基于声发射信息的热损伤花岗岩单轴压缩破裂机制及破裂前兆

贾 蓬，钱一锦，王 茵，王琦伟

东北大学资源与土木工程学院，沈阳 110819

花岗岩作为理想的高放射废料封存岩石材料，其高温下物理力学特性研究对高放射废料深埋工程的安全性具有重要意义[1-5].热损伤岩石破裂过程中的声发射（AE）活动的研究一直广受关注.研究发现，岩石进行热损伤处理时的温度越高，岩石在破坏过程中声发射振铃数量增多，但声发射能量降低[6-8].热损伤岩石从加载到破坏过程中的声发射活动具有明显的阶段性，Zhao 等[1]研究了热损伤北山花岗岩单轴压缩过程中的声发射响应，发现声发射累计振铃的演化可以分为三个典型阶段：加载初期声发射无明显活动对应岩石内部孔隙压密裂纹闭合，声发射累计计数曲线增加阶段对应岩石内部新生裂纹的开展，声发射累计计数曲线高速率增长阶段对应岩石的破坏；Rong等[9]对热处理后的花岗岩和大理岩单轴压缩条件下的声发射活动进行研究发现，累计声发射计数和声发射振铃计数的变化规律与应力应变密切相关，随热处理温度升高，岩石的初始热损伤越严重，导致岩石在初期变形阶段声发射活动越剧烈.Yu等[10]结合DIC(Digital image correlation)与AE 对北山花岗岩热冲击后的物理力学性能研究时同样发现，随着花岗岩热损伤加剧，加载初期的声发射活动会变得活跃；Ge 和Sun[11]通过声发射信息研究了热冲击后花岗岩单轴压缩时裂纹的发育规律，发现声发射b值与花岗岩应力变化具有对应关系，特别是当应力接近峰值时b值会进入迅速下降段达到最小值，同时热损伤的加剧会导致b值的增加；邓龙传等[8]和Shao 等[12]将热损伤花岗岩破裂过程中的声发射活动分为四个特征阶段，其中裂纹的萌生和扩展对应于累计声发射计数曲线线性增加阶段.上述研究为利用声发射分析高温花岗岩的损伤破裂奠定了基础，但对于高温热损伤花岗岩在不同应力阶段的声发射特征参数的变化规律以及主频峰值频率的分布特征的研究还不多见.

岩石在破坏过程中裂纹的开裂机制可以通过声发射参数RA 和AF 值综合表征.如董陇军等[13]分析了花岗岩单轴压缩裂纹发育各个阶段过程中的RA 值和AF 值，得出花岗岩进入裂纹不稳定发育阶段对应RA 值的低位攀升以及AF 值的高位降低；何满潮等[14]通过研究卸载状态下北山花岗岩的RA 值和AF 值，揭示了裂纹类型在卸载状态下的发育规律；Du 等[15]研究了岩石在拉、压、剪和三点弯曲荷载作时的AF 值与RA 值的演化差异，发现AF 值与RA 值均与荷载作用方式中产生的微裂纹类型密切相关；Wang 等[16]利用基于AF 值与RA值确定了各向异性页岩在循环载荷下的裂纹模式和演变，其研究结果表明当加载方向平行于夹层平面时，破坏时主要产生剪切裂纹；甘一雄等[17]基于声发射参数RA-AF 值数据分布特点，在对花岗岩劈裂破坏试验进行声发射监测时发现，尽管花岗岩最终破坏模式是以张拉为主的劈裂破坏，但是最终破坏时仍然存在大量剪切裂纹活跃发育的现象；吴顺川等[18]对比华蓥山隧道掘进爆破过程中的声发射监测结果的RA 值与AF 值在不同传播距离下的分布规律，结果表明RA 值与AF 值可作为岩体破坏的监测指标，岩体急剧破裂过程中会产生大量RA 值较大，AF 值较小的声发射信号；刘希灵等[19-20]对花岗岩与大理岩巴西劈裂试验过程中声发射RA 值与AF 值的变化趋势进行研究，探讨劈裂荷载作用下岩石声发射特征与微观破裂机制的关系，研究结果表明声发射RA 值、AF 值、裂纹模式的分布受岩石结构影响，但岩石裂纹演化过程不受其影响.然而目前对于经历不同温度热损伤的花岗岩在受压过程中其RA 和AF 的变化规律尚不明确.

