度和频度，累计振铃计数能反映声发射信号的增长速率。岩石应力-声发射振铃计数-时间三者的关系曲线如图4所示，限于篇幅，仅列出较为典型的试件PM-2。应力较低时，应力曲线向上弯曲，当应力增加到一定值后，曲线呈近直线，最后，曲线向下弯曲，曲线整体呈“S”形。由应力曲线将岩石的变形分为压密阶段(Ⅰ)、弹性阶段(Ⅱ)、塑性阶段(Ⅲ)和破坏阶段(Ⅳ)四个阶段。

压密阶段(Ⅰ，0～84 s)：试件中原有微裂纹或者张开性结构面被压密，形成早期的非线性变形，应力曲线呈上凹型。由于片麻岩结构较致密，加载过程中压密阶段持续时间较短，试件内部没有裂纹萌生或者裂纹尺度较小声发射探头无法接收，因此压密阶段监测不到振铃计数。

弹性阶段(Ⅱ，85～278 s)：该阶段载荷曲线呈近直线形，裂纹稳定发展，并且有零星振铃计数出现，表明随着载荷增加，在外力作用下试件内部产生应力集中，裂纹开始萌生、扩展。加载至第205 s时，累计振铃计数曲线第一次出现转折点(点A)，作为启动点，代表岩石处于裂纹稳定发展阶段。

塑性阶段(Ⅲ，279～328 s)：相较于弹性阶段，此阶段声发射振铃计数明显增多，但仍维持在一个较低的水平。随着应力的增加，累计振铃计数曲线持续上升，上升速度比较稳定。

破坏阶段(Ⅳ，329～363 s)：试样承载力达到峰值后，其内部结构遭到破坏，但试件基本保持整体状，具有一定的残余应力。加载至第329 s时，应力突降，振铃计数出现激增，累计振铃计数曲线以近竖直的形态陡升，上升幅度约占总振铃计数的20%。定义此转折点(点B)为岩石破裂预警点，代表岩石接近破坏。随后应力出现数次起伏波动，应力突降时一般伴有振铃计数激增，但增加量和应力降幅无对应关系。直至第363 s岩石失去承载能力，试件完全破坏。

综上所述，在单轴压缩荷载作用下，声发射振铃计数可表征岩石内部状态。定义累计振铃计数曲线第一次出现斜率陡增(点B)作为岩石破裂预警点。结合所有试验结果，预警点多出现在临近峰值应力之前。

2.2 变形场应变均方差

虽然声发射系统能够有效监测岩石内部破裂信息，但无法描述岩石表面裂纹的演化过程。目前对于岩石变形演化特征分析常采用数字散斑相关(DIC)测量方法，该方法是对全场位移和应变进行量化分析的光测实验力学方法。其原理是计算机将物体变形前后的图像散斑进行对比，通过灰阶找到图像相关区域从而计算出物体表面位移和应变分布。试样每一个观测点对应此点的应变值，计算应变值的均方差，可得到应变分布的离散程度。定义某时刻应变场的均方差见式(1)。

(1)

(2)

计算试样加载过程中的应变场，用式(1)统计其主应变场的均方差。限于篇幅，以PM-2试样应变均方差的演化曲线(图5)为例。

图5 PM-2应变均方差曲线

从图5中可以看出，岩石试样的应力曲线和应变均方差曲线在时域上具有较好的对应关系，由应力曲线将岩石的变形分为压密阶段(Ⅰ)、弹性阶段(Ⅱ)、塑性阶段(Ⅲ)和破坏阶段(Ⅳ)四个阶段。图6中，应变集中带一般代表此处有裂纹出现，应变值大小代表应变的大小。

压密阶段(Ⅰ，0～84 s)：此阶段试件原有微裂纹或者张开性结构面被压密，横向膨胀较小。图5应变均方差整体偏小，选取第50 s应变图表现此阶段应变情况，由图6可知，此阶段变形场应变分布比较均匀，且应变值较小。

弹性阶段(Ⅱ，85～278 s)：此阶段裂纹稳定发展，图5加载至第209 s时，应变均方差曲线第一次出现转折点(点C)，作为启动点，代表岩石处于裂纹稳定发展阶段。由图6第209 s(点C)应变图可知，此时在岩石观测面左上位置有应变集中带出现，之后此条带处应变值持续增大，代表此处裂纹持续发展。

塑性阶段(Ⅲ，279～328 s)：此阶段试件由体积压缩逐渐转为扩容，应变均方差曲线以稳定的速率增长，应变值稳定上升。选取第300 s应变图表现此阶段应变情况，由图6可知，除了左上方原有裂纹持续发展外，正上方和右下方都出现应变集中带，即此处有裂纹出现，之后此处裂纹持续发展。

