增量反復(fù)加卸載作用下花崗巖聲發(fā)射特征研究

于 洋，王澤華，王 俊，丁佳瑋，周 羽

（1.華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013；2.江蘇瑋信工程咨詢(xún)有限公司，南京 210094）

在大型巖石工程的施工與運(yùn)營(yíng)階段，巖石經(jīng)常會(huì)受到反復(fù)加卸載作用.例如，隧道工程中對(duì)圍巖的開(kāi)挖與支護(hù)，長(zhǎng)期處于蓄水和排水過(guò)程中的大壩及水庫(kù)，邊坡坡頂長(zhǎng)期處于堆載卸載狀態(tài)，這樣巖石便會(huì)受到反復(fù)加載-卸載作用.而巖石在反復(fù)加卸載作用下的力學(xué)性質(zhì)、破壞形式和聲發(fā)射特征與常規(guī)單軸加載試驗(yàn)相比會(huì)有所差異［1-2］，這些差異導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)因素是保證巖石工程安全施工和正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中必須考慮的，同時(shí)也是巖石力學(xué)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)對(duì)象.

近年來(lái)，對(duì)巖石在反復(fù)加卸載作用下的力學(xué)性能和破壞形式的研究取得了豐碩成果.循環(huán)加卸載下巖石強(qiáng)度變化有所不同，王天佐等［3］對(duì)紅砂巖進(jìn)行了不同循環(huán)路徑的加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)恒下限的循環(huán)加卸載對(duì)紅砂巖抗壓強(qiáng)度相較于單軸加載有所提高，而高紅波等［4］對(duì)鹽巖進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度低于單軸加載下抗壓強(qiáng)度.苗勝軍等［5］開(kāi)展了粉砂巖在圍壓下不同應(yīng)力水平的分級(jí)循環(huán)加卸載試驗(yàn)，研究了其力學(xué)特性和能量耗散規(guī)律.賈蓬等［6］研究了高溫水冷卻花崗巖在循環(huán)加卸載條件下的破壞形態(tài)，結(jié)果表明巖石破碎程度與溫度呈正比.楊科等［7］研究了含水率對(duì)循環(huán)加卸載下砂巖破壞模式的影響，發(fā)現(xiàn)隨著含水率提高，其破壞模式由張拉劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐?劉向御等［8］指出粉砂巖在等量循環(huán)和增量循環(huán)加卸載下，其破壞模式均表現(xiàn)為以剪切破壞為主，并伴隨次生的張拉破壞.

另外，聲發(fā)射信號(hào)的釋放貫穿于整個(gè)巖石變形破壞過(guò)程［9-10］.聲發(fā)射是一種能夠監(jiān)測(cè)巖石內(nèi)部損傷發(fā)育并對(duì)巖石破壞做出預(yù)警的重要試驗(yàn)手段［11-12］.目前，王偉等［13］研究了三軸循環(huán)加卸載下砂巖聲發(fā)射特征，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射的產(chǎn)生在破壞前與加卸載同步，在破壞后表現(xiàn)出滯后性.張志博等［14］基于時(shí)空維度聚類(lèi)分析法，將循環(huán)加卸載下煤樣變形破壞過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射事件歸類(lèi)為短鍵、中鍵和長(zhǎng)鍵3類(lèi)，以此來(lái)反映其整個(gè)損傷過(guò)程.Liang等［15］對(duì)循環(huán)加卸載下泥質(zhì)灰?guī)r進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，指出聲發(fā)射振幅變化規(guī)律可以用來(lái)提供巖石屈服的前兆信息.梁明純等［16］通過(guò)建立聲發(fā)射事件數(shù)與聲發(fā)射信號(hào)幅值、平均頻率的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系描述了巖石的破裂模式，并對(duì)巖石發(fā)生疲勞破壞提供了前兆信息.從目前的研究來(lái)看，其試驗(yàn)方法主要為等量荷載的循環(huán)加卸載，而對(duì)增量荷載的循環(huán)加卸載下巖石力學(xué)特性、破壞形式和通過(guò)聲發(fā)射特征提供巖石破壞前兆信息的研究成果較少.

對(duì)此，本文以花崗巖為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)更符合工程實(shí)際情況的增量循環(huán)加卸載以及含保載的增量循環(huán)加卸載并結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，研究其力學(xué)特性和破壞模式，通過(guò)聲發(fā)射特征對(duì)巖石破壞做出預(yù)警，以期為工程安全施工和災(zāi)害預(yù)測(cè)提供重要參考價(jià)值.

