实验五  岩石单轴压缩实验

一.实验目的

岩石单轴压缩是指岩石在单轴压缩条件下的强度、变形和破坏特征。通过该实验掌握岩石单轴压缩实验方法，学会岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的计算方法；了解岩石单轴压缩过程的变形特征和破坏类型。

二.实验设备、仪器和材料

1.钻石机、锯石机、磨石机；

2.游标卡尺，精度0.02mm；

3.直角尺、水平检测台、百分表及百分表架；

4.YE-600型液压材料试验机；

5.JN-16型静态电阻应变仪；

6.电阻应变片（BX-120型）；

7.胶结剂，清洁剂，脱脂棉，测试导线等。

三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态

1. 试样规格：采用直径为50 mm，高为100 mm的标准圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用50 mm×50 mm×100 mm的立方体，由于岩石松软不能制取标准试样时，可采用非标准试样，需在实验结果加以说明。

2. 加工精度：

   a 平行度：试样两端面的平行度偏差不得大于0.1mm。检测方法如图5-1所示，将试样放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表触头紧贴试样表面，然后水平移动试样百分表指针的摆动幅度小于10格。

   b 直径偏差：试样两端的直径偏差不得大于0.2 mm，用游标卡尺检查。

   c 轴向偏差：试样的两端面应垂直于试样轴线。检测方法如图5-2所示，将试样放在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，转动试样两者之间无明显缝隙。

3.试样数量： 每种状态下试样的数量一般不少于3个。

4.含水状态：采用自然状态，即试样制成后放在底部有水的干燥器内1～2 d，以保持一定的湿度，但试样不得接触水面。  

  

四.电阻应变片的粘贴

1.阻值检查：要求电阻丝平直，间距均匀，无黄斑，电阻值一般选用120欧姆，测量片和补偿片的电阻差值不超过0.5Ω。

2.位置确定：纵向、横向电阻应变片粘贴在试样中部，纵向、横向应变片排列采用“┫”形，尽可能避开裂隙，节理等弱面。

3.粘贴工艺：试样表面清洗处理→涂胶→贴电阻应变片→固化处理→焊接导线→防潮处理。

五.实验步骤

1.        测定前核对岩石名称和试样编号，并对岩石试样的颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态等进行描述。

2.        检查试样加工精度。并测量试样尺寸，一般在试样中部两个互相垂直方向测量直径计算平均值。

3.        电阻应变仪接通电源并预热数分钟后, 连接测试导线，接线方式采用公共补偿半桥连接方式。

4.        将试样放置在试验机的承压板中心，然后对纵向、横向应变片分别进行反复预调平衡。

5.        施加初载荷，检查试验机和应变片工作情况，正常后以1.0～2.0 kN/s的加载速度均匀加载，按估计破坏载荷的十分之一间隔读数，纪录相应载荷下的纵向、横向应变，均匀加载直至试样完全破坏。每个测试过程读数不得少于7个点，同一试样的纵向、横应变尽可能同时读出。

6.        记录破坏载荷值及加载过程中出现的现象，并对试样破坏形态进行描述。

六.实验结果整理

   1. 岩石单轴抗压强度：

 

式中： R_C—试样单轴抗压强度，MPa；

   P—试样破坏载荷，N；

   S—试样初始截面积，mm²。

岩石单轴抗压强度测定结果填入表5-1。

                表5-1     岩石单轴抗压强度测定结果

2. 绘制岩石单轴压缩应力-应变曲线

实验结束后检查每一组的实验结果，废弃可疑数据，分别计算试样所受应力σ和与之对应的纵向应变ε₁、横向应变ε₂以及体积应变值ε_v，体积应变值按下式计算：

  

将单轴压缩实验记录与计算结果填入表5-2。然后以纵向应力为纵坐标，以应变为横坐标描出并光滑连接测点。岩石试样单轴压缩实验的应力-应变曲线，如图5-4。

表5-2    岩石单轴压缩变形测定纪录

3.弹性模量:

根据岩石单轴压缩实验的应力-应变曲线计算变形参数。由于岩石压缩过程中各个阶段的变形情况有所不同，弹性模量又分为切线模量E_τ（又称弹性模量或杨氏模量）和割线模量E₅₀（又称变形模量），分别按下式计算：

             

                      

