不同应变率下岩石冲击破坏的声发射特性研究.pdf

书书书 第 35 卷 第 1 期 2018 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 1 ▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂ Mar. 2018 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 01. 001 不同应变率下岩石冲击破坏的声发射特性研究* 刘希灵， 崔佳慧， 王金鹏， 李夕兵， 潘梦成 （中南大学 资源与安全工程学院， 长沙 410083 摘 要 为了研究在动载荷下岩石破裂的声发射特性， 采用霍普金森 SHPB实验系统对三种岩石进行不 同应变率下的冲击载荷破坏实验， 同步采集破坏过程的声发射参数， 从应力应变、 幅值分布、 振铃计数变化 以及峰值频率分布等方面进行了分析与研究。实验结果表明 力学特性方面， 随着应变率增大， 三种岩石的 动态强度随之增大， 极限应变也随之增大， 且岩石试样的破碎程度随之增大， 表现为碎块的尺寸减小、 块数增 加、 碎屑增多。在声发射特性方面， 三种岩石的峰值频率主要在 550 kHz 以下， 且随着应变率的增加， 三种岩 石的振铃计数都随之增大， 低幅值信号比例增加， 峰值频率在 100 kHz 以下的低频信号随之减少， 100 200 kHz 以及 400 550 kHz 的中高频信号随之增多， 说明峰值频率有向中高频移动的趋势。 关键词 岩石声发射；冲击载荷；SHPB；应变率；峰值频率 中图分类号 TD76 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X 2018 01 -0001 -08 Acoustic Emission Characteristics Analysis of Rock under Impact Loading of Different Strain Rate LIU Xi-ling， CUI Jia-hui， WANG Jin-Peng， LI Xi-bing， PAN Meng-cheng （School of Resources and Safety Engineering， Central South University， Changsha 410083， China Abstract To study the acoustic emission（AEcharacteristics of rock under impact loading conditions， the Split Hopkinson Pressure Bar （SHPBsystem was adopted to carry out the impact loading tests. The acoustic emission pa- rameters of the failure process were collected synchronously， and analyzed from the aspects of stress-strain， amplitude distribution， cumulative ringing count and peak frequency distribution. The results showed that under the impact load of the test， the dynamic strength， ultimate strain， and rupture scale of three rocks all increase with increasing strain rate， which shows that the fragment reduces in size and increases in number. In terms of acoustic emission character- istics， the peak frequency of three rocks were mainly distributed below 550 kHz. With the increase of strain rate， the