岩体岩石声发射监测技术
不同加载条件下岩石材料破裂过程的声发射特性研究_李庶林
第32卷 第1期 岩 土 工 程 学 报 Vol.32 No.1 2010年 1月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Jan. 2010 不同加载条件下岩石材料破裂过程的声发射特性研究 李庶林1，唐海燕2 （1.厦门大学建筑与土木工程学院，福建 厦门 361005；2.长沙矿山研究院，湖南 长沙 410012） 摘 要：在刚性压力机上对岩石进行单轴全过程加载和加卸载试验，测试岩石材料在不同加载条件下受力变形过程的应力–应变、应力–时间–声发射事件累计值、应力–时间–声发射事件率关系曲线。在试验结果的基础上，分析了加载时岩石全过程声发射特性、加卸载时岩石在卸载和重复加载时的声发射特性。试验表明：在不同的应力水平进行人为卸载时在卸载过程中岩石都会产生明显的声发射；在应力水平低于峰值强度的50%时卸载后的重复加载过程中，在未达到前次加载应力水平之前时岩样的声发射事件数很少（事件率很小）或不产生声发射，即出现典型的Kaiser效应现象；而在超过60%峰值强度的应力水平卸载后的重复加载过程中则出现明显的声发射现象，即出现所谓的Felicity 现象；在加载和加卸载试验中，岩石峰后破坏过程中都产生大量的声发射事件。试验还表明，对于具有中压突增型声发射特性的岩样，都有峰值前出现声发射相对平静期现象的特点。 关键词：岩石声发射；加卸载；相对平静期；Kaiser效应；Felicity现象 中图分类号：TU458 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2010)01–0147–06 作者简介：李庶林(1963–)，男，江西永修人，博士，教授，主要从事岩石力学、岩土工程、声发射与微地震监测技术方面的教学和研究工作。E-mail: shulin.li@https://www.wendangku.net/doc/8f8645471.html,。 Acoustic emission characteristics in failure process of rock under different uniaxial compressive loads LI Shu-lin1, TANG Hai-yan2 （1. Architectural and Civil Engineering College of Xiamen University, Xiamen 361005, China; 2. Changsha Institute of Mining Research, Changsha 410012, China） Abstract: Experiments on acoustic emission (AE) characteristics of full-regime rock failure are carried out with stiffness test machine (MTS) under uniaxial loading, cyclic loading-unloading conditions to obtain the relations of stress-strain, stress-time-accumulative counts of AE, stress-time-AE rates. Based on the test results, the AE characteristics of loading process, unloading and reloading of loading-unloading process are analyzed. The results show that AE phenomena can apparently appear during the process of unloading. When being reloaded under the stress level not more than 50% of the peak stress, there are less or little AE counts occurring as long as the stress level is not more than the previous loading stress level, that means the Kaiser effect occurs. While reloading is made again on the stress-level of over 60% of the peak stress, there occurs obviously AE events, that is so-called the Felicity phenomenon. Rock samples show a large amount of AE events in the post-peak region for both loading and loading-unloading processes. And the results also show that there exists a relatively tranquil period phenomenon of AE for all samples of the style of AE abruptly increasing during middle stress stage. Key words: acoustic emission of rock; loading-unloading; relatively tranquil period; Kaiser effect; Felicity phenomenon 0 前 言 岩石声发射是岩石材料受力过程中其内部原生裂纹和缺陷的扩展以及新的微破裂的孕育、萌生、演化、扩展和断裂过程所释放的弹性波。