浅谈岩石蠕变声发射试验对岩体路基稳定性监测应用与展望

摘 要：首先介绍了岩石蠕变的相关概念以及声发射在岩石稳定性监测中的应用，然后根据声发射在室内试验研究的相关文献，对岩石在单轴压缩与蠕变状态下声发射试验做了综述，并根据试验结果简要分析了两种状态下声发射参数特征，最后对应变与声发射参数的关系判定岩石蠕变与单轴压缩状态的方法借鉴至岩体路基稳定性的监测中进行了展望，同时指出了今后研究的重点与方向。

关键词：岩体路基；声发射；蠕变；稳定性；监测

引言

随着高铁与高速公路的快速发展，岩体工程的稳定性问题越来越得到关注。在路基以及隧道的边坡开挖过程中，工程师既要保证施工期间岩体的稳定性，还要考虑地基沉降满足通车运营要求。在岩石蠕变的研究中，声发射监测技术是重要的研究手段。岩石蠕变声发射研究发展至今，已有了许多的研究成果，目前较少对相关成果进行整理和归纳，本文主要整理了近年部分有关声发射在室内试验中的研究文献，并基于此提出岩石蠕变声发射研究方向并将其应用至岩体路基边坡、地下矿井等工程的稳定性监测进行展望。

1 相关概念的阐述

岩石蠕变是指岩石在恒定荷载作用下，变形随着时间的推移而逐渐增大的现象；声发射信号是声发射仪器将材料内部微裂纹因外部荷载作用下不断孕育、发展所释放的弹性波进行转化所得到的信号。

2 岩石声发射研究现状

由于在实际的工程中，岩体的应力状态较为复杂，例如在边坡的开挖过程中，岩体的截面不断减小，应力不断增大，类似于单轴压缩状态，当开挖停止或缓慢进行时，应力状态几乎不变或增加缓慢，类似于蠕变状态，为了更好研究岩石在开挖时开挖后的稳定性情况，本文在整理岩石蠕变声发射文献的基础上还整理了部分相关岩石单轴压缩声发射的研究。相对于蠕变声发射，岩石在单轴压缩声发射方面的研究已有多年，主要探究岩石在单轴压缩状态下应变、应力等力学物理参数与声发射各参数的关系，以下为部分代表性研究内容。

陈宇龙[1]等人通过砂岩的单轴压缩声发射试验，发现了岩石轴向、横向、体积等应变之间的关系，以及声发射特性。吴永胜[2]等人研究了岩石在单轴压缩状态下AE活动规律，分析了岩石破坏机理，发现能率较声发射率更适合预测岩石破坏。赵玉成[3]等人利用AE振铃计数率以及能率分析了煤岩的损伤过程，并得到了各阶段的损伤临界值。苏承东[4]等人通过单轴压缩条件下两种尺寸煤样声发射试验，对比了两种煤样的AE特征，发现大尺寸煤样的AE特征更适合预测煤岩的动力灾害。纪洪广[5]等人通过在不同应力水平下粉砂岩的声发射试验，发现在较低的应力水平下，AE事件很少，当应力水平提高，AE事件相对活跃。文献[6]通过不同加载方式下砂岩的声发射试验，发现在单轴压缩状态下岩样在变形的各个阶段具有各不相同的声发射特征；在常规三轴状态下，试样AE事件主要出现在屈服阶段和峰值后破坏阶段；在三轴卸围压时，AE事件主要出现在试样卸围压过程中。

在岩石蠕变声发射研究方面。由于岩石发生蠕变破坏的时间较长，早期声发射仪器连续作业时间有限，国内相关研究一直不多。以下为近几年部分相关文献。徐子杰[7]等人通过不同应力水平下大理岩的蠕变声发射试验，分析岩石蠕变损伤以及破坏的规律，发现AE数在压密与弹性阶段较少，随后加载破坏时显著增加。杨永杰[8]等人通过分级加载声发射试验，发现通过声发射特征能较好表征煤岩蠕变各阶段的损伤过程。龚囱[9]等人通过进行红砂岩分级循环加卸载的声发射试验，发现了岩样在蠕变的三个阶段中的声发射能量和振幅特征。王煜曦[10]等人当法向力不变的情况下，分别进行断裂砂岩在压剪破坏与巴西拉破坏的蠕变分级剪切试验。发现了两种破坏形式的岩石在不同的蠕变分级剪切阶段AE能率和蠕变剪切位移之间的关系。王德超[11]等通过蠕变试验研究发现：随着压力上升岩石AE信号不断增强；当压力稳定后，声发射信号有所减弱，整体的变化趋势平稳。岩石抗压强度和AE能量的最大值表现为正相关性。武晋文[12]等人通过对花岗岩在3种不同温度、轴压以及围压条件下蠕变声发射试验，研究对比了不同条件下岩体的蠕变声发射特征。文獻[13]进行了分级加卸载条件下短时蠕变试验，研究分析了红砂岩在蠕变三个阶段的声发射b值特征。赵奎[14]等人分析在不同应力水平下岩石蠕变声发射主频的变化规律，发现随着应力水平的增大，频带相应变宽。

