旺扎多吉

（中國地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)用地質(zhì)研究中心，西藏拉薩 850014）

0 引言

巖石的蠕變性和巖土工程的穩(wěn)定性及安全緊密性息息相關(guān)。蠕變與應(yīng)力松弛則在巖石的流變李學(xué)忠占據(jù)了重要的內(nèi)容。巖石蠕變性通常是在特定的荷載狀況之下，巖石發(fā)生形變，并且伴隨時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷地變大。巖石流變效應(yīng)中對(duì)于巖石蠕變對(duì)應(yīng)的分析研究，在巖石力學(xué)的相關(guān)理論及詳細(xì)工程的中擁有十分深遠(yuǎn)的意義。

材料受到力的作用進(jìn)而發(fā)生形變與斷裂的情況，通過彈性波的形式將應(yīng)變能釋放出來的情況極為聲發(fā)射。當(dāng)巖石發(fā)生蠕變的情況下，因?yàn)槁暟l(fā)射的相關(guān)檢測(cè)技術(shù)而出現(xiàn)斷續(xù)、實(shí)時(shí)對(duì)巖石所受力的影響而被破壞，巖石中的微裂紋就會(huì)逐步形成并拓展，并且也會(huì)根據(jù)巖石受力遭到破壞，進(jìn)而巖石內(nèi)的裂紋會(huì)不斷演化，通過定性或是定量的分析，并且精準(zhǔn)定位巖石被破壞的位置，所以聲發(fā)射檢測(cè)與其他的檢測(cè)方式具有一定的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)在相關(guān)的研究者通過聲發(fā)射技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石所受破壞進(jìn)行檢測(cè)，在目前來看國內(nèi)外的相關(guān)研究者大多是針對(duì)常規(guī)加載狀態(tài)下巖體力學(xué)性質(zhì)相關(guān)的聲發(fā)射試驗(yàn)，還有就是巖石蠕變過程的聲發(fā)射試驗(yàn)分析。本文就主要分析了巖石蠕變聲發(fā)射特性進(jìn)行了深入研究，分析了當(dāng)前的研究先狀，并對(duì)未來的發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析。為國內(nèi)巖石蠕變的特性進(jìn)行了深入分析與研究。

1 基本理論

1.1 巖石蠕變定義

巖石蠕變主要指的是在溫度與應(yīng)力一定的狀況之下，巖石會(huì)發(fā)生形變，并且伴隨時(shí)間的增加也會(huì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的增長(zhǎng)情況，也就是我們常說的巖石徐變。

1.2 巖石蠕變影響特性

①應(yīng)力。在應(yīng)力較小時(shí)，蠕變速率相對(duì)較慢，并且會(huì)逐步發(fā)展到穩(wěn)定的程度。反之，應(yīng)力比較大的時(shí)候，蠕變速度也會(huì)不斷增大，并且發(fā)生蠕變的速率不斷增發(fā)，并產(chǎn)生破壞。簡(jiǎn)而言之就是蠕變速率通常會(huì)和應(yīng)力相應(yīng)的冪函數(shù)成比例關(guān)系。②溫度。伴隨巖石所處的溫度越高，蠕變就會(huì)產(chǎn)生更大的變形。隨著溫度的降低，蠕變基本上與時(shí)間對(duì)數(shù)、應(yīng)力及溫度之間成比例關(guān)系。也就是巖石的蠕變、溫度之間存在正相關(guān)性。③加載速率。所受應(yīng)力一定時(shí)，蠕變變形會(huì)伴隨加載速率的減小逐漸增大，也就是兩者之間是反比關(guān)系。除此之外，巖石的蠕變性還和所處濕度具有一定的關(guān)系。

在工程中巖石的蠕變規(guī)律經(jīng)常使用的力學(xué)模型，并且有多種模型。處于中等水平及一般溫度狀態(tài)下，可以使用鮑格斯四元件模型分析蠕變的具體特性。

1.3 聲發(fā)射信號(hào)特征和系統(tǒng)參數(shù)