ring down count of three rocks and the percentage of small amplitude signals increased， while the percentage of sig- nals with low peak frequency below 100 kHz decreased， and the percentage of signals with intermediate and high peak frequency between 100 200 kHz and 400 550 kHz increased. Key words rock acoustic emission;impact loading;SHPB;strain rate;peak frequency 收稿日期 2017 -12 -26 作者简介 刘希灵 （1980 - ， 男， 副教授， 主要从事岩土工程灾害监 测及安全预警方面的教学与研究工作，（E-mail lxlenglish 163. com。 基金项目 国家自然科学基金“动载荷下岩石起裂与裂纹扩展的声 发射特性研究”（51204206 ; 国家自然科学基金“深部硬 岩开挖 系 统 中 岩 爆 灾 害 发 生 机 理 和 动 力 学 解 释” （41272304 岩石的裂纹扩展特性及其破坏机理是岩石力学的基本问题之一， 而声发射技术是研究岩石裂纹扩 展和破坏机理非常有效的实验手段。现有的对岩石 裂纹扩展的研究大多集中在低应变率加载范围内， 如纪洪广等研究高强混凝土破裂前声发射信号的频 率特征， 得出高强混凝土在峰值应力前， 高、 低频通 道声发射信号均集中在特定的频段内 [1]; 临近峰值 应力时， 高、 低频通道的声发射信号频率向低频段移万方数据 动， 同时优势频段内的频率趋于分散， 这可作为预测 高强混凝土破坏的前兆信息; Mogi 将岩石的单轴压 缩破坏分为五个阶段， 每个阶段的声发射特性都有 变化 [2， 3]。并且他认为岩石破裂过程中第四阶段 （应力接近破坏载荷的阶段 的信号频率降低、 幅值 增大， 是因为破裂尺度增大了。张黎明等开展大理 岩岩样常规三轴加荷破坏试验研究， 分析大理岩变 形破坏过程各阶段声发射及其频率、 b 值变化特征， 探索不同围压下岩石破坏前兆信息 [4]。张艳博等 对干燥和饱水煤矸石进行单轴压缩声发射试验， 基 于频谱分析和信息熵理论， 分析其破裂全过程声发 射信号的主频和熵值变化， 研究煤矸石变形破坏声 发射前兆规律 [5]。Scholz 在通过大量的岩石单轴压 缩实验， 得出微破裂的频率主要在在 100 kHz 到 1 MHz之间 [6]。Benson 在其三轴试验中， 也认为高 频声发射信号出现在岩样变形和裂纹形成 （小尺度 裂纹 的阶段， 而在卸压阶段则出现低频信号 [7]。 但是很少有学者开展过中、 高应变率下岩石动态裂 纹扩展特性的研究。因此， 很有必要通过岩石在中、 高应变率加载条件下声发射特性的研究来深入认识 岩石动态破坏机理， 了解岩石动态裂纹扩展特性， 并 且能够从裂纹扩展的角度解释岩石动力破坏及动态 强度提高的机理。这对了解动载荷下岩石裂纹扩展 及破坏机理有重要的理论意义。 且在矿山开采、 岩土工程施工等领域， 动载荷的 作用频繁出现， 如爆破开挖、 定点爆破以及地震研究 等诸多领域都涉及动载荷作用下岩石类材料的动态 力学性能。与岩石类材料的静力学相比， 其动力学 问题在实验研究和力学分析上要复杂得多。因此到 目前为止岩石类材料在动态实验研究和动力学理论 分析上还处于不成熟阶段。在众多动力学问题中， 应变率相关性一直是研究材料动态力学性能的重点 研究课题。近些年来由于多种动力学实验设备 （如 SHPB 的建立和使用， 促进了这一研究的发展， 给出 了不少应变率在 101103s 之间的岩石类材料的动 态实验结果。另一方面， 随着声发射 （AE 等实验设 备的广泛应用， 对岩石类材料的微缺陷在外荷载作 用下的扩展行为进行了较深入的研究。基于此， 就 需要对岩石在冲击荷载作用下的声发射特性进行研 究， 以期对矿山开采、 岩土施工等领域提供相关的结 果做出指导性、 建设性的建议。 1 实验样品及实验设备 1. 1 实验样品 选取三种典型的脆性岩石 （花岗岩、 石灰岩、 红 砂岩 作为实验研究对象， 在 SHPB 实验系统上进行 冲击实验。