综上所述，为研究高温热损伤花岗岩在不同应力阶段的声发射特征参数的变化特征及其破裂机制，从而揭示热损伤程度对花岗岩单轴压缩不同应力阶段的声发射特征及破裂机制的影响.本文对经历不同温度热处理后的花岗岩试样开展单轴压缩试验，实时监测压缩过程中的声发射活动信息，分析不同应力阶段各温度热损伤花岗岩的AE振铃数、AE能量、峰值频率和RA-AF变化规律，讨论了AE能量集中度参数的变化特征及能量集中度破坏前兆.

1 试验准备

1.1 试件制备

本试验选用的花岗岩来自于湖南省长沙市某矿区，依据国际岩石力学试验建议[21]，制备的单轴压缩试验岩样尺寸为直径50 mm 高100 mm 的标准圆柱岩石试件，花岗岩岩样进行抛光处理以确保岩样表面平整度符合文献[21]要求，本研究共设置25、200、400 和600 ℃四个温度组，为尽量避免试验误差与偶然性，对每组温度准备三组平行试验组.

采用MYC-5 电窑箱式高温炉对标准花岗岩岩样分别进行加热至目标温度值，为确保岩样充分加热，加热速率设置为5 ℃·min-1，加热至目标温度后的花岗岩岩样进行4 h 的保温处理，并置于炉内冷却至室温，以避免过高的温度梯度产生的热冲击损伤对试验结果产生影响.

1.2 试验设备

单轴加载试验采用YAG-3000KN 微机控制伺服压力机系统上进行，竖向最大试验压力为3000 KN，压力机整体刚度大于3 GN·m-1.根据文献[21]，加载采用位移控制，最大主应力方向位移加载速率为0.002 mm·s-1.图1 为加载装置及声发射设备图，单轴加载试验中进行声发射活动监测.声发射试验系统采用美国物理声学公司的PCI-II 型声发射试验系统，传感器选用中心响应频率为125 kHz 的NANO30 型谐振式传感器.声发射监测系统的前置增益设定为40 dB，采集振铃信号时的阈值门槛为40 dB，传感器布置方式如图1 所示.

图1 单轴压缩加载示意图Fig.1 Uniaxial compression loading diagram

2 试验结果及讨论

2.1 高温花岗岩基本力学参数

图2 为单轴压缩加载条件下高温处理后花岗岩的典型应力-应变曲线，且各温度热损伤花岗岩的基础物理力学参数如表1 所示.可以看出，随温度升高，花岗岩岩样的纵波波速下降明显，热损伤处理温度为600 ℃时，平均纵波波速较25 ℃时降低约63.7%.单轴压缩条件下花岗岩应力曲线存在明显的压密阶段、弹性阶段、破坏阶段和峰后阶段，当花岗岩岩样达到单轴压缩峰值抗压强度时，应力-应变曲线变现出多峰现象，花岗岩的峰值抗压强度均随温度升高逐渐降低，600 ℃时花岗岩平均强度降低了50.82%.由纵波波速与单轴抗压强度随温度变化可见高温对花岗岩具有明显的劣化作用.

表1 热损伤花岗岩基础物理、力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of the thermally damaged granite samples

图2 不同温度处理后花岗岩的单轴压缩应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of granite under uniaxial compression after thermal treatment

2.2 高温花岗岩不同受压阶段的声发射特征分析

声发射信号可以反映岩石内部破坏演化对应的裂纹萌生、成核、扩展和贯通，其变化趋势与岩石在受荷过程中的变形、应力变化具有明显的对应关系，刘斌和Wu 等学者[22-23]认为可根据声发射信息的时间分布特点对岩石的应力状态进行了阶段划分，以25 ℃花岗岩单轴压缩条件下的声发射和应力曲线为例（如图3 所示），依据声发射演化特征，可将单轴压缩条件下花岗岩的应力曲线划分为4 个典型阶段：①裂纹压密阶段（阶段Ⅰ），无声发射活动，声发射累计计数曲线为平直线；②裂纹萌生及稳定发育阶段（阶段Ⅱ），该阶段前期少量声发射活动，后期声发射活动产生，声发射累计计数曲线前期线性增长后期偏离线性增长；③裂纹非稳定发育阶段（阶段Ⅲ），声发射活动剧烈，声发射累计计数非线性增长；④峰后破坏阶段（阶段Ⅳ），试件达到峰值强度后.从图中可以看出，裂纹压密阶段声发射活动稀少，岩样内部微裂纹、孔隙发生闭合，应力曲线斜率不断增加.随着荷载增加至起裂应力点，岩石内部裂纹开始萌生并不断发育，进入裂纹萌生及稳定发育阶段（阶段Ⅱ），出现明显的声发射活动，应力曲线进入线性变形阶段到破坏阶段的过渡区.破坏前，岩石内部裂纹在持续增加的荷载作用下进入不稳定发展阶段，声发射活动显著上升，累计声发射曲线快速上升.峰后阶段的声发射信号逐渐减少并趋于平静，岩石破坏.