自20世纪中期以来，岩石声发射技术已广泛应用于隧道、边坡、水电等地下工程和矿山地压与安全监测中[1]。在岩石受力破坏过程的声发射特性方面，国内外一些学者进行过广泛的室内实验研究，包括岩石受压、张拉、剪切和断裂试验条件下的声发射特性研究等。50年代前苏联研究了岩石的声发射特性并用于矿山地压的监测中；60年代初期，Mogi对岩石进行了大量的声发射实验研究，探讨了受压岩石破裂过程的声发射特性[1]；70 ─────── 基金项目：国家自然科学基金项目（10572122）；国家863计划项目（2006AA06Z117）；国家科技部社会公益项目（2004DIB3J137） 收稿日期：2008–12–19
各种常见岩石
各种常见岩石特征描述 岩石名称特征描述图片板岩slate 具特征板状构造的浅变质岩石，基本没有重结晶，沿板理方向可以剥成薄片。颜色随其所含有的杂质不同 而变化，含铁的为红色或黄色；含碳质的为黑色或灰色；含钙的遇盐酸会起泡，因此一般以其颜色命 名分类，如灰绿色板岩、黑色板岩、钙质板岩等。由黏土岩、粉砂岩和中酸性凝灰岩经轻微变质作用 所形成。可以作为建筑材料和装饰材料。 千枚岩Phyllite 千枚岩是具有千枚状构造的低级变质岩石。原岩通常为泥质岩石（或含硅质、钙质、炭质的泥质岩）、粉砂岩及中、酸性凝灰岩等，经区域低温动力变质作用或区域动力热流变质作用的底绿片岩相阶段形成。主要由细小的绢云母、绿泥石、石英等矿物组成。岩石具细粒鳞片变晶结构，片理面上具有明显的丝绢光泽，并常具皱纹构造。变质程度介于板岩和片岩之间。典型的矿物组合为绢云母、绿泥石和石英，可含少量长石及碳质、铁质等物质。 片岩schist 具有明显片状构造的区域变质岩石，原岩已全部重结晶，由片状、柱状和粒状矿物组成。岩石具鳞片变晶结构、纤状变晶结构和斑状变晶结构。石英含量一般大于长石，长石含量常少于25%~30%，按主要片状或柱状矿物的不同可分为云母片岩、滑石片岩、石墨片岩等。片岩的类型主要取决于原岩类型，也与经历的温度压力条件密切相关。主要有云母片岩类、钙硅酸盐片岩类、绿片岩类（原岩一般为中性至基性的火山岩、火山碎屑岩和钙质白云质泥灰岩等，经低级区域变质作用形成，是绿片岩相中常见的典型岩石。矿物成分主要有绿泥石、绿帘石、阳起石、钠长石、石英、方解石、白云母，副矿物有磁铁矿、榍石、磷灰石等。 ）、镁质片岩类、闪石片岩类、蓝闪片岩类等。
常用岩土材料参数和岩石物理力学性质一览表
(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下： ) 21(3ν-= E K ) 1(2ν+= E G （7.2） 当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。 表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表7.1 土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2 各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5 中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表7.3
流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系： ' f f k K n t ∝ ? （7.3） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν （7.4） 其中 3 /4G K 1 m += ν f 'k k γ= 其中，' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9 102?）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率（见1.7节流动与力学的相互作用）。如果K f 是一个通过比较机械模型得到的值，则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大，则压缩过程就慢，但是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量减小。 在无流动情况下，饱和体积模量为： n K K K f u + = （7.5） 不排水的泊松比为：
岩石峰值应力前后声发射特性研究
岩石峰值应力前后声发射特性研究-工程论文 岩石峰值应力前后声发射特性研究 段晓亮DUAN Xiao-liang；鲁会军LU Hui-jun （昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093） （Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China） 摘要：采用TAW-2000D微机控制电液伺服岩石三轴试验机和SDAES型数字声发射仪组成的动态测试系统，对云南大红山铜矿白云岩进行了单轴压缩条件下的声发射试验，研究岩石在峰值应力前后声发射特性。试验结果表明：加载早期就有声发射活动，岩样在试验接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小、声发射事件率出现明显下降，即出现相对平静期，峰值强度后的声发射现象仍然明显。 