·1316 北京科技大学学报 第33卷 而形成微裂隙，在应力重分布的作用下，继而引起 着岩样内部抵抗面积的减少，刚度迅速降低，微裂 相邻单元破裂.此时在岩样内部己形成了多处宏 隙的生成、扩展及融合均呈现加速趋势，这一阶段 观裂纹及破裂面，但相互之间并未连通，此阶段微 扩容增加明显，声发射频度高，强度达到峰值（见 裂隙数量虽然增加迅猛，但并未达到最高水平.从 图5(b)).说明对于花岗岩这种脆性岩石，其压缩 体应变ε，曲线也可以看出上述趋势，岩样扩容时 破坏时间早于声发射峰值爆发的时间，这就意味 间出现较晚（峰值荷载的96%），侧向应变ε：和轴 着如果采用声发射作为采场冒顶、岩爆等的监测 向应变ε。基本保持线性，说明由于岩样内部的凝 预警，实际的预警时间比预想的时间要短，岩石破 结强度较高，表现出典型的脆性岩石特征.峰值荷 坏的到来比人们预期的要更早，同时侧向压力越 载后，微裂隙快速扩展、融合，形成宏观破裂面，随 高，这种趋势越明显 300 300 50 250 250 60 4 200 200 dN/ 50 0 40± 50 20 10 4 -0.2 01 0.1 0.2 0.3 0.4 0 应变降 -03 02 -0.10 0.1 0.2 0.3 04 应变修 图5应力和AE频率与轴向应变的关系.(a)峰值阶段：(b)峰后阶段 Fig.5 Relationships of stress and AE frequency with axial strain:(a)in peak phase:(b)in post-peak phase 的变化规律，见图6.在岩样加载初期（初始区 3 讨论 (I)),除少量微裂隙受压闭合，基本没有声发射产 在岩样的压缩过程中，围压对声发射规律会产 生，应变能不断被吸收聚集，应变能率曲线呈线性， 生影响（图4）.围压为5MPa时（图4(a)),岩样加 说明应变能吸收率基本保持一个常量.随压缩荷载 载破裂过程声发射率基本呈连续性增长，中间波动 的增加，进入声发射上升区（Ⅱ），应变能率曲线进 较小，峰值荷载前声发射平静期较短：随着围压的升 入非线性阶段，曲线斜率减小，对应的声发射率曲线 高，在达到峰值荷载前，声发射事件频度明显增高， 上可以看到有低强度的声发射产生，说明部分应变 但声发射强度较低，峰值荷载前有较明显的声发射 能转化为弹性波释放，从而致使应变能吸收率降低。 相对平静期.在峰值荷载前，在应力曲线上达到 进入平静区（Ⅲ）后，对应声发射的第一次小爆发， 98%(图4(a))、90%(图4(b))及83%（图4(c)) 应变能有了突然的释放，从曲线的斜率可以看出，其 峰值荷载时，对应时刻的声发射曲线上会出现声发 释放几乎在瞬间完成，而在其后的相对平静期，可以 射的第一次小爆发，而后进入一个相对平静期.随 看出应变能有明显的吸收和聚集过程，但从曲线的 着围压增大，峰值前的声发射相对平静期会延长，从 斜率来看其过程并不平稳，间或有少量应变能的释 图4的声发射曲线上可以看出，5MPa围压下相对 放过程，从对应的声发射率曲线可以到高频度、低强 平静期为12000时步，20MPa围压下相对平静期为 度的声发射现象.从此时的岩样微裂隙分布来看 18000时步，而50MPa下则增大到了23000时步， (图3(a)),岩样内部己形成了多个微破裂集聚区， 增幅明显 这些区域即谢和平等回所说的“严重损伤区”，随着 岩石在达到峰值压缩荷载前会出现声发射相对 压缩荷载的增加，持续的高压应力状态将使集聚区 平静期，许多学者均观察到了这一现象切.张流 会经历一个“损伤愈合”过程，部分应变能会被吸 等图研究发现具有一定延性的岩石，其主破裂期前 收，从而形成了声发射的相对平静期.在声发射爆 会有较明显的声发射相对平静期，花岗岩属于脆性 发区(V),由于宏观裂缝的形成，前一阶段聚集的 岩石，而随围压的增大，花岗岩的延性增强，因此其 应变能快速释放，曲线急转直下，在声发射曲线下可 声发射的相对平静期也变得明显，本文得到的结果 以看到声发射峰值的出现；到达爆后区(V)后，由 和张流等的研究是一致的. 于宏观破坏面的形成和应变能的释放，岩样开始失 对于AE监测中相对平静期产生的机理，本文 稳，岩石的承载力基本靠裂隙的摩擦力来承担P0, 利用了能量追踪技术，研究岩样压缩过程中应变能 期间由于荷载的作用，可能会使原有的裂隙重新闭北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 而形成微裂隙，在应力重分布的作用下，继而引起 相邻单元破裂． 