式中： △σ—纵向应力-应变曲线中直线段的纵向应力增量，MPa；

△ε—纵向应力-应变曲线中直线段的纵向应变增量；

σ_５０—单向抗压强度的50%的应力值，MPa；

    ε_５０—试样与σ_５０对应的纵向应变值。      

4.泊松比:

岩石在单轴压缩过程中纵向变形的同时横向也发生相应变形，在轴向应力-纵向应变与轴向应力-横向应变曲线上，对应直线段纵向应变和横向应变的平均值计算泊松比μ：

 

式中：μ—岩石的泊松比；

ε_１p—纵向应力-纵向应变曲线中对应直线段部分的应变的平均值；

  ε_２p—纵向应力-横向应变曲线中对应直线段部分的应变的平均值。

弹性模量E_τ、变形模量E₅₀及泊松比μ测定结果填入表5-3：

表5-3  弹性模量E_τ、变形模量E₅₀及泊松比μ测定结果

七.实验报告要求

     实验结束后认真独立填写实验报告，实验报告应包括以下内容：

1.        实验目的；

2.        主要实验仪器；

3.        实验步骤；

4.        原始数据及实验数据整理；

5.        对本实验的建议。

八.思考题

1. 试验机上为何要配备球形调节座？

2. 影响单轴压缩实验结果的实验因素有那些？

3. 单轴压缩破坏的类型有那几种？

实验六  岩石常规三轴压缩实验

一.实验目的

岩石常规三轴压缩实验是指岩石试样在轴对称应力组合方式（σ₁>σ₂=σ3）的三轴压缩实验。通过该实验使学生掌握岩石常规三轴实验方法，并能根据岩石在不同围压下实验结果计算出内摩擦角与粘结力，绘制出岩石的强度曲线，进一步理解岩石的强度准则。

二.实验设备、仪器和材料

1.      钻石机、锯石机、磨石机；

2.      游标卡尺，精度0.02mm；

3.      干燥器；

4.      直角尺、水平检测台、百分表及百分表架；

5.      YE-2000型液压材料试验机；

6.      三轴室，三轴液压源；

7.      热缩管、胶带、密封圈等。

三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态

1. 试样规格：采用直径为50 mm，高为100 mm的标准圆柱体。

2. 加工精度：

   a 平行度：试样两端面的平行度偏差不得大于0.1mm。检测方法如图5-1所示，将试样放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表触头紧贴试样表面，然后水平移动试样百分表指针的摆动幅度小于10格。

   b 直径偏差：试样两端的直径偏差不得大于0.2 mm，用游标卡尺检查。

   c 轴向偏差：试样的两端面应垂直于试样轴线。检测方法如图5-2所示，将试样放在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，转动试样两者之间无明显缝隙。

3.试样数量：每种岩石同一状态下，试样数量一般不少于5个，每个试样在一定围压下的进行实验。

4.含水状态：采用自然状态，试样制成后放在底部有水的干燥器内1～2 d，以保持一定的湿度，但试样不得接触水面。     

四.实验步骤

1. 测定前核对岩石名称和试样编号，并对试样的颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态等进行描述。

2. 检查试样加工精度。并测量试样尺寸，一般在试样中部两个互相垂直方向测量直径计算平均值。

3. 围压一般取5MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa和25 MPa。

4. 试验机量程，一般应满足0.2P₀<P_max<0.8P₀，式中：P₀为试验机最大量程，kN；P_max为预计试样最大破坏载荷，kN。

5. 试样的安装，首先把钢垫块端部擦净，将试样置于上、下垫块之间，使三者中心为一条直线，再将试样与垫块套上热缩管，热缩管长度稍大于试样高度，用吹风机缓慢加热热缩管，并再用密封胶带固定试样两端，见图6-1。

6. 打开三轴室上压盖，再将制备好的试样下垫块置下放入三轴室底座中心，上好压力室顶盖活塞，将装有试样的三轴室放入试验机的下承压板上，并使三轴压力室的中心与试验机的中心一致。

7. 注油排气，打开压力室的放气阀，启动围压油泵向压力室注油排气，当压力室有油排除时关闭排气阀。

8. 接通电源，开动开压力机，打开送油阀，使压力机的下承压板的拖轮离开轨道10 cm左右，关闭送油阀，然后调整试验机上承压板位置与压力室的上压头接触，缓缓打开送油阀施加50 kN的纵向载荷固定试样。

