岩石声发射的Kaiser效应及其应用

岩石声发射的Kaiser效应及其应用

摘要：岩石声发射技术在岩土工程应用中具有重要意义。借助于岩石声发射技术，可以再时间、空间和强度上分析岩石破裂过程中的力学行为与岩石内部结构变化之间的关系，揭露岩石破坏过程中的基本规律；可以了解岩石内部介质缺陷的状态；还可以推断认识缺陷形成的历史和发展的趋势。在岩石的声发射中，kaiser效应是岩石材料的一种“记忆”现象，对于研究岩石的声发射机理以及在岩土工程中的应用有着重要地位。本文介绍了岩石声发射技术以及岩石声发射的kaiser效应，从其在岩土工程实际中的应用说明了其重要意义。

关键词：声发射；弹性波；kaiser效应；应用；大地应力

Rock acoustic emission Kaiser effect and its application

Chen zhou

Abstract:Rock acoustic emission technique in geotechnical engineering application has important significance. With the help of rock acoustic emission technology, can be time, space and intensity analysis in the process of rock fracture mechanics and rock internal relationship between structural changes, exposing the rock failure process of basic law; can understand the rock medium defect state; can also be inferred knowledge defect formation in the history and development trends. In the rock acoustic emission of rock material, the Kaiser effect is a phenomenon of " memory ", for the study of rock acoustic emission mechanism and application in geotechnical engineering is very important. This paper introduces the rock acoustic emission technology and Kaiser effect of acoustic emission in the rock and soil engineering, from the actual application shows its significance.

Key words：Acoustic emission; elastic wave; Kaiser effect; application; ground stress.

1 岩石声发射基础

固体物质在外界条件（机械载荷、温度变化等）作用下，其内部将产生局部应力集中现象，而应力集中区的高能状态是不稳定的，必将向稳定的低能状态过度，在这一过程中，应变能将以弹性波的形式释放，即声发射现象【1】。声发射有时也称应力波发射（Stress wave emission），在地质上有时称为微震（Microseismic）。

当岩石在载荷的作用下产生微破裂时，一部分应变能将以弹性波的形式释放出来，即岩石的声发射（Acoustic Emission，简称AE）。几乎所有岩石的声发射信号强度都很弱，需要借助灵敏的电子仪器才能探测到。利用精密仪器对岩石的声发射信号进行观测和分析就是岩石的声发射技术。借助于岩石的声发射技术，岩石破裂过程中内部结构的变化就可以通过声发射的检测来反映【2】。岩石声发射技术成本低且数据采集丰富，在地应力测量、岩爆岩体的稳定性检测、地震预测预报等方面有广泛饮用【3】。

2 岩石声发射的Kaiser效应

岩石的应力—应变不是一一对应的，它与岩石以往的受力和变形过程有关，即地质材料对它过去的受力和变形历史保持着“记忆”。岩石的变形和破裂几乎同时发生，因此由微破裂产生的声发射直接受其变形历

史的影响。材料科学中称这一现象为“kaiser 效应”，即岩石后期所受载荷在没有到达其

曾经经历过的最大载荷之前，几乎不产生声发射,而一旦超过最大载荷水平，声发射便再度出现。

kaiser效应可以从岩石微观损伤的发展角度来理解。当载荷加在已承受过一定应力作用的岩石上时，由于部分微元已经损伤破裂，并且这种破裂是不可逆的，因此在这个载荷水平内微破裂不会再发生，也就没有声发射，只有后期施加的载荷超过历史载荷水平时，声发射才能再次发生【4】。

图1 kaiser效应的试验曲线（Ω为声发射累积数）3 岩石声发射的kaiser效应点

理想状态下，岩石受到的应力不超过历史载荷水平水平时，声发射现象不会发生。事实上，由于历史载荷的作用，岩石内部出现微裂隙。在后期外加载荷作用下，微裂隙将会出现摩擦移动，即便载荷不超过历史载荷水平，也会有微弱的声发射。当后期外加载荷超过历史载荷水平时，声发射次数出现剧烈增加【5】。其中，声发射次数剧烈增加的点可认为是岩石声发射的kaiser效应点因此，一般可以通过做声发射积累数与时间或外部载荷（应力）的关系曲线，根据曲线的变化趋势求出曲线的斜率突变点，以突变点对应的应力作为kaiser效应点。

值得注意的是，单轴循环压缩条件下的岩石kaiser点记忆的应力不一定是最近历史上所受到的最大应力，而与加载间的时间间隔有重大的联系【6】。

图2 应力-声发射试验曲线图4 kaiser效应在岩土工程中的

应用

4.1 测定地应力

自1950年德国学者kaiser发现kaise效应以来，许多学者对声发射现象进行了研究【7】。1963年，Goodman证实了岩石材料的kaiser效应。70年代末以来，中、日、美学者对基于岩石声发射的kaiser效应测定地应力进行了广泛研究。实践中，通常利用岩石声发射的kaiser效应，采取地下一定深度的岩石，经过室内加工试件后，进行单轴压缩试验，然后利用弹性理论求得岩石的地应力大小和方向。

4.2 岩体局部冒落的预测预报

岩体在变形或破坏阶段都要产生声发射，且不同阶段声发射活动的程度不同【8】。根据声发射活动趋势，通过对岩体声发射活动过程的监测分析，评价岩体的稳定性,预报岩体的冒落。

4.3 地下水流的声发射

声发射信号随流水速度、方向的改变而

变化，同种岩土介质中，同一方向的水流速度越大，声发射信号越强【9】。利用这一原理可以检测大坝等建筑物的泄漏。

5 结论

岩石声发射的kaiser效应的发现为解决

岩石力学和工程中诸如评估地应力、岩体稳定性、损伤状态的历史问题带来了新方法。这种方法简单、可操作性强、经济，在岩石力学及工程领域中有广阔的应用前景。

参考文献

【1】彭新明，孙友宏，李安宁．岩石声发射技术的应用现状【J】．世界地质，2000，19

（3）：303-306．

【2】唐春安，王述红，傅宇方．岩体破裂过程数值试验【M】．科学出版社，2002：33．【3】李燕．岩石力学中的岩石稳定性与声发射技术【J】．价值工程，2011（7）．