图3 25 ℃花岗岩单轴压缩AE 计数、AE 累计计数及应力随时间演化(UC1-1)Fig.3 Evolution of AE counts, AE cumulative counts and stresses of granite with time under uniaxial compression at 25 ℃ (UC1-1)

图4 给出了热损伤花岗岩声发射振铃计数、累计振铃计数曲线、声发射能量、轴向应力随时间的变化规律，各阶段声发射特征参数列于表2.由表2 可知，各温度热损伤花岗岩在裂纹压密阶段声发射活动不明显，仅在该阶段末期产生少量低能量AE 事件.热处理温度升高，花岗岩内部初始热损伤越严重，裂纹压密阶段AE 事件越活跃，且AE 事件释放的能量小幅增加，但是该阶段持续时间缩短，表明花岗岩岩样内部初始热损伤越严重，在荷载作用下越容易开裂.荷载增大，各温度热损伤花岗岩进入裂纹萌生及稳定发育阶段，AE累计计数曲线呈现线性上升趋势，AE 能量增大.可以发现热处理温度越高，花岗岩裂纹萌生及稳定发育阶段持续时间越长，说明花岗岩表现出渐进破坏特征.各温度热损伤花岗岩裂纹非稳定发育阶段AE 事件数目激增，AE 累计计数曲线进入阶梯式非线性增长阶段.

表2 热损伤花岗岩各应力阶段声发射事件特征Table 2 Characteristics of acoustic emission events of thermally damaged granite at each stress stage

图4 各温度热损伤花岗岩应力及声发射随时间的演化规律.(a) 25 ℃ (UC1-1); (b) 200 ℃ (UC2-1); (c) 400 ℃ (UC4-1); (d) 600 ℃ (UC6-3)Fig.4 Evolution of stress and acoustic emission parameters of thermally damaged granite at different temperatures: (a) 25 ℃ (UC1-1); (b) 200 ℃ (UC2-1); (c) 400 ℃ (UC4-1); (d) 600 ℃ (UC6-3)

2.3 高温损伤花岗岩声发射峰值频率的分布特征

采用快速傅里叶变换（FFT）对所采集到的声发射波形的峰值主频进行收集，不同温度花岗岩破裂过程中声发射峰值频率主频特征及峰值频率主频分布密度图如图5 所示.可以看出，所有温度花岗岩单轴压缩过程中的峰值频率主要分布在0 kHz至350 kHz 之间，表现出明显的带状分布特征，其信号频率区间及主频带可以分为：低频信号（0～100 kHz）、中低频信号（100～150 kHz）、中高频信号（200～270 kHz）、高频信号（280～330 kHz）和超高频信号（350～500 kHz）.

从图5 中可以看出，加载初期最先出现低频信号，其他频率区间的信号较少，热处理温度越高，低频信号的数量越多，同时其余主频带的峰值频率信号也越早出现，说明热损伤越严重的岩样，在加载初期越容易产生高频破裂信号；由图5 可知，随着荷载增加，各温度热处理岩样内部裂纹开始孕育并进入稳定发育阶段，峰值频率开始集中分布在低、中低、中高以及高频范围内，热处理温度越高，各主频带范围越宽，表明热损伤越严重的岩样在裂纹稳定发育阶段产生的峰频信号分布更加发散；当岩样进入裂纹不稳定发展阶段时，声发射信号大量出现并聚集分布，该阶段峰值频率表现出主频带变宽、高频信号多于低频信号的特征，说明此时岩样内部裂纹开展剧烈，此外，在该阶段出现了超高频信号，但是热处理温度越高，超高频信号越少；岩样失稳破坏时岩样破坏时出现了“多峰现象”，这是由于花岗岩在压缩过程中的“互锁效应”造成的[24]，即在破坏面紧密贴合时产生的摩擦力使得岩石强度产生强度回升.峰值强度后应力降低，峰值频率信号减少，当应力曲线下降至低点时，峰值频率信号消失，峰后阶段，岩样彻底破坏，峰值频率不再呈现明显的带状分布特征，声发射信号进入峰后不可控阶段.