9. 施加围压，缓缓施加围压到指定值，稳定数2分钟后，使围压保持恒定时，要求变动范围不应超过选定的2%。

10.    再以1.0 kN/s～2.0 kN/s的加载速度均匀加载，直至试样破坏，立即关闭液压泵卸载阀，再打开试验机的回油阀卸轴压。

11.    纪录破坏载荷及围压值。打开三轴室的放气阀，卸掉上压盖取出试样，破坏类型描述。

五.实验结果整理

1.计算一定侧压力作用下岩石的抗压强度σ₁：

          

式中： σ_1max—岩石三轴抗压强度，MPa；

   P—纵向破坏载荷，N；

   F—试样初始截面积，m²。

 2.计算内摩擦角和粘结力。

在直角坐标系绘制σ₃-σ₁的关系曲线图6-2， 对实验值采用最小二乘法进行线性回归，计算出其斜率m和纵轴上的截距b，即线性方程，其中m和b可用下式计算：

   

   

 式中： σ₁—岩石三轴抗压强度，MPa；

   σ₃—围压，MPa；

   n—试样数量。

根据库伦-摩尔准则，岩石的内摩擦角和粘结力c可利用参数m和b按下式计算：

    

    

3.绘制摩尔圆及其包络线：

在纵横相同比例的直角坐标系内，选取3～5个σ₃值，用回归后的直线方程计算出相应的σ₁值。再分别以（σ₃+σ₁）/2，0为圆心，以（σ₁-σ₃）/2为半径绘制出一组摩尔圆，摩尔圆的外包络线，即为该组岩石的强度曲线，包络线在Y轴上的截距为粘结力，与X轴的夹角为内摩擦角。岩石三轴压缩实验结果填入表6-1。

   表6-1    三轴压缩实验结果

六.实验报告要求

     实验结束后认真独立填写实验报告，实验报告应包括以下内容：

1.        实验目的；

2.        主要实验仪器；

3.        实验步骤；

4.        原始数据及实验数据整理；

5.        对本实验的建议。

七.思考题

1.                                                                三轴实验过程中主要主意事项有哪几项？

2.                                                                通过三轴实验说明岩石承载能力与哪些因素有关？

3.                                                                你对本次实验的建议和意见。

4.                                                                  实验七  岩石抗拉强度测定

一.实验目的

岩石抗拉强度是指岩石承拉伸条件下能够承受的最大应力值。通过该实验使学生掌握采用巴西劈裂法测定岩石抗拉强度的方法，并与岩石抗压强度进行比较，从而了解脆性岩石材料的强度特点。

二.实验设备、仪器和材料

 1.钻石机、锯石机、磨石机；

2.游标卡尺，精度0.02mm；

3.劈裂夹具；

5.钢丝垫条，用直径为2.0 mm～3.0 mm钢丝；

4. YE-300型液压材料试验机。

三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态

1.试样规格：采用直径为50 mm，高为25 mm～50 mm的标准圆柱体。

2.试样数量：每种岩石同一状态下，试样数量一般不少于5块。

3.含水状态：采用自然状态，试样制成后放在底部有水的干燥器内1～2 d，以保持一定的湿度，但试样不得接触水面。

四.实验原理

巴西劈裂法测定岩石抗拉强度是国际岩石力学学会标准推荐的方法，对称圆盘试样受集中载荷P的作用下，依据弹性理论得知，圆盘加载直径上任一点(0，y)的应力状态为：

       （1）

（2）

式中：P为载荷，D、L分别为试样直径和厚度，试样中心处（y=0）的应力状态为：

（3）

（4）

由式（3）、式（4）得出，圆盘试样中心处压应力是拉应力的3倍，但由于岩石抗拉强度远低于抗压强度，一旦拉应力达到试样的抗拉强度时中心发生破坏，通常认为拉应力对破裂起主导作用。

五.实验步骤

1.     测定前核对岩石名称和试样编号，并对试样的颜色、颗粒、层理、裂隙、风化程度、含水状态等进行描述。

2.     用游标卡尺测量试样尺寸，保留两位小数 。

3.     将试样放置劈裂夹具内，再用V型卡具及两侧夹持螺钉固定好试样，见图7-1。

4.     把劈裂夹具放入试验机的上、下承压板之间，使试样中心线和试验机的中心线在一条直线上。

5.     开动试验机，松开劈裂夹具两侧夹持螺钉，然后以0.07kN/s～0.12 kN/s的加载速度均匀加载，直至破坏。

6.     记录破坏载荷，破坏类型描述。

六.实验结果整理

 岩石抗拉强度：

 

