。20。 北京科技大学学报 第31卷 纪洪广网系统地研究了混凝士材料在压缩、拉伸等 伤演化规律.下面以F8号砂岩试件（加载速率 条件下的声发射特性并量化分析了混凝土材料声 21.54kN°min1)的实验数据为例进行说明. 发射过程中的非线性特征：Tang乳假定细观微元强 1.2岩石疲劳破坏机理和宏观破坏特征 度服从Weibull分布，针对单轴压缩情形建立声发 单轴压缩条件下岩石损伤破坏的宏观表现形式 射损伤模型，得出声发射特征和Kaiser效应的表达 有共轭斜面剪切破坏、单斜面剪切破坏和拉伸破坏 式.但截止目前，无论国内还是国外对岩石在疲劳 三种.前两种破坏都是由于破坏面上的剪应力超过 荷载下的声发射特性研究都十分有限，仅有蒋宇、葛 极限引起的：拉伸破坏则是在轴向压应力作用下，在 修润等的少量研究成果1，，主要以定性分析为主。 横向产生拉应力所致，这是泊松效应的结果.在微 因此，开展岩石在疲劳荷载下的声发射特征及损伤 观上主要是在破坏面上的剪切或横向拉应力作用 失稳规律研究具有重要意义 下，原始孔隙及微裂纹扩展以及物质微结构位错（断 1岩石在疲劳载荷下的声发射实验 裂和滑移)形成裂纹并逐步发展的结果. 砂岩试件在单轴静态加载破坏时一般有一个贯 1.1实验概述 穿的主要滑动面存在：通过实验发现疲劳载荷作用 单轴压缩疲劳实验采用美国MTS815岩石力 下，裂纹的发展更充分，试件表面有大量的轴向裂纹 学测试系统.该实验机主要用于测试高强度固体材 产生（图1），端部很少出现贯通裂纹. 料在单轴、三轴、单调、循环和蠕变等各种应力条件 下的力学实验，具有测试精度高，性能稳定、可靠的 特点.岩石声发射实验与疲劳实验同步进行，实验 仪器采用美国声学物理公司PAC生产的PC一2型 声发射系统.该系统是该公司推出的最新产品，采 用了PC一2板卡，最大限度地降低了采集噪声；由 于是全数字式系统，该系统具有超快处理速度，低噪 声，低门槛值和可靠的稳定性.本实验中设定声发 射仪的主放为40dB,门槛值为45dB,探头谐振频率 为20~400kHz采样频率为10s1.为消除试件的 端部噪声，在试件端部和加载装置间施用专用减摩 (@)单调加载被坏形态 (b)疲劳破坏形态 剂.声发射探头与试件间涂抹专用油膏，并用胶带 固定. 图1不同载荷方式下砂岩破坏形态比较 Fig.I Failure form comparison of sandstone with different loading 岩石疲劳实验采用取自三峡库区某边坡的砂岩 routes 试样，并采取湿式加工法加工成直径50mm、高 100mm的标准圆柱体试件，其端面平整度小于 砂岩在疲劳载荷作用下裂纹的微观扩展机理： 0.02mm,加工完成后置于通风较好地点放置一周 疲劳加载初期，塑性滞回环较大（图2），砂岩试件吸 自然风干，疲劳实验前先测定试件的单轴抗压强 收能量较多，轴向变形和不可逆变形较大.随着循 度，疲劳荷载的加载波形选择三角波，采用荷载控制 环次数增多，塑性滞回环变小并趋于稳定，试件吸收 方式.为有效监测到岩石破裂时的声发射信号，同 能量基本稳定，轴向变形和不可逆变形稳定发展，受 时为观察疲劳过程中的反Kaiser效应，实验采取低 瑞部扩展阻力影响，同时受变形滞后及周期性卸载 周疲劳荷载方式，循环上、下限载荷水平分别取砂岩 作用影响，能量聚集过程相对延长，导致能量吸收不 单轴静态峰值载荷的90%和45%.本次分别进行 再以主裂纹为主，大量细小裂纹逐渐吸收能量并做 了两组不同加载速率的砂岩疲劳荷载声发射实验， 一定扩展，而主裂纹扩展变得缓慢并和一些细小裂 每组三个试件：第一组加载速率21.54kN·min1 纹连接.在裂纹扩展的最后阶段，塑性滞回环再次 (弹性变形阶段对应于此种砂岩静态单调加载 变大，说明试件吸收能量再次增加，轴向应变和不可 0.1 mm'min1位移速率：第二组加载速率 逆变形又明显加大，主裂纹扩展开始加速，并迅速破 33.60kN·min1(弹性变形阶段对应于此种砂岩静 坏.裂纹的微观扩展机理表现在宏观上就是岩石不 态单调加载0.2mm“min位移速率).两组不同加 可逆变形发展的三阶段规律，这一规律反映的轴向 载速率的砂岩试件均表现出相同的声发射特征与损 应力一轴向应变曲线呈疏一密一疏三个阶段，分别纪洪广 [ 8] 系统地研究了混凝土材料在压缩、拉伸等 条件下的声发射特性, 并量化分析了混凝土材料声 发射过程中的非线性特征 ;Tang [ 9] 假定细观微元强 度服从 Weibull 分布, 针对单轴压缩情形建立声发 射损伤模型, 得出声发射特征和 Kaiser 效应的表达 式.