基于声发射参数分析的红层泥岩高周循环加卸载损伤及变形特性

Investigation of Damage and Deformation Characteristics of Soft Red Mudstone Using Acoustic Emission Parameter Analysis under High-Cycle Cyclic Loading Conditions

摘要

为研究不同应力上限及加载频率条件下软弱红层泥岩的损伤及变形特性，基于声发射损伤监测手段开展高周循环加卸载试验，系统分析应力上限与加载频率对红层泥岩损伤及裂纹扩展模式的影响。结果表明：当应力上限低于屈服临界动应力值时，泥岩经历先剪缩后缓慢剪胀的过程，岩样中微裂隙的发展与黏土矿物的膨胀逐渐占据主导地位；低频AE信号产生于静载阶段，而高频AE信号主要出现在循环加载阶段，且随加载频率的增大，超过300 kHz的超高频声AE信号占比逐渐增大；红层泥岩循环荷载下所产生的裂纹总体以张拉裂纹为主，但第I阶段剪切裂纹占比相对其他阶段较大，且随着动应力幅值减小或加载频率的增大，剪切裂纹所占比例减小；在裂隙自愈合效应下，泥岩中由动载引起的损伤裂隙会被逐渐修复，且随着放置时间的增加，声发射Kaiser效应逐渐减小甚至消失。

Abstract

A high-cycle cyclic loading test was conducted using acoustic emission (AE) monitoring techniques to investigate the damage and deformation characteristics of soft red mudstone under different upper stress limits and loading frequencies. Based on the analysis of AE parameters, the influence of dynamic stress limits and loading frequency on the damage and crack propagation patterns of the red mudstone were systematically studied. The results showed that when the dynamic stress limit was lower than the critical dynamic yield stress value, the mudstone underwent a process of initial shear contraction followed by slow shear dilation. The development of microcracks in rock samples and the expansion of clay minerals gradually became dominant. Low-frequency AE signals were generated during the static loading phase, while high-frequency AE signals primarily occurred during the cyclic loading phase. Moreover, with an increase in loading frequency, the proportion of ultra-high-frequency AE signals exceeding 300 kHz gradually increased. The cracks produced in the red mudstone under cyclic loading were primarily tensile cracks. Among them, shear cracks in the first stage (Stage I) accounted for a relatively larger proportion compared to other stages. However, the proportion of shear cracks decreased as the dynamic stress amplitude decreased or the loading frequency increased. Due to the self-healing effect of cracks, the damage-induced cracks caused by dynamic loading were gradually repaired within the mudstone. Additionally, as the elapsed time increased, the Kaiser effect associated with AE gradually diminished and even disappeared.

Graphical abstract

关键词

红层泥岩 / 循环荷载 / 声发射参数分析 / 裂纹扩展模式 / 裂隙自愈合效应

Key words

Soft red mudstone / Cyclic loading / Acoustic emission parameter analysis / Crack growth mode / Crack self-healing effect

红层泥岩具有强度低、宏微观裂隙发育、遇水易膨胀^［1-2］和自愈合^［3-4］等特点。近年来在中国西南地区的高速铁路运营期间，软弱红层泥岩路堑经常会表现出明显的上拱变形，从而导致轨道结构损伤、变形和破坏^［5］。如内江北站区段在运行2年内出现了超过20 mm的上拱变形，明显超出扣件4 mm的调整范围，且随时间增加呈持续上拱趋势。对于具有低渗透性的微膨胀红层泥岩，泥岩在列车循环动载作用下产生的疲劳裂纹将为自由水进入岩体提供通道，提高岩体的渗透性，有利于泥岩中亲水新黏土矿物的进一步吸水膨胀^［3］。然而，目前针对红层泥岩路堑上拱问题的研究主要集中在开挖引起的泥岩地应力释放和泥岩吸水膨胀方面，忽略了列车循环动载作用的影响^［6-7］。