式中： R_C—试样抗拉强度，MPa；

   P—试样破坏载荷，N；

   D—试样直径（立方体试样D为高度），mm；

L—试样厚度，mm。

岩石抗拉强度测定结果填入表7-1。

表7-1  岩石抗拉强度测定结果

七.实验报告要求

     实验结束后认真独立填写实验报告，实验报告应包括以下内容：

1.        实验目的；

2.        主要实验仪器；

3.        实验原理；

4.        实验步骤；

5.        原始数据及实验数据整理；

八.思考题

1.        岩石抗拉强度为什么要重复进行5次？

2.        加载速度如何影响岩石抗拉强度？

第二篇：直接拉伸_劈裂及单轴压缩试验下岩石的声发射特性

第26卷 第1期 岩石力学与工程学报 Vol.26 No.1 20xx年1月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2007

直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验下

岩石的声发射特性

余贤斌1，谢 强2，李心一1，王青蓉3，宋战平4

(1. 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2. 重庆大学 土木工程学院，重庆 400045；

3. 昆明理工大学 交通工程学院，云南 昆明 650093；4. 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

摘要：采用自行研制的岩石直接拉伸试验装置，对砂岩和石灰岩2种岩样进行直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验。

试验结果表明，2种岩石的声发射活动情况大体相同。在单轴压缩条件下，加载早期的声发射活动较为活跃，随

着荷载的增加，许多试样的声发射率较加载初期有所下降，这通常被认为与试样中的裂隙压密有关。劈裂试验条

件下岩样的声发射活动规律与单轴压缩条件下基本一致，所不同的是：在劈裂试验条件下，声发射活动在整个加

载过程中持续不断，直至临近破坏时，声发射活动大量增加，即劈裂试验条件下未观察到与单轴压缩试验类似的

“裂隙压密”阶段声发射率较高的现象，也未观察到压缩试验中试样发生微破裂时，声发射累计事件数出现阶跃、

变形曲线上出现拐点的现象。在直接拉伸条件下，试样的声发射活动又有很大不同，在破坏发生前的整个加载过

程中，观察到的声发射事件数和能率远少于单轴压缩和劈裂试验的结果。对于大多数试样，声发射事件仅在试样

破坏时才能观察到。

关键词：岩石力学；声发射；直接拉伸；劈裂试验；单轴压缩；破坏

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)01–0137–06

ACOUSTIC EMISSION OF ROCKS UNDER DIRECT TENSION，

BRAZILIAN AND UNIAXIAL COMPRESSION

YU Xianbin1，XIE Qiang2，LI Xinyi1，WANG Qingrong3，SONG Zhanping4

(1. Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan 650093，China；

2. College of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China；3. Faculty of Transportation Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan 650093，China；4. College of Civil Engineering，Xi′an

University of Architecture and Technology，Xi′an，Shaanxi 710055，China)

Abstract：Direct tension，Brazilian and uniaxial compressive tests were carried out with sandstone and limestone samples collected from mines of China，with a testing apparatus of direct tension developed by the authors. The results show that the acoustic emission(AE) detected from the two rock samples is similar. During the loading process of compressive tests，the observed AE event numbers at the beginning of loading are usually quite high；and then decrease to a lower level with the raising of loading，which is believed to be produced by closing of the micro cracks in the rocks. In Brazilian tests，the behaviour of AE is similar to that in compression，i.e. AE events appeared early in the loading stage and kept approximately the same level during the total loading process until 收稿日期：2005–12–20；修回日期：2006–02–08

基金项目：云南省科学基金资助项目(96E033M)

作者简介：余贤斌(1953–)，男，19xx年毕业于昆明工学院采矿工程专业，现任教授，主要从事岩石力学方面的教学与研究工作。E-mail：yuxianbinxh@xinhuanet.com

? 138 ? 岩石力学与工程学报 20xx年

sample′s failure where AE events reaches its maximum value. However，the phenomenon that AE events show higher values at initial loading stage as those in compression does not observe in Brazilian tests. Moreover，in compression，a sudden large increase in AE cumulative events can usually be observed when a small crack appeared before sample′s failure；while such a result is not obtained in Brazilian test. In the direct tension tests，the observed AE is completely different，and both the numbers of AE events and energy during the loading process before failure are much lower than those of the other tests. Moreover，AE under direct tension could hardly be detected until the failure of the samples. In fact，for most samples，AE events under direct tension are detected only when the peak loading stress is reached.

