摘要:为了研究在动载荷下岩石破裂的声发射特性，采用霍普金森(SHPB)实验系统对三种岩石进行不同应变率下的冲击载荷破坏实验，同步采集破坏过程的声发射参数，从应力—应变、幅值分布、振铃计数变化以及峰值频率分布等方面进行了分析与研究。实验结果表明：力学特性方面，随着应变率增大，三种岩石的动态强度随之增大，极限应变也随之增大，且岩石试样的破碎程度随之增大，表现为碎块的尺寸减小、块数增加、碎屑增多。在声发射特性方面，三种岩石的峰值频率主要在550kHz以下，且随着应变率的增加，三种岩石的振铃计数都随之增大，低幅值信号比例增加，峰值频率在100kHz以下的低频信号随之减少，100~200kHz以及400~550kHz的中高频信号随之增多，说明峰值频率有向中高频移动的趋势。
关键词:岩石声发射,冲击载荷,SHPB,应变率,峰值频率
岩石的裂纹扩展特性及其破坏机理是岩石力学的基本问题之一，而声发射技术是研究岩石裂纹扩展和破坏机理非常有效的实验手段。现有的对岩石裂纹扩展的研究大多集中在低应变率加载范围内，如纪洪广等研究高强混凝土破裂前声发射信号的频率特征，得出高强混凝土在峰值应力前，高、低频通道声发射信号均集中在特定的频段内[1];临近峰值应力时，高、低频通道的声发射信号频率向低频段移动，同时优势频段内的频率趋于分散，这可作为预测高强混凝土破坏的前兆信息;Mogi将岩石的单轴压缩破坏分为五个阶段，每个阶段的声发射特性都有变化[2，3]。并且他认为岩石破裂过程中第四阶段（应力接近破坏载荷的阶段)的信号频率降低、幅值增大，是因为破裂尺度增大了。张黎明等开展大理岩岩样常规三轴加荷破坏试验研究，分析大理岩变形破坏过程各阶段声发射及其频率、b值变化特征，探索不同围压下岩石破坏前兆信息[4]。张艳博等对干燥和饱水煤矸石进行单轴压缩声发射试验，基于频谱分析和信息熵理论，分析其破裂全过程声发射信号的主频和熵值变化，研究煤矸石变形破坏声发射前兆规律[5]。Scholz在通过大量的岩石单轴压缩实验，得出微破裂的频率主要在在100kHz到1MHz之间[6]。Benson在其三轴试验中，也认为高频声发射信号出现在岩样变形和裂纹形成（小尺度裂纹)的阶段，而在卸压阶段则出现低频信号[7]。但是很少有学者开展过中、高应变率下岩石动态裂纹扩展特性的研究。因此，很有必要通过岩石在中、高应变率加载条件下声发射特性的研究来深入认识岩石动态破坏机理，了解岩石动态裂纹扩展特性，并且能够从裂纹扩展的角度解释岩石动力破坏及动态强度提高的机理。这对了解动载荷下岩石裂纹扩展及破坏机理有重要的理论意义。
且在矿山开采、岩土工程施工等领域，动载荷的作用频繁出现，如爆破开挖、定点爆破以及地震研究等诸多领域都涉及动载荷作用下岩石类材料的动态力学性能。与岩石类材料的静力学相比，其动力学问题在实验研究和力学分析上要复杂得多。因此到目前为止岩石类材料在动态实验研究和动力学理论分析上还处于不成熟阶段。在众多动力学问题中，应变率相关性一直是研究材料动态力学性能的重点研究课题。近些年来由于多种动力学实验设备（如SHPB)的建立和使用，促进了这一研究的发展，给出了不少应变率在101~103s之间的岩石类材料的动态实验结果。另一方面，随着声发射（AE)等实验设备的广泛应用，对岩石类材料的微缺陷在外荷载作用下的扩展行为进行了较深入的研究。基于此，就需要对岩石在冲击荷载作用下的声发射特性进行研究，以期对矿山开采、岩土施工等领域提供相关的结果做出指导性、建设性的建议。
1实验样品及实验设备
1. 1实验样品
选取三种典型的脆性岩石（花岗岩、石灰岩、红砂岩)作为实验研究对象，在SHPB实验系统上进行冲击实验。考虑到冲击实验的离散性较大，每组试样加工6块，并按照国际岩石试验试样尺寸的标准，加工成直径为50mm，长度，为25mm的圆柱体。两种尺寸的试件都要对两端进行仔细研磨，使其上下表面的平行度在0.02mm以内。实验试样的实际尺寸如表1所示。
1. 2实验设备及参数设置
本次冲击实验采用分离式霍普金森压杆实验系统（SHPB)冲击装置进行。图1为SHPB实验装置示意图。SHPB冲击实验系统由压力气室、纺锤型冲头（长度为360mm)、入射杆（长度为2000mm)、透射杆（长度为1500mm)、吸收杆（长度为500mm)和一个缓冲器组成。杆件和冲头均采用40Cr合金钢制成，直径为50mm，密度为7.810g/cm3，弹性波速为5410m/s。冲头之所以采用“纺锤型”，可以消除P-C振荡，实现稳定的半正弦波（加载波上稳定在100μs左右)加载。升段稳定在100μs左右)加载。