聲發(fā)射信號(hào)主要通過相應(yīng)的試驗(yàn)儀器采集并形成的基本信號(hào)參數(shù)后，通過相應(yīng)的處理時(shí)間列的數(shù)據(jù)。通過后處理的聲發(fā)射信號(hào)可以當(dāng)做時(shí)間列做出相應(yīng)的計(jì)算及分析，經(jīng)過采用空間的基函數(shù)把復(fù)雜的離散使用數(shù)據(jù)通過連學(xué)的函數(shù)空間基函數(shù)重新組合的一種表現(xiàn)形式。

聲發(fā)射的型號(hào)特征擦?xí)ǔＶ傅氖窃诨緟?shù)序列內(nèi)提出聲發(fā)射的相關(guān)波性特征，按照設(shè)定的值電壓定義或是構(gòu)造的聲發(fā)射信號(hào)的特征參量，各類信號(hào)特征對(duì)應(yīng)不同的物理屬性聲波。當(dāng)聲發(fā)射信號(hào)傳播到對(duì)應(yīng)的試樣外部后，壓電效應(yīng)就會(huì)把聲波轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)。

通常幅值、事件、振鈴計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間還有上升時(shí)間等相關(guān)的信號(hào)參數(shù)形成了一次完整的聲發(fā)射信號(hào)。按照相應(yīng)的裝機(jī)全波形和對(duì)應(yīng)的值電壓之間的關(guān)聯(lián)，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)進(jìn)行定義，波形信號(hào)在采集過程中大多是使用的時(shí)間—電壓序列形式反應(yīng)的。利用放大倍數(shù)的差異，形成離散時(shí)間序列波形，通過相應(yīng)的處理之后，實(shí)現(xiàn)幅值、振鈴計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間、事件還有上升時(shí)間當(dāng)做信號(hào)參數(shù)。

2 巖石蠕變聲發(fā)射特性研究現(xiàn)狀

2.1 巖性對(duì)巖石蠕變聲發(fā)射特性影響研究

有學(xué)者針對(duì)花崗巖與大理石制造的巖石樣做相應(yīng)的單軸壓縮蠕變聲發(fā)射的試驗(yàn)，按照聲發(fā)射參數(shù)的變化，反映出兩類巖樣成分的差異造成差異化的形變破壞與形狀及差異化的聲發(fā)射數(shù)據(jù)特性[1]。

有學(xué)者針對(duì)輝長(zhǎng)巖與大理巖的完整巖石樣本做單軸壓縮蠕變的聲發(fā)射試驗(yàn)，對(duì)兩類巖石的蠕變經(jīng)歷的三階段蠕變聲發(fā)射活動(dòng)進(jìn)行記錄分析，研究不同的變化特征[2]。

有學(xué)者用深部灰?guī)r做單軸壓縮蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，蠕變的過程，聲發(fā)射惠東可以及時(shí)將蠕變的各個(gè)階段產(chǎn)生的形變特征進(jìn)行有效反映。對(duì)巖石內(nèi)部的細(xì)裂紋的產(chǎn)生及不斷擴(kuò)展、宏觀裂紋的貫通可以進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)與反映[3]。

有學(xué)者在研究中采用砂巖試樣做單軸蠕變?cè)囼?yàn)，通過分級(jí)儋州加載及循環(huán)加載兩大形式，對(duì)巖樣在不同的加載形式下的力學(xué)與聲發(fā)射特點(diǎn)進(jìn)行研究[4]。分析了分級(jí)加載、分級(jí)加卸載兩類形式之下，聲發(fā)射參數(shù)的變化情況。通過試驗(yàn)了解到在不同的應(yīng)力水平下，巖樣的蠕變過程中聲發(fā)射參數(shù)的變化相對(duì)一致，但是在最后一級(jí)應(yīng)力狀態(tài)下，分級(jí)加載的蠕變階段聲發(fā)射參數(shù)基本無變化，并且基本保持平穩(wěn)狀態(tài)，加速蠕變的階段聲發(fā)射參數(shù)會(huì)突然增加，但是在不同的分級(jí)卸載狀況下，直至加速蠕變階段的聲發(fā)射參數(shù)就會(huì)冥想增加，但是在分級(jí)加載狀態(tài)下，進(jìn)入到了加速蠕變的階段聲發(fā)射參數(shù)會(huì)進(jìn)入短暫的突然加速期，隨后會(huì)逐漸趨向穩(wěn)定與平穩(wěn)，相應(yīng)的聲發(fā)射參數(shù)也會(huì)驟增。