Key words：rock mechanics；acoustic emission(AE)；direct tension；Brazilian test；uniaxial compression；failure

行研制的岩石直接拉伸试验装置，对广西大厂高峰锡矿珊瑚礁灰岩和云南大姚铜矿砂岩试样，进行了直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验，分析探讨了在几种应力状态下岩石试样的声发射特性与差别。

1 引 言

岩石声发射特性的研究对岩石破坏过程的探讨以及现场岩体破坏的预报等方面都具有重要意义，迄今为止已经有大量成果[1验[3

，4]

，2]

发表，如单轴试

2 试验方法

岩石试样均为现场钻探所取得的直径为50～60 mm的岩芯。直接拉伸和单轴压缩试验的试样高径比为2.0～2.5；劈裂法试验的试样厚径比为0.5～1.0。采用普通材料试验机对试样进行加载。

声发射试验采用沈阳市电子研究所生产的SFS–4B型声发射仪进行。该仪器生产日期较早，不具有将结果直接输入计算机的功能。为此，试验时将该仪器的“事件”输出端与一多通道高速A/D变换器相连接，采用荷载传感器测量对试样所施加的外荷载，用黏贴在试样表面的电阻应变计测量其变形。荷载和试样变形的测量结果均输出至一动态应变仪进行放大，再经多通道A/D变换器变换为数字信号，最后与声发射(AE)信号一道由计算机记录存储。由于对声发射信号采样需要较高的采样频率，在数据采集时，首先采集1组试样的变形、荷载数据，用最高速度单独采集声发射事件信号(采样次数为1 024)，完成1个循环；然后再依次采集试样的变形、荷载以及声发射数据，完成下一循环。这一测试系统对荷载和试样变形信号的采集速度远高于采用电阻应变仪时的手工读数速度，通常在对每一试样的试验中均可进行数百次采样循环，获得数百组数据，可对岩石的变形和破坏过程进行较详细的监测。

在本文的测量和分析中，采用了声发射事件数和能率2个参数，并定义能率为信号幅度的平方。由于信号幅度与仪器的增益有关，能率实际上是一个相对量，但在增益不变的情况下，可用作不同岩

、应力–应变全过程[5

，9]

，6]

、疲劳试验[7]、真

三轴试验[8、大尺寸试样三轴试验[10]等条件下的

试验结果。但绝大多数研究是在压缩条件下进行的，在其他应力状态下，特别是在直接拉伸条件下的研究少见报道。众所周知，在地下巷道周边和露天边坡表面附近，拉应力经常存在，由于岩石抗拉强度远低于其抗压强度，拉伸也是岩石破坏的一种最常见的类型。事实上，在地下工程中，顶板岩石冒落是施工安全事故中最重要的原因之一，而冒顶破坏的发生又往往与拉应力有密切关系。岩石拉伸试验通常采用间接拉伸(劈裂试验)法进行，很少进行直接拉伸试验。然而劈裂试验下岩石试样的应力状态与直接拉伸下岩石试样的简单拉伸应力状态有很大区别。因此，研究岩石在直接拉伸、劈裂试验下的声发射特性，对了解岩石的破坏机制，以及对现场岩体稳定性的声发射监测，都是十分有益的。

由于直接拉伸试验较为复杂，目前在岩石工程中所使用的岩石变形参数，如弹性模量和泊松比，都来自于压缩试验；拉伸变形参数被认为与压缩参数相等。然而，许多研究者[11

～14]

的试验结果都已表

明，很多岩石的拉伸弹性模量Et都远小于压缩弹性模量Ec，某些岩石的Ec/Et比可以达到10以上。P. N. Sundaram和J. M. Corrales[15]的结果还表明：当岩石的Ec/Et= 5时，即使在普通的劈裂法(巴西法)试验中，利用传统公式也会给岩石拉伸应力的计算结果带来28%的误差；当Ec/Et = 10时，误差将高达40%。

为了解直接拉伸、劈裂试验下的岩石声发射特性及其与单轴压缩下所得结果的差别，本文采用自

第26卷 第1期 余贤斌，等. 直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验下岩石的声发射特性 ? 139 ?