为采集声发射的实验数据，在岩石试样中部对称黏贴两个PICO微型探头，通道数分别为“通道1”和“通道2”，在入射杆85.5mm（从与岩样接触的杆端起)的部位黏贴一个PICO探头（通道3)，在透射杆88.3mm（从与岩样接触的杆端起)的地方黏贴一个NANO探头（通道4)。声发射数据采集系统使用美国PAC公司的PCI-2声发射监测仪，其中声发射监测系统的实验参数设置为:前置增益40dB，采样频率为10Msp（sMegasamplespersecond，即每秒百万采样数)，采样长度15k，门槛值为45dB，闭锁时间（HLT)设置为1000μs。
2实验结果及分析
2. 1冲击荷载下应变率效应对应力—应变的影响
在分离式霍普金森压杆实验系统（SHPB)冲击装置上对花岗岩、石灰岩和砂岩进行冲击实验，经过数据处理后获得其相应的应力—应变曲线。如图2所示，分别为三种岩石在冲击载荷下的应力-应变曲。从图2中可以看出，在加载初期，应力—应变曲线上升速率就很快，斜率大，直到应力达到其最大值，整个这一阶段称为弹性阶段;随后，当应力逐渐减小，应变增加的速率却比之前快，这一阶段称为塑性阶段。综上所述，大体来看冲击载荷下的三种岩石破坏方式均是由弹性阶段过渡到塑性阶段。
三种岩石在冲击载荷下的抗压强度均随应变率的增加而增高，图2的实验结果证明了这一点。这是因为不同的应变率下对岩石的微裂纹扩展有不同的影响。当应变率较低时，只有那些能在低应力下活化的微裂纹可以扩展，因为当荷载增加到使其它微裂纹激活之前，这些微裂纹的扩展与贯通就使材料发生破坏，此时起作用的微裂纹数目较少，所以材料破碎后碎块的尺寸比较大，达到破碎的应力门槛值较低，因而材料的抗压强度较低。当在高应变率下加载时，微裂纹发生兼并之前，应力已达到较高的水平使得更多的微裂纹发生扩展进而参加破碎过程，导致材料的破碎碎块尺度更小，材料达到破碎的应力门槛值更高，这就是材料的动态强度高于静态强度的一个主要原因[8]。
从图2还可以看出，在冲击载荷下，随着应变率的增加，三种岩石的极限应变值也随之增大，这说明相应的试样破碎程度也有所增大，表现为碎块的尺寸减小、块数增加、碎屑增多[9]，如图3所示。
随着应变率的增大，三种岩石试样的破碎程度也逐渐增大，这是试样的破坏的外在表现。那么在这个过程中，试样内部的损伤累积应该也会逐渐增大，这可以从声发射振铃计数的变化上体现出来。
2.2冲击荷载下应变率效应对振铃计数的影响
从图4到图6可以看出，三种岩石在冲击载荷下振铃计数曲线大致可以分为两个阶段:以出现峰值应力为界限，把冲击载荷下的岩石声发射信号参数分为两个阶段，应力波作用阶段和岩样破裂阶段。在峰值应力附近，为岩石在冲击荷载下横向膨胀导致振铃计数陡然增大的阶段，此阶段所耗时间很少，LiuXiling文阐述具有幅值、能量和振铃计数最大值的波击就出现在这一阶段[10];随后，伴随加载继续岩石试样逐渐破裂并濒临宏观破坏，除在初始阶段会出现振铃计数较多的事件数外，其他阶段振铃计数均较少。从整体来看，冲击载荷下岩石试样破坏过程的振铃计数曲线近似呈“厂”字形分布。
4到图6中，a、b、c的应变率依次增大，可以看到振铃计数也依次增大。这表明在冲击载荷破坏实验中，随着应变率的增大，振铃计数也随之增大。而振铃计数代表的正是岩石内部的损伤情况，这是岩石破碎程度随应变率增大而增大的内在表现。
2.3冲击荷载下应变率效应对幅值分布的影响
岩石在冲击荷载和静载荷（单轴压缩)下的幅值分布有很大的不同。图7是之前在做单轴压缩实验的幅值分布图，可以看出岩石在静载荷下的单轴压缩破坏试验中，声发射信号的幅值呈阶梯状递减分布[11]。幅值在60dB以下的信号数量占绝大多数，幅值在80dB以上的信号数量分布不明显。而在冲击载荷下的破坏试验中，如图8，岩石破裂过程中的声发射信号的幅值分布则较为分散、不规律，且大幅值信号个数占比较多，但因为信号总数较少，并非所有值域内都有分布，并且幅值在60dB以上的信号数量所占的比例比静载荷下的要高出很多。静载荷下幅值越大的信号个数越小，这说明该岩样在静载荷下处于增长型裂纹扩展模式，而冲击载荷下就比较分散，没有明显的规律，在门槛值45dB到最大值100dB之间都有分布，这跟冲击载荷下应力波在岩样中传播产生的信号有很大的关系，也可以把这两种信号看作是冲击荷载下岩石声发射的固有特性[11]。
