第11期 宿辉等：不同围压条件下花岗岩压缩破坏声发射特征细观数值模拟 ·1317· 合，应变能被吸收，从而出现应变能反复的释放-吸 参考文献 收一释放过程，而在声发射曲线上则表现为断续的 [1]Zhao X D,Li Y H,Yuan R P,et al.Study on crack dynamic 声发射现象 propagation process of rock samples based on acoustic emission lo- cation.Chin J Rock Mech Eng,2007,26(5):944 160 40 ■；W:V (赵兴东，李元辉，袁瑞甫，等.基于声发射定位的岩石裂纹动 120 应变能率曲线 20 态演化过程研究.岩石力学与工程学报，2007,26(5)：944) 2] Mogi K.Study of the elastic shocks caused by the fracture of heter- 80 -20量 ogencous materials and its relations to earthquake phenomena.Bull Earthquake Res Inst,1962,40(6)831 0 声发射率曲线 40 B]Jiang Y,Ge X R,Ren JX.Deformation rules and acoustic emis- onY月d人i八-6 0 sion characteristics of rocks in process of fatigue failure.Chin J 100 150 200 时间/（时步×10叫 Rock Mech Eng,2004,23(11):1810 (蒋宇，葛修润，任建喜.岩石疲劳破坏过程中的变形规律及 图6岩石声发射率和应变能率与时间的关系 声发射特性.岩石力学与工程学报，2004,23(11)：1810) Fig.6 Relations of the strain energy of rock and AE frequency [4] Xu J,Li S C,Tang X J,et al.Rock fatigue damage evolution with time based on acoustic emission.J Unie Sci Technol Beijing,2009,31 (1):19 以上讨论从应变能追踪角度验证了谢和平等从 (许江，李树春，唐晓军，等.基于声发射的岩石疲劳损伤演 损伤力学得出的“损伤愈合”理论.与连续介质模型 化.北京科技大学学报，2009,31(1)：19) [5] 不同，P℉℃2D无法事先设置损伤愈合模型，而是根 Liang ZZ,Tang C A,Huang M L,et al.Numerical simulation of pattems of acoustic emission in rock failure process.Northeast 据数值模型的性质在试验过程中自动形成材料的本 Univ Nat Sci,.2002,23(10):1008 构关系，其损伤愈合的过程恰好得到了体现，说明了 (梁正召，唐春安，黄明利，等.岩石破裂过程中声发射模式的 岩石破坏过程中的声发射的相对平静期确实存在， 数值模拟.东北大学学报：自然科学版，2002,23(10)：1008) 这为采用声发射监测岩体的破坏提供了理论依据. [6 Zhang C H.Discrete-contact-fracture analysis of rock and con- 但是，声发射相对平静期表现出了复杂的特征，从第 crete.Chin J Rock Mech Eng,2008,27(2):217 (张楚汉.论岩石、混凝土离散一接触一断裂分析·岩石力学与 一次声发射小爆发进入相对平静期后，期间还会出 工程学报，2008,27(2)：217) 现低强度的声发射，因此如何准确判断相对平静期 [7]Cho N,Martin C D,Sego D C.A clumped particle model for 还有待于进一步研究，利用相对平静期直接用于岩 rock.Int J Rock Mech Min Sci,2007,44(7)997 体稳定性监测与预报还存在一定的困难 [8]Potyondy DO,Cundall P A.A bonded-particle model for rock. Int J Rock Mech Min Sci,2004,41(8)1329 4结论 9] Itasca Consulting Group Inc.PFC2D Particle Flow Code in 2Dimensions):Version 3.0.Minneapolis:ICG,2002 (1)颗粒离散元软件PFC2D在细观参数精确 [10]Hazzard J F,Young R P,Maxwell S C.Micromechanical model- 校准的情况下，可以很好地模拟岩石的压缩试验及 ing of cracking and failure in brittle rocks.Geophys Res B, 声发射过程，同时还能实时直观显示裂缝出现、伸展 2000,105(B7):16683 01] 及融合过程，具有很好的应用前景 Blair SC,Cook NG W.Analysis of compressive fracture in rock using statistical techniques:Part I.A non-inear rule-based (2)试样压缩过程中持续的高压应力状态将使 model.Int J Rock Mech Min Sci,1998,35(7):837 微裂缝集聚区经历一个“损伤愈合”过程，部分应变 [12]Hao Z B,Qin J X,Wu X Y.Overview of research on the seismic 能会被吸收，从而形成了声发射的相对平静期 wave quality factor (Q).Prog Geophys,2009,24(2):375 (3)对于花岗岩等脆性岩石而言，扩容时间出 (郝召兵，秦静欣，伍向阳.地震波品质因子Q的研究进展综 述.地球物理学进展，2009,24(2)：375) 现较晚，声发射峰值出现时间与岩石破坏时间相比 D3] Potyondy D O.Simulating stress corrosion with a bonded-particle 有一定的滞后，意味着如果采用声发射作为脆性岩 model for rock.Int J Rock Mech Min Sci,2007,44(5):677 石破坏的监测指标，其实际的预警时间比预想的时 [14]Hazzard J F,Young R P.Simulating acoustic emissions in bond- 间要更短. ed-particle models of rock.Int J Rock Mech Min Sci,2000,37 (4)在岩样压缩过程中，在临近峰值点时声发 (5):867 [5] Chen X W,Zhou C D,Xu Z Y.Acoustic emission of transforma- 射活动活跃，在围压作用下出现明显的声发射活动 tion from triaxial stress state to biaxial stress state in rock//Pro- 相对平静期，而且随围压的增加，相对平静期会 ceedings of the Second National Conference of Rock Mechanics and 延长第 11 期 宿 辉 等: 不同围压条件下花岗岩压缩破坏声发射特征细观数值模拟 合，应变能被吸收，从而出现应变能反复的释放--吸 收--释放过程，而在声发射曲线上则表现为断续的 声发射现象． 