第1期 许江等：基于声发射的岩石疲劳损伤演化 21。 对应于轴向应变发展过程的初始阶段(0~a)、等速 定阶段（图4），也有声发射信号产生，且表现出明显 变形阶段(a~b)和加速变形阶段(b~d)(图3). 的Felicity效应（即反Kaiser效应），证明了塑性变 85 形和损伤是产生Felicity效应的主要原因.如图4 中的第四个循环，在应力从5450MPa增加10% 70 即加载到59.95MPa时，AE累积数从45229增加 55 到45289，增加了60，说明已出现Felicity效应. 200 40 0.0028 0.0036 0.0044 0.0052 0.0060 120 轴向应变 AE数 图2砂岩疲劳加载应力一应变曲线 一轴向载荷 Fig.2 Stressstrain curve of sandstone under fatigue loading 00 20000 3500 4000 4500 时间s 0.006 15000 图4局部AE数和载荷与时间的关系 0.005 Fig.4 Relations of partial acoustic emission (AE)counts and axial 10000 fore w ith time 5000 0.004 在损伤发展的初始阶段，轴向变形较快，不可逆 变形快速累积塑性滞回环较大，滞回环间距相对较 0.003 5000 100001500020000 疏，声发射率较高，AE数较小（表1）.其原因是： 时间s (1)岩石内部微裂纹开始出现并扩展，损伤己经发 图3AE数和轴向应变与时间的关系 生：(2)端部效应的影响造成端部产生裂纹：(3)端 Fig.3 Relations of acoustic emission(AE)counts and axial strain 部噪声并未全部消除.在稳定阶段，轴向变形和不 with time 可逆变形均较小，塑性滞回环较小，滞回环间距相对 1.3砂岩在疲劳载荷下的声发射特征 较密，除个别情况外，AE数都较小，每个循环中总 岩石类材料的声发射，就是其受力作用产生微 的AE数在较长时间内保持稳定，平均声发射率较 破裂释放应变能并发射弹性波的现象.声发射信号 低，在单一循环中声发射信号都集中在上限应力附 的产生代表了损伤的产生其强弱代表了损伤的程度. 近，说明在砂岩损伤发展的稳定阶段，砂岩在疲劳荷 按试件整个疲劳过程的声发射特征及损伤演化 载作用下内部损伤是不断累积的，其累积过程主要 规律，结合不可逆变形发展的规律，本文将其分为四 在每个循环的上限应力附近进行：相对于声发射的 个阶段分别是初始阶段(0~a)、稳定阶段(a~b)、 稳定发展，砂岩裂纹的发展也趋于稳定：失效阶段， 不可逆变形明显增大，塑性滞回环开始加大滞回环 失效阶段(b~c)和失稳阶段(c~d(图3).这就是 间距开始变疏，声发射率有所加大，AE数和声发射 本文提出的基于声发射的岩石疲劳损伤演化的四阶 能也有所增强（表），但明显低于失稳阶段；失稳阶 段规律.若将后两个阶段合并，则可以与岩石不可 段AE数和声发射能均呈数量级增加（表1），砂岩裂 逆变形发展的三阶段规律相对应.本文四阶段划分 纹急速发展并在主破裂面贯通，砂岩整体失稳并迅 方法主要是考虑到：首先，从横向对比，失稳阶段 速破坏. AE数和声发射能都呈数量级增加，而在不可逆变 表1各阶段声发射特征 形发展的三阶段规律中的最后阶段不可逆变形的变 Table 1 Acoustic emission (AE)character of each phase 化远没有达到如此剧烈的程度：其次从声发射的纵 阶段AE数平均声发射率声发射能平均能量释放率 向发展看，失效阶段和失稳阶段的声发射率、AE数 1 39072 140 6426 23 和声发射能是有明显区别的，因此从声发射的演化 2 40144 27 9456 06 规律看这两个阶段不宜合并. 67967 17.3 21076 5.4 通过实验发现，即使在试件疲劳损伤演化的稳 218120 557.9 234725 6003对应于轴向应变发展过程的初始阶段( 0 ～ a) 、等速 变形阶段( a ～ b)和加速变形阶段( b ～ d)(图 3) . 