考虑到冲击实验的离散性较大， 每组试 样加工 6 块， 并按照国际岩石试验试样尺寸的标准， 加工成直径为 50 mm， 长度， 为 25 mm 的圆柱体。 两种尺寸的试件都要对两端进行仔细研磨， 使其上 下表面的平行度在 0. 02 mm 以内。实验试样的实 际尺寸如表 1 所示。 表 1 冲击实验试样实际尺寸表 Table 1 Size of samples under impact loads 花岗岩 石灰岩 红砂岩 试样编号直径/ mm高度/ mm试样编号直径/ mm高度/ mm试样编号直径/ mm高度/ mm B6 -147. 9826. 35C6 -148. 3525. 85D6 -147. 6826. 20 B6 -248. 7125. 70C6 -247. 8726. 47D6 -247. 5126. 46 B6 -348. 2025. 88C6 -347. 7825. 51D6 -347. 4326. 16 B6 -447. 8925. 66C6 -447. 8625. 19D6 -447. 3626. 22 B6 -548. 1625. 27C6 -548. 5725. 83D6 -547. 6525. 70 B6 -647. 7826. 18C6 -648. 5326. 15D6 -647. 8926. 89 1. 2 实验设备及参数设置 本次冲击实验采用分离式霍普金森压杆实验系 统 （SHPB 冲击装置进行。图 1 为 SHPB 实验装置 示意图。SHPB 冲击实验系统由压力气室、 纺锤型 冲头 （长度为 360 mm 、 入射杆 （长度为 2000 mm 、 透射杆 （长度为1500 mm 、 吸收杆 （长度为500 mm 和一个缓冲器组成。杆件和冲头均采用 40Cr 合金 钢制成， 直径为 50 mm， 密度为7. 810 g/ cm3， 弹性波 速为 5410 m/ s。冲头之所以采用 “纺锤型” ， 可以消 除 P-C 振荡， 实现稳定的半正弦波 （加载波上升段 稳定在 100 μs 左右 加载。 为采集声发射的实验数据， 在岩石试样中部对 称黏贴两个 PICO 微型探头， 通道数分别为 “通道1” 和 “通道 2” ， 在入射杆 85. 5 mm （从与岩样接触的杆 端起 的部位黏贴一个 PICO 探头 （通道 3 ， 在透射 杆 88. 3 mm （从与岩样接触的杆端起 的地方黏贴 一个 NANO 探头 （通道4 。声发射数据采集系统使 用美国 PAC 公司的 PCI-2 声发射监测仪， 其中声发 射监测系统的实验参数设置为 前置增益 40 dB， 采 样频率为 10 Msps （Mega samples per second， 即每秒 2爆 破 2018 年 3 月 万方数据 百万采样数 ， 采样长度 15 k， 门槛值为 45 dB， 闭锁 时间 （HLT 设置为 1000 μs。 图 1 SHPB 实验系统装置示意图 Fig. 1 Schematic of Split Hopkinson Pressure Bar system 2 实验结果及分析 2. 1 冲击荷载下应变率效应对应力应变的影响 在分离式霍普金森压杆实验系统 （SHPB 冲击 装置上对花岗岩、 石灰岩和砂岩进行冲击实验， 经过 数据处理后获得其相应的应力应变曲线。如图 2 所示， 分别为三种岩石在冲击载荷下的应力-应变 曲。从图 2 中可以看出， 在加载初期， 应力应变曲 线上升速率就很快， 斜率大， 直到应力达到其最大 值， 整个这一阶段称为弹性阶段; 随后， 当应力逐渐 减小， 应变增加的速率却比之前快， 这一阶段称为塑 性阶段。综上所述， 大体来看冲击载荷下的三种岩 石破坏方式均是由弹性阶段过渡到塑性阶段。 图 2 三种岩石在冲击载荷下的应力应变曲线 Fig. 2 The stress-strain curve of three kinds of rocks under impact loads 三种岩石在冲击载荷下的抗压强度均随应变率 的增加而增高， 图 2 的实验结果证明了这一点。这 是因为不同的应变率下对岩石的微裂纹扩展有不同 的影响。当应变率较低时， 只有那些能在低应力下 活化的微裂纹可以扩展， 因为当荷载增加到使其它 微裂纹激活之前， 这些微裂纹的扩展与贯通就使材 料发生破坏， 此时起作用的微裂纹数目较少， 所以材 料破碎后碎块的尺寸比较大， 达到破碎的应力门槛 值较低， 因而材料的抗压强度较低。