石的对比。

AE累计事件数

0应力MPa 150

应力/MPa 应力/MPa 1.20.90.60.3963

迄今为止，在国内外相关文献中很少见到采用直接拉伸法进行岩石试验的报道，其原因在于直接拉伸试验较为复杂，难于避免偏心拉伸等因素对试验结果的影响。本文有关的直接拉伸试验采用作者自行研制的试验装置进行，这种试验装置与国内外以往所报道的装置有所不同，其结构原理图及其试验验证可参见相关研究[14

，16]

时间 /s

。

(a) 劈裂试验下时间–AE累计事件数–应力关系曲线

3 主要结果

AE累计事件数

30

60

大姚铜矿砂岩岩样中存在少量裂隙，试验所用的1组岩样，单轴抗压强度为43.0～123.0 MPa，平均值为62.6 MPa。高峰矿珊瑚礁灰岩则含有较多的裂隙，其抗压强度为22.0～61.0 MPa，平均值为40.5 MPa。这2种岩石典型试样在单轴压缩、劈裂和直接拉伸下的应力–应变曲线、时间–AE事件数–应力关系曲线见图1～4。试验结果表明，2种岩石的声发射活动情况大体相同。

时间/s

90120(b) 直接拉伸试验下时间–AE累计事件数–应力关系曲线

图2 大姚铜矿砂岩劈裂试验和直接拉伸试验条件下

时间–AE累计事件数–应力关系曲线

Fig.2 Relation curves of time-AE cumulative events-stress of

Dayao copper ore sandstone under Brazilian and direct tension test

25

100

应力/MPa

201510500

100

200

300400500600700应变/?ε

300500700

应变 /?ε

(a) 单轴压缩试验下的应力–应变关系曲线 6 000AE累计事件数

5 0004 0003 0002 0001 000

应力

6050403020100应力/MPa

(a) 单轴压缩下的应力–应变曲线 120AE累计事件数 100806040200

30

应力

累计事件数 AE /s 时间

0 100200300400500(b) 单轴压缩试验下时间–AE累计事件数–应力关系曲线

图1 大姚铜矿砂岩单轴压缩试验下的应力–应变曲线和

时间–AE累计事件数–应力关系曲线

Fig.1 Relation curves of stress-strain，time-AE cumulative

events-stress of Dayao copper ore sandstone under uniaxial compression

0.06090 120 时间 /s

(b) 单轴压缩试验下时间–AE累计事件数–应力关系曲线

图3 高峰矿珊瑚礁灰岩在单轴压缩试验下的应力–应变

曲线和时间–AE累计事件数–应力关系曲线 Fig.3 Relation curves of stress-strain，time-AE cumulative

events-stress of Gaofeng limestone under uniaxial compression

4 单轴压缩和劈裂试验下的声发射

特性

在单轴压缩试验下，本文所得结果与大多数其

他研究者的结果一致，即加载初期就有AE活动，

? 140 ? 岩石力学与工程学报 20xx年

AE累计事件数

应力/MPa

在劈裂试验下，AE活动与在单轴压缩试验下的情况相似，即AE活动在加载早期就出现；试样破坏时，AE计数最高，能率最大(见图2(a)和4(a))。

同时也发现，与压缩试验下所获得的结果有显著不同的是，在劈裂试验中，对于2种岩石的大多数试样，并未发现单轴压缩试验中普遍出现的加载初期声发射事件数较高，而后又有所下降的所谓 “裂隙闭合”阶段的现象；也未发现单轴压缩试验中AE累计计数的阶跃和变形曲线上的拐点，即劈裂试验中，在试样破坏以前的整个加载过程中，AE