在前面已经说过，在冲击载荷下，随着应变率的增加，三种岩石试样的破碎程度也有所增大，表现为碎块的尺寸减小、块数增加。而小尺寸的块数增多，必然导致小幅值的信号比例增加。如表2不同应变率下三种岩石冲击实验的幅值分布情况表所示，在冲击实验中，随着应变率的增大，三种岩石小于50dB的信号占比均有所增加，这是小尺度破坏增加在声发射参数上的表现。
另外，还有一些参数也能对这种应变率的效应进行辅助解释，如b值、分形维数D等。研究表明[12]，冲击荷载下，岩石破碎分形维数D可以用来评价岩石的破碎程度，分形维数大的试件，破碎程度也较高。
2.4冲击荷载下应变率效应对峰值频率分布的影响
岩体破裂尺度和频率有着天然的对应关系，地震学的理论研究认为，震源尺度与频率存在一定的线性关系[7，13]，震源尺度越大，产生信号的频率越低。Vinogradov通过现场声发射监测和室内试验认为，相较于小幅值信号，大幅值信号有着更显著的低频成分[14]。也就是说，较大破裂尺度产生的声发射信号频率较低、幅值较大，而较小破裂尺度的声发射信号频率较高、幅值较低[15]。如前所述，在冲击载荷下，随着应变率的增大，小尺度的破裂增多，低幅值的信号占比也增多，而与之对应的高频率信号也应该增多。如表3所示，100kHz以下的低频信号逐渐减少，100~200kHz以及400~550kHz的高频信号随应变率的增大而增加。这意味着小事件所占比例增加，以小尺度微破裂为主。
从峰值频率的分布来看，冲击载荷下的岩石破坏实验中，低于100kHz的信号比例要远高于静载荷下信号比例，这意味着相对大尺度的破坏要增多了，但这是不可能的。静载荷下的岩石试样尺寸为50×100mm，而冲击载荷下的岩石试样尺寸仅为静载荷的四分之一，为φ50×25mm，而且静载荷下的破裂块度也远比冲击载荷下的要大（如图9~图11所示)，因此相对大尺度的破坏要增多了这种解释显然行不通。那么还有一种可能性，根据MOGI的研究，在破碎程度比较大的情况下，AE从发生源到探头的传播若要经过大裂纹，高频成分易发生衰减，而不容易被检测到;另外大裂纹所引起的低频率成分显著，因此，测量到的AE低频率成分较为显著。对于这种说法，我们的实验中有个很好的例子可以证明。花岗岩试样在0.8MPa的第一次冲击下没有破裂，但声发射仪检测到了很多高频的信号。其峰值频率分布如表4所示。从表中可以看出花岗岩在冲击载荷下仅产生了微观破坏，试样并没有破裂，因此其检测到了较多的高频信号，与MOGI的说法相吻合[2，3]。
3结论
本文主要是通过在SHPB试验系统进行冲击破坏的方法来研究三种岩石在冲击载荷下的声发射特性，通过试验分析和讨论，主要得到如下结论:
（1) 在力学特性方面，冲击载荷下随着应变率的增加，三种岩石的抗压强度随之增大，极限应变值也随之增大，且岩石试样的破碎程度也有所增大，表现为碎块的尺寸减小、块数增加、碎屑增多。
（2) 在声发射特性方面，三种岩石除花岗岩有个别信号的峰值频率高于550kHz以外，其它信号都在550kHz以下。在冲击载荷下，随着应变率的增加，三种岩石的振铃计数都随之增大，低幅值信号比例增加，峰值频率在100kHz以下的信号随之减少，100~200kHz以及400~550kHz的信号随之增多。因为在冲击载荷下，随着应变率的增大，岩石试样的破碎程度也增大，小尺度的破裂增多，导致振铃计数增大，低幅值信号的比例也逐渐增多，而与之对应的高频率信号也随之增多，因此100kHz以下的低频信号逐渐减少，100~200kHz以及400~550kHz的高频信号随应变率的增大而增加。这意味着小事件所占比例增加，以小尺度微破裂为主。
（3) 与静载荷下的单轴压缩实验相比，冲击载荷的加载时间更短，声发射仪记录到的信号数量也相应较少。静载下，振铃计数增长缓慢，而冲击荷载下振铃计数直线增长;静载荷下声发射信号的幅值呈阶梯状递减分布，幅值在60dB以下的信号数量占绝大多数，而在冲击载荷下，声发射信号的幅值分布则较为分散、不规律，且大幅值信号的比例较多;静载荷下高频信号比例多一些，而冲击载荷下低频信号比例更多。
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