1 試驗(yàn)

1.1 試樣及設(shè)備

試驗(yàn)采用的花崗巖取自山東某在建大型公路隧道工程，巖樣粒徑可達(dá)0.05～0.25 mm，顆粒較粗.且主要礦物成分長(zhǎng)石含量在65%以上，石英礦物含量在20%左右，黑云母礦物含量在10%左右，質(zhì)地較硬.本次花崗巖試樣的平均密度為2.76 g/cm3，平均縱波波速為4.50 km/s，平均單軸抗壓強(qiáng)度為143.7 MPa.

巖樣的制作及加工統(tǒng)一委托某巖石試樣加工廠(chǎng)家進(jìn)行加工，嚴(yán)格遵守國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦標(biāo)準(zhǔn)：將巖樣制成直徑50 mm，高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，如圖1所示.

圖1 標(biāo)準(zhǔn)花崗巖試樣圖Fig.1 Standard granite sample photo

試驗(yàn)均采用由長(zhǎng)春市展拓試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)ZTRE-210微機(jī)控制巖石三軸測(cè)試系統(tǒng)和美國(guó)物理聲學(xué)公司研制的PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)共同完成.ZTRE-210微機(jī)控制巖石三軸測(cè)試系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)字測(cè)控技術(shù)和微機(jī)控制電液伺服系統(tǒng)，其最大負(fù)荷2 000 kN.PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)由傳感器、前置放大器、信號(hào)電纜和聲發(fā)射檢測(cè)儀等主要部分組成，如圖2所示.

圖2 巖石三軸測(cè)試系統(tǒng)及聲發(fā)射系統(tǒng)Fig.2 Rock triaxial test system and acoustic emission system

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用到6個(gè)傳感器，傳感器按照?qǐng)D3所示分3層布設(shè)并依次編號(hào)①～⑥，每層的兩個(gè)傳感器呈180°布設(shè).中間層位于試樣中間，上、下層傳感器中心分別距上、下端面15 mm.上、中、下三層遞次錯(cuò)開(kāi)60°，確保傳感器在空間上不共面，以增強(qiáng)信號(hào)采集和聲發(fā)射事件空間定位的精度.

圖3 聲發(fā)射傳感器布設(shè)及試樣安裝示意圖Fig.3 Diagram of acoustic emission sensor layout and specimen installation

本文對(duì)花崗巖試樣進(jìn)行單軸常規(guī)加載試驗(yàn)、增量反復(fù)加載-卸載試驗(yàn)和增量反復(fù)加載-保載-卸載試驗(yàn).常規(guī)加載試驗(yàn)以500 N/s的加載速率對(duì)試樣進(jìn)行單軸壓縮，加載至試樣破壞.反復(fù)加載-卸載試驗(yàn)以500 N/s的加載速率進(jìn)行加載，每次加載至目標(biāo)荷載后立刻卸載，卸載至目標(biāo)荷載后繼續(xù)加載，反復(fù)加卸載直至試樣破壞時(shí)停止.而反復(fù)加載-保載-卸載試驗(yàn)的加載方案與反復(fù)加載-卸載稍有不同，即每次加載至目標(biāo)荷載時(shí)不是立即卸載而是進(jìn)行1 min保載之后再行卸載，反復(fù)加卸載直至試樣破壞時(shí)停止.花崗巖試樣第一次加載目標(biāo)為40 kN，然后卸載至1 kN（非0 kN是為了保證試驗(yàn)儀器與試樣接觸），隨后每次加載目標(biāo)值比其前一次的加載目標(biāo)值增加20 kN，每次卸載量均為40 kN.無(wú)保載和有保載的反復(fù)加卸載負(fù)荷-時(shí)間曲線(xiàn)如圖4所示.

圖4 2種加載方式的負(fù)荷-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.4 Load-time curves for both loading methods

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 3種加載方式下的破壞形式

圖5為3塊花崗巖試樣在3種加載模式下的破壞情況，其中圖5（a）為試樣在常規(guī)加載試驗(yàn)下的破壞情況，圖5（b）和圖5（c）分別為試樣在無(wú)保載和有保載的增量反復(fù)加卸載試驗(yàn)下的破壞情況.