既有研究表明，岩石在循环疲劳动载作用下的损伤是动应力腐蚀作用下微裂隙张开、闭合和进一步扩展的组合^［8-12］。应力上限的增加会使岩样的变形逐渐由稳定状态转变为不稳定状态^［13］。声发射（AE）技术通常被用来监测岩石在静载和动载条件下的破坏特征与损伤演化规律^［10-11］。声发射计数、累计声发射计数、峰值频率等参数能够实时反映岩石在加载过程中的损伤演化特征和裂纹扩展模式^［12-14］。既有研究结合声发射技术研究了不同岩石在不同加载条件下的损伤发展特征^［15-18］。Yang等^［19］基于声发射监测技术开展了砂岩三轴加载试验，并认为砂岩的破坏模式主要以剪切破坏为主。Jiang等^［20］基于累积声发射计数表征了岩石的损伤变量，研究了动载条件下砂岩的损伤演化规律。蒋景东等^［21］开展了不同含水率及不同围压条件下泥岩的三轴试验，研究了含水率和围压对声发射事件率的影响。Zhao等^［22］对盐岩进行了单轴循环加载试验，研究了动载前蠕变持续时间对循环加载过程中盐岩裂纹发展模式的影响，发现增加蠕变持续时间可降低剪切裂纹的比例。

与砂岩或硬岩相比，红层泥岩的水化损伤、膨胀性、裂隙自愈合效应以及动应力腐蚀作用会使泥岩的疲劳损伤机制更加复杂^［22-25］。现有研究大多关注硬岩或普通砂岩在静力加载或低周循环加载^［26］（循环次数小于10 000）条件下的变形特性及声发射特征，对软弱红层泥岩在不同应力上限和加载频率动载条件下的损伤演化规律认识不够深入。

本研究对红层泥岩进行不同应力水平与加载频率下的高周循环加载试验，结合声发射参数分析，研究了应力上限与加载频率对红层泥岩损伤演化规律及裂纹扩展模式的影响。最后，针对循环加载后未破坏的岩样进行单轴压缩试验，研究了泥岩裂隙自愈效应合对其声发射特征参数的影响。

1 基于声发射参数分析的单轴高周循环加载试验

1.1　泥岩试样和加载测试设备

本研究采用的红层泥岩试样采自四川省成都市天府新区。泥岩矿物成分中以石英矿物居多，黏土矿物占全部矿物含量的10%。取样深度约为5~6 m，试样平均含水率8.86%，密度为2.32 g · cm^—3，初始孔隙率约为18%。红层泥岩强度较低，其单轴抗压强度约2.5~3.0 MPa。根据国际岩石学会标准，将泥岩切割为直径38 mm、高度76 mm的圆柱体试样。所有岩样在试验前均用塑料袋包裹，防止试样水分蒸发。为减小材料不均匀性的影响，选取无明显损伤、剪切波速离散性在700±50 m · s^-1范围内的试样进行试验。

采用GDS动载试验系统进行单轴高周循环加载试验。试验系统的轴向加载能力为10 kN，精度为1 N。试验在恒温（21±0.5 ℃）条件下进行。由于泥岩水敏感性很强，为防止泥岩在长期高周循环加载试验过程中水分的蒸发，与三轴试验类似，岩样用乳胶膜包裹。采用精度为0.1%的非接触式电涡流传感器记录岩样的局部轴向变形和径向变形。采用欧美大地PCI-2声发射（AE）监测系统对试样损伤破碎时产生的声音信号进行监测。通过乳胶膜穿刺技术将6个声发射传感器固定在岩样表面，传感器布置如图1所示。声发射传感器与试样之间采用耦合剂来保证二者良好的接触。为避免加载过程中机器噪声的影响，设置35 dB声发射的采集门槛值。声发射系统和加载系统同时启动，以保证试验结果的一致性。

1.2　试验步骤

为确定软弱红层泥岩的动强度和屈服临界动应力，试验设定的应力上限高于实际列车荷载工况。此外，地基浅层受列车循环动载影响最大，被认为是最不利工况，可忽略围压的影响。因此，本研究对试样围压设置为0，进行单轴高周循环加载试验。为研究应力上限与加载频率的影响，进行了一系列不同水平应力上限、不同加载频率下的高周循环加载试验，循环次数不少于30 000次。图2为试验加载过程示意图，图中，σ为轴向应力，t为时间，σ_i为初始应力，σ_max为应力上限，σ_min为应力下限，σ_d为动应力幅值。本文试验应力下限取25 kPa，试样编号与加载参数见表1。