当在高应变率 下加载时， 微裂纹发生兼并之前， 应力已达到较高的 水平使得更多的微裂纹发生扩展进而参加破碎过 程， 导致材料的破碎碎块尺度更小， 材料达到破碎的 应力门槛值更高， 这就是材料的动态强度高于静态 强度的一个主要原因 [8]。 从图 2 还可以看出， 在冲击载荷下， 随着应变率 的增加， 三种岩石的极限应变值也随之增大， 这说明 相应的试样破碎程度也有所增大， 表现为碎块的尺 寸减小、 块数增加、 碎屑增多 [9]， 如图 3 所示。 随着应变率的增大， 三种岩石试样的破碎程度 也逐渐增大， 这是试样的破坏的外在表现。那么在 这个过程中， 试样内部的损伤累积应该也会逐渐增 大， 这可以从声发射振铃计数的变化上体现出来。 2. 2 冲击荷载下应变率效应对振铃计数的影响 从图 4 到图 6 可以看出， 三种岩石在冲击载荷 下振铃计数曲线大致可以分为两个阶段 以出现峰 值应力为界限， 把冲击载荷下的岩石声发射信号参 数分为两个阶段， 应力波作用阶段和岩样破裂阶段。 在峰值应力附近， 为岩石在冲击荷载下横向膨胀导 致振铃计数陡然增大的阶段， 此阶段所耗时间很少， Liu Xiling 文阐述具有幅值、 能量和振铃计数最大值 的波击就出现在这一阶段 [10]; 随后， 伴随加载继续 岩石试样逐渐破裂并濒临宏观破坏， 除在初始阶段 会出现振铃计数较多的事件数外， 其他阶段振铃计 数均较少。从整体来看， 冲击载荷下岩石试样破坏 过程的振铃计数曲线近似呈 “厂” 字形分布。 图 4 到图 6 中， a、 b、 c 的应变率依次增大， 可以 看到振铃计数也依次增大。这表明在冲击载荷破坏 实验中， 随着应变率的增大， 振铃计数也随之增大。 而振铃计数代表的正是岩石内部的损伤情况， 这是 岩石破碎程度随应变率增大而增大的内在表现。 3第 35 卷 第 1 期 刘希灵， 崔佳慧， 王金鹏， 等 不同应变率下岩石冲击破坏的声发射特性研究 万方数据 图 3 三种岩石在冲击载荷下随应变率变化的破坏效果图 Fig. 3 Ruptures of three kinds of rock samples with strain rate under impact loads 图 4 花岗岩在不同应变率下的振铃计数随应力时间变化关系图 Fig. 4 Rings and stress variation with time of granite in different strain rates 4爆 破 2018 年 3 月 万方数据 图 5 石灰岩在不同应变率下的振铃计数随应力时间变化关系图 Fig. 5 Rings and stress variation with time of limestone in different strain rates 图 6 红砂岩在不同应变率下的振铃计数随应力时间变化关系图 Fig. 6 Rings and stress variation with time of red sandstone in different strain rates 2. 3 冲击荷载下应变率效应对幅值分布的影响 岩石在冲击荷载和静载荷 （单轴压缩 下的幅值 分布有很大的不同。图 7 是之前在做单轴压缩实验 的幅值分布图， 可以看出岩石在静载荷下的单轴压缩 破坏试验中， 声发射信号的幅值呈阶梯状递减分 布 [11]。幅值在 60 dB 以下的信号数量占绝大多数， 幅值在80 dB 以上的信号数量分布不明显。而在冲 击载荷下的破坏试验中， 如图 8， 岩石破裂过程中的 声发射信号的幅值分布则较为分散、 不规律， 且大幅 值信号个数占比较多， 但因为信号总数较少， 并非所 有值域内都有分布， 并且幅值在 60 dB 以上的信号数 量所占的比例比静载荷下的要高出很多。静载荷下 幅值越大的信号个数越小， 这说明该岩样在静载荷下 处于增长型裂纹扩展模式， 而冲击载荷下就比较分散， 没有明显的规律， 在门槛值 45 dB 到最大值 100 dB 之间都有分布， 这跟冲击载荷下应力波在岩样中传 播产生的信号有很大的关系， 也可以把这两种信号 看作是冲击荷载下岩石声发射的固有特性 [11]。 