基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究

第 27 卷 第 5 期
赵兴东，等. 基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究
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characteristics of rock components. AE location results also directly reflect the spatial position，direction and spatial curved face of crack propagation in the rock samples，which provides very significant evidences for the
study of rock failure mechanism. Key words：rock mechanics；acoustic emission；rock failure process；Brazilian testing；uniaxial loading
1引言
岩石内部微裂纹的初始、扩展是造成岩石破裂 失稳问题的直接因素，诸多岩石工程结构的破坏均 与裂纹初始、扩展相关。近年来，随着岩石力学的 迅速发展，在岩石失稳研究方面，针对岩石微细观 裂纹演化、破坏方面的研究尤为突出[1～11]。仵彦卿 等[1]应用 X 射线及 CT 方法研究了岩石内部裂纹扩 展过程，并描述了岩石 CT 尺度的破裂阶段。L. X. Wu 等[2，3]对岩石破裂过程进行了大量的红外热像研 究，但其实验的岩样尺寸相对比较小，且实验条件 相对比较苛刻。刘冬梅等[9]利用实时全息干涉法、 高分辨率数字摄像机与计算机图像处理系统相链接 的三位一体化测量系统，连续动态观测了单轴受压 砂岩、花岗岩和压剪受荷砂岩岩样的裂纹扩展与变 形破坏过程。唐春安等[10，11]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， 但未能从实验角度出发加以验证。
型(频域：125 Hz～750 kHz)；前置放大器型号为 1220A–AST(增益为 40 dB)；后置放大器的增益为 0～20 dB。整个声发射系统能够实现声波信号的采 集、空间定位、波形处理及事件发生时间确定，同 时本系统还可以对整个实验过程中，所发生的声发 射事件总数进行统计，并确定岩样内部裂纹破坏的 空间位置。声发射事件定位主要是通过不同位置的 传感器拾取 P(S)波到达时间差，应用盖格尔算法[12] 反演声发射源位置来反演岩石破裂源位置，进而实 现声发射事件的定位。声发射仪器及其定位原理详 见赵兴东等[13～15]的研究。
第 27 卷 第 5 期 2008 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.27 No.5 May，2008
基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究
赵兴东 1，2，李元辉 1，刘建坡 1，张建勇 1，朱万成 1
尽管对岩石破裂过程的研究取得了诸多成果， 但由于受到观测手段和方法的限制，不能对岩石内 部裂纹初始位置、演化过程进行实时监测，应用声 发射及其定位方法实时观测及定量分析裂纹初始和 扩展过程的研究更少。本文应用声发射及其定位技 术，系统实验研究了不同加载条件、不同岩样以及 不同尺寸岩石破裂失稳过程，直观反映了岩石内部 裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演 化过程，并分析了随应力变化其声发射活动规律。
rock samples are varied by the sizes of granite samples. The AE activity is influenced by crack generation during loading process；by contrast，the AE activity is different for various rock samples as well. The AE activity of granite sample shows stress jump，but few AE events are generated during initial loading processing and elastic loading period of sandstone. The AE events increase abruptly with the external loading，which is related to the
propagation process
给出了最终的定位结果及反映声发射活动特征曲 线，以供参考。 4.1 单轴压缩条件下岩石声发射事件定位
通过对岩样定位结果和实际破坏形式的比较发 现，声发射事件定位很好地反映岩样的实际破坏形 态，而且比较准确地对岩样裂纹的初始、扩展进行 定位(见图 1)。但此定位算法依靠时差进行定位，只 能反映裂纹初始及稳定扩展过程；在裂纹贯通瞬间， 其时差变化不明显，因此其不能反映裂纹扩展的非 稳定扩展及贯通过程。 4.2 三点弯曲声发射事件定位
(1. 东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110004； 2. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)
摘要：应用声发射及其定位技术，采用实验手段研究了不同加载方式(单轴加载、巴西劈裂及三点弯曲条件下)不
同尺寸岩石以及不同岩样破裂失稳过程。实验结果表明，在岩石弹性变形阶段，声发射事件定位位置为岩样内部
巴西 劈裂
花岗片麻岩 大理岩
φ100×50 φ100×50
三点 弯曲
花岗岩
70×90×700
注：巴西劈裂岩样尺寸单位为 mm×mm。
3 960 5 270 3 980
(a)
(b)
图 1 裂纹扩展过程声发射实验定位结果 Fig.1 Testing result of AE events location during crack