Abstract：This paper uses the TAW-2000D computer to control the dynamic testing system consisting of servo triaxial testing machine and SDAES digital acoustic emission analyzer，conducts the acoustic emission test of the Yunnan Dahongshan copper mine dolomite under the uniaxial compression condition，and studies the acoustic emission characteristics of rock before and after reaching the peak stress. The results show that：there is acoustic emission activity in the early loading period，the per unit time stress growth rate of rock sample decreases when the test near peak intensity，acoustic emission rate decreases significantly，namely appears the relatively quiet period，and the
三大岩石的主要特征以及类型
地球科学概论 地球上的岩石千变万化，它是一种或多种矿物的集合体，它是构成地壳的基本部分。按其成因可分为三大类：岩浆岩(火成岩)、沉积岩和变质岩。 一、三大岩石的主要特征以及类型 （一）、岩浆岩 岩浆岩又称火成岩，是由地壳下面的岩浆沿地壳薄弱地带上升侵入地壳或喷出地表后冷凝而成的。岩浆是存在于地壳下面高温、高压的熔融状态的硅酸盐物质(它的主要成分是SiO2，还有其他元素、化合物和挥发成分)。岩浆内部的压力很大，不断向压力低的地方移动，以至冲破地壳深部的岩层，沿着裂缝上升，喷出地表；或者当岩浆内部压力小于上部岩层压力时迫使岩浆停留下，冷凝成岩。 1、岩浆岩的主要特征 ①构造特征：岩浆岩中有一些自己特有的结构和构造特征，比如喷出岩是在温度、压力骤然降低的条件下形成的，造成溶解在岩浆中的挥发份以气体形式大量逸出，形成气孔状构造。当气孔十分发育时，岩石会变得很轻，甚至可以漂在水面，形成浮岩等； ②冷凝特征：岩浆岩是由岩浆直接冷凝形成的岩石，因此，具有反映岩浆冷凝环境和形成过程所留下的特征和痕迹，与沉积岩和变质岩有明显的区别。2、岩浆岩的分类 依冷凝成岩时的地质环境的不同，将岩浆岩分为三类： 喷出岩(火山岩)：岩浆喷出地表后冷凝形成的岩浆岩称为喷出岩。在地表的条件下，温度下降迅速，矿物来不及结晶或者结晶差，肉眼不易看清楚。如流纹岩、安山岩、玄武岩等; 浅成岩：岩浆沿地壳裂缝上升至距地表较浅处冷凝形成的岩浆岩。由于岩浆压力小，温度下降较快，矿物结晶较细小。如花岗斑岩、正长斑岩、辉绿岩等; 深成岩：岩浆侵入地壳深处(约距地表3公里)冷凝形成的岩浆岩。由于岩浆压力大，温度下降缓慢，矿物结晶良好。如花岗岩、正长岩、辉长岩等。 其中，深成岩和浅成岩又统称侵入岩。
阅读理解-秦四清 《岩石声发射技术概论》
秦四清 《岩石声发射技术概论》 大部分材料都是非均质的和有缺陷的，在外应力作用下 ，内部强度较低的微元体在局部应力集中到某一程度时发生破坏（产生塑性变形），使局部应力松弛，产生应力降，造成局部区域快速卸载，因而产生声发射。材料产生声发射的必要条件是：（1）局部塑性变形或断裂产生应力降；（2）快速卸载，如果卸载的时间较长，释放的能量减小，就可能使灵敏度较低的检测仪器检测不到声发射信号。此外，仪器能否接受到信号还与材料的性质有关，如果材料的衰减系数很大，也有可能接受不到信号。P8 一个瞬变信号的能量定义为201()E V t dt R ∞=?，式中R 是电压测量电路的输入阻抗，()V t 为与时间有关的电压。据此，将声发射信号的幅度平方，然后进行包络检波，求出检波后的包络线所围的面积，作为信号所包含的能量的量度。P13 塑性变形及微裂纹成核产生的声发射： 在应力作用下，位错源的作用使一个晶粒内的屈服强度降低了，由此释放的能量是 22 3()2i q E d E σσ-= 微裂纹成核时释放的能量为： 15222[()]th q i Gb E k d d σσ=+，式中12[]2(1) th b k E σγ=+ 在微裂纹成核时释放的能量比塑性变形时大，且此时起作用的位错源也最多，那么有可能在微裂纹成核时，即在屈服应力处，声发射率出现峰值。（对真三轴也成立）P23 脆性岩石中晶粒断裂产生的声发射释放的能量： 232q E d E σ=，式中E 为弹性模量。若把阀值应力视为晶粒开始断裂所对应的应力，则初始声发射（应力为0σ）释放的能量为：2 302q E d E σ= P25 声发射不仅取决于材料所处的应力状态，而且取决于材料的力学性质，即强度特性。声发射总数与加载速率无关，声发射率与加载速率有关。P26 低脆性岩石裂纹尖端塑性变形过程产生的声发射释放的能量： 23 442232212364(1)(3) m s q I I A m B E K A K m m σπ-==+-，3A 为常数。2A 为与材料性质有关的常数，2m 为硬化指数的倒数。P30 脆性岩石中裂纹扩展产生的声发射释放的能量： 试验数据表明，晶粒断裂对声发射的贡献很小，声发射主要来自于原有裂纹的增量。对于脆性岩石，声发射主要与裂纹扩展有关。 当裂纹扩展a ?时，释放的应变能：'2 q I E AK a =? P34 由于声发射率与应力强度因子及裂纹长度增量有较弱的对数依赖关系，一旦充分超过声发射的应力强度因子阀值，则声发射率主要与裂纹扩展速率有关。
