1、第 卷 第 期 年 月人 民 长 江 ，收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；云南省科技厅重点研发计划（社会发展）（）；滇中引水标科研项目（）；中国中铁科技研究开发计划课题（重大专项）作者简介：宋浩然，男，硕士研究生，研究方向为岩石力学及隧道工程。：通信作者：张庆文，男，教授，博士，主要从事岩石力学及隧道工程领域研究工作。：文章编号：（）引用本文：宋浩然，许家臣，张庆文，等 分级加载浸水泥质粉砂岩声发射分形特征试验研究 人民长江，（）：分级加载浸水泥质粉砂岩声发射分形特征试验研究宋 浩 然，许 家 臣，张 庆 文，郭 永 发，许 国 权，李涛（西南林业大学 土木工程学院，云南 昆明；中
2、铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，云南昆明；中铁一局集团第五工程有限公司，陕西 宝鸡）摘要：为探究不同浸水时间对泥质粉砂岩加载破坏过程的影响，以天然状态、浸水，状态下滇中引水工程大理标段板凳山隧洞的泥质粉砂岩为样品，进行单轴分级加载试验，监测岩样从加载至破坏的全过程声发射（）活动。试验表明：随着浸泡天数的增加，累计振铃计数逐渐衰减，在分级加载时，天然岩样的累计振铃计数曲线有明显上升台阶，浸水岩样的累计振铃计数曲线的跃升主要集中在破坏阶段。天然岩样较浸水岩样的脆性更强，破坏时 活动频度较高，表现为 定位点在主破裂面附近泵集，破坏面附近定位点的能级较浸水岩样高 个能级。随着加载应力增加，浸水岩
3、样的含水率越高，岩样的破裂损伤阶段较天然岩样有所提前，定位点主要集中在破坏阶段，定位点数量的激增更加明显，这与振铃计数的变化规律相吻合。不同含水率岩样在相对破坏应力 之前，关联维数均呈现上升的趋势，在相对应力的附近关联维数上升至最大值，应力继续增大，岩样破坏，关联维数跌落至最小值，不同含水率岩样的关联维数最小值均介于 之间。以上岩样的破坏特点可为隧洞涌水情况下岩体稳定性监测提供参考依据。关 键 词：泥质粉砂岩；含水率；声发射振铃计数；分形特征；时空演化中图法分类号：文献标志码：引 言岩石是自然形成的复杂地质体，其内部含有原始缺陷。岩石在加载时内部微小裂纹的闭合，以及新裂纹的萌生、扩展和贯通会导
4、致岩石的损伤和变形。这种在岩石内部产生的微破裂会诱发不同频率、不同能量的声波，即 岩 石 的 声 发 射（，）。岩石的声发射能够反映岩石损伤积累的过程，因此国内外学者都采用声发射无损监测技术来分析岩石破坏的过程，并提出了合理的岩石破坏前兆判据，对地下工程中岩体的稳定性及安全性的监测和预报具有重要意义。美国矿山局的 早在 世纪 年代就发现了岩石内部存在声发射活动，并且用于矿山稳定性监测和岩爆预测中。此后，技术广泛应用在金属矿山、地下硐室、隧道工程、坝基的岩体稳定性监测与预报中，并逐步扩展到边坡失稳的研究中。李俊平等对大理岩、磁铁矿、矽卡岩和花岗闪长斑岩的声发射特征进行分析，发现岩石破坏的声发射过
5、程分为 个阶段，即初始区（）、剧烈区（）、下降区（）和 人 民 长 江 年沉寂区（）。在岩石破坏声发射的前兆特征分析方面，基于试样破坏全过程的声发射特征，推断试样的损伤演化规律，学者们提出了相对平静期和破坏前兆特征的概念。张茹等、赵兴东等、李浩然等在对花岗岩破裂失稳的声发射试验研究中，利用 事件率和 能率来反映裂纹发展及贯通的情况，发现声发射活动呈现“相对平静、间隔突发”的规律。在分形特性研究方面，学者们引入了关联分维函数，发现 值的变化趋势和关联维数的变化趋势是一致的，且声发射过程参数的分形特征具有一定的尺度范围，超出这个尺度范围后分形特征便不明显。尹贤刚等对岩石声发射强度分形特性进行研究，