图 2 砂岩疲劳加载应力-应变曲线 Fig.2 Stress-strain curve of sandstone under f atigue loading 图 3 AE 数和轴向应变与时间的关系 Fig.3 Relations of acoustic emission( AE ) counts and axial strain with time 1.3 砂岩在疲劳载荷下的声发射特征 岩石类材料的声发射, 就是其受力作用产生微 破裂释放应变能并发射弹性波的现象 .声发射信号 的产生代表了损伤的产生, 其强弱代表了损伤的程度. 按试件整个疲劳过程的声发射特征及损伤演化 规律, 结合不可逆变形发展的规律, 本文将其分为四 个阶段, 分别是初始阶段( 0 ～ a) 、稳定阶段( a ～ b) 、 失效阶段( b ～ c)和失稳阶段( c ～ d) (图 3) .这就是 本文提出的基于声发射的岩石疲劳损伤演化的四阶 段规律 .若将后两个阶段合并, 则可以与岩石不可 逆变形发展的三阶段规律相对应 .本文四阶段划分 方法主要是考虑到 :首先, 从横向对比, 失稳阶段 AE 数和声发射能都呈数量级增加, 而在不可逆变 形发展的三阶段规律中的最后阶段不可逆变形的变 化远没有达到如此剧烈的程度 ;其次, 从声发射的纵 向发展看, 失效阶段和失稳阶段的声发射率、AE 数 和声发射能是有明显区别的, 因此从声发射的演化 规律看这两个阶段不宜合并. 通过实验发现, 即使在试件疲劳损伤演化的稳 定阶段( 图 4), 也有声发射信号产生, 且表现出明显 的 Felicity 效应( 即反 Kaiser 效应), 证明了塑性变 形和损伤是产生 Felicity 效应的主要原因 .如图 4 中的第四个循环, 在应力从 54.50 M Pa 增加 10 %, 即加载到 59.95 M Pa 时, AE 累积数从 45 229 增加 到 45 289, 增加了 60, 说明已出现 Felicity 效应 . 图 4 局部 AE 数和载荷与时间的关系 Fig.4 Relations of partial acoustic emission ( AE) counts and axial f orce w ith time 在损伤发展的初始阶段, 轴向变形较快, 不可逆 变形快速累积, 塑性滞回环较大, 滞回环间距相对较 疏, 声发射率较高, AE 数较小(表 1) .其原因是: ( 1) 岩石内部微裂纹开始出现并扩展, 损伤已经发 生 ;( 2) 端部效应的影响造成端部产生裂纹;( 3) 端 部噪声并未全部消除 .在稳定阶段, 轴向变形和不 可逆变形均较小, 塑性滞回环较小, 滞回环间距相对 较密, 除个别情况外, AE 数都较小, 每个循环中总 的AE 数在较长时间内保持稳定, 平均声发射率较 低, 在单一循环中声发射信号都集中在上限应力附 近, 说明在砂岩损伤发展的稳定阶段, 砂岩在疲劳荷 载作用下内部损伤是不断累积的, 其累积过程主要 在每个循环的上限应力附近进行;相对于声发射的 稳定发展, 砂岩裂纹的发展也趋于稳定 ;失效阶段, 不可逆变形明显增大, 塑性滞回环开始加大, 滞回环 间距开始变疏, 声发射率有所加大, AE 数和声发射 能也有所增强(表 1) , 但明显低于失稳阶段;失稳阶 段AE 数和声发射能均呈数量级增加(表 1), 砂岩裂 纹急速发展并在主破裂面贯通, 砂岩整体失稳并迅 速破坏 . 表 1 各阶段声发射特征 Table 1 Acoustic emission ( AE) charact er of each phase 阶段 AE 数 平均声发射率 声发射能 平均能量释放率 1 39 072 14.0 6 426 2.3 2 40 144 2.7 9 456 0.6 3 67 967 17.3 21 076 5.4 4 218 120 557.9 234 725 600.3 第 1 期 许 江等:基于声发射的岩石疲劳损伤演化 · 21 ·