单轴压缩下岩石声发射定位实验的影响因素分析_许江
第27卷第4期岩石力学与工程学报V ol.27 No.4 2008年4月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April，2008单轴压缩下岩石声发射定位实验的影响因素分析 许江，李树春，唐晓军，陶云奇，姜永东 (重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400044) 摘要：应用声发射及其定位技术，在单轴压缩载荷作用下，采用实验方法观察重庆细砂岩试样破裂失稳过程中其内部微裂纹孕育、发展的三维空间演化模式，研究岩石声发射定位实验的影响因素。实验结果表明：(1) 端部摩擦对岩石破裂过程中的声发射特征影响显著，采用1∶1(质量比)硬脂酸和凡士林的混合物作为减摩剂进行AE定位实验，在试样初始压密阶段基本没有AE事件，取得较好的效果。(2) 重庆细砂岩的AE定位事件主要分布在中部，呈散漫分布，两端没有明显的条带丛集现象，中部没有得到声发射定位事件的“空白区”，通过与相关成果的对比，说明岩石的种类、构造和均匀程度是AE定位实验的主要影响因素之一。(3) 加载方式和加载的控制方式会直接影响岩石试样破坏的进程和程度，从而影响AE事件。(4) 通过重庆细砂岩试样疲劳荷载AE定位实验说明加载历史对AE时间序列及AE事件均有影响。以上实验和分析结果可以为岩石声发射定位实验的方案设计提供参考。 关键词：岩石力学；声发射；岩石破裂；裂纹；单轴荷载 中图分类号：TU 458+.3 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)04–0765–08 INFLUENTIAL FACTORS OF ACOUSTIC EMISSION LOCATION EXPERIMENT OF ROCK UNDER UNIAXIAL COMPRESSION XU Jiang，LI Shuchun，TANG Xiaojun，TAO Yunqi，JIANG Yongdong (Key Laboratory for the Exploitation of Southwestern Resources and the Environmental Disaster Control Engineering，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing400044，China) Abstract：Acoustic emission(AE) technique can be used to monitor the microcracks development in the rock test samples continuously in real-time；it is better than other methods. AE location technique is employed to study crack initiation and propagation process of Chongqing sandstone. Also，the crack spatial evolution mode with loading time has been observed and the influential factors of AE location experiment of the sandstone have been discussed. The experimental results are displayed as follows. (1) The attrition of the tip of the sample has remarkable influence on AE characteristic in the rock failure process；and the mixture of the stearic acid and the vaseline(weight ratio 1∶1) is used as attrition-reduced agent to the AE location experiment. No AE event is found when the initial crack is closed；it will obtain a better effect. (2) The AE location of the Chongqing sandstone test sample mostly is distributed in central-section and assumes dispersion. No void space is shown in the central-section of the sample. Contrasted with the relevant studies，it is shown that the rock type，the structure and the level of uniformity are the major influential factors. (3) The load mode and the load control mode can directly affect the rock failure process