的应力集中位置；随着加载的进行，声发射仪器精确地定位出其裂纹初始位置、扩展方向，并直观地反映出其内
部裂纹稳定扩展过程。从巴西劈裂实验的声发射事件定位结果可以看出，初始裂纹产生的位置具有随机特性，且
初始裂纹产生是诱发岩石破裂失稳的首要因素。岩样尺寸影响其破坏模式，受加载过程裂纹初始时序不同影响其
声发射活动规律表现不一致；不同岩样声发射活动随应力变化呈一定的规律性，其中砂岩在加载过程其声发射活
Abstract：Acoustic emission(AE) and its location technique are utilized to study the failure process of different sized rock samples under different loading conditions(uniaxial loading，Brazilian splitting testing and three-point bending loading). From experimental results，the position of AE events corresponds to the position of stress concentration during the elastic loading step. With the increase of external loading，AE instrument can exactly locate the position of crack initiation and propagation；and AE location events can reflect the stable crack propagation process. The AE location result of Brazilian splitting testing indicates that，the position of initial crack is generated randomly，and the initial crack is the primary factor inducing rock instability. The failure modes of
实验 方法
岩样编号
岩样尺寸 /(mm×mm×mm)
P 波波速 /(m·s－1)
花岗片麻岩
3 790
砂岩
4 910
单轴 压缩
大理岩 黑岩 花岗岩 1 红岩
花岗岩 2
70×70×150
70×70×75 70×70×100 70×70×150 70×70×200
5 820 3 630 3 810 3 650 3 710 3 970 3 790 3 940
2 声发射仪器简介及其定位原理
实验所采用的声发射仪器是由加拿大 ESG 公 司生产的，该仪器是一个综合的、全波形采集处理 系统，同时，很多源参数(能量、震级等参数)也被 实时计算。此声发射仪器具有 8 个数据采集通道， 整个声发射系统的采样频率设为 10 MHz，其门槛 值设定为 80 mV。所采用的声发射传感器为 Nano30
收稿日期：2007–11–26；修回日期：2008–02–17 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50574022，50674025，50504005)；国家重大技术研究发展规划项目(2007CB209405) 作者简介：赵兴东(1975–)，男，博士，1997 年毕业于焦作工学院矿井建设专业，现任讲师，主要从事岩石破裂失稳与控制方面的教学与研究工作。 E-mail：zhaoxingdong@mail.neu.edu.cn
动具有突跳特性，这主要与岩石均质程度相关。声发射定位结果直观地反映岩样内部裂纹初始、扩展的空间位置，
这对于深入研究岩石破裂失稳机制具有一定的意义。
关键词：岩石力学；声发射；岩石破裂过程；巴西实验；单轴加载
中图分类号：TU 452
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2008)05–0990–06
STUDY ON ROCK FAILURE PROCESS BASED ON ACOUSTIC EMISSION AND ITS LOCATION TECHNIQUE
ZHAO Xingdong1，2，LI Yuanhui1，LIU Jianpo1，ZHANG Jianyong1，ZHU Wancheng1
3 岩样制作及加载条件
3.1 岩样制作 岩样种类分别为花岗岩、花岗片麻岩、大理岩、
砂岩(致密)，并严格按照国际岩石力学学会建议方 法在实验室内加工，岩样两端平整度 0.5 mm，尺寸 误差±0.3 mm，两端面垂直于轴线误差±0.25°。岩 样尺寸及 P 波波速见表 1。 3.2 加载条件
为对不同岩样破裂失稳过程进行研究，在东北 大学岩石失稳与控制实验室设计一套实验系统：
4 实验结果与分析
通过应用声发射及其定位技术分别实验研究了 不同加载形式，不同岩样以及不同尺寸岩样的破裂 过程，限于文章篇幅来自百度文库制，在实验结果分析中仅仅
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岩石力学与工程学报
2008 年
表 1 岩样尺寸及 P 波波速 Table 1 Sizes and P-wave velocities of rock samples
(1) 加载系统：采用液压式压力实验机(NYL– 500 型，最大荷载 5 000 kN)进行加载，压力机的加 载速率控制在 5～8 kN/s。
(2) 声发射监测系统。 (3) 数据采集系统：采用应力传感器和动态应 变仪对岩石所加荷载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。
(1. School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang，Liaoning 110004，China；2. State Key Laboratory of Geohazards Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu， Sichuan 610059，China)