通過(guò)圖5（a）花崗巖試樣H1在常規(guī)加載試驗(yàn)下的破壞情況可知，花崗巖主要呈現(xiàn)縱向劈裂破壞，端部壓剪破壞為輔的破壞特征.由于試驗(yàn)機(jī)與試樣間存在端部摩擦效應(yīng)，花崗巖端部出現(xiàn)剪切裂紋，試樣在縱向受壓時(shí)由于泊松效應(yīng)產(chǎn)生垂直于載荷方向的拉應(yīng)力，而花崗巖的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，故而內(nèi)部產(chǎn)生縱向裂縫，在脆性破壞前變形量較小而無(wú)法釋放能量，當(dāng)裂縫超過(guò)臨界尺寸就會(huì)迅速擴(kuò)展導(dǎo)致劈裂破壞.

圖5（b）與圖5（a）的破壞模式相近，花崗巖試樣H4碎塊多呈條狀，斷面不規(guī)則，這是在反復(fù)加卸載中產(chǎn)生的一些縱向裂紋相互切割而成的.在反復(fù)加卸載過(guò)程中，試樣內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生多個(gè)張拉破壞面，由于內(nèi)部微裂紋分布的復(fù)雜性，再次加載時(shí)又會(huì)構(gòu)成新的剪切滑移面，隨著剪切滑移面的擴(kuò)大又產(chǎn)生新的張拉破壞，因此，試樣在理想狀態(tài)下沿縱向會(huì)被分割成多個(gè)條狀巖塊.實(shí)際上，被劈裂的試樣變得細(xì)長(zhǎng)容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，再加上花崗巖質(zhì)地堅(jiān)硬，在產(chǎn)生擴(kuò)容后，裂紋難以壓密貼合，由于空隙較大而難以形成均勻受力面，再次加載時(shí)，長(zhǎng)而薄的條形體會(huì)被直接壓斷，承載力大幅降低.以上原因?qū)е禄◢弾r在反復(fù)加載后破碎為多個(gè)條狀碎塊，破壞強(qiáng)度也大幅下降.

圖5 3種加載方式下花崗巖破壞圖Fig.5 Granite damage diagram under three loading methods

圖5（c）為有保載作用下的花崗巖試樣H7破壞圖，與無(wú)保載作用下試樣破壞模式相比沒(méi)有明顯區(qū)別，但破碎程度提高.原因在于，花崗巖在破壞前的變形量很小，巖石內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性能較大，在保載過(guò)程中，試樣內(nèi)部的彈性能仍可以使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最終花崗巖試樣的破壞形態(tài)為更多的條狀碎塊.

2.2 增量反復(fù)加卸載作用下的強(qiáng)度變化

圖6為花崗巖試樣在3種加載模式下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)（選取試樣H1、H4和H7的結(jié)果作為代表），由圖6可知，在加載起始階段3條曲線(xiàn)幾乎重疊，在進(jìn)入線(xiàn)彈性階段后，3條曲線(xiàn)逐漸分離.常規(guī)單軸的曲線(xiàn)幾乎保持線(xiàn)性增長(zhǎng)，無(wú)保載的反復(fù)加卸載曲線(xiàn)上升趨勢(shì)漸漸變緩并且其形狀與常規(guī)單軸曲線(xiàn)相似，有保載的反復(fù)加卸載曲線(xiàn)又在無(wú)保載的反復(fù)加卸載曲線(xiàn)之下.上述現(xiàn)象表明，花崗巖的屈服應(yīng)力在反復(fù)加卸載作用下減小，并且提前進(jìn)入塑性階段.這是由于在等增量的反復(fù)加卸載作用下，花崗巖試樣內(nèi)部裂紋的發(fā)展受到約束，裂紋并沒(méi)有迅速貫通導(dǎo)致破壞，但內(nèi)部的裂紋使試樣的強(qiáng)度降低.從能量角度來(lái)分析，對(duì)于常規(guī)加載直接將試樣加載至破壞，試樣內(nèi)部的彈性能絕大部分是在破壞時(shí)釋放，而對(duì)于反復(fù)加卸載作用下，加載使試樣儲(chǔ)存彈性能，而裂紋的擴(kuò)展會(huì)消耗部分彈性能，在卸載時(shí)還會(huì)釋放部分彈性能，所以，在反復(fù)加卸載作用下，試樣內(nèi)部能量耗散比較分散，試樣強(qiáng)度逐漸降低.