so as to affect the AE events. (4) AE location experiment of the Chongqing sandstone test sample under fatigue load shows that the load history affects the AE time series and the AE events. The experimental and analytical results can afford useful help for the program design of AE location experiment of 收稿日期：2007–10–16；修回日期：2007–11–27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50574108)；国家自然科学基金重点项目(50534080)；教育部博士点基金资助项目(20060611006) 作者简介：许江(1960–)，男，博士，1982年毕业于重庆大学采矿系矿山工程物理专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩石力学与工程方面的教学与研究工作。E-mail：jiangxu@https://www.wendangku.net/doc/8f8645471.html,
认识几种常见的岩石
《认识几种常见的岩石》教学设计 【设计意图】 自然界的岩石种类是数不胜数的，面对这些岩石，学生该如何去辨别呢？这节课的标题是《认识几种常见的岩石》，通过观察，对比资料，这节课认识了这几种常见的岩石，但是时间一久，学生又马上会忘记。所以，这节课我在设计时把核心目标定位在“方法”上——通过观察几种常见的岩石，初步尝试像科学家那样用科学系统的方法来辨别岩石。希望通过活动，学生能认识其中的几种岩石，但最重要的还是学生尝试并初步学会这种方法的使用。 【教材分析】： （一）背景和目标 本课指导学生认识几种常见的岩石一页岩、砂岩、花岗岩、石灰岩、大理岩的特征。在观察上，不再只停留在颜色、光滑还是粗糙、是否透明等这些常见的物质属性方面，而是要进一步从岩石的结构、构造等方面进行观察。这是由于岩石是在各种不同地质条件作用下产生的，是按一定的结构和构造构成的，由矿物组合而成的矿物集合体。页岩、砂岩、花岗岩、石灰岩、大理岩这几种岩石从成因上分类分别属于沉积岩、岩浆岩、变质岩，在结构和构造上有显著的不同。通过本课教学，不仅认识这几种岩石的特性，还要进一步提高学生的观察能力和探究能力。这将为今后理解岩石的特性和成因之间的关系奠定一定的基础。 本课内容分为两部分:一是“进一步观察岩石”，二是“怎样识别它们”。 (二)教学准备： 1、分组实验器材：标签或记号笔。 2、教师演示器材:页岩、砂岩、花岗岩、石灰岩、大理岩，滴管、稀盐酸、放大镜、岩石标本，滴管、稀盐酸，有关岩石用途的课件。 (三)教材说明 本课的重点是观察、记录几种岩石的特征。难点是根据岩石的特征对照资料识别它们。 第一部分:进一步观察岩石 在第一课初步了解到岩石的外部特征后，本课通过对几种常见岩石的观察和识别，指导学生进一步学习观察岩石的方法。教材选用的是页岩、砂岩、石灰岩、砾岩、花岗岩、大理岩。为什么选用这几种岩石呢，因为这几种岩石比较普遍又容易找到，还被人们在生产和生活中广泛应用。从成因上分类，它们分属沉积岩、岩浆岩、变质岩，在结构和构造上特征明显。 “进一步观察岩石”的活动有两个目的:一是指导学生学习新的观察方法，二是引导学生关注岩石的本质特征，比如结构、构造等。结构主要指组成岩石的矿物颗粒的颜色、形状、大小，以及相互关系等。构造主要指各组成岩石的矿物的排列方式和充填方式所赋予
不同应力路径对岩石声发射Kaiser效应的影响
收稿日期:2006 04 21 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50474017;50474018);中国博士后基金资助项目(20060390973) 作者简介:李元辉(1968-),男,山东莱州人,东北大学教授,博士后 第28卷第4期2007年4月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern U niversity(Natural Science)Vol 28,No.4Apr.2007 不同应力路径对岩石声发射 Kaiser 效应的影响 李元辉1,袁瑞甫1,2,赵兴东1 (1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110004; 2.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 454000) 摘 要:为了解在循环加载过程中使用不同应力路径岩石声发射K aiser 效应的特征,采用岩石破裂过程分析软件(RF PA 2D )对三种不同应力路径下岩石试样的声发射特征进行了数值计算 在循环加载中采用不同的应力路径对试样加载,在二次加载过程中仍能观测到清晰的K aiser 效应,但是K F 值却与先前的最大应力值有较大差别 研究结果表明,岩石Kaiser 记忆的真实内容不是先前所受的最大应力,而是岩石内部的损伤程度 使用从原岩中取样,在实验室做单轴压缩声发射实验观测KF 值的方法测得的应力值与真实的原岩应力有较大的差别 这一结论对于进一步认识K aiser 效应的本质和用K aiser 效应准确的测定原岩应力有重要的作用 关 键 词:声发射;K aiser 效应;应力路径;数值实验;原岩应力 中图分类号:T D 315 文献标识码:A 