6、发现加载中后期声发射强度分形维值出现较强的规律性，其值逐渐由大变小，试件破坏前的分形维值最小，并指出可以利用分形维数的持续降低作为岩石失稳破坏的前兆。在声发射空间分布研究方面，研究者开展了破坏全过程声发射定位试验，利用声发射时空演化特征、能量释放规律，发现了 空间分布对岩石主破裂面演化的指示作用和对裂纹追踪的有效性。岩石的声发射主要是由内部微破裂产生的，它与岩石的非弹性变形有关。岩石的非弹性性质又由应力状态、变形时间、变形历史、温度、含水量等许多因素确定。在岩石含水率与声发射特征参数关系方面，文圣勇等，张安斌等，陈春谏等，运用累计声发射特征参数的变化情况来推断岩石内部损伤演化趋势，发现随着含水
7、率的增加，岩样破坏逐渐从脆性破坏向延性破坏过渡。在以上研究的基础上，为了解浸水对围岩抗压特性的影响，本文以滇中引水大理标段板凳山隧洞一号支洞泥质粉砂岩为例，针对不同含水率的泥质粉砂岩进行单轴分级加载，采用 算法研究浸水砂岩破坏过程的 振铃计数的分形特征以及 事件空间分布，以此推断围岩的损伤破裂情况，以为隧洞掌子面围岩稳定分析提供依据。试验设备与方法 岩石试样制备滇中引水工程楚雄段约 的线路在“滇中红层”中穿越。本文试样取自板凳山隧洞泥质粉砂岩，取样里程为 ，按照 水利水电工程岩石试验规程及 工程岩体试验方法标准中相关规定，将试样加工成规格为 ，高径比为 的圆柱体。采用试样切割机对试样两端进行平
8、整，两端面平整误差小于 以内。为了研究不同浸水时间对软岩单轴抗压特性的影响，在加载试验开始前分别测试天然干燥状态、浸水 、浸水 、浸水 的含水率，结果如表 所列。表 不同浸水时间泥质粉砂岩含水率 试样编号浸水时间 浸泡质量 烘干质量 质量差 含水率 平均含水率 试验设备 单轴分级加载加载设备为 型电液伺服万能试验机（见图），测量精度为。为了防止试样在加载过程中突然破坏，采用轴向单轴分级加载的方式，加载速度为 ，当加载至，时稳压 。在试样两端涂抹凡士林以尽量减少端部效应和应力集中对声发射监测的影响。图 试验仪器布置 声发射监测声发射监测设备采用北京软岛时代科技有限公司 系列的八通道全信息声发射信
9、号分析系统。为了在试样面上预留足够的面积用于散斑图像采集，将 个 传感器对称布置于距离试样端面 处 第 期 宋浩然，等：分级加载浸水泥质粉砂岩声发射分形特征试验研究并用胶带固定。传感器与试样之间涂抹凡士林以加强耦合效果。前置放大器增益设为 ，门限值设为，采样率为 。采用硬件模拟滤波器（下限频率设为 ，上限频率设为 ）过滤噪声。与加载试验同时开始记录声发射数据。应变监测应变监测设备为非接触式应变位移视频测量分析仪。采用德国 的视觉监测黑白工业相机，配备 镜头，对加载过程的试样其表面人工散斑图进行采集，帧速率为，图像分辨率为 像素 像素。为了增强图像采集效果，人工散斑图的制作是在试样表面均匀喷上哑
10、光白漆然后用黑色记号笔进行打点随机布满在表面，以减少试样表面反光的影响。分形特征理论分析 计算关联维数 年，和 根据嵌入理论和重构相空间思想提出了从时间序列直接计算关联维数 的 算法。将声发射过程的基本参数序列作为研究对象，则每一个声发射过程的基本参数序列可对应一个容量为 的系列集：，（）根据式（）可以构造一个 维的相空间（），先选取其中并列的 个数作为 维空间的第一个向量：，（）然后向右平移一个数据再取 个数构成第二个向量，（）依次类推，就能构成 个向量，相应的关联函数为（）（）式中：为 函数，其表达式为（），（）为给定的尺度，每一个尺度 都对应一个（）。在给 取值时为了避免分散性，的取值为
11、 （）式中：为比例系数，为 （）根据式（）（），可以得到 个，()()的点，将其绘制在双对数坐标中并拟合，如果拟合结果为直线，则表明声发射系列在给定的尺度范围内具有分形特性，关联维数为直线的斜率。()（）确定相空间相空间维数值对 算法中关联维数的值影响较大。以 试样的事件率为列，尺度 保持不变，随着 值逐渐增大，双对数曲线的斜率逐渐增加，并且增加的速率越来越慢。在 之后斜率的增涨趋于平缓，关联维数开始稳定，因此本文选择相空间维数为 进行计算（见图）。图 不同相空间维数 下 （）双对数曲线 （）试验结果与分析 声发射参数特征对比分析 振铃计数是通用的声发射评估技术。当一个事件撞击传感器时，所形成