应力/MPa

050100时间/s

15050200

(a) 劈裂试验下时间–AE累计事件数–应力关系曲线 600AE累计事件数

5004003002001000020

AE累计事件数 4060 时间/s

8043210－1100

事件数大体保持了相同的水平。

5 直接拉伸试验下的声发射特性

直接拉伸试验下的AE活动与单轴压缩和劈裂试验下的情况有很大的不同。

首先，直接拉伸试验下的AE累计事件数和累计能率计数都较单轴压缩和劈裂试验要少得多。所试验的2种岩石有一个共同特点，即在单轴压缩试验下所观察到的AE累计事件数最多，劈裂试验下的次之，直接拉伸试验下的最少。为了进一步分析，将这2种岩石在上述3种试验下所获得的AE累计事件数和累计能率的平均值作了统计，其结果列入表1。

由表1可知，单轴压缩试验下的AE累计事件数较直接拉伸试验下结果的通常要高1个数量级，劈裂试验下所获得的AE累计事件数也要比直接拉伸试验下的结果高几倍。在压缩试验下，2种岩石自开始加载到试样破坏的AE累计事件数均为数千，最高达11 108。直接拉伸试验下的AE累计事件数仅为数百，最高值为352。

高峰矿珊瑚礁灰岩在直接拉伸试验下，自开始加载到试样破坏时的AE累计事件数的平均值，仅

(b) 直接拉伸试验下时间–AE累计事件数–应力关系曲线

图4 高峰矿珊瑚礁灰岩在劈裂试验和直接拉伸试验下

时间–AE事件数–应力关系曲线

Fig.4 Relation curves of time-AE cumulative events-stress of

Gaofeng limestone under Brazilian and direct tension tests

反映了试样中裂隙闭合的影响；随着荷载的增加，大多数试样的声发射率较加载初期有所下降；临近破坏时，AE活动大量增加，AE事件和能量计数都在破坏时达到最大值。试样破坏前，常可观察到微破裂的发生，伴随着AE累计事件数的阶跃，此时应力–应变曲线上也常可发现不规则的拐点(见图1)。

在单轴压缩试验下，高峰矿珊瑚礁灰岩的部分试样在达到极限应力后，没有发生瞬间崩裂而是逐渐破坏，因而仍然检测到了峰值应力后的AE活动(见图1(b))，而且峰值应力后声发射率和能率计数通常都高于达到峰值应力前的数值。这一结果与一些研究者[3

～7，9，10]

的结论是一致的。

表1 试验结果统计 Table 1 Statistics of the test results

岩性

试验类型

强度值变异系 破坏荷载前80% 变异系破坏荷载前80%变异系达到破坏荷载时 变异系 达到破坏荷载时变异系/MPa 数/% AE累计事件数数/%AE累计能率计数数/%AE累计事件数 数/% AE累计能率计数数/%

56.1 18.0 78.6

1 628.0 526.0 5.2 616.0 299.0 1.5

67 53143 51 74283

332.00 61.80 0.36 58.70 30.10 0.08

67 74178 90 99283

3 487 1 025 229 1 741 573 157

87 34 47 81 74 55

783.8 166.0 85.4 197.3 72.9 39.4

671856506339

单轴压缩 62.6

大姚铜矿砂岩

劈裂

8.63

直接拉伸 5.73

单轴压缩 36.48 14.0

高峰矿珊瑚礁灰岩 劈裂

3.47

40.0 69.0

直接拉伸 1.50

第26卷 第1期 余贤斌，等. 直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验下岩石的声发射特性 ? 141 ?

分别为单轴压缩和劈裂试验下的AE累计事件数平均值的9.0%和27.4%；大姚铜矿砂岩试样直接拉伸试验下的AE累计事件数平均值则分别为单轴压缩和劈裂试验下的AE累计事件数平均值的6.6%和22.3%。能率计数的结果也与此接近，高峰矿灰岩直接拉伸试验下的AE累计能率计数的平均值分别为单轴压缩和劈裂试验下的能率累计计数平均值的20.0%和54.0%；大姚铜矿砂岩直接拉伸试验下的AE累计能率计数平均值则分别为单轴压缩和劈裂试验下能率累计计数平均值的10.9%和51.4%。

其次，直接拉伸试验下，在达到峰值应力前，AE活动很少出现。在高峰灰岩进行直接拉伸的8个试样中，仅有1个试样在破坏荷载约70%处检测到AE事件；大姚砂岩的5个直接拉伸试样中，也仅有2个试样在试样破坏前检测到AE事件。其余试样，达到峰值应力以前完全检测不到AE事件。换言之，这2种岩石在直接拉伸试验下的声发射活动，基本上只发生在试样破裂时。