文章编号:1005 3026(2007)04 0576 04 Effect of Different Stress Paths on Kaiser Effect of Rock Acoustic Emission L I Yuan hui 1,YUAN Rui f u 1,2,Z H A O X ing dong 1 (1.School of R esources &Civil Eng ineering,Northeaster n U niversity ,Shenyang 110004,China; 2.School of Ener gy Science and Eng ineering,Henan Polytechnic U niversity,Jiaozuo 454000,China.Correspo ndent:L I Yuan hui,E mail:neuly h @https://www.wendangku.net/doc/8f8645471.html,.) Abstract :To understand the characteristic of Kaiser effect along different stress paths during cyclic load acting on rock,a numerical computation w as conducted using the softw are RFPA 2D (Rock Failure Process Analysis)for the characteristics of AE (acoustic emission)along three different stress paths in rock specimens.T he results showed that the Kaiser effect is still clearly observed in the subsequent cycle w hen the specimens are under the action of cyclically loading though a big difference betw een KF values (the stress value at Kaiser effect point)and previous max stress value is found.It w as revealed that what w as actually recorded in the Kaiser effect memory is the damage level w ithin rock other than the max stress acting previously on the specimens.So,if sampling from parent rock,the stress v alue measured from observing KF value by uniax ial compression AE testing in lab is different greatly from that in parent rock.The conclusion is significant to understanding the essence of Kaiser effect and how to use it to determine the in situ stress. Key words:acoustic emission;Kaiser effect;stress path;numerical test;in situ stress 1953年,德国科学家Kaiser 首先发现金属材料在受载过程中的声发射具有不可逆现象[1],即对材料进行重复加载时,只有载荷达到材料先前所受的最大载荷后,才会有明显的声发射产生,材料的这种 记忆!现象被称为Kaiser 效应 1963 年,Goodman 通过实验发现在岩石材料中也存在Kaiser 效应[2] 此后,Kaiser 效应就因其能直观表现岩石的记忆能力而备受关注,并且被广泛地应用于测试原岩应力[3-6] 岩石声发射Kaiser 效应的力学本质是岩石
不同岩石声发射活动特性的实验研究
万方数据
１６３４东北大学学报（自然科学版）第２９卷 声发射（ａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉＳＳｉｏｎ，ＡＥ）是研究脆性材料失稳破裂演化过程的一个良好工具，因为它能连续、实时地监测在荷载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，这是其他任何实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理【１＿２Ｊ．目前，很多岩石力学工作者借助声发射技术研究岩石渐进破裂失稳过程，并已经取得了很多研究成果【卜１２Ｊ．例如：许昭永，梅世蓉等［３］研究了在真三轴压缩条件下几种岩石岩样的微裂纹初步定位，通过声发射事件定位能够勾勒出岩石损伤区域．Ｊａｎｓｅｎ等¨Ｊ应用声发射技术研究了岩石破裂过程中，随时间变化勾勒出三维微裂纹分布，描述岩石损伤累积、裂纹成核以及宏观裂纹扩展．Ｃｈａｎ培等【５Ｊ研究三维加载条件下岩石的损伤张量分析；Ｍａｎｓｕｒｏｖ等帕Ｊ系统研究了不同岩石的声发射特征；吴刚等【７Ｊ研究了不同应力状态下岩石声发射活动特征；李庶林等［８］研究了单轴加载条件下岩石声发射特征．本文在以上研究成果基础上，应用声发射及其定位技术，对不同岩石的声发射活动进行了实验研究，分析不同岩石的声发射活动规律，并实验了裂纹扩展三维空间演化过程，为研究岩石破裂失稳机理奠定了基础． １岩样制作、加载条件及声发射系统 １．