《声发射技术应用》循环加载与卸载下岩石Kaiser效应的试验研究

自20世纪 50年代起，声发射技术（AE）便应用在矿山开采与隧道工程的稳定性监测及灾害预警。经过数十年发展，该技术已广泛应用于地应力测量、岩体稳定性监测、岩石破裂机理分析以及地震序列特征研究等多个领域。

许多学者曾揭示了岩石在加载过程中的声发射特性，并建立了应力、应变和声发射特性之间的关系。通过岩石的单轴和三轴压缩声发射，研究了加载速率对声发射的影响。通过声发射参数评估了岩石的损伤和破坏模式等。目前，声发射方法被广泛用于评估岩石损伤程度，揭示岩石历史上的最高应力水平。

本文探讨了岩石在循环加载和卸载条件下的凯撒效应（Kaiser effect），并通过声发射监测提供了新的见解。Kaiser效应反映了岩石对不可逆损伤和变形的记忆。应力水平、加载速率和岩性是影响岩石Kaiser效应的主要因素。

1.理论意义：声发射技术揭示了应力水平、加载速率、岩性对 Kaiser 效应的耦合影响机制，弥补以往研究单一因素分析的不足，深化对岩石应力记忆效应内在机制的理解；结合声发射本质特征，完善岩石声发射与 Kaiser 效应关联的理论体系。

2.工程意义：为声发射技术在岩石工程中的广泛可靠应用提供试验基础，提升声发射监测数据解释准确性，助力岩石工程的损伤评估与安全防控。

依据Kaiser效应，对三种不同类型的岩石在不同应力水平和加载速率下的90个岩石试样进行了单轴循环加载-卸载和声发射特性试验。

Kaiser效应：是指岩石对加载历史中最大应力的记忆，表现为加载应力幅度超过历史最大应力时才会发生明显的声发射现象。

机制：

①岩石中的缺陷（如裂缝、孔隙和颗粒）在加载过程中会导致原始裂隙的闭合和颗粒的滑动，产生低频低能量的摩擦型声发射；

②而新微裂缝的生成则会产生高频高能量的破裂型声发射，后者能够记忆历史最大应力对岩石的影响。

图1. 三种岩石的显微结构和成分。Qtz—石英，Pl—斜长石，Kfs—钾长石，Cal—方解石，Anh—无水石膏，Bt—黑云母。

1.试验材料准备：研究选取了红砂岩、大理石、花岗岩三种典型岩石作为试验对象，在室内自然风化后开展测试：

2.试验测试系统

试验采用两套同步运行的专业测试系统，实现力学与声发射参数的同步监测：

（1）MTS 816 岩石力学测试系统（图2c）：用于加载控制，支持应力 / 位移控制模式，试验机刚度达 2.6×10⁹ N/m，最大轴向载荷 1459 kN，可覆盖 10⁻⁷/s~10⁻²/s 的应变率测试范围。

（2）DS5-A 声发射（AE）测试分析系统（图2e）：用于声发射监测，采样频率 10 MHz，前置放大器增益 40 dB，阈值 30 dB，可连续存储波形数据，数据存储速度大于 262 MB/s。

图2. 单轴循环加载和卸载试验的配置。(a) 示意图，1—试验系统的加载板，2—底座，3—岩石样品，4 —声发射（AE）传感器，5—AE前置放大器，6—数据分析器；(b) 应力加载路径；(c) MTS 816岩石力学试验系统；(d) 岩石样品和AE传感器的安装；(e) DS5-A声发射测试和分析系统。

3.实验方案：进行单轴循环加载和卸载测试，包括两个阶段：第一阶段为应力控制模式下的加载保持，第二阶段为位移控制模式下的加载速率变化。

第一阶段：采用应力控制模式，以1.0 MPa/s的速率将加载应力施加到预定值（σA）。σA分别是岩石UCS（σc）的50%、60%、70%、80%或90%。然后，载荷保持不变三分钟，以消除岩石内部微结构表面之间的摩擦和滑动引起的AE事件对后续实验结果的影响[22,23,28,31]。然后将轴向应力以1.0 MPa/s的速率卸载至0.5 MPa。请注意，轴向应力不为零，这确保了加载系统中的承载板在测试过程中与岩石样本的端面完全接触。

第二阶段，采用位移控制模式以避免岩石样品在应力控制模式下突然失效。加载速率（lr）分别设定为0.001 mm/s、0.005 mm/s、0.01 mm/s、0.05 mm/s和0.1 mm/s。相应的应变率大约为10^-5/s。到10−3/s，属于中等和低应变率水平 [29,32,33]./s，属于中等和低应变率水平 [29,32,33].