但截止目前, 无论国内还是国外对岩石在疲劳 荷载下的声发射特性研究都十分有限, 仅有蒋宇、葛 修润等的少量研究成果 [ 1, 5] , 主要以定性分析为主 . 因此, 开展岩石在疲劳荷载下的声发射特征及损伤 失稳规律研究具有重要意义. 1 岩石在疲劳载荷下的声发射实验 1.1 实验概述 单轴压缩疲劳实验采用美国 M TS 815 岩石力 学测试系统.该实验机主要用于测试高强度固体材 料在单轴、三轴、单调、循环和蠕变等各种应力条件 下的力学实验, 具有测试精度高, 性能稳定、可靠的 特点.岩石声发射实验与疲劳实验同步进行, 实验 仪器采用美国声学物理公司 PAC 生产的 PCI-2 型 声发射系统 .该系统是该公司推出的最新产品, 采 用了 PC I-2 板卡, 最大限度地降低了采集噪声 ;由 于是全数字式系统, 该系统具有超快处理速度, 低噪 声, 低门槛值和可靠的稳定性 .本实验中设定声发 射仪的主放为 40 dB, 门槛值为 45dB, 探头谐振频率 为 20 ～ 400 kHz, 采样频率为 10 6 s -1 .为消除试件的 端部噪声, 在试件端部和加载装置间施用专用减摩 剂.声发射探头与试件间涂抹专用油膏, 并用胶带 固定 . 岩石疲劳实验采用取自三峡库区某边坡的砂岩 试样, 并采取湿式加工法加工成直径 50 mm 、高 100 mm的标准圆柱体试件, 其端 面平整度小于 0.02 mm, 加工完成后置于通风较好地点放置一周 自然风干 .疲劳实验前先测定试件的单轴抗压强 度, 疲劳荷载的加载波形选择三角波, 采用荷载控制 方式.为有效监测到岩石破裂时的声发射信号, 同 时为观察疲劳过程中的反 Kaiser 效应, 实验采取低 周疲劳荷载方式, 循环上 、下限载荷水平分别取砂岩 单轴静态峰值载荷的 90 %和 45 %.本次分别进行 了两组不同加载速率的砂岩疲劳荷载声发射实验, 每组三个试件:第一组加载速率 21.54 kN·min -1 (弹性变形阶段对应于此种砂岩静态单调加载 0.1 mm·min -1 位 移 速 率 ) ;第 二 组 加 载 速 率 33.60 kN·min -1 (弹性变形阶段对应于此种砂岩静 态单调加载 0.2 mm·min -1位移速率) .两组不同加 载速率的砂岩试件均表现出相同的声发射特征与损 伤演化规律.下面以 F8 号砂岩试件( 加载速率 21.54 kN·min -1 )的实验数据为例进行说明. 1.2 岩石疲劳破坏机理和宏观破坏特征 单轴压缩条件下岩石损伤破坏的宏观表现形式 有共轭斜面剪切破坏 、单斜面剪切破坏和拉伸破坏 三种.前两种破坏都是由于破坏面上的剪应力超过 极限引起的 ;拉伸破坏则是在轴向压应力作用下, 在 横向产生拉应力所致, 这是泊松效应的结果 .在微 观上主要是在破坏面上的剪切或横向拉应力作用 下, 原始孔隙及微裂纹扩展以及物质微结构位错(断 裂和滑移)形成裂纹并逐步发展的结果. 砂岩试件在单轴静态加载破坏时一般有一个贯 穿的主要滑动面存在 ;通过实验发现疲劳载荷作用 下, 裂纹的发展更充分, 试件表面有大量的轴向裂纹 产生(图 1), 端部很少出现贯通裂纹 . 图 1 不同载荷方式下砂岩破坏形态比较 Fig.1 Failure f orm comparison of sandst one with diff erent loading routes 砂岩在疲劳载荷作用下裂纹的微观扩展机理: 疲劳加载初期, 塑性滞回环较大( 图 2) , 砂岩试件吸 收能量较多, 轴向变形和不可逆变形较大 .随着循 环次数增多, 塑性滞回环变小并趋于稳定, 试件吸收 能量基本稳定, 轴向变形和不可逆变形稳定发展, 受 端部扩展阻力影响, 同时受变形滞后及周期性卸载 作用影响, 能量聚集过程相对延长, 导致能量吸收不 再以主裂纹为主, 大量细小裂纹逐渐吸收能量并做 一定扩展, 而主裂纹扩展变得缓慢, 并和一些细小裂 纹连接.在裂纹扩展的最后阶段, 塑性滞回环再次 变大, 说明试件吸收能量再次增加, 轴向应变和不可 逆变形又明显加大, 主裂纹扩展开始加速, 并迅速破 坏 .裂纹的微观扩展机理表现在宏观上就是岩石不 可逆变形发展的三阶段规律, 这一规律反映的轴向 应力 -轴向应变曲线呈疏 —密 —疏三个阶段, 分别 · 20 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