图 6 岩石声发射率和应变能率与时间的关系 Fig． 6 Relations of the strain energy of rock and AE frequency with time 以上讨论从应变能追踪角度验证了谢和平等从 损伤力学得出的“损伤愈合”理论． 与连续介质模型 不同，PFC2D 无法事先设置损伤愈合模型，而是根 据数值模型的性质在试验过程中自动形成材料的本 构关系，其损伤愈合的过程恰好得到了体现，说明了 岩石破坏过程中的声发射的相对平静期确实存在， 这为采用声发射监测岩体的破坏提供了理论依据． 但是，声发射相对平静期表现出了复杂的特征，从第 一次声发射小爆发进入相对平静期后，期间还会出 现低强度的声发射，因此如何准确判断相对平静期 还有待于进一步研究，利用相对平静期直接用于岩 体稳定性监测与预报还存在一定的困难． 4 结论 ( 1) 颗粒离散元软件 PFC2D 在细观参数精确 校准的情况下，可以很好地模拟岩石的压缩试验及 声发射过程，同时还能实时直观显示裂缝出现、伸展 及融合过程，具有很好的应用前景． ( 2) 试样压缩过程中持续的高压应力状态将使 微裂缝集聚区经历一个“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． ( 3) 对于花岗岩等脆性岩石而言，扩容时间出 现较晚，声发射峰值出现时间与岩石破坏时间相比 有一定的滞后，意味着如果采用声发射作为脆性岩 石破坏的监测指标，其实际的预警时间比预想的时 间要更短． ( 4) 在岩样压缩过程中，在临近峰值点时声发 射活动活跃，在围压作用下出现明显的声发射活动 相对 平 静 期，而且随围压的增加，相 对 平 静 期 会 延长． 参 考 文 献 ［1］ Zhao X D，Li Y H，Yuan R P，et al． Study on crack dynamic propagation process of rock samples based on acoustic emission lo￾cation． Chin J Rock Mech Eng，2007，26( 5) : 944 ( 赵兴东，李元辉，袁瑞甫，等． 基于声发射定位的岩石裂纹动 态演化过程研究． 岩石力学与工程学报，2007，26( 5) : 944) ［2］ Mogi K． Study of the elastic shocks caused by the fracture of heter￾ogeneous materials and its relations to earthquake phenomena． Bull Earthquake Res Inst，1962，40( 6) : 831 ［3］ Jiang Y，Ge X R，Ren J X． Deformation rules and acoustic emis￾sion characteristics of rocks in process of fatigue failure． Chin J Rock Mech Eng，2004，23( 11) : 1810 ( 蒋宇，葛修润，任建喜． 岩石疲劳破坏过程中的变形规律及 声发射特性． 岩石力学与工程学报，2004，23( 11) : 1810) ［4］ Xu J，Li S C，Tang X J，et al． Rock fatigue damage evolution based on acoustic emission． J Univ Sci Technol Beijing，2009，31 ( 1) : 19 ( 许江，李树春，唐晓军，等． 基于声发射的岩石疲劳损伤演 化． 北京科技大学学报，2009，31( 1) : 19) ［5］ Liang Z Z，Tang C A，Huang M L，et al． Numerical simulation of patterns of acoustic emission in rock failure process． J Northeast Univ Nat Sci，2002，23( 10) : 1008 ( 梁正召，唐春安，黄明利，等． 岩石破裂过程中声发射模式的 数值模拟． 东北大学学报: 自然科学版，2002，23( 10) : 1008) ［6］ Zhang C H． Discrete-contact-fracture analysis of rock and con￾crete． Chin J Rock Mech Eng，2008，27( 2) : 217 ( 张楚汉． 论岩石、混凝土离散--接触--断裂分析． 岩石力学与 工程学报，2008，27( 2) : 217) ［7］ Cho N，Martin C D，Sego D C． A clumped particle model for rock． Int J Rock Mech Min Sci，2007，44( 7) : 997 ［8］ Potyondy D O，Cundall P A． A bonded-particle model for rock． Int J Rock Mech Min Sci，2004，41( 8) : 1329 ［9］ Itasca Consulting Group Inc． PFC2D ( Particle Flow Code in 2Dimensions) : Version 3. 0． Minneapolis: ICG，2002 ［10］ Hazzard J F，Young R P，Maxwell S C． Micromechanical model￾ing of cracking and failure in brittle rocks． J Geophys Res B， 2000，105( B7) : 16683 ［11］ Blair S C，Cook N G W． Analysis of compressive fracture in rock using statistical techniques: Part Ⅰ． A non-linear rule-based model． Int J Rock Mech Min Sci，1998，35( 7) : 837 ［12］ Hao Z B，Qin J X，Wu X Y． Overview of research on the seismic wave quality factor ( Q) ． Prog Geophys，2009，24( 2) : 375 ( 郝召兵，秦静欣，伍向阳． 地震波品质因子 Q 的研究进展综 述． 地球物理学进展，2009，24( 2) : 375) ［13］ Potyondy D O． Simulating stress corrosion with a bonded-particle model for rock． Int J Rock Mech Min Sci，2007，44( 5) : 677 ［14］ Hazzard J F，Young R P． Simulating acoustic emissions in bond￾ed-particle models of rock． Int J Rock Mech Min Sci，2000，37 ( 5) : 867 ［15］ Chen X W，Zhou C D，Xu Z Y． Acoustic emission of transforma￾tion from triaxial stress state to biaxial stress state in rock / / Pro￾ceedings of the Second National Conference of Rock Mechanics and ·1317·