流变特征是岩石材料的固有力学属性.不仅软岩具有明显的流变特征，甚至坚硬的岩石如大理岩、花岗岩等也具有流变特征^[1,2].而在岩石流变效应中对岩石蠕变的研究最具重要性和工程实用价值.室内试验结果表明：岩石蠕变特征受多方面因素的影响，即使是同一种岩石，在不同的环境条件下，其蠕变性质也存在显著的差异.文献^{[3, 4]}的研究表明：有效应力与应力差的一个微小变化，都可能引起整个蠕变历时或蠕变应变速率的巨大变化；文献^{[5, 6]}讨论了温度、水对花岗岩与砂岩蠕变性质的影响；文献^[7]建立了泥岩弹性模量、内摩擦角、内聚力与时间的函数关系.岩石在外界荷载作用下，其变形及力学参数所表现出的时效特征，其实质是岩石内部初始缺陷与新生裂纹不断演化的结果^[8,9].流变模型的建立是岩石流变研究的重要内容之一.通过流变模型可形象地描述岩石的流变行为.文献^[10]建立了包含全部4种基本流变力学模型的统一流变模型，并介绍了流变力学模型的辨识方法.

声发射监测作为无损监测的一种，目前已得到了广泛的应用.大量的室内试验讨论了不同岩石在破坏过程中的声发射特征^[11,12]. 文献^[13]通过声发射定位技术，得到花岗岩损伤破坏过程微破裂空间分布特征.文献^[14]研究发现花岗岩、大理岩、砂岩在临近破坏时，声发射分形维数与声发射b值会快速下降至最低点.然而，关于岩石蠕变过程中声发射特征鲜有报道.正如文献^[15]所指出的：声发射的产生与岩石的蠕变损伤有关，但缺乏建立二者之间的量化关系，如何更好地利用声发射信号对蠕变破坏行为进行分析研究，采用声发射对岩石蠕变破坏进行监测和预报，是当务之急.

本文对红砂岩进行了分级加卸载条件下短时蠕变声发射试验，分析了各级加载过程中岩样的蠕变特征，研究了在不同应力水平下岩样在减速蠕变、等速蠕变、加速蠕变三个阶段的声发射特征参数的变化特征.

试验系统由中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT-150C岩石力学试验系统、北京声华兴业科技有限公司研制的SAEU2S数字声发射系统和北戴河电气自动化研究所研制的BZ2005C静态应变仪组成.其中RMT-150C岩石力学试验系统最大荷载为1000kN，机架刚度5×10⁶N/mm.BZ2005C静态应变仪灵敏度系数为2.0，量程为±19999με，最小采样间隔20s.

本次试验方式采用分级加卸载，加载压力分别为60，80，100，120，140 kN.其中，第一级荷载与第五级荷载分别约为试样单轴压缩条件下破坏荷载的40 % 与90 % .试验中，加载速率与卸载速率均为0.2kN · s^-1.前期试验调试结果表明：在前四级加载过程中，减速蠕变阶段持续的时间约为1h.在第五级加载过程中，岩样通常在2~3h内进入加速蠕变阶段，并最终发生蠕变破坏.因此，拟定当荷载到达各级加载设定值后，稳定压力的时间控制在2~3h.试验中，声发射采样长度设置为2048Byte，采样频率1000kHz，门槛值为43dB.本次试验共制备20个标准试件.岩样平均密度为2427kg/m³，割线弹性模量10.048GPa，泊松比为0.288.试验结果表明，在单轴抗压试验中，岩样表现为拉张破坏.在短时蠕变试验中，岩样表现为X剪切破坏.岩样破坏形式见图1.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图1 岩样破坏形式 Fig.1 The failure modes of specimens (a)—单轴压缩试验； (b)—短时蠕变试验.

本文取试件在压缩状态下的应变值为正，在拉伸状态下的应变值为负.试件体积应变由轴向应变、横向应变 计算得到：

通 常根据岩样应变速率的变化特征，可将蠕变定性地分为减速蠕变(Ⅰ)、等速蠕变(Ⅱ)与加速 蠕变(Ⅲ)三个阶段.本文以横向应变速率与轴向应变速率同时分别稳定在某一数值时，所对应的时间段定义为等速蠕变阶段.等速蠕变阶段之前定义为减速蠕变，等速蠕变阶段之后定义为加速蠕变.图2显示在前四级加载中，减速蠕变阶段所产生的应变占整个蠕变值的绝大部分.在低应力水平，横向应变不明显，试件主要以轴向蠕变为主，见图2a~图2b.随着应力水平的提高，轴向应变与横向应变越趋于明显，并横向应变的增速更大，以致试件在蠕变破坏时，横向应变数值绝对值大于轴向应变，见图2e.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图2 7#试件蠕变曲线 Fig.2 The creep curves of 7# specimen (a) —第一级加载; (b) —第二级加载； (c) —第三级加载； (d) —第四级加载； (e) —第五级加载.

在加载应力为60kN与80kN时，试件体积应变随着加载时间的增大而增大，试件体积受到压缩.在加载应力为100kN时，试件体积应变随加载时间的增大而减小，但其数值为正.说明此时试件被压缩的体积有所释放，但整个试件体积仍处于压缩的状态，此时所对应的应力区间约为其强度的70 % ~80 % .随着应力水平的进一步提高，体积应变随加载时间的增长而持续减小，体积应变数值为负，试件体积增大，见图2d~图2e.