破坏阶段(Ⅳ，329～363 s)：此阶段裂隙发展速度较快，裂隙交叉、联合形成宏观断裂面，岩石变形主要表现为沿着宏观断裂面的块体滑移。图5加载至第353 s时，应力大幅度降低，应变均方差曲线激增。定义此转折点(点D)为岩石破裂预警点，代表岩石接近破坏。由图6第353 s(点D)应变图可知，原有裂纹持续发展，正上和右下裂纹有贯通趋势，应变值持续增大。随后岩石失去承载能力，试样完全破坏。应变集中带位置与图6破坏后图像裂纹位置吻合，即应变图可描述岩石表面裂纹演化情况。

由图6可知，岩石试样发生局部变形后，应变场分布特征为少数散斑(应变集中带内)的变形量远大于其他散斑(应变集中带外)的变形量，导致应变均方差曲线在第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ阶段尤其是第Ⅳ阶段的急剧上升。第Ⅳ阶段为宏观裂纹活动阶段，从应变演化的角度可理解为更加严重的局部变形阶段，因此应变均方差数值持续增加。

综上所述，在单轴压缩荷载作用下，变形场可有效表征岩石表面裂纹演化，且具有一定预警能力。定义应变均方差曲线第一次出现斜率陡增(点D)作为岩石破裂预警点。结合所有试验结果，预警点多出现在破坏阶段。

图6 变形场应变演化云图

3 声发射与变形场联合监测

声发射监测技术能较好表征岩石内部破裂情况，但无法描述岩石表面裂纹的演化过程；DIC测量方法能描述岩石表面裂纹的演化情况，但对岩石内部破裂信息监测效果较差。声发射和变形场联合监测可进一步对预警指标提供理论依据。为了比较声发射监测与DIC测量两种手段的预警效果，将声发射累计振铃计数曲线和变形场应变均方差曲线进行对比。同样由应力曲线将岩石的变形分为压密阶段(Ⅰ)、弹性阶段(Ⅱ)、塑性阶段(Ⅲ)和破坏阶段(Ⅳ)四个阶段，如图7所示。

图7 PM-2累计振铃计数和应变均方差曲线

表1 片麻岩预警点处曲线上升幅度占总体比例

压密阶段(Ⅰ，0～84 s)：两个预警参数量值较小，上升速度缓慢，不需要进行预警。

弹性阶段(Ⅱ，85～278 s)：两个预警参数皆出现启动点，由图7可知启动点时间差别不大，声发射累计振铃计数启动点(点A)稍早于变形场应变均方差启动点(点C)，声发射累计振铃计数曲线上升幅度小于应变均方差曲线。

塑性阶段(Ⅲ，279～328 s)：两个预警参数曲线以稳定的速率增长，声发射累计振铃计数上升速度大于变形场均方差曲线。

破坏阶段(Ⅳ，329～363 s)：两个预警参数曲线出现激增，激增处定义为预警点。统计所有试样结果，整体上声发射累计振铃计数预警点(点B)早于变形场应变均方差预警点(点D)。声发射累计振铃计数曲线上升幅度小于应变均方差曲线上升幅度。预警点处声发射累计振铃计数曲线上升幅度占总体的20%～50%，平均占比34.65%；应变均方差曲线上升幅度占总体的25%～65%，平均占比41.15%。在实际工程岩体破裂预警时，由于监测手段实时观测，无法得知预警参数总体量值。但是相同地质环境下岩体物理性质差别不大，可根据经验估计总体占比。

综上所述，声发射累计振铃计数和变形场应变均方差两个参数曲线启动点出现时间差距不大，预警点出现时间差距较大，总体上声发射比变形场更早监测到破裂信息。两个预警参数曲线以近竖直斜率大幅上升时即可预警，声发射累计振铃计数曲线上升幅度占总体的20%～50%，平均占比34.65%，应变均方差曲线上升幅度占总体的25%～65%，平均占比41.15%。在时间上，声发射整体早于变形场，但在空间上，变形场可实时观测岩石表面裂纹演化情况。将两种监测手段联合，能更全面了解工程岩体破裂情况，为实际工程岩体的稳定性控制及防治提供理论依据。

4 结 论

1) 声发射累计振铃计数和变形场应变均方差两个参数曲线启动点出现时间差距不大，预警点出现时间差距较大，总体上声发射比变形场更早监测到破裂信息。

2) 声发射累计振铃计数曲线和应变均方差曲线第一次以近竖直斜率大幅上升时即可预警，代表岩石即将破坏。声发射累计振铃计数曲线上升幅度占总体的20%～50%，平均占比34.65%，应变均方差曲线上升幅度占总体的25%～65%，平均占比41.15%。

3) 岩石破裂失稳预警，在时间上声发射比变形场更早观测到，在空间上变形场可实时观测岩石表面裂纹演化情况。将两种监测手段联合，能更全面了解工程岩体破裂情况，为实际工程岩体的稳定性控制及防治提供理论依据。