龚 囱，陈 辉

（1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083；2.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐83000）

流变性质和时效特征是岩石材料的固有力学属性，已有的研究结果表明[1－3]，不仅软岩具有明显的流变特征，甚至坚硬的岩石，如大理岩、花岗岩等也具有流变特征。在岩石流变效应中对岩石蠕变的研究最具重要性和工程实用价值。岩石在不同的应力条件下，往往具有不同的变形特征。文献[2]对软弱复杂矿岩进行了分级增量循环加卸载试验，研究了岩样可恢复瞬弹性应变、不可恢复瞬塑应变、黏弹性应变和黏塑性应变的变化特征。文献[4]进行了恒轴压，逐级卸围压试验，讨论了绿砂岩轴向、侧向变形特征。岩石在外界荷载作用下，其强度与力学参数随时间的持续存在弱化现象。文献[5]探讨了过渡蠕变法、等时曲线法确定岩石长期强度的正确性与可操作性，并提出了新的确定岩石长期强度的方法。文献[6]的研究认为弹性模量、内聚力和内摩擦角与应力水平、长期强度、时间呈指数函数关系。为方便、形象的描述岩石蠕变行为，岩石蠕变模型是一重要的研究内容。文献[7]、[8]对现有的蠕变模型进行了系统的归纳与总结，提出了处理参数非线性理论流变模型的3种方法与参数确定方法。

岩石类材料在外界载荷作用下，其内部原生裂纹和缺陷的扩展以及新的微破裂的孕育、萌生、演化、扩展和断裂过程伴随着弹性势能的释放。而正是这种能量的释放，从而使岩石类材料在外部荷载作用下具有声发射现象。通过声发射监测可定性或定量的描述岩石在外界载荷作用下微裂纹的演化行为，并且可对岩石（体）发生灾变进行预测、预报[9－10]。因此，声发射监测技术在岩土工程中得到了较为广泛的应用。目前，在岩石声发射方面的研究主要集中在不同加（卸）载条件下不同类型岩石的声发射特征，并取得了丰硕的成果。文献[11]研究了砂岩在单轴压缩条件下的声发射特征。文献[12]得到了砂岩在周期荷载作用下的声发射特征。文献[13]得到了侧限压缩条件下花岗岩声发射特征。文献[14]分析了粉砂岩在卸荷条件下的声发射特征。然而，在岩石蠕变声发射方面却鲜有报道。正如孙钧院士指出[15]：“声发射的产生与岩石的蠕变损伤有关，但尚缺乏建立二者之间的量化关系，如何更好地利用声发射信号对蠕变破坏行为进行分析研究，采用声发射对岩石蠕变破坏进行监测和预报，是一项当务之急。”

本文对红砂岩进行了分级循环加卸载条件下的蠕变声发射试验，分析了在各级加载中岩样的蠕变特征，进而研究了减速蠕变、匀速蠕变、加速蠕变三个阶段的声发射振幅与能量的变化特征，从而讨论了试件在不同蠕变阶段微裂纹的演化特征。

1 试验条件与方案

1.1 试验系统

试验系统由中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT－150C岩石力学试验系统、北京声华兴业科技有限公司研制的SAEU2S数字声发射系统和北戴河电气自动化研究所研制的BZ2005C静态应变仪组成。其中RMT－150C岩石力学试验系统最大荷载为1000kN，活塞行程50mm，机架刚度5×106N·mm－1。SAEU2S声发射系统为多通道构成的声发射系统，能实时采集声发射信号。BZ2005C静态应变仪灵敏度系数为2.0，量程为19999με，最小采样间隔20s，最大存储量为99个应变数据。

1.2 岩样的制备

本次试验所采用的岩石为红砂岩，岩石经钻取、切割、打磨后，共制得20个标准试件。其中，10个试件用着单轴抗压试验，剩余10个试件用于岩石蠕变声发射试验。岩样密度为2427kg／m3，弹性模量10.048GPa，泊松比为0.288。