2 试验结果与分析

2.1　泥岩临界屈服动应力

图3为不同应力上限的轴向应变-循环次数曲线。由图3可知：随着应力上限增加，泥岩的轴向应变-循环次数曲线由高周相对稳定的2阶段状态逐渐转变为低周破坏的3阶段状态；当应力上限为1 800 kPa时，轴向应变在500次循环后陡升，意味着岩样达到破坏失效状态。由图3可以大致判定红层泥岩的临界屈服动应力值σ_dc大致为1 600~1 800 kPa。

2.2　泥岩样应变与AE计数和累积计数关系

图4为不同应力上限下岩样的应变曲线。由图4可知：随着应力上限的增大，岩样轴向和径向应变逐渐由2阶段演化为3阶段发展趋势；对于应力上限低于屈服临界动应力的未破坏岩样（RM-1-10，RM-1-12，RM-1-15和RM-1-16），应变经历了Ⅰ-Ⅱ阶段发展趋势：体应变在Ⅰ阶段快速减小，Ⅱ逐渐增大，表明泥岩经历了先压密后缓慢膨胀的过程；对于应力上限超过屈服临界动应力的加载至破坏的岩样（RM-1-18），应变经历了Ⅰ—Ⅲ阶段发展趋势：体应变Ⅰ阶段快速减小，Ⅱ阶段缓慢增大，在Ⅲ阶段急剧增大，表明岩体进入破坏阶段。

图5为不同加载频率下岩样的应变曲线。由图5可知：与RM-1-10和RM-3-10相比，RM-5-10在Ⅰ阶段应变增量较大，且更快达到应变稳定发展阶段，表明较高的加载频率会加速加载前期试样内部的损伤与变形，使岩样能较快地达到平衡状态。

在三轴或单轴压缩试验中，动载作用下岩石的体积膨胀往往伴随着纵向裂纹的扩展^{［8，10，15］}。纵向裂纹的发育和侧向应变的快速发展表明岩石开始由压缩向膨胀转变^{［10，27-28］}。对于本研究的红层泥岩，除动载引起的体积膨胀外，黏土矿物吸水膨胀会加速岩体的体胀。此外，应力腐蚀及水-岩软化作用均有利于微裂纹的进一步扩展，为自由水穿透岩体提供了通道，进而加速了岩石体积的微膨胀^［26］，从而导致上述岩样第Ⅱ阶段体积持续的微膨胀现象，这种现象不同于普通硬岩或砂岩。

图6为不同应力上限和加载频率下岩样的AE计数和AE累积计数。由图6可得如下结果。

（1）加载频率的增大会减小岩样的AE累积计数，但第Ⅱ阶段的AE计数较为频繁，表明加载频率的增大延长了岩样的损伤进程。

（2）应力上限对AE累积计数与岩样的变形特性相似，随着应力上限的增加，应变曲线逐渐由2阶段发展演化为3阶段。当上限应力超过临界应力时，可以看到典型的3个阶段变化特征：在阶段Ⅰ，声发射活动较为频繁，AE累积计数曲线增长剧烈，说明损伤发展迅速；在阶段Ⅱ，声发射活动较弱，AE累积计数增长缓慢，表明损伤和裂纹缓慢发展；在第Ⅲ阶段，声发射活动剧烈，AE累积计数快速增长，表明裂纹迅速发展并贯通，岩样破坏。

2.3　AE幅值与AE计数的关系

在声发射活动中，通常以AE幅值A来描述声发射信号的强度，其单位为分贝（dB）。既有研究表明，对数坐标系下，AE计数N和AE幅值A大致呈带状线性分布，且分布带范围外的信号点常用于表征加载过程中所产生的噪声信号^［29］。

图7为不同加载条件下AE幅值A与AE计数N的关系图。图7中，两条虚线之间的信号带为正常信号范围，除了线性带状分布的散点外，还发现部分异常的信号分布（红色点），这些信号与其他声发射信号明显不同，通常认为是由加载机器自身或与岩样之间碰撞和挤压产生的噪声信号，在分析中需要删除^［29］，因此声发射幅值和声发射计数之间的相关性可以用于识别和排除岩石声发射测试中的异常信号。