图 7 静载荷 （单轴压缩 下的幅值分布图 Fig. 7 Amplitudes distribution in uniaxial compression test 图 8 三种岩石在冲击载荷下的幅值分布图 Fig. 8 Amplitudes distribution of three kinds of rocks under impact loads 5第 35 卷 第 1 期 刘希灵， 崔佳慧， 王金鹏， 等 不同应变率下岩石冲击破坏的声发射特性研究 万方数据 在前面已经说过， 在冲击载荷下， 随着应变率的 增加， 三种岩石试样的破碎程度也有所增大， 表现为 碎块的尺寸减小、 块数增加。而小尺寸的块数增多， 必然导致小幅值的信号比例增加。如表 2 不同应变 率下三种岩石冲击实验的幅值分布情况表所示， 在 冲击实验中， 随着应变率的增大， 三种岩石小于 50 dB的信号占比均有所增加， 这是小尺度破坏增加 在声发射参数上的表现。 表 2 不同应变率下三种岩石冲击实验的幅值分布情况表 Table 2 Amplitudes distribution of three kinds of rocks under impact loads 岩性应变率/ s -1 ＜5050 60 幅值分布统计/ dB 60 7070 8080 9090 100 7236. 5441.3513.463.850.963.85 花岗岩8538.1946.5311.112.080.002.08 10340.6338.1311.885.001.253.13 5350.9136.363.643.640.005.45 石灰岩7251.2229.277.327.320.004.88 8653.8523.0811.543.850.007.69 10141.1832.3511.765.885.882.94 红砂岩10745.5630.0015.005.562.221.67 15347.8938.9510.001.580.001.58 另外， 还有一些参数也能对这种应变率的效应 进行辅助解释， 如 b 值、 分形维数 D 等。研究表 明 [12]， 冲击荷载下， 岩石破碎分形维数 D 可以用来 评价岩石的破碎程度， 分形维数大的试件， 破碎程度 也较高。 2. 4 冲击荷载下应变率效应对峰值频率分布的影响 岩体破裂尺度和频率有着天然的对应关系， 地 震学的理论研究认为， 震源尺度与频率存在一定的 线性关系 [7， 13]， 震源尺度越大， 产生信号的频率越 低。Vinogradov 通过现场声发射监测和室内试验认 为， 相较于小幅值信号， 大幅值信号有着更显著的低 频成分 [14]。也就是说， 较大破裂尺度产生的声发射 信号频率较低、 幅值较大， 而较小破裂尺度的声发射 信号频率较高、 幅值较低 [15]。如前所述， 在冲击载 荷下， 随着应变率的增大， 小尺度的破裂增多， 低幅 值的信号占比也增多， 而与之对应的高频率信号也 应该增多。如表 3 所示， 100 kHz 以下的低频信号 逐渐减少， 100 200 kHz 以及 400 550 kHz 的高频 信号随应变率的增大而增加。这意味着小事件所占 比例增加， 以小尺度微破裂为主。 表 3 不同应变率下三种岩石冲击实验的峰值频率分布情况表 Table 3 Peak frequency distribution of three kinds of rocks under impact loads 岩性应变率/ s -1 ＜100100 200 峰值频率分布统计/ kHz 200 300300 400400 550＞550 7284. 477.770.000.007.770.97 花岗岩8575.6913.191.390.699.030.00 10370.0016.880.631.2511.250.00 5396.361.820.000.001.820.00 石灰岩7292.682.440.002.442.440.00 8692.313.850.000.003.850.00 101100.000.000.000.000.000.00 红砂岩10796.670.560.560.002.220.00 15373.1615.260.001.0510.530.00 从峰值频率的分布来看， 冲击载荷下的岩石破 坏实验中， 低于 100 kHz 的信号比例要远高于静载 荷下信号比例， 这意味着相对大尺度的破坏要增多 了， 但这是不可能的。