1.3 试验方案

本次试验方式采用分级循环加卸载，见图1。根据单轴抗压试验结果，试验共分5级加载，分别为60kN、80kN、100kN、120kN、140kN。其中，第一级荷载与第五级荷载分别约为试样在单轴压缩状态下破坏荷载的40%与90%。试验过程中，同时采集并保存声发射参数与波形文件。前期试验调试结果表明：在前四级加载过程中，减速蠕变阶段持续的时间约为1小时。而后，岩石处于等速蠕变阶段，声发射特征参数总体表现为平稳变化。在第五级加载过程中，减速蠕变阶段持续的时间小于前四级加载，并且在2～3小时内，岩石进入加速蠕变阶段，并最终发生蠕变破坏。因此，拟定当荷载到达各级加载设定值后，稳定压力的时间控制在2～3小时，不仅能完整采集到在各级加载过程中，不同蠕变阶段所对应的声发射参数与波形，也可降低因数据量太大给存储与后期分析带来的不便。之后，对试件进行完全卸载。待试件弹性恢复2小时后，进行下级加载。试验中，加载速率与卸载速率均为0.2kN／s。试验中，为防止应变片在试验过程中失效，在试件轴向中间部位布置3组相互垂直应变片，用于监测蠕变过程中横向应变与轴向应变。由于，受到应变仪最大存储量的限制，试验中局部时间段没有进行应变采集。声发射传感器同样布置在试件轴向中间部位，耦合剂为黄油。声发射采样长度设置为2048Byte，采样频率1000kHz，前放增益为43dB。声发射传感器型号为SR150M，工作频率为60k～400kHz，中心频率为150kHz。

图1 试验系统与加载方式

2 结果分析

2.1 轴向与横向蠕变特征

本次试验共对10个试件进行了蠕变声发射试验，其中完整采集了5个试件蠕变全过程应变数据，其他5个试件在加载过程中破坏。岩石蠕变特征与加载应力水平和载荷持续时间有关。在低应力水平，在一定时间范围内，岩石可能只出现减速蠕变或减速蠕变与等速蠕变阶段。此时岩石应变速率随时间的增大而减小。而后，其数值基本稳定在某一常数，并且该常数可能为零。当加载应力大于某一数值时，在一定时间范围内，岩石可能出现较为完整的蠕变三阶段，此时岩石应变速率随加载时间增大，总体呈现先减小，而后稳定，最后增大的趋势；当加载应力相对较大时，岩石甚至直接进入加速蠕变阶段，并导致岩石破坏。本文定义红砂岩时间－应变曲线直线段所对应的时间区间为等速蠕变阶段（Ⅱ）。该直线段的斜率的即为岩石在等速蠕变阶段的应变速率。减速蠕变阶段（Ⅰ）定义为稳定压力起始时刻至时间－应变曲线直线段起点所对应的时间区间；相应的加速蠕变阶段（Ⅲ）定义为时间－应变曲线直线段终点时刻至稳定压力终止时刻所对应的时间区间。通过对各试件的对比分析，本文选取典型试件（7＃试件）进行相关论述。图2给出7＃试件在各级加载蠕变过程中，轴向应变、横向应变曲线。从图2中可以看出：当试件不出现加速蠕变阶段时，减速蠕变阶段所对应的应变增量明显大于等速蠕变阶段对应的应变增量。在低应力水平，横向应变速率几乎等零，其数值明显小于轴向应变速率。说明此时岩石试件横向蠕变不明显，试件以轴向蠕变为主，见图2（a）、图2（b）。当加载应力为100kN时，横向蠕变逐渐显现，并且在等速蠕变阶段的应变速率基本与轴向应变相当，见图2（c）。随着加载应力的增大，试件轴向与横向应变速率也相应的增大，并且轴向应变速率显著大于轴向应变速率，见图2（d）。当试件出现加速蠕变，并最终导致试件破坏时，横向蠕变数值的增幅大于轴向蠕变数值的增幅，说明在加速蠕变阶段，试件存在较为明显的扩容现象，见图2（e）。另外，从图2可以发现：横向应变进入等速蠕变阶段所对应的时刻要早于轴向蠕变。

图3给出了4＃试件应变－时间曲线，通过与7＃试件对比分析可知：在前四级加载过程中，4＃试件的轴向应变与横向应变的变化规律与7＃试件相似。即表现为在低应力水平，试件横向蠕变不明显，主要以轴向蠕变为主；随着加载应力水平的增大，试件横向蠕变逐渐显现，并且横向应变速率大小由不断趋近轴向应变速率，发展为大于轴向应变速率（图3（c）、图3（d））。图3（e）显示，在加载应力为140kN时，4＃试件整个蠕变过程历时相对较短，试件几乎不存在减速蠕变与等速蠕变阶段，而是当压力稳定后，直接进入加速蠕变阶段并最终导致试件破坏。因此，本文没有对4＃试件在加载应力为140kN时的蠕变各阶段进行划分。