在压缩试验下，破坏荷载80%以前的AE累计事件数N80%为达到极限应力时AE累计事件数的约50%；劈裂试验下的结果与此有一定差别，约为达到破坏时AE累计事件数的40%～60%。拉伸试验下则明显不同，对于大姚铜矿砂岩，达到拉伸破坏强度80%时的AE累计事件数，仅为达到拉伸破坏荷载时AE累计事件数的3.1%；对于高峰矿珊瑚礁灰岩，在拉伸破坏强度80%以前，完全检测不到AE活动，AE累计能率计数的结果与事件率的结果大体一致。

应该说明的是，本次试验中声发射仪放大部分的增益仅为40 dB。因此，“直接拉伸试验下，除主破裂附近外，很少能记录到AE事件”的结论，是与单轴压缩和劈裂试验相比较而言的，不能排除，在增大声发射仪放大器增益后，所记录到的事件数有大大增加的可能。然而，在增大放大器增益的情况下，单轴压缩与劈裂试验中所检测到的AE事件数也同样会大大增加。因此，放大器增益并不能改变“直接拉伸下AE活动远少于单轴压缩和劈裂试验下的结果”这一结论。

声发射能率的结果与事件数大体一致。对大姚铜矿砂岩，单轴压缩下声发射累计能率平均值Uac与直接拉伸下累计能率Uat平均值之比为9.2。对于高峰矿珊瑚礁灰岩，Uac与Uat之比为5.0。

岩石抗压强度较抗拉强度高得多，因此，单轴压缩试验下岩石的声发射累计事件数较高，这一点

是易于理解的。然而，劈裂试验强度与直接拉伸试验强度相差不大，但劈裂试验下岩石的AE累计事件数也较直接拉伸试验下的结果要高得多。事实上，对大姚铜矿砂岩，劈裂试验下的AE累计事件数的平均值Nab与直接拉伸试验下的AE累计事件数Nat的平均值之比达4.5，远高于劈裂拉伸强度与直接拉伸强度之比；对于高峰矿珊瑚礁灰岩，Nab与Nat之比也达3.6。

众所周知，岩石是一种摩擦介质，颗粒间的摩擦对其强度有很大影响，这是造成岩石抗压强度远高于抗拉强度的主要原因。根据本文的试验结果，可以认为，岩石的声发射也与其颗粒间的摩擦密切相关。但在直接拉伸试验下，试样内弱面和颗粒间的摩擦与岩石的AE活动和破坏基本无关，因此，在这种应力状态下岩石就很少出现AE事件。在劈裂试验中，岩石试样虽然也发生拉伸破坏，但还承受了压应力，在受载点存在压应力集中现象，这也会对加载过程中试样内的AE活动产生很大影响。在试样破坏时，劈裂试验下所产生的AE事件总数以及能率都较直接拉伸试验的大得多，这说明，2种试验中试样的破坏机制有很大不同。作者认为，这可以部分地解释直接拉伸试验强度低于劈裂试验强度这一现象。

6 结 论

对2种岩石进行了直接拉伸、劈裂和单轴压缩试验。试验结果表明：

(1)2种岩石的声发射活动规律大体相同。 (2) 在单轴压缩试验下，加载早期就有声发射活动，反映了裂隙闭合的影响；随着荷载的增加，许多试样的声发射率较加载初期有所下降；临近破坏时，声发射活动大量增加。

(3) 在劈裂试验下，声发射活动在整个加载过程中持续不断，声发射累计事件数以及累计能率都较直接拉伸试验下的大得多，说明岩样虽然也发生拉伸破坏，但在受载点也存在压缩应力集中现象；然而，试验过程未观察到与单轴压缩试验类似的“裂隙压密”阶段声发射率较高的现象，也未观察到压缩试验中试样发生微破裂时声发射累计事件数出现阶跃、变形曲线上出现拐折点的现象。

(4) 在直接拉伸试验下，所观察到的累计声发

? 142 ? 岩石力学与工程学报 20xx年

射事件数要远少于单轴压缩和劈裂试验下的结果。对于直接拉伸试验下的大多数试样，声发射事件仅在试样破坏时才能观察到；试样破坏前，完全不能观察到声发射事件。 参考文献(References)：

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