此时在岩样内部已形成了多处宏 观裂纹及破裂面，但相互之间并未连通，此阶段微 裂隙数量虽然增加迅猛，但并未达到最高水平． 从 体应变 εv 曲线也可以看出上述趋势，岩样扩容时 间出现较晚( 峰值荷载的 96% ) ，侧向应变 εd 和轴 向应变 εa 基本保持线性，说明由于岩样内部的凝 结强度较高，表现出典型的脆性岩石特征． 峰值荷 载后，微裂隙快速扩展、融合，形成宏观破裂面，随 着岩样内部抵抗面积的减少，刚度迅速降低，微裂 隙的生成、扩展及融合均呈现加速趋势，这一阶段 扩容增加明显，声发射频度高，强度达到峰值( 见 图 5( b) ) ． 说明对于花岗岩这种脆性岩石，其压缩 破坏时间早于声发射峰值爆发的时间，这就意味 着如果采用声发射作为采场冒顶、岩爆等的监测 预警，实际的预警时间比预想的时间要短，岩石破 坏的到来比人们预期的要更早，同时侧向压力越 高，这种趋势越明显． 图 5 应力和 AE 频率与轴向应变的关系 . ( a) 峰值阶段; ( b) 峰后阶段 Fig． 5 Relationships of stress and AE frequency with axial strain: ( a) in peak phase; ( b) in post-peak phase 3 讨论 在岩样的压缩过程中，围压对声发射规律会产 生影响( 图 4) ． 围压为 5 MPa 时( 图 4( a) ) ，岩样加 载破裂过程声发射率基本呈连续性增长，中间波动 较小，峰值荷载前声发射平静期较短; 随着围压的升 高，在达到峰值荷载前，声发射事件频度明显增高， 但声发射强度较低，峰值荷载前有较明显的声发射 相对平静期． 在峰值荷载前，在应力曲线上达到 98% ( 图 4( a) ) 、90% ( 图 4( b) ) 及 83% ( 图 4( c) ) 峰值荷载时，对应时刻的声发射曲线上会出现声发 射的第一次小爆发，而后进入一个相对平静期． 随 着围压增大，峰值前的声发射相对平静期会延长，从 图 4 的声发射曲线上可以看出，5 MPa 围压下相对 平静期为 12 000 时步，20 MPa 围压下相对平静期为 18 000 时步，而 50 MPa 下则增大到了 23 000 时步， 增幅明显． 岩石在达到峰值压缩荷载前会出现声发射相对 平静期，许多学者均观察到了这一现象［17］． 张流 等［18］研究发现具有一定延性的岩石，其主破裂期前 会有较明显的声发射相对平静期，花岗岩属于脆性 岩石，而随围压的增大，花岗岩的延性增强，因此其 声发射的相对平静期也变得明显，本文得到的结果 和张流等的研究是一致的． 对于 AE 监测中相对平静期产生的机理，本文 利用了能量追踪技术，研究岩样压缩过程中应变能 的变 化 规 律，见 图 6． 在岩样加载初期 ( 初 始 区 ( Ⅰ) ) ，除少量微裂隙受压闭合，基本没有声发射产 生，应变能不断被吸收聚集，应变能率曲线呈线性， 说明应变能吸收率基本保持一个常量． 随压缩荷载 的增加，进入声发射上升区( Ⅱ) ，应变能率曲线进 入非线性阶段，曲线斜率减小，对应的声发射率曲线 上可以看到有低强度的声发射产生，说明部分应变 能转化为弹性波释放，从而致使应变能吸收率降低． 进入平静区( Ⅲ) 后，对应声发射的第一次小爆发， 应变能有了突然的释放，从曲线的斜率可以看出，其 释放几乎在瞬间完成，而在其后的相对平静期，可以 看出应变能有明显的吸收和聚集过程，但从曲线的 斜率来看其过程并不平稳，间或有少量应变能的释 放过程，从对应的声发射率曲线可以到高频度、低强 度的声发射现象． 从此时的岩样微裂隙分布来看 ( 图 3( a) ) ，岩样内部已形成了多个微破裂集聚区， 这些区域即谢和平等［19］所说的“严重损伤区”，随着 压缩荷载的增加，持续的高压应力状态将使集聚区 会经历一个“损伤愈合”过程，部分应变能会被吸 收，从而形成了声发射的相对平静期． 在声发射爆 发区( Ⅳ) ，由于宏观裂缝的形成，前一阶段聚集的 应变能快速释放，曲线急转直下，在声发射曲线下可 以看到声发射峰值的出现; 到达爆后区( Ⅴ) 后，由 于宏观破坏面的形成和应变能的释放，岩样开始失 稳，岩石的承载力基本靠裂隙的摩擦力来承担［20］， 期间由于荷载的作用，可能会使原有的裂隙重新闭 ·1316·