2.2 巖石蠕變破壞過程聲發(fā)射特征研究

有學(xué)者對(duì)兩種完整巖樣做單軸壓縮蠕變破壞聲發(fā)射試驗(yàn)。對(duì)相應(yīng)的三種蠕變階段的情況進(jìn)行觀察，最終了解到巖樣的差異性在不同的階段相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度、參數(shù)值存在一定的變化規(guī)律[5]。

有學(xué)者用砂巖通過分級(jí)循環(huán)卸載過程下做蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)。對(duì)巖石試樣產(chǎn)生的蠕變過程做了詳細(xì)分析，了解到不同的應(yīng)力狀態(tài)下，聲發(fā)射主頻率伴隨應(yīng)力的增大不斷加寬，在循環(huán)過程中都存在次主頻的情況。

有學(xué)者對(duì)不同應(yīng)力水平下大理石蠕變損傷聲發(fā)射特性開展了研究，定性分析了在不同的蠕變應(yīng)力作用下，巖體承載能力、聲發(fā)射數(shù)據(jù)以及巖體裂紋的變化規(guī)律。另外對(duì)紅砂巖開展了短時(shí)蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)研究。分析了巖樣在不同蠕變階段、不同應(yīng)力水平下聲發(fā)射活動(dòng)特征。指出可以根據(jù)不同應(yīng)力水平下的聲發(fā)射特征來辨別紅砂巖具體處于哪一個(gè)蠕變階段。

2.3 蠕變一沖擊條件下巖石的力學(xué)行為

針對(duì)蠕變中的巖石，經(jīng)過想爆破累的沖擊之下，巖石受到損傷、變形及破壞過程就會(huì)受到蠕變及沖擊兩種應(yīng)變率的影響。高延法教授首次提出了巖石的流變擾動(dòng)效應(yīng)，其反映出來巖石經(jīng)過動(dòng)態(tài)擾動(dòng)產(chǎn)生蠕變力學(xué)的相關(guān)影響規(guī)律。教師進(jìn)一步提出在神經(jīng)狀態(tài)下，軟巖類巷道存在強(qiáng)流變情況，十分容易受到外部開采類活動(dòng)的影響，導(dǎo)致流變情況加速，重點(diǎn)指出了研究動(dòng)態(tài)擾動(dòng)影響巖石流變特性，并且認(rèn)為巖石具有強(qiáng)度的極限領(lǐng)域，也就是在巖石遭受相應(yīng)的應(yīng)力影響的狀態(tài)下，其流變特性的嚴(yán)重必要性，通過外力作用巖石出現(xiàn)蠕變情況，并且當(dāng)應(yīng)力達(dá)到極限鄰域值時(shí)，受到外部動(dòng)態(tài)干擾的情況之下并不會(huì)發(fā)生所述的蠕變情況。