静载荷下的岩石试样尺寸为 φ 50 100 mm， 而冲击载荷下的岩石试样尺寸仅为 静载荷的四分之一， 为 φ 50 25 mm， 而且静载荷下 的破裂块度也远比冲击载荷下的要大 （如图 9 图 11 所示 ， 因此相对大尺度的破坏要增多了这种 6爆 破 2018 年 3 月 万方数据 解释显然行不通。那么还有一种可能性， 根据 MO- GI 的研究， 在破碎程度比较大的情况下， AE 从发生 源到探头的传播若要经过大裂纹， 高频成分易发生 衰减， 而不容易被检测到; 另外大裂纹所引起的低频 率成分显著， 因此， 测量到的 AE 低频率成分较为显 著。对于这种说法， 我们的实验中有个很好的例子 可以证明。花岗岩试样在0. 8 MPa 的第一次冲击下 没有破裂， 但声发射仪检测到了很多高频的信号。 其峰值频率分布如表 4 所示。从表中可以看出花岗 岩在冲击载荷下仅产生了微观破坏， 试样并没有破 裂， 因此其检测到了较多的高频信号， 与 MOGI 的说 法相吻合 [2， 3]。 表 4 冲击载荷下未破裂的岩石试样峰值频率分布表 Table 4 Peak frequency distribution of not broken rocks under impact loads 岩性状态 ＜100100 200 峰值频率分布统计/ kHz 200 300300 400400 550＞550 花岗岩未破裂11. 399.414.463.9670.790.00 图 9 花岗岩在静载荷和冲击载荷下的破坏形态 Fig. 9 Ruptures of granite samples under uniaxial compression and impact loads 图 10 石灰岩在静载荷和冲击载荷下的破坏形态 Fig. 10 Ruptures of limestone samples under uniaxial compression and impact loads 图 11 红砂岩在静载荷和冲击载荷下的破坏形态 Fig. 11 Ruptures of red sandstone samples under uniaxial compression and impact loads 3 结论 本文主要是通过在 SHPB 试验系统进行冲击破 坏的方法来研究三种岩石在冲击载荷下的声发射特 性， 通过试验分析和讨论， 主要得到如下结论 （1 在力学特性方面， 冲击载荷下随着应变率 的增加， 三种岩石的抗压强度随之增大， 极限应变值 也随之增大， 且岩石试样的破碎程度也有所增大， 表 现为碎块的尺寸减小、 块数增加、 碎屑增多。 （2 在声发射特性方面， 三种岩石除花岗岩有 个别信号的峰值频率高于 550 kHz 以外， 其它信号 都在 550 kHz 以下。在冲击载荷下， 随着应变率的 增加， 三种岩石的振铃计数都随之增大， 低幅值信号 比例增加， 峰值频率在 100 kHz 以下的信号随之减 少， 100 200 kHz 以及 400 550 kHz 的信号随之增 多。因为在冲击载荷下， 随着应变率的增大， 岩石试 样的破碎程度也增大， 小尺度的破裂增多， 导致振铃 计数增大， 低幅值信号的比例也逐渐增多， 而与之对 应的高频率信号也随之增多， 因此 100 kHz 以下的 低频信号逐渐减少， 100 200 kHz 以及 400 550 kHz的高频信号随应变率的增大而增加。这意 味着小事件所占比例增加， 以小尺度微破裂为主。 （3 与静载荷下的单轴压缩实验相比， 冲击载 荷的加载时间更短， 声发射仪记录到的信号数量也 相应较少。静载下， 振铃计数增长缓慢， 而冲击荷载 下振铃计数直线增长; 静载荷下声发射信号的幅值 呈阶梯状递减分布， 幅值在 60 dB 以下的信号数量 占绝大多数， 而在冲击载荷下， 声发射信号的幅值分 布则较为分散、 不规律， 且大幅值信号的比例较多; 静载荷下高频信号比例多一些， 而冲击载荷下低频 信号比例更多。 7第 35 卷 第 1 期 刘希灵， 崔佳慧， 王金鹏， 等 不同应变率下岩石冲击破坏的声发射特性研究 万方数据 参考文献 References [1] 纪洪广， 刘翔宇， 曾 鹏， 等. 高强混凝土单轴压缩声 发射频率特征试验研究 [J] . 应用声学， 2016 （3 248- 254. 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