图3~图4显示在相同应力水平下，声发射事件率与能率在减速蠕变至等速蠕变过程中，随着加载时间的增大而减小，并且在减速蠕变阶段两者减小的速率大于等速蠕变阶段，见图3a与图4a.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图3 11#试件减(等)速蠕变声发射事件率曲线 Fig.3 The AE event ratio curves of 11# specimen during decelerating and steady creep process (a)—第一级加载； (b)—第二级加载； (c)—第三级加载； (d)—第四级加载.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图4 11#试件减(等)速蠕变声发射能率曲线 Fig.4 The AE energy ratio curves of 11# specimen during decelerating and steady creep process (a)—第一级加载； (b)—第二级加载； (c)—第三级加载； (d)—第四级加载.

在不同应力水平下，声发射事件率与能率在数值大小与下降幅度上具有一定的差异.当加载压力为60kN与80kN时，声发射事件率与能率在减速蠕变阶段数值较大，而后两者数值快速大幅度的下降.图3b与图4b显示，声发射事件率由约320个/s下降到80个/s左右，声发射能率由近似1600pV下降至不足200pV.当加载压力为100kN时，声发射事件率由最大180个/s下降至60个/s，降幅约为120个/s，相应的能率由360pV下降至不足120pV，见图3c与图4c.当加载压力为120kN时，声发射事件率与能率均值都有大幅度的增大.声发射事件率由380个/s减小至320个/s，降幅约为60个/s.对应的能率由4800pV减小为1800pV左右，见图3d与图4d.

图5显示在加载压力为60kN与80kN时，声发射振幅随时间的增长呈现减小的趋势，两次加载过程中振幅平均值分别为43.71dB与43.78dB.当加载压力为100kN时，声发射振幅数值相对平稳，其平均值约为43.59dB.当加载压力为120kN时，声发射振幅数值在减速蠕变过程中数值相对较大.而后，其数值表现的相对稳定，整个过程其平均值为44.09dB.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图5 11#试件减(等)速蠕变声发射振幅曲线 Fig.5 The AE amplitude curves of 11# specimen during decelerating and steady creep process (a)—第一级加载； (b)—第二级加载； (c)—第三级加载； (d)—第四级加载.

以上表明在低应力水平下，声发射事件率、能率、振幅数值在减速蠕变阶段较大，并且其数值在减速蠕变至等速蠕变整个过程中随时间的增长而减小.其中，声发射事件率与能率降低的幅度较大.说明在此过程中，岩样内部大量的原始缺陷被压密，并且主要发生在减速蠕变阶段.当加载压 力为100kN时，声发射事件率、能率数值及下降的幅度较小，声发射振幅相对平稳，说明此时微裂纹处于孕育状态之中.当加载压力为120kN时，声发射事件率、能率、振幅数值较前三次加载有不同程度的增大，微裂纹进入平稳发展的状态中.

图6~图8显示在加载压力为140kN条件下，各试件蠕变破坏耗时不尽相同.7^#试件耗时约3h，10^#试件耗时不足2h，12^#试件耗时更小约10min.声发射事件率与能率在加速蠕变的中后期均有显著增大.7^#试件在蠕变破坏前200s内，声发射事件率由140个/s增大为220个/s左右；相应的能率由360pV增大为800pV左右，见图6a与图6b.

对声发射振幅而言，其数值在整个加速蠕变阶段，出现大幅度跃迁的频率增大.7^#，12^#试件在蠕变破坏前1000s和100s声发射振幅就出现了大幅度跃迁的现象，见图7c与图8c.对比其在等速蠕变阶段的特征，可将声发射振幅数值由平稳发展向大幅度跃迁过渡，作为岩样进入加速蠕变阶段的标志.

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图6 7#试件声发射事件率-能率-振幅曲线 Fig.6 The AE event ratio-AE energy ratio-amplitude curves of 7# specimen (a)—事件率； (b)—能率； (c)—振幅.

图 7(Figure 7)

Fig. 7

图7 11#试件声发射事件率-能率-振幅曲线 Fig.7 The AE event ratio-AE energy ratio-amplitude curves of 11# specimen (a)—事件率； (b)—能率； (c)—振幅.

图 8(Figure 8)

Fig. 8

图8 12#试件声发射事件率-能率-振幅曲线 Fig.8 The AE event ratio-AE energy ratio-amplitude curves of 12# specimen (a)—事件率； (b)—能率； (c)—振幅.

1) 试件在减速蠕变与等速蠕变过程中，声发射事件率与能率随时间的增大而减小，并且它们的大小及下降的幅度与应力水平有关.

2) 在低应力水平，试件体积受到压缩.在减速蠕变阶段，声发射事件率与能率相对较大，但它们的数值随蠕变时间的增大而大幅度的减小.在此过程中声发射振幅随时间的增大而减小.

3) 当加载压力为试件破坏压力70 % ~80 % 时，试件被压缩的体积有所释放.在减速蠕变与等速蠕变过程中，声发射事件率、能率及下降的幅度相对较小，但声发射振幅相对平稳.

4) 当加载压力为试件破坏压力90 % 时，试件体积开始增大.在减速蠕变与等速蠕变阶段，声发射事件率与能率较大，但它们下降的幅度较小.而声发射振幅在等速蠕变阶段其基本稳定.在加速蠕变阶段，声发射振幅发生跃迁的频率明显增大.同时，声发射事件率与能率在此过程的中后期开始增大.