图2 7＃试件应变－时间曲线

2.2 不同蠕变阶段声发射特征

本文对各试件在蠕变全过程进行了全程声发射监测。试验结果表明：试件在减速蠕变、等速蠕变与加速蠕变阶段均具有明显的声发射现象。在声发射分析中，声发射振幅、能量、振铃计数是常用的三个声发射特征参数。由于声发射振铃计数受试验中所设置的门槛的影响。因此本文仅对声发射振幅与能量进行了分析。图4为11＃试件在各级加载过程中声发射振幅变化曲线。从图4中可以看出：在减速蠕变阶段，声发射振幅随加载时间的增长呈现较为明显的减小趋势，并且减速蠕变初期振幅数值较大；在等速蠕变阶段，声发射振幅随时间的增长其数值相对平稳，但仍有减小的趋势；同时，在减速蠕变与等速蠕变过程中，声发射振幅数值偶尔出现较大幅度的跃迁；在加速蠕变阶段，声发射振幅出现突然跃迁的次数明显增大，声发射振幅最大值出现在试件加速蠕变的后期。与图4对应，图5给出了11＃试件在各级加载过程中声发射能量变化曲线。

图3 4＃试件应变－时间曲线

图4 11＃试件声发射振幅－时间曲线

图5 11＃试件声发射能量－时间曲线

由图5中可知：声发射能量曲线的变化趋势与声发射振幅曲线变化趋势相似。即在减速蠕变阶段，声发射能量随加载时间的增长而逐步减小；在等速蠕变阶段，声发射能量随时间的增长其数值相对平稳；在加速蠕变阶段，声发射能量突然大幅度增大的次数增多，声发射能量最大值出现在试件加速蠕变的后期。

2.3 微裂纹演化特征

声发射参数的变化特征是试件微裂纹演化行为的体现。表1和表2列出了试件在不同应力水平下的不同蠕变阶段声发射振幅与能量的统计结果。结果表明，在减速蠕变阶段不论是声发射振幅还是声发射能量的均值与方差都大于等速蠕变阶段。说明在减速蠕变阶段试件的微破裂尺度不仅大；而且这种大尺度的破裂更具复杂性与突发性，微裂纹演化存在不确定性；在等速蠕变阶段，微破裂尺度小，并且微裂纹演化趋于稳定。结合减速蠕变与等速蠕变的应变变化特征，可以认为在不发生加速蠕变的情况下，试件损伤主要产生于减速蠕变阶段。在加速蠕变阶段，相对于能量均值与方差较减速蠕变、等速蠕变阶段有大幅度提升，振幅均值增幅不明显，但振幅方差有相对大幅度的增加。说明在加速蠕变阶段，微破裂在更大的尺度范围内发生，微裂纹演化进入非稳定破裂阶段。需说明的是：4＃试件在第五级加载过程中整个蠕变历时较短，试件蠕变三阶段并不明显，因此没有对其进行统计分析；另外，10＃试件在第四级加载以及12＃试件在第五级蠕变前期没有对其进行声发射监测，所以也没有对它们进行分析。

表1 蠕变过程声发射振幅统计

表2 蠕变过程声发射能量统计

3 结论

1）在不同应力水平下，试件横向蠕变特征具有一定的差异性。在低应力水平，试件横向蠕变不明显，轴向蠕变占主导地位；随着应力水平的提高，横向蠕变速率有较大幅度的增大；当试件发生蠕变破坏时，横向蠕变数值增大的幅度大于轴向蠕变。说明在加速蠕变阶段，试件存在较为明显的扩容现象。

2）在减速蠕变、等速蠕变与加速蠕变阶段，声发射振幅与能量具有不同的特征。在减速蠕变阶段，声发射振幅与能量随加载时间的增大而减小；在等速蠕变阶段，声发射振幅与能量数值基本平稳（略有减小的趋势）；在加速蠕变阶段，声发射振幅与能量出现突然大幅度跃迁的频率增大，振幅与能量的最大值位于加速蠕变阶段的末期。

3）在不同蠕变阶段，微裂纹有不同的演化特征。在减速蠕变阶段，声发射振幅与能量的均值与方差大于等速蠕变，说明在减速蠕变阶段，微破裂的尺度大，微裂纹演化相对复杂；而在等速蠕变阶段，微破裂尺度大小相对一致，微裂纹处于稳定的发展中；在加速蠕变阶段，声发射能量均值与方差和声发射振幅方差，明显大于减速蠕变与等速蠕变阶段，说明此阶段微破裂在更大的尺度范围内发生，微裂纹演化处于非稳定的破裂中。同时也说明，在试件蠕变过程中，试件损伤主要发生在减速蠕变与加速蠕变阶段。

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