圖6 3種加載方式下花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)比圖Fig.6 Comparison of stress-strain of granite under three loading methods

無(wú)保載反復(fù)加卸載作用下，花崗巖試樣均在目標(biāo)值為260 kN的加載過(guò)程中破壞，平均破壞強(qiáng)度為126.6 MPa，相較于常規(guī)加載試驗(yàn)，花崗巖的破壞強(qiáng)度降低了12%.有保載反復(fù)加卸載作用下，試樣分別在240 kN、220 kN和220 kN保載階段發(fā)生破壞，平均破壞強(qiáng)度為117.2 MPa，花崗巖的破壞強(qiáng)降低了18%.

這可能是因?yàn)榛◢弾r的脆性較明顯，當(dāng)受到較大荷載時(shí)，試樣內(nèi)部會(huì)儲(chǔ)存大量變形能使得裂紋迅速擴(kuò)展，試樣就會(huì)在反復(fù)加卸載過(guò)程中逐漸劣化，承載力降低.試樣在保載過(guò)程中，雖然外荷載保持不變，但試樣內(nèi)部的變形能仍會(huì)使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，使其在層面間產(chǎn)生滑移，因此有保載的反復(fù)加卸載會(huì)加速試樣破壞并降低其強(qiáng)度.3種加載方式下的花崗巖峰值應(yīng)變幾乎沒(méi)有變化，這印證了疲勞破壞時(shí)應(yīng)變量與靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的應(yīng)變量相當(dāng)?shù)挠^點(diǎn).

2.3 增量反復(fù)加卸載作用下的變形特征

圖7為花崗巖試樣在反復(fù)加卸載過(guò)程中峰值應(yīng)變與加載次數(shù)的關(guān)系，其中ε1為軸向應(yīng)變，ε2為環(huán)向應(yīng)變，εv為體積應(yīng)變.由圖7（a）可知，試樣在破壞前，其軸向峰值應(yīng)變近似隨加載次數(shù)增大呈線(xiàn)性增大，有保載的軸向峰值應(yīng)變總是比無(wú)保載的略高一點(diǎn)，這是因?yàn)?，在有保載的試驗(yàn)過(guò)程中，每次加載至目標(biāo)值后進(jìn)行1 min保載使得巖石內(nèi)部空隙進(jìn)一步擠壓，內(nèi)部裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，從而產(chǎn)生更大變形量；再看環(huán)向應(yīng)變，在前幾次的加卸載過(guò)程中的環(huán)向峰值應(yīng)變隨加載次數(shù)增大緩慢增大并且小于軸向應(yīng)變，在最后一次加卸載過(guò)程中的環(huán)向峰值應(yīng)變急劇增大并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)軸向應(yīng)變，這表明花崗巖在臨近破壞前，其環(huán)向變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向變形.圖7（b）反映出花崗巖的體積變形量集中于峰值應(yīng)力的78%～88%，相比較常規(guī)加載試驗(yàn)的擴(kuò)容起始應(yīng)力，反復(fù)加卸載作用對(duì)花崗巖試樣的擴(kuò)容應(yīng)力無(wú)明顯影響.試樣前期變形量微小，因而有明顯突變性.

圖7花崗巖反復(fù)加卸載過(guò)程中峰值應(yīng)變Fig.7 Peak strain during repeated loading and unloading of granite

圖8為花崗巖試樣在有保載的反復(fù)加卸載過(guò)程中軸向荷載、軸向應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，由圖8可知，在前幾次加卸載過(guò)程中荷載較小，當(dāng)停止加載進(jìn)入保載階段，試樣短暫繼續(xù)變形后保持不變.而在臨近破壞前的幾次加卸載過(guò)程中荷載較大，在保載階段內(nèi)試樣的變形在持續(xù)發(fā)展，荷載越大，保載階段內(nèi)曲線(xiàn)斜率越大.這是由于荷載隨著加載次數(shù)的增大而增大，在臨近破壞前的幾次加載應(yīng)力更接近破壞強(qiáng)度，裂紋發(fā)展更活躍，故而在保載階段內(nèi)變形量就更大.

圖8 反復(fù)加載-保載-卸載過(guò)程中應(yīng)力-時(shí)間-應(yīng)變曲線(xiàn)圖Fig.8 Stress-time-strain curves during repeated loadingholding-unloading

綜上所述，在加載至目標(biāo)值的保載階段內(nèi)，花崗巖試樣的軸向變形仍會(huì)保持一個(gè)短暫時(shí)間的增長(zhǎng)；隨著荷載的增大，保載階段內(nèi)試樣的軸向變形也在持續(xù)增大，并且試樣的變形需要發(fā)展更長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)趨于穩(wěn)定.