由图7可以发现，AE幅值和AE计数在对数坐标系下近似呈线性关系，可由下式拟合

\mathrm{l}\mathrm{n}N=a\mathrm{l}\mathrm{n}A-b（1）

式中：a和b分别为拟合直线的斜率和截距。

分析图7可知：较小的应力上限和较高的加载频率均导致直线的斜率变陡，参数a变大，表明岩石损伤破裂的能量会减小，因此参数a可以作为反映岩石的损伤程度的综合评价指标。

2.4　循环加载过程中泥岩的AE峰值频率

AE峰值频率是指声发射信号能量最大的频率点，通常作为表征不同加载条件下岩石中裂纹尺寸的重要参数，一般用于反映岩石中裂纹的发展机理^{［22，29］}。不同尺寸的损伤裂纹在萌生和发展过程中会产生不同的声发射频率。通常，大尺寸裂纹发出低频声发射信号，而小尺寸裂纹发出高频声发射信号^［22］。

图8为不同加载条件下的AE峰值频率分布图。由图8可知：AE峰值频率分布可分为4个区间，低频（0~100 kHz）、中频（100~200 kHz）、高频（200~300 kHz）和超高频（300 kHz以上）；高频AE信号多发生在循环加载阶段，而小尺寸微裂纹主要发生在循环加载阶段，既有研究表明，与单调加载相比，循环加载更容易引起颗粒的基质松动和脱粘，产生高密度和更弥散的微裂纹^［28］；随着动应力幅值的减小，循环加载阶段高频区峰值频率的AE信号逐渐变多，表明随着应力上限的减小，小尺寸微裂纹数量逐渐变多；超高频峰值频率的AE信号随着加载频率的增大而变多，表明加载频率的增大有利于更小尺寸微裂纹的发展。

2.5　归一化R_A-A_F与损伤裂纹类型

声发射上升时间与振幅比值R_A和平均频率A_F被广泛用于各种加载条件下岩石的裂纹模式分类^［13-14］。较大的A_F值和较小的R_A值表明张拉裂纹的发展和纵波能量的释放，而较小的A_F值和较大的R_A值表明剪切裂纹的发展和剪切波能量的释放。声发射R_A值和A_F值可由下式求得

R_{\mathrm{A}}=\frac{R_T}{A}（2）

A_{\mathrm{F}}=\frac{N}{D_{UR}}（3）

式中：R_T为上升时间；D_UR为声发射持续时间。

图9为不同加载条件下的R_A和A_F随时间发展曲线。

由图9可知：R_A和A_F在加载过程中总是同步增减，表明在循环加载过程中拉伸和剪切裂纹同时产生和扩展。

采用线性归一化方法对R_A和A_F进行归一化，得到不同加载条件下的归一化R_A和归一化A_F关系图，如图10所示。剪切裂纹占比见表2。

由图10和表2可知：加载过程中产生的裂纹以张拉裂纹为主，比例约为66%~80%；对比不同应力上限的岩样RM-1-10，RM-1-12，RM-1-15和RM-1-18，其剪切裂纹占比分别为20.5%，23%，26%和34%，表明随着应力上限的增加，剪切裂纹的占比逐渐增加；对比不同加载频率岩样RM-1-10，RM-3-10和RM-5-10，其剪切裂纹占比分别为20.5%，15.7%和11.8%，表明加载频率的增大会减小剪切裂纹的比例。

为进一步研究不同加载阶段裂纹的产生与发展，根据加载性质和变形特征，将加载阶段分为静载阶段、循环加载阶段Ⅰ、循环加载阶段Ⅱ和循环加载阶段Ⅲ。其中，由于岩样RM-1-12和RM-1-16未破坏，因此不包含循环加载阶段III。表3为循环加载试验岩样中的剪切裂纹占比。由表3可知：在阶段Ⅰ中，剪切裂纹占比较大，表明剪切裂纹在阶段Ⅰ中快速发展，随着应力上限的增加，阶段Ⅰ中剪切裂纹所占比例增加；岩样RM-1-12的剪切裂纹占比相较于较小约33%，而岩样RM-1-16和RM-1-18剪切裂纹占比较大，分别为50%和62%，表明应力上限的增加会增大阶段Ⅰ中剪切裂纹的占比。