如上所述，花岗岩单轴受压过程中AE 计数特征、AE 能量特征、峰值频率分布特点等声发射信息均与花岗岩的热损伤程度有关.热处理温度改变了花岗岩内部微观结构，从而造成其声发射特征的改变.各温度热处理后花岗岩的偏光显微图如图6 所示，图中①为晶间裂纹，②为晶内裂纹，③为穿晶裂纹.可以看到，25 ℃时，花岗岩内部存在少量的原生裂纹与孔隙，矿物晶粒之间黏结紧密，因此抵抗破坏的能力更强；随着热处理温度逐渐增高，由200 ℃和400 ℃热损伤花岗岩的偏光显微图可以看到，矿物颗粒在受热膨胀失配产生的热应力作用下，晶间裂纹进一步发育、扩展的同时，晶内裂纹开始发育并联结，内部结构遭到破坏，晶粒间的相互作用降低；在热处理温度由400 ℃升高至600 ℃的过程当中，由于石英会产生由α 至β 的相变[1,24]，导致晶格遭到严重破坏，穿晶裂纹大量发育并联结成网，岩石内部结构明显破坏.可见由于温度应力导致花岗岩晶粒之间的相互作用减弱和晶粒承载能力下降，在较低的荷载作用下，裂纹即发生扩展，从而产生中、高频主频带的声发射信号；随着荷载的进一步增加，岩样骨架承载能力下降而破裂，裂纹大量开展，声发射信号弱但数量增多，各个主频带分布范围逐渐变宽.

2.4 基于RA-AF 的高温花岗岩裂纹扩展机制分析

利用声发射波形参数的RA 值（上升时间/振幅）与AF 值（平均频率）可对岩石在失稳破裂过程中裂纹开裂机制进行识别.通常认为，张拉裂纹开裂时，具有较低RA 值和较高的AF 值，而剪切裂纹开裂时具有较高的RA 值和较低的AF 值[14-15,17,25]，如图7 所示.

图7 RA-AF 数据分布特征与裂纹类型之间的关系Fig.7 Relationship between RA-AF data distribution characteristics and cracking mechanism

图8 为不同温度热损伤花岗岩不同加载阶段对应的RA-AF 数据分布图.可以发现花岗岩在压密 初期RA 值较 低，RA 主要 分布 在0～8 ms·V-1间，同时AF 主要分布在0～0.3 MHz 间，此阶段裂纹开裂较少，且以张拉裂纹与拉剪复合裂纹为主.热处理温度升高，该阶段RA 分布范围由2 ms·V-1小幅的增加至8 ms·V-1，AF 值由0.2 MHz 少量增加至0.3 MHz，表明热损伤越严重的花岗岩在裂纹压密阶段伴生少量剪切裂纹.当花岗岩在荷载作用下进入裂纹萌生及稳定发育阶段时，RA 值分布范围逐渐增加，RA-AF 数据开始集中在0 MHz＜AF＜0.2 MHz和0＜RA＜10 ms·V-1的范围，且AF＞0.2 MHz 的数据点开始增多，表明在该阶段主要产生拉剪混合裂纹，拉裂纹逐渐活跃.此外，随热处理温度升高，裂纹萌生及稳定发育阶段集中产生更多低AF 值(0～0.2 MHz)、高RA 值(大于10 ms·V-1)的数据点，说明热损伤严重的花岗岩在裂纹萌生与稳定发育阶段更容易产生剪切裂纹.裂纹进入非稳定发育阶段时，RA-AF 数据点逐渐沿RA 值增大的方向延展，且高RA 值(大于20 ms·V-1)的信号也同时集中在相对较高的AF 值（0.05～0.1 MHz）的范围内，表明该阶段在产生大量拉伸裂纹与拉剪裂纹的同时，剪切裂纹开始萌生并进一步发育扩展；在失稳破坏阶段，岩样内部宏观裂纹大量形成并贯通，产生数量较多的高频信号，该阶段的RA-AF 分布表现为高RA 值且高AF 值，值得注意的是RA 值在该阶段出现了从10 至102的数量级的提升，表明花岗岩单轴压缩在最后破坏直至停止加载的过程中产生数量较多、尺寸较大的剪切裂纹，这些剪切裂纹与拉伸裂纹、拉剪复合裂纹相互交错联结，最终导致花岗岩最终发生破坏，声发射信号突增并伴随有超高频信号的产生.从图8 可以看出，热处理温度对于裂纹非稳定扩展阶段与破坏阶段的RAAF 的分布特征的影响不明显.

