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　　O  引言

　　岩石在载荷作用下的声发射，主要与岩石裂纹的产生、扩展及断裂有关。裂纹在形成或扩展时造成的应力松弛，致使储存的部分能量以应力波的形式突然释放出来，产生声发射现象。岩石的声发射反映了其微观破坏活动，它直接与岩石内部缺陷的演化敷衍相关。同时由于声发射的活动规律，从本质上看是一种统计规律，因此它必然与材料断裂破坏的统计分布规律相一致[1-5]。本文对这一规律作进一步的研究。

　　1试验条件

　　1．1试样制作与安装

　　试验所用的岩石有大理岩、砂岩、石灰岩和页岩，试件尺寸为20mm×50mm圆柱形，两端抛光并保持较好的平行度，以减少由压缩带来的影响。在岩石试样中部先用锉刀锉一小平台，并涂抹耦合剂与声发射探头粘结，然后再用胶带扎紧。

　　1．2加载设备

　　采用普通10t弹性数控试验机，上压头以0．2mm/min加载速率轴向单压加载直至试样破坏失效，该系统配置基于Windows平台，可视化操作软件，可同时跟踪记录载荷、应力和应变的大小，并可同步绘制出应力-应变、载荷-时间和应力-时间等曲线。

　　1．3声发射信号采集及分析系统

　　声发射信号采集与分析系统采用美国物理声学公司最新研制的全数字多通道声发射系统(AEwin)。Windows环境下实时声发射采集、外参数输入及分析软件包。包括前端数字滤波、图解滤波、AE特征提取和实时波形采集分析等，实现AE特征参数及波形采集、分析的同步进行。

　　2岩石脆性断裂的声发射试验分析

　　2．1  岩石在单压条件下的应力-应变特性

　　由图3可以看出，试验中除砂岩以外的其它曲线有着极为相似的变化趋势，说明砂岩在内部结构上与其它3类岩石有差异，这与砂岩的矿物成分、颗粒大小、致密程度及胶结物的种类等质地成分有关。当岩石承压达到某一量值时其局部首次出现破坏，同时将产生一个载荷迅速回落的过程，然后再次经过压密，其它部位再次呈现压密、线弹性、塑性破坏如此反复的过程，直至其完全破坏。对比可以看出，在低应力条件下，由于砂岩致密程度较高，其裂隙闭合变形不明显，强度极限也明显高于其它岩体，在承压直至破坏的过程中曲线始终表现为明显的线性变形特性。

　　2．2岩石在单压下的声发射特性

　　图4完整地显示了岩石断裂韧性试验中声发射事件随损伤裂纹发生，损伤扩展演化直至最终破坏全过程的波形。从图4(b)可知，与其它3类岩石明显不同，砂岩在单压过程中的声发射信号峰值较集中，前期声发射信号幅值较低且平缓，说明微孔隙及纹理损伤过程较长，从微小损伤的起始发生、扩展，到最末的剧烈破坏经历时间亦较长。声发射幅值较低，说明岩石矿物颗粒间及胶结物间的凝聚力较低，损伤断裂强度小，而单压过程的声发射信号主要由矿物及胶结物问的分离、剪切与错位产生，并且最终破坏的整体声发射脉冲宽度较宽而集中，由此表明砂岩损伤发生、扩展，继续加载时会造成连锁式损伤扩展，并最终形成雪崩式破坏。

　　2．3岩石力学与声发射特性的关联性分析

　　将岩石破坏的声发射特征波形曲线与应力-应变曲线进行对比分析。AE试验数据显示，岩样在低应力水平压密阶段，声发射事件数很少，整体处于相对平静状态；在弹性阶段应力、应变增量呈现等时增长的特点，同时声发射事件数开始逐步增加，该阶段大多数岩样声发射事件数的累计值与应变之间的关系类似于应力-应变关系，该关系与声发射事件数与应变之间有相似的关系，结构面破坏后声发射事件率减小。这些结论与当前声发射研究领域所得结果基本一致[1]。

　　对岩石在单轴压缩下的力学特性与声发射特性做关联性分析，以较具代表性的石灰岩单压为例，由图5可以看出从加载到失效过程中AE事件有明显的信号群及峰值。首个声发射信号群发生在强度极限的30％左右，在此阶段声发射信号的振幅较小，这是由于岩石在低压作用下，其微裂隙闭合的结果。载荷继续增加，加载经历线弹性变形阶段直至强度极限的50％左右，声发射活动在强度和幅度上都较为平稳和微弱，振铃计数与能量幅度没有明显的变化。较强烈的信号群发生在强度极限的60％～70％左右，声发射信号密集呈明显上升趋势，振铃计数与能量幅度变化明显，反映在岩石力学特性曲线上，特性曲线出现一个明显的波动，应力曲线有明显的回落趋势，随后又呈上升状，此时岩样裂隙有较大幅度的贯通，内部损伤积累导致岩体出现明显的破坏。此后，岩样又重新经历压密过程，与前面相比，此阶段的声发射信号在强度、密集程度上都有所增强，这是由于岩体在前面损伤的基础上微小断裂现象持续发生。载荷增加到强度极限的90％左右时，声发射信号幅值快速增长时形成信号群，声发射活动集中在峰值强度前后很短的区间内，AE计数出现了整个声发射活动过程中的最大值。此时可观察到在岩样的外表面出现了数条大的裂纹，岩样破坏失效，其承载能力迅速下降。

　　3  结语

　　——岩石在单轴受压时的声发射信号是连续的。声发射信号与应力一应变曲线之间都具有良好的对应关系，根据声发射信号可以判断岩样内部缺陷的演化情况，预测岩样失稳。

　　——岩石在大变形或破坏前具有明显的声发射活动，其声发射率达到最大值表明岩石声发射监测超前于位移变形监测，利用声发射进行岩体稳定预报是可行的。

　　——岩石变形和声发射是工程岩体由稳定到不稳定直至破坏的先兆，因此在现场对岩石的力学性质做大量试验测试及分析，可以了解在岩石破坏之前其力学和物理性质的变化。

　　——通过曲线对比，根据kaiser效应可以推算出该岩石此前受到的最大应力，这在地应力测试中有较广泛的应用。

　　——该研究成果对于更好地解释岩石的破坏机理，探讨不同状态下岩石的破坏规律以及更好地指导工程实践可提供宝贵的依据。

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