3 泥岩裂隙自愈合效应对单轴压缩及声发射特性的影响

为探究裂隙自愈合效应对单轴压缩及声发射特性的影响，对不同应力上限条件下未破坏的岩样放置一定时间Δt后进行单轴压缩试验，同时监测静载过程中的AE信号。试样RM-1-7.5和RM-1-16在循环加载后立即进行单轴压缩试验，即Δt=0，试样RM-1-15的Δt为7 d，试样RM-1-10和RM-1-12的Δt为14 d。

在材料重复加载过程中，声发射的凯撒（Kaiser）效应和费利希蒂（Felicity）效应通常用来描述材料对上次加载过程中的损伤记忆特性^［30］。其中，Kaiser效应是指材料在是重复加载中应力值达到之前最大应力前不产生声发射信号的特性；而Felicity效应与Kaiser效应相反，是指重复加载中应力值达到之前最大应力前产生声发射信号的特性，常以Felicity比F作为评价材料损伤记忆特性的指标^［30］，其计算方法如下

F=\frac{{\sigma }_{AE}}{{\sigma }_{max}}（4）

式中：σ_AE为当前加载中开始出现声发射信号时所对应的应力值。

图11为不同Δt下岩样的单轴压缩试验声发射结果。

由图11可知：当Δt=0 d时，在压缩前期就观察到显著的Kaiser效应，一旦轴向应力超过循环加载阶段的应力上限，岩样表现出较为密集的声发射事件，这说明当Δt=0 d时，岩体对动载损伤保留了一定的记忆效应，其Felicity比F为1；当Δt=7 d时（RM-1-15），岩样中出现密集声发射事件所对应的轴向荷载约为1 300 kPa，略小于循环加载阶段时的应力上限1 525 kPa，其Felicity比F为0.852；当Δt=14 d时，岩样RM-1-10和RM-1-12的Kaiser效应消失，在初始阶段就产生显著的声发射事件。这一现象可以用泥岩的自愈合效应来解释^［3］：随着Δt的增加，岩样中自由态水逐渐进入损伤裂隙，并与裂隙处的亲水性黏土矿物结合，形成胶结填充质，逐渐填充并修复动载所产生的损伤裂隙。

图12为不同Δt下岩样的R_A和A_F随时间发展曲线。由图12可知：与循环加载试验结果相似，R_A和A_F几乎同步增减，表明拉伸裂纹和剪切裂纹同时发生；将压缩曲线分为压实阶段、弹性阶段（F和H阶段）、屈服与破坏阶段进行分析，对于未完成裂隙自愈合过程的岩样（RM-1-15和RM-1-16），压实阶段声发射信号几乎不产生，因此压缩阶段不做分析；在弹性阶段，一旦应力超过应力上限后声发射活动较为密集（F阶段），后又逐渐稀疏（H阶段）。

基于归一化R_A-A_F得到不同加载阶段岩样的剪切裂纹占比，见表4。由表4可知：在F阶段，剪切裂纹的比例相对较小，约为11.2%到14.6%，而在H阶段剪切裂纹比例显著增加。对于已完成裂隙自愈合过程的泥岩样（RM-1-10和RM-1-12），在压实阶段，剪切裂纹的比例相对较高，范围为29%到33.3%，表明裂隙自愈合效应会增大泥岩在压实阶段剪切裂纹的占比。

高周循环荷载作用下软弱红层泥岩疲劳损伤与AE参数相关。其中，AE计数和AE累计计数反映了加载过程中泥岩的损伤演化特征；AE峰值频率对应着损伤裂纹的尺寸；R_A-A_F分布反映了不同加载阶段的裂纹扩展模式。这些声发射参数综合反映了循环荷载作用下软弱红层泥岩的损伤演化、微裂纹发育及变形特性。应力上限越大，红层软岩损伤程度越高，大尺寸的剪切裂纹占比越大。加载频率越高，小尺寸的拉伸裂纹占比越大。当应力上限低于泥岩的屈服临界动应力值时，泥岩的体积在阶段II经历了先逐渐压缩后缓慢膨胀的过程，而且微膨胀变形会持续发展。这种特性不同于普通硬岩或砂岩所表现出的变形特征。