3 聲發(fā)射特征分析

3.1 聲發(fā)射事件定位結(jié)果

圖9為花崗巖試樣無(wú)保載反復(fù)加卸載聲發(fā)射事件定位圖，其中σci為起裂應(yīng)力，σcd為損傷應(yīng)力，σc為峰值應(yīng)力.圖9（a）表明試樣在經(jīng)過(guò)前4次的加卸載后產(chǎn)生零散分布的聲發(fā)射定位事件，這個(gè)階段的應(yīng)力未達(dá)到起裂應(yīng)力，絕大部分的聲發(fā)射定位事件由試樣內(nèi)部的微裂紋被壓縮而引起；圖9（b）為試樣在前7次加卸載后產(chǎn)生的聲發(fā)射事件定位圖，在第5～7次加卸載過(guò)程中，這個(gè)階段的應(yīng)力介于起裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力之間，出現(xiàn)了新的裂紋，聲發(fā)射定位事件主要集中在某個(gè)區(qū)域內(nèi)；圖9（c）表明，在第8～11次加卸載過(guò)程中，這個(gè)階段的應(yīng)力介于損傷應(yīng)力和破壞強(qiáng)度之間，聲發(fā)射定位事件范圍擴(kuò)大，裂紋由之前的破壞位置進(jìn)一步擴(kuò)展；圖9（d）為最終破壞時(shí)的聲發(fā)射事件定位圖，這時(shí)試樣內(nèi)部裂紋已貫通，定位事件在原破壞范圍更加密集.

圖9花崗巖反復(fù)加載-卸載聲發(fā)射事件定位結(jié)果Fig.9 Location of acoustic emission for granite under repeated loading and unloading

圖10為花崗巖試樣有保載反復(fù)加卸載聲發(fā)射事件定位圖，圖10（a）表明，在前4次的加卸載過(guò)程中產(chǎn)生很少的聲發(fā)射定位事件，這個(gè)階段的應(yīng)力同樣未達(dá)到起裂應(yīng)力，絕大部分的聲發(fā)射定位事件由試樣內(nèi)部的微裂紋被壓縮而引起，并且保載階段沒(méi)有產(chǎn)生新的定位事件；圖10（b）為試樣在前7次加卸載后產(chǎn)生的聲發(fā)射事件定位圖，在第5～7次加卸載過(guò)程中，這個(gè)階段的應(yīng)力介于起裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力之間，出現(xiàn)了新的裂紋，但保載階段幾乎沒(méi)有新的定位事件產(chǎn)生，聲發(fā)射定位事件主要集中在某個(gè)區(qū)域內(nèi)；圖10（c）表明，在第8～10次加卸載過(guò)程中，這個(gè)階段的應(yīng)力介于損傷應(yīng)力和破壞強(qiáng)度之間，聲發(fā)射定位事件范圍擴(kuò)大，裂紋由之前的破壞位置進(jìn)一步擴(kuò)展，保載階段的定位事件在增加；圖10（d）為最終破壞時(shí)的聲發(fā)射事件定位圖，在第10次加載后的保載階段內(nèi)，裂紋發(fā)生貫通，定位事件更加密集.

圖10 花崗巖反復(fù)加載-保載-卸載聲發(fā)射事件定位結(jié)果Fig.10 Location of acoustic emission event for granite under repeated loading-holding-unloading

通過(guò)分析得出，試樣的聲發(fā)射事件由裂紋擴(kuò)展和破裂面之間摩擦錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生，針對(duì)保載階段，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)起裂應(yīng)力之后，隨著應(yīng)力水平上升，花崗巖在保載過(guò)程中新生的聲發(fā)射定位點(diǎn)越來(lái)越多，且主要集中分布于已有的聲發(fā)射定位點(diǎn)聚集區(qū)，不會(huì)在新的地方生成.