单轴压缩：声发射随时间的变化分为四个阶段：压实阶段、弹性阶段、屈服阶段（包括稳定和不稳定扩展阶段）和峰值后应力下降阶段，对应于岩石的断裂闭合阶段、弹性阶段、膨胀阶段（新裂缝生成）和宏观破坏阶段。

循环加载和卸载：首次加载阶段（FG段）声发射事件较少，随着加载的进行，声发射活动增加，在卸载阶段声发射减少。

注意：图3–9分别显示了三种岩石在单轴压缩和单轴循环加载卸载条件下的声发射特性

1.岩石单轴压缩下 AE 与破坏演化规律（见下图3-9）

岩石在单轴压缩过程中，应力 - 应变、变形破坏与声发射（AE）三者呈现严格的时序对应关系，整体划分为四个阶段：（图3）显示了三种岩石在单轴压缩下的AE特征

现象描述：宏观断裂形成后，断面间摩擦仍提供残余承载力并产生声发射。但随应力快速跌落，裂缝扩展趋于停止，声发射事件数量逐渐减少，直至活动平息。

分析：

1. 静默期（OA 段）

对应阶段：应力 - 应变曲线的压实阶段。

现象描述：岩石内原生微裂缝、孔隙及节理在压力作用下被挤压闭合。颗粒间发生粗糙表面的滑动与摩擦，产生少量、低能量的声发射事件，信号波动明显。

2. 过渡期（AB 段）

对应阶段：应力 - 应变曲线的弹性阶段。

现象描述：施加应力未达到破裂阈值，岩石内部无新裂缝生成。仅由闭合裂缝的微弱滑动诱发极不明显的低能量声发射活动。

3. 活跃期（BC 段）

对应阶段：应力 - 应变曲线的屈服阶段。

现象描述：随着应力持续增加，微裂缝大量新生与快速扩展，声发射活动显著增强，事件数量急剧攀升。应力达到峰值时，裂缝汇聚贯通形成宏观断裂，此时声发射活动达到全盛期。

4. 衰减期（CD 段）

对应阶段：应力 - 应变曲线的峰值后下降阶段。

2.在单轴循环加载和卸载测试中，三种岩石的应力-时间-AE关系（见图4–9）表现出以下特征

首次加载阶段（FG 段）：加载初始阶段 AE 事件数量较少，随应力不断升高，AE 事件数逐步增长。

保压阶段（GH 段）：达到预定应力后的保压过程中，微裂缝表面摩擦、裂缝滑动会持续产生 AE 事件。

卸载阶段（HI 段）：该阶段无新裂缝产生，原有裂缝也不会发生扩展，因此仅观测到极少量的 AE 事件。

二次加载阶段（HJ 段）：首次循环后岩石内部的微裂缝已完成闭合，因此二次加载的初始低应力阶段，几乎无 AE 事件产生。这一特征证明，循环加载模式可有效抑制摩擦型声发射的干扰，大幅提升了后续凯撒效应应力点的识别精度。

讨论问题：

费利斯效应也称为反凯撒效应，这意味着在循环加载试验中，当加载应力小于加载历史中的最高应力水平时，AE事件明显发生。费利斯效应表示岩石对损伤的记忆能力，通常通过费利斯率（FR）进行估计。

大量的AE事件发生较早，并且随着Felicity效应的出现，Kaiser效应逐渐消失。Kaiser效应的出现与岩石性质密切相关。岩石的硬度和强度越高，Kaiser效应的应力点出现越早，应力点越明显。通过岩石的弹性变形和脆性断裂，应力状态被很好地记录下来。因此，脆性（主要是弹性变形）岩石的Kaiser效应比塑性（主要是塑性变形）岩石的Kaiser效应更明显。