此外，根据研究结果，随着间隔时间Δt的增加，循环加载过程中岩体的损伤裂纹被逐渐修复。事实上，在实际铁路运营中，列车日运行车次多达100趟，特殊情况如京广线将超过150趟。考虑每辆列车16—18节车厢，每个车厢2个转向架，因此每个路段年循环次数甚至可以超过一百万次。因此，在实际列车运营中可以忽略其自愈合效应的影响，相比于室内试验，实际路堑红层泥岩在第II阶段的体积微膨胀效应将更加显著。列车时速越快，对应的加载频率也就越大。既有研究表明，列车动应力也会随列车运行速度的增大而增大，二者之间的关系可用下式表示

{\sigma }_{\mathrm{d}\mathrm{y}}={\sigma }_{\mathrm{s}}(\mathrm{1}+\alpha v/\mathrm{100})（5）

式中：σ_dy和σ_s分别为列车的动应力和静应力，kPa；α为系数，常取0.3~0.5；v为列车时速，km · h^—1。

由上式可知动应力幅值和应力上限会表现出较强的加载频率相关性，因此，在试验中应力上限选取时必须充分考虑加载频率的影响。后续研究应针对实际铁路运营情况，进行列车动应力幅值、不同加载频率和高振次的实际工况来进一步研究红层泥岩损伤及变形特性。

本研究为研究红层泥岩在循环荷载作用下的损伤和变形行为提供了新的视角。为其他泥岩类软岩在循环荷载作用下的声发射特性分析提供了思路，发现了红层泥岩在高周循环动载作用下体积缓慢微膨胀特性，为红层泥岩铁路路堑在列车循环动载下的安全性评估提供了指导。

4 结论

（1）应力上限对岩样循环加载过程中变形和声发射特征有显著影响。随着应力上限的增加，AE计数变得更加频繁和密集。对于应力上限不超过屈服临界动应力值的岩样，泥岩体积在II阶段经历了先压密后缓慢膨胀的过程，表明随着循环次数的增加，裂纹的发展与裂隙中黏土矿物的膨胀最终占主导作用。

（2）AE峰值频率具有明显的分布特征，可分为低频（0~100 kHz）、中频（100~200 kHz）、高频（200~300 kHz）和超高频（>300 kHz）4个区间。高频AE信号主要发生在循环加载过程中，表明循环加载过程中以小尺寸微裂纹为主。随着应力上限的减小，小尺寸微裂纹占比逐渐变多。同时，加载频率对AE峰值频率分布也有显著影响，随着加载频率的增加，超高频AE信号所占比例逐渐增加，说明加载频率的增加导致岩体中更小尺寸拉伸微裂纹的产生和扩展。

（3）循环加载过程中R_A值与A_F值几乎同步增减，表明剪切裂纹与拉伸裂纹同时产生，且以拉伸裂纹为主，但应力上限的增大和加载频率的降低会增大岩样中剪切裂纹的占比；剪切裂纹的产生和发展主要发生于循环加载的快速变形发展阶段Ⅰ，当应力上限超过屈服临界动应力值时，循环加载Ⅰ阶段的损伤以剪切裂纹为主。

（4）通过循环加载后的单轴压缩试验，可以观察到红层泥岩的Kaiser效应随着放置时间Δt的增加而减弱甚至消失，这表明在泥岩自愈合的作用下，随着Δt的增大，循环加载引起的裂缝逐渐得到修复。在实际运营中，高速运行的列车循环动载不仅阻碍路堑泥岩的裂隙自愈合，反而促进微裂隙的累积发展，在路堑泥岩的微裂隙累积发展和水分重分布作用下，岩样微膨胀效应逐渐开始占据主导作用。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52378463)

国家重点研发计划项目(2022YFE0104600)

四川省国际科技创新合作项目(2021YFH0024)