图8 热损伤花岗岩各应力阶段RA-AF 数据分布情况.(a)压密阶段；(b)裂纹萌生及稳定发育阶段；(c)裂纹非稳定发育阶段；(d)峰后破坏阶段Fig.8 Distribution characteristics of RA-AF data at each stress stage: (a) crack compaction stage; (b) crack emergence and stable development stage; (c)crack unstable development stage; (d) post-peak damage stage

图9 为各温度热损伤花岗岩的单轴压缩破坏模式.主要是以劈裂为主的拉剪复合破坏，根据图8在各阶段的RA-AF 数据分布特征可知，尽管花岗岩的最终破坏模式表现为张拉破坏，但破坏同时伴随有大量剪切裂纹的发育和扩展，这与Du 等[15]和甘一雄等[17]等的试验现象一致.

图9 各温度热损伤花岗岩破坏模式.(a) 25 ℃; (b) 200 ℃; (c) 400 ℃; (d) 600 ℃Fig.9 Failure modes of the thermally damaged granite samples: (a) 25 ℃; (b) 200 ℃; (c) 400 ℃; (d) 600 ℃

2.5 基于声发射能量集中度的高温花岗岩破裂前兆特征分析

图10 各温度热损伤花岗岩应力-时间、ρ-时间曲线（注：阶段Ⅰ, 裂纹压密阶段；阶段Ⅱ, 裂纹萌生及稳定发育阶段；阶段Ⅲ, 裂纹非稳定发育阶段；阶段Ⅳ, 峰后破坏阶段）.(a) 25 ℃ (UC1-1); (b) 200 ℃ (UC2-1); (c) 400 ℃ (UC4-1); (d) 600 ℃ (UC6-3)Fig.10 Stress-time curve and ρ-time curve of thermally damaged granite at different temperatures (Note: Stage I, crack compaction stage; Stage II,crack emergence and stable development stage; Stage III, crack unstable development stage; Stage IV, post-peak damage stage): (a) 25 ℃ (UC1-1);(b) 200 ℃ (UC2-1); (c) 400 ℃ (UC4-1); (d) 600 ℃ (UC6-3)

经过突变点A 后，花岗岩内部裂纹发育进入不稳定阶段，ρ曲线进入突降阶段，拉伸裂纹与拉剪混合裂纹大量发育的同时剪切裂纹进一步发育扩展，ρ曲线快速下降，说明花岗岩内部产生了少量高强信号[6]，这与2.3 节中的分析结论，即花岗岩在该阶段逐渐产生少量超高频信号一致，表明内部裂纹在该阶段连接形成宏观大裂纹，最后花岗岩在荷载作用下产生破坏.

3 结论

为揭示热损伤程度对花岗岩单轴压缩不同应力阶段声发射特征及损伤机制的影响，本文对25、200、400 和600 ℃热损伤花岗岩开展了单轴压缩试验，分析不同温度热损伤花岗岩的AE 振铃数、AE能量、峰值频率和RA-AF 信息，得到了AE 能量集中度参数的变化特征及能量集中度破坏前兆.主要结论如下：

(1) 各温度热处理后花岗岩单轴压缩过程中声发射发育特征变化表明热损伤越严重，花岗岩越早进入裂纹萌生及发育阶段，声发射峰值频率越早产生中、高频破裂信号，且主频带分布范围越宽，破坏时超高频信号越少.

(2) RA-AF 信号分布特征可以表征各温度热损伤花岗岩各应力阶段产生的裂纹类型.花岗岩由裂纹压密阶段加载至破坏阶段过程中，RA-AF 信号分布特征说明剪切裂纹活动逐渐活跃.且热损伤花岗岩在压力作用下更易在产生剪切裂纹，热损伤温度越高，剪切裂纹越发育.

(3) 基于花岗岩单轴压缩过程中声发射信息的能量集中度曲线包含三个主要阶段：初始不规则波动阶段、稳定阶段和突降阶段，分别与裂纹压密阶段、裂纹萌生及稳定发育阶段和裂纹非稳定发育阶段具有明显对应关系.能量集中度曲线的稳定发育阶与突降阶段之间的突变点可以作为花岗岩单轴压缩条件下的破坏前兆.