12、的超过预设阈值的电信号中每一振荡波均记为一个振铃计数。图 为选取不同浸泡天数下的代表岩样 、的时间 应力 振铃计数关系曲线。为了使振铃计数曲线更加清楚，以便于参数变化规律的分析，将每秒振铃计数最大值统一设置为 。如图（）所示的天然岩样，在每一阶段分级加载初期，原生裂纹在应力作用下被压密闭合，声发射振铃计数较为活跃并出现一段振铃计数的相对峰值；当应力逐渐稳定，振铃计数发生陡降并维持在一个很低的水平，累计振铃计数的增加也趋于平缓。随着每级稳压的应力增加，振铃计数的相对峰值呈现减小的趋势，累计振铃计数有明显的上升台阶。当逐渐加载至破坏应力时，岩石内部裂纹开始扩展贯通，活动频度激增。破坏时，岩样在极短
13、的时间内崩裂并伴随巨大的声响，轴向应力迅速跌落，累计振铃计数迅速跃 人 民 长 江 年升，此时振铃计数最大值达到。分级加载阶段，平均 振 铃 计 数 为 ，占 振 铃 计 数 最 大 值 的，累 计 振 铃 计 数 为 ，占 计 数 总 量 的。图 不同含水率岩样浸泡时间 应力 振铃计数关系曲线 如图（）（）所示的浸水岩样，分别置于水中浸泡，及。浸泡 的岩样与天然岩样对比特别明显，岩样的含水率为 ，在分级加载阶段 活动较少，累计振铃计数没有明显的上升台阶。由于岩样的强度衰减，破坏时声音沉闷。图（）（）中岩样的计数总量分别为 ，分别为 天 然 岩 样 计 数 总 量 的 ，。整体来看，浸水岩样在
14、分级加载阶段的相对峰值较低甚至不出现相对峰值。随着含水率的增加，累计振铃计数的增长逐渐变缓，在破裂损伤阶段，含水率高的岩样内部新裂纹的扩展会较早出现。经过破裂损伤阶段的相对峰值后，振铃计数会有明显的降低，在破坏前累计振铃计数便近乎垂直的跃升。而这种累计振铃计数的迅速增长可作为浸水岩样将要破坏的前兆判据。声发射事件空间演化及破坏情况为了进一步研究不同含水率下泥质粉砂岩裂纹发展及贯通破坏情况，以天然岩样 和浸泡 的岩样 为例，收集了分级加载全过程 定位信号及不同阶段的岩样照片，如图 和图 所示。图 岩样声发射空间定位演化 如图 所示，在半径为 ，高度为 的岩样内部，点的位置代表 定位源，点的颜色代
15、表定位源的能量大小。从图 和图 可以看出：在分级加载压密阶段（），岩样 的定位点分布在试件的两端，底部的定位点较多且部分能级介于 之间，微裂纹在此处产生，声发射数量占全过程总量的。岩样 的定位点数量远远低于 ，零星分布于试件的上端部，内部砂岩颗粒由压密导致挤压错动，占全过程声发射总量的 。在破裂损伤阶段（），岩样 的定位点开始向试件中部扩散，部分较高能级定位点集中在左侧，由于应 第 期 宋浩然，等：分级加载浸水泥质粉砂岩声发射分形特征试验研究图 岩样不同阶段破坏情况 力逐渐升高，旧裂纹开始扩展，新裂纹开始产生，占全过程声发射数量的 。岩样 在此时出现能级较高的定位点，在试件上端部左侧，此处产生
16、小范围的破裂并伴随有大量微裂纹产生，占全过程声发射数量的 。破坏阶段（），应力达到峰值，岩样裂纹迅速剧烈扩展，声发射频度达到最高值。岩样 的定位点相较之前更加集中，主要表现为在试件主破裂面泵集，出现最大能级为 级的定位点，附近的平均能级为 级，破坏时发出一下清脆巨大的声响。岩样 的定位点丛集于试件上端部，最大能级为 级，附近平均能级为，破坏时发出一串绵密细碎的声响。从 定位点能级的分布及高低情况来分析，天然岩样 在破坏时的峰值能级及破坏面附近的平均能级都约为浸水岩样 能级的两倍，岩石内部的破坏损伤会耗散能量，岩石内部的能量释放越多则表明内部的损伤程度越大。如图 所示，岩样破坏的过程在整体上是由微裂纹产生、扩展、破裂贯通形成主破裂面至破坏的过程。天然岩样 在破坏阶段产生一条细微裂缝，主破裂面光滑并在一侧伴有少许细微裂纹。浸水岩样 在破坏阶段产生大量宽裂缝，主破裂面含有细碎颗粒，裂纹演化成宏观破裂面的过程较天然岩样 更迅速。对单轴分级加载下泥质粉砂岩变形破坏的全过程 活动进行监测，选取振铃计数作为参数，以每一级加载时间段内振铃计数的 个数据进行关联维数计算，得到 种不同含水率岩样在不同应力