3 总结与展望

综上所述，通过声发射监测岩石稳定性具有较强的可行性，在岩体路基、地下矿井开挖过程中可有效对边坡、矿柱等类似岩体进行监测。在开挖进行与停止过程中，岩体截面不断减小或不变，轴向应力不断增大或恒定，通过岩石在单轴压缩与蠕变状态下发射特征可较好的判断岩柱的应力状态，从而进行稳定性分析。尤其在岩体路基中，由于在蠕变和单轴压缩状态下声发射参数与岩石应变的关系不同，可通过声发射与岩石应变的关系对边坡的变形进行监测。然而，声发射在岩石蠕变现象的研究成果相对较少，有关岩石加速蠕变阶段的声发射研究更是欠缺。目前鲜有关于监测岩石蠕变破坏的声发射定量判据，因此，声发射与岩石蠕变损伤关系的量化将会是今后的科学研究重点。在实际的工程应用中，由于现场环境的复杂，声发射技术的广泛应用还存在一定困难，例如如何应对噪音的干扰，延长仪器的连续作业时间等问题上还有待研究。

参考文献

[1]陈宇龙，魏作安，许江，等.单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究[J].煤炭学报，2011，36（S2）：237-240.

[2]吴永胜，余贤斌.单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究[J].金属矿山，2008（10）：25-28.

[3]赵玉成，林斌，唐兴宜，等.单轴压缩下煤体声发射特征及损伤演化过程分析[J].山东科技大学学报，2013，32（5）：1-7.

[4]苏承东，郭保华，唐旭.漳村煤矿两种尺度煤样单轴压缩声发射特征的试验研究[J].煤炭学报，2013，38（1）：12-18.

[5]纪洪广，侯昭飞，张磊，等.载荷岩石材料在加载-卸荷扰动作用下声发射特性[J].北京科技大学学报，2011，30（1）：1-5.

[6]苏承东，翟新献，李宝富，等.砂岩单三轴压缩过程中声发射特征的试验研究[J].采矿与安全工程学报，2011，28（2）：225-230.

[7]徐子杰，齐庆新，李宏艳，等.不同应力水平下大理石蠕变损伤声发射特性[J].煤炭学报，2014，39（S1）：70-74.

[8]杨永杰，王德超，赵南南，等.煤岩蠕变声发射特征试验研究[J].应用基础与工程科学学报，2013，21（1）：159-166.

[9]龚囱，陈辉.红砂岩不同蠕变阶段声发射振幅与能量特征研究[J].中国矿业，2014，23（10）：144-149.

[10]王煜曦，王金安，唐君.断裂岩石在蠕剪过程中的声发射特征[J].岩石力学与工程学报，2015，34（S1）：2948-2958.

[11]王德超，杨永杰，李玉寿，等.煤样蠕变变形规律及声发射特征试验研究[A].2010年海峡两岸材料破坏断裂学术会议暨第十届破坏科学研讨会第八届全国MTS材料试验学术会议论文集[C].2010.

[12]武晋文，赵阳升，万志军，等.热力耦合作用鲁灰花岗岩蠕变声发射规律[J].岩石力学与工程学报，2012，31（S1）：3061-3067.

[13]龚囱，李长洪，赵奎.红砂岩短时蠕变声发射b值特征[J].煤炭学报，2015，40（S1）：85-92.

[14]赵奎，林颖，熊雪强.不同应力水平下砂岩蠕变声发射频率特征研究[J].铜业工程，2012（4）：22-24.

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