3.2 聲發(fā)射事件數(shù)

圖11為花崗巖試樣在有保載和無(wú)保載的增量反復(fù)加卸載過(guò)程中的聲發(fā)射事件率曲線(xiàn)，由圖11（a）可知，花崗巖試樣在前4次加載中聲發(fā)射事件很少，從第5次開(kāi)始每次的聲發(fā)射事件數(shù)增多，峰值亦增大.在反復(fù)加卸載全程，事件率曲線(xiàn)每次出現(xiàn)峰值的時(shí)間都在其相對(duì)應(yīng)的每次應(yīng)力峰值之前，在前幾次加載時(shí)提前約10～15 s，在后幾次加載時(shí)聲發(fā)射峰值進(jìn)一步提前，在最后一次加載至破壞前，峰值提前了約50 s.圖11（b）是在圖11（a）的基礎(chǔ)上增加了1 min保載時(shí)間，同樣是前3次加載聲發(fā)射事件很少，從第4次開(kāi)始之后聲發(fā)射事件逐次增多，峰值增大，峰值提前，在達(dá)到峰值后的保載時(shí)間內(nèi)仍有聲發(fā)射事件發(fā)生，尤其在后幾次加載時(shí)這個(gè)現(xiàn)象更加明顯.

圖11 增量反復(fù)加卸載聲發(fā)射事件率曲線(xiàn)Fig.11 Rate curves of acoustic emission under incremental repeated loading and unloading

從整體上看，試樣在前期的微裂紋壓密階段和彈性變形階段的聲發(fā)射事件數(shù)很少，隨著加載次數(shù)的增大，試樣進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，聲發(fā)射事件數(shù)也隨之增大，事件率曲線(xiàn)出現(xiàn)起伏性變化規(guī)律.試樣在卸載和保載階段也有聲發(fā)射活動(dòng)，尤其到了后期塑性變形階段，這種現(xiàn)象更明顯.造成這一現(xiàn)象的主要原因是，花崗巖的彈性模量較高，在加載后期時(shí)內(nèi)部?jī)?chǔ)存了大量的變形能，當(dāng)卸載時(shí)變形稍許恢復(fù)，快速釋放的能量不可避免地導(dǎo)致一部分裂隙狀態(tài)發(fā)生變化，因此發(fā)出聲發(fā)射信號(hào)；當(dāng)保載時(shí)，由于應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到屈服條件，盡管應(yīng)力維持不變，花崗巖內(nèi)部?jī)?chǔ)存的變形能仍足以使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展.

3.3 Felicity比變化規(guī)律

巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)指的是當(dāng)巖石所受應(yīng)力超過(guò)其承受的歷史最大應(yīng)力后才產(chǎn)生明顯聲發(fā)射信號(hào)的現(xiàn)象［17］，Kaiser效應(yīng)點(diǎn)就是前期最近一次受到的最大應(yīng)力.本文采用累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線(xiàn)來(lái)判定Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，若累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線(xiàn)有明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，則將轉(zhuǎn)折點(diǎn)判定為Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，若曲線(xiàn)呈前緩后陡并且中間有過(guò)渡段，則對(duì)前、后半段曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合處理來(lái)判定Kaiser效應(yīng)點(diǎn).

Kaiser效應(yīng)并不是絕對(duì)成立的，當(dāng)巖石前期應(yīng)力過(guò)大，容易導(dǎo)致Kaiser效應(yīng)失效，出現(xiàn)Felicity效應(yīng).重復(fù)加載時(shí)的聲發(fā)射起始載荷（PAE）對(duì)原先所加最大載荷（Pmax）之比（PAE/Pmax），稱(chēng)為Felicity比，一般記為FR.FR作為一種定量參數(shù)，能較好地反映材料中原先所受損傷或結(jié)構(gòu)缺陷的嚴(yán)重程度，與損傷程度成反比，可作為評(píng)價(jià)巖石損傷程度的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)Kaiser效應(yīng)點(diǎn)的判定方法得到累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)明顯增長(zhǎng)的應(yīng)力，再計(jì)算出Felicity比.圖12為試樣Felicity比與加載次數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn).

圖12 FR與加載次數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.12 Relationship curves between FR and loading time