１花岗岩岩样制作及加载条件 实验选取的岩样分别采自赵固一矿砂岩、辽宁锦州花岗岩、辽宁丹东大理岩、浙江黑色大理岩以及本溪红色花岗岩．试样严格按照国际岩石力学规定进行加工，其岩样的尺寸为７０１＂ｎｌｎ×７０ｍｍＸ１５０ｍｍ（图１），不同岩样的波速见表１．为研究不同岩石的声发射活动特性，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，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一５００型，最大载荷为５０００ｋＮ） 图１不同岩样及其外形 Ｆｉｇ．１Ｓｈａｐｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｃｋｓａｍｐｌｅｓ 进行加载；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． 表１不同岩样的波速 ＴａｂｌｅｌＳ删ｗｓｖｅｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｃｋｓａ＇ｎｐｌｅｓ １．２声发射系统简介 实验采用的声发射仪器是由加拿大ＥＳＧ公司生产的，声发射仪器是一个综合的、全波形数据采集处理系统，能够实现连续实时声发射源定位，即当事件被采集之后实现其定位．与此同时，源参数（声发射事件源半径、事件发生时间、静压力下降等参数）也被实时计算．此声发射仪器具有８个通道，采样频率为１０ＭＨｚ，其门槛值设定为１００．所采用的声发射探头为Ｎａｎ０３０型，其频域为１２５Ｈｚ～７５０ｋＨｚ；前置放大器型号为１２２０Ａ—ＡＳＴ，其增益为４０ｄＢ；后置放大器的频率范围为０～２０ｄＢ．此声发射系统可以对整个实验过程中所发生的ＡＥ事件总数进行统计，并确定试件破坏的空间位置．声发射仪器监测系统见图２．声发射定位原理见文献［９—１０］． 图２声发射仪器监测系统及其数据处理系统Ｆｉｇ．２ＡＥｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｊｔｓｄａｌａｐｒｏｃｅ筠ｉｎｇｓｙｓｔｅｍ ２实验结果及分析 ２．１岩样的破坏模式 在单轴压缩条件下，几种岩石的破坏模式…－１２】相似（图３），均为中间劈裂破坏（除黑色大理岩崩碎），这主要是受压力机的加载刚度的影响，裂纹的初始位置均在岩样的一端产生，然后随着载荷（或变形）的变化，逐渐向岩样的中间 扩展．万方数据
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
结构面剪切条件下岩石声发射的三段性特征
结构面剪切条件下岩石声发射的三段性特征 摘要：简要综述岩石破坏试验过程声发射特征的研究，分析了几种岩石破坏全 过程的声发射特征。结果表明一些岩石在结构面剪切条件下声发射特征存在一定 共性，砂岩、玄武岩的剪应力曲线和累计振铃数、累积能量曲线均呈现“三段性”即：平缓段、增加段、剧增段。 关键词：声发射；斜剪试验；岩石；结构面 1 引言（前言） 岩石声发射的研究起源于美国[1]，在德国科学家Kaiser的成果下推广发展， 目前被应用于岩石内部裂纹发展监测与破坏机理的研究。我国学者对岩石单轴、 三轴受压条件下破坏过程中的声发射特征研究较多，吴刚等（1998）、李庶林等（2004）研究了岩石受压破坏过程不同的阶段中声发射事件特征。赵奎等（2019）研究花岗岩在不同应力水平下破坏产生的次声波信号特征，分析了累计振铃次数 的变化规律。 研究表明岩体强度受结构面抗剪强度影响。针对剪切荷载条件下岩体声发射 事件变化规律尚待完善，周小平和张永兴（2002）总结了岩石在直剪试验下结构 面破坏过程声发射事件数和能率呈现三种不同表现的岩样，并判断持续高水平的 能率能够作为主破坏的前兆。刘建伟（2014）对花岗岩和砂岩进行了三种剪倾角（45?、60?、75?）下岩石声发射同步剪切实验，研究了岩石加载过程中的声发射时频特性。目前岩石破坏的声发射研究中关注岩石受荷条件下声发射事件所呈现 的阶段性、破坏前兆较多，常将声发射事件数、累计振铃值与岩石应力关联，研 究在不同应力阶段声发射事件数的变化。剪切引起岩石的剪应力、剪切位移以及 声发射事件之间的关系研究较少。 2 剪切条件下声发射事件特征 从周喻等的微观试验数据可以发现剪切位移在0~0.11之前破裂频数（声发射事件数）增加较为缓慢（0.15之前几乎无），在0.11至剪切应力峰值之前快速增长，在峰值应力稍后剧烈增长。因此从微观的破裂事件出发可以将剪切位移、剪 应力和声发射特征联系起来，这方面的工作目前较为少见。 许江等[对三种不同含水量（饱和度0%、50%、100%）砂岩进行剪切试验并 分析过程中的声发射特征，同样发现了剪应力峰值之后声发射事件数激增，含水 量的增加会减小声发射活动的强度，使声发射事件峰值提前。聂百胜等在对三个 不同产地煤岩样品剪切过程中的声发射和电磁辐射变化研究发现，声发射和电磁 辐射现象呈现“初期高、中间平、破坏前逐渐增强”与“全程逐渐增强直至破坏”两 种类型，可以利用该现象对灾害进行预警。 a. 灰岩 b. 砂岩 c. 玄武岩 图1 不同岩石典型应力-剪切位移-累计振铃计数时间关系曲线 四种典型岩石在结构面剪切条件下应力、剪切位移和累计振铃计数随时间变 化情况，以及应力、剪切位移和累计能量随时间变化情况分别如图1所示。 3.结束语 砂岩、玄武岩的剪应力曲线和累计振铃数、累积能量曲线及灰岩的剪应力 （与剪切位移的关系）均呈现上文所述的“三段性”即：平缓、增加、剧增，与周 喻的0.5MPa法向荷载岩石节理直剪试验模拟结果符合，且振铃计数峰值出现在