2.4 蠕變一沖擊載荷下圍巖的變形特征

對(duì)于深部高應(yīng)力狀況，硬巖也反映出了明顯的蠕變特性。根據(jù)相應(yīng)的檢測(cè)研究分析了解到在某礦開此案過程中巷道經(jīng)過連續(xù)收斂變形，并且在一定的時(shí)間效應(yīng)之下，因?yàn)槭艿介_采面的前方遭受破裂帶的移動(dòng)導(dǎo)致的。而且隨著開采速度的不斷增大與時(shí)間的積累，破裂帶的遷移速度也在不斷增大，但是小于開采速度，在穩(wěn)定狀態(tài)下減少釋放的能量，進(jìn)而增加巖石的爆破發(fā)生率。對(duì)每日微震活動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)與分析，發(fā)現(xiàn)其分布規(guī)律，指出通常在爆破過程中或爆破之后的短時(shí)間中存在頻繁的微震活動(dòng)，不過在爆破后的幾天時(shí)間內(nèi)依舊也會(huì)出現(xiàn)微震活動(dòng)，這體現(xiàn)了巖石破壞過程存在時(shí)間效應(yīng)。 STEWAR 與SPOTTIS -WOODE 統(tǒng)計(jì)了Blyvooruitzicht 金礦爆破后1h 內(nèi)的微震事件累積數(shù)與時(shí)間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)微震事件累積數(shù)隨時(shí)間變化表現(xiàn)出明顯3 階段趨勢(shì)，即對(duì)應(yīng)于爆破事件的初始陡峭的線性階段，微震事件累積率與時(shí)間成反比的第2 階段，以及微震事件累積率最低的第3 階段。MALAN 對(duì)采礦過程中的爆破活動(dòng)與采場(chǎng)變形的規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。在爆破之后，采場(chǎng)的收斂變形在瞬間就會(huì)增大，隨后的一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)入五小時(shí)的減速變形期，并轉(zhuǎn)入穩(wěn)定變形期。這也反映了硬巖變形周期和爆破外界干擾性為之間存在一定的聯(lián)系。綜上所述，很多的變形多數(shù)是在爆破工作之后的5 小時(shí)內(nèi)形成的，但是每次在爆破完成后的采場(chǎng)會(huì)反復(fù)出現(xiàn)這一情況。

2.5 應(yīng)力水平對(duì)巖石蠕變聲發(fā)射特性影響研究

對(duì)大理巖試樣進(jìn)行單軸壓縮蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，研究表明隨著應(yīng)力水平的增加，試樣聲發(fā)射信號(hào)的頻譜（頻域）有明顯的變化規(guī)律，聲發(fā)射信號(hào)主頻由低頻帶向高頻帶轉(zhuǎn)移，主頻幅值總體呈下降趨勢(shì)，次主頻現(xiàn)象經(jīng)歷從無到有的變化過程，逐漸發(fā)展成為主頻。

有材料顯示對(duì)煤巖進(jìn)行單軸壓縮蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，研究表明隨著應(yīng)力水平的增加，當(dāng)加載應(yīng)力沒有達(dá)到蠕變的應(yīng)力值，試樣不會(huì)產(chǎn)生明顯的蠕變變形；當(dāng)應(yīng)力水平超過值，則會(huì)發(fā)生明顯的蠕變變形。在減速、等速、加速不同蠕變階段，聲發(fā)射活動(dòng)呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)一趨于平穩(wěn)一顯著增強(qiáng)的變化特征。

有資料顯示針對(duì)紅砂巖作為研究對(duì)象，分析了單軸壓縮后紅砂巖出現(xiàn)蠕變的聲發(fā)射試驗(yàn)，對(duì)各種應(yīng)力狀態(tài)下及蠕變情況下的巖石變哈進(jìn)行分析，聲發(fā)射事件率與能率之間的變化關(guān)系。最終試驗(yàn)結(jié)果反映出應(yīng)力的不斷增加，聲發(fā)射事件率及能率會(huì)出現(xiàn)小幅度的下降。對(duì)于減速蠕變或者等速蠕變的情況，伴隨時(shí)間的積累，聲發(fā)射事件率和能率就會(huì)不斷減小。在蠕變速度較快的情況下，聲發(fā)射事件率及能率的值也會(huì)明顯增大。巖石材料在不同的應(yīng)力加載情況之下，反映出一定的變形記憶狀況，如果巖石所承受的荷載高于或者低于上次的荷載數(shù)時(shí)就會(huì)發(fā)生聲發(fā)射情況，被稱作Kaiser效應(yīng)；加入巖樣遭受的荷載比前一次的最大荷載大的話，也會(huì)伴隨明顯的聲發(fā)射事件，這就是Felicity 效應(yīng)。