由圖12可知，第2次加載時(shí)的FR小于1，無(wú)保載和有保載的試驗(yàn)結(jié)果都是如此.第3次至第9次加載的FR均大于1，其中有保載的較無(wú)保載的值整體看稍大一些.第10次至第12次加載的FR又小于1（其中有保載的于第11次加載破壞故無(wú)第12次加載數(shù)據(jù)）.一般認(rèn)為Kaiser效應(yīng)成立的范圍為FR≥1.0，F(xiàn)R＜1.0時(shí)Felicity效應(yīng)成立.根據(jù)每次加載所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平可以粗略反映，對(duì)花崗巖而言，Kaiser效應(yīng)適用的應(yīng)力水平為峰值應(yīng)力的28%～64%.分析其原因，在低應(yīng)力水平，加載伴隨著原始微裂紋、孔隙壓密，這一變化過(guò)程可理解為內(nèi)部微裂紋結(jié)構(gòu)取得平衡、結(jié)構(gòu)強(qiáng)化、損傷減小的過(guò)程，因而FR有所上升.當(dāng)應(yīng)力水平介于峰值應(yīng)力的28%～64%時(shí)，F(xiàn)R大于1，Kaiser效應(yīng)成立，這個(gè)階段花崗巖絕大部分處于彈性階段，裂紋幾乎不發(fā)展或者生長(zhǎng)速度非常緩慢，損傷亦沒(méi)有增加，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)維持平衡，故而對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的記憶功能較好，有保載的FR較無(wú)保載的更大，說(shuō)明在該階段增加保載時(shí)間給內(nèi)部裂紋結(jié)構(gòu)取得平衡穩(wěn)定提供了更充足的時(shí)間，所以花崗巖更加強(qiáng)化了.在第9次重復(fù)加載時(shí)，F(xiàn)R首次出現(xiàn)明顯下降，即下降幅度明顯增大.這表明花崗巖的損傷程度突然提高，說(shuō)明在第8次加載過(guò)程中，裂紋已經(jīng)進(jìn)入了不穩(wěn)定發(fā)展階段，由此可判斷第8次加載的峰值應(yīng)力的64%已超過(guò)裂縫損傷應(yīng)力，因而可進(jìn)一步判斷花崗巖的裂縫損傷應(yīng)力介于峰值應(yīng)力的57%～64%.隨著荷載增加，應(yīng)力水平更高，花崗巖進(jìn)入塑性階段，此時(shí)由于裂紋快速發(fā)展，內(nèi)部裂紋結(jié)構(gòu)難以達(dá)到平衡狀態(tài)，所以不能再有效記憶應(yīng)力狀態(tài)，Kaiser效應(yīng)因此失效.并且，隨著加載次數(shù)增加，荷載增加，F(xiàn)R逐漸減小，反映出其內(nèi)部損傷程度越來(lái)越嚴(yán)重.在高應(yīng)力水平，有保載的FR較無(wú)保載的要小，說(shuō)明在高應(yīng)力水平，增加保載時(shí)間會(huì)使花崗巖的劣化更嚴(yán)重.縱觀整個(gè)循環(huán)過(guò)程，F(xiàn)R呈現(xiàn)出由短期上升到維持穩(wěn)定最后近似線(xiàn)性下降的三階段特征，即在前期加載時(shí)發(fā)生稍許強(qiáng)化，接著在彈性階段損傷幾乎不增長(zhǎng)，當(dāng)超過(guò)彈性階段后，聲發(fā)射進(jìn)入活躍期，裂紋大量發(fā)展，損傷迅速累積.

4 結(jié)論

1）在增量反復(fù)加卸載作用下花崗巖的破壞形式與其常規(guī)單軸加載的破壞形式相似，仍以劈裂破壞形式為主，增加保載作用后，破壞形式?jīng)]有明顯變化，破碎程度增大；與常規(guī)單軸加載相比，花崗巖強(qiáng)度降低了12%，增加保載作用后，強(qiáng)度降低了18%.

2）有保載的反復(fù)加卸載作用下花崗巖的軸向應(yīng)變略大于無(wú)保載，在前幾次保載階段，花崗巖短暫繼續(xù)變形后保持不變，而在臨近破壞前的幾次保載階段內(nèi)試樣的變形在持續(xù)發(fā)展，荷載越大，變形量越大；臨近破壞時(shí)，環(huán)向應(yīng)變遠(yuǎn)大于軸向應(yīng)變.

3）有保載的反復(fù)加卸載作用下花崗巖聲發(fā)射事件數(shù)大于無(wú)保載；當(dāng)應(yīng)力水平介于峰值應(yīng)力28%～64%時(shí)，Kaiser效應(yīng)成立，可判斷出花崗巖的裂縫損傷應(yīng)力介于峰值應(yīng)力57%～64%之間；根據(jù)FR突然降低時(shí)的加載應(yīng)力，可以判斷巖石的裂縫損傷應(yīng)力所處的范圍，為巖石破壞預(yù)警提供參考.