2.6 巖石蠕變損傷聲發(fā)射特性

巖石是通過長(zhǎng)時(shí)間的成巖與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的地質(zhì)體，存在明顯的微觀與宏觀的缺陷，巖石工程的變形破壞不止和構(gòu)造力、工程地質(zhì)環(huán)境息息相關(guān)，還與其所遭受的外力等方面的影響與巖石結(jié)構(gòu)面的控制有關(guān)。與此同時(shí)，很多巖石工程并不只是在開始后才出現(xiàn)的破壞失穩(wěn)等情況，而是受到工程活動(dòng)的影響，驗(yàn)收經(jīng)過應(yīng)力的重分布、地質(zhì)、水文環(huán)境等情況的不斷惡化使巖石變形跟隨時(shí)間的不斷積累形成蠕變與發(fā)展過程，從而發(fā)生宏觀破裂。巖石破壞失穩(wěn)屬于一種漸進(jìn)性破壞過程，巖石材料伴隨地質(zhì)、水文及應(yīng)力環(huán)境的不斷改變逐步積累，并發(fā)生變化，也就是我們常說的損傷。聲發(fā)射的生產(chǎn)和材料內(nèi)容不得缺陷積累及發(fā)展息息相關(guān)，也是材料在變形破壞時(shí)的一種有效演化手段。

根據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)研究了解到通過控制不同而便利，如循環(huán)加載、卸載及蠕變過程中產(chǎn)生的變形與彈性作分析，使用粒子群優(yōu)化算法，開展蠕變模型分析。按照晟發(fā)射的不同參數(shù)變化情況，即事件數(shù)、能量和振鈴計(jì)數(shù)。還有參數(shù)的積累，伏各類蠕變聲發(fā)射的特征進(jìn)行研究與分析，重點(diǎn)分析蠕變階段的聲發(fā)射參數(shù)變化情況，總結(jié)相應(yīng)的變化規(guī)律和不同應(yīng)力水平狀態(tài)下的發(fā)射特性。使用特定的變量控制，對(duì)不同水平下的應(yīng)力形成的蠕變聲發(fā)射特性，也即是進(jìn)一步驗(yàn)證不同的應(yīng)力水平狀態(tài)下蠕變聲發(fā)射模型。

3 研究展望

綜上所述，全球研究學(xué)者專家針對(duì)淹蠕變聲發(fā)射特性進(jìn)行了綜合性的研究分析，設(shè)計(jì)方面較多，獲得了更多的研究成果，進(jìn)一步反映了巖石變形破壞機(jī)理具有重要的推動(dòng)意義。在未來的研究中可以重點(diǎn)關(guān)注這些方面：①聲發(fā)射技術(shù)作為研究基礎(chǔ)，可以配合紅外輻射、電磁輻射及核磁共振、CT 技術(shù)方式，進(jìn)行巖石蠕變聲發(fā)射的相關(guān)研究，最終分析出巖石變形破壞的機(jī)制。②巖質(zhì)工程大多數(shù)情況是在溫度、應(yīng)力及滲流場(chǎng)，進(jìn)行多種合作狀態(tài)下巖石蠕變聲發(fā)射特性的相關(guān)研究工作，能夠進(jìn)一步對(duì)巖石力學(xué)在復(fù)雜條件下的研究分析。③巖質(zhì)工程中具有節(jié)理、斷層、裂縫等不連續(xù)的結(jié)構(gòu)層，但是結(jié)構(gòu)層會(huì)明顯影響到巖石的變形破壞。所以進(jìn)行包含節(jié)理與裂縫相應(yīng)的巖石蠕變聲發(fā)射特性分析，可以深入分析巖石的蠕變重要內(nèi)容。因?yàn)閹r石的離散型及非均勻、各向異性、受力狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜的情況，當(dāng)前對(duì)巖石蠕變聲發(fā)射研究中還有很多不足指出。在未來的科技發(fā)展過程中可以不斷完善，并做進(jìn)一步研究分析，促進(jìn)巖石蠕變聲發(fā)射特征的深入發(fā)展。