節理巖體聲發射特性試驗研究

孫旭曙，遲 健，陳 超，黃葉寧，劉 洋，梁佳燈

（三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌443002）

1 研究背景

聲發射［1］指的是固體內部缺陷（或潛在的缺陷）在外部荷載作用下應力高度集中，應變能增大，當外部荷載超過某一臨界值時，缺陷區域發生微觀屈服或變形，使應力得到松弛，多余能量以彈性波的形式瞬時釋放的一種現象。巖石在變形、斷裂和破壞時均有聲發射現象，其強度和頻度與材料的性質有關。然而，天然巖體受結構面切割而形成具有特殊結構的不連續體，其變形、強度特征和破壞模式比巖石復雜得多［2］，將導致天然巖體的聲發射特性比巖塊較為復雜。因此，研究天然巖體中的聲發射特性具有重要的理論價值。

聲發射事件產生的彈性波，其傳播規律受巖體結構影響而產生反射、折射、繞射與散射等現象，孫旭曙［2］開展了節理巖體的超聲波傳播規律室內試驗，研究表明其超聲波波速隨節理傾角增大呈線性遞減。眾多的研究表明巖體聲發射事件與其應力應變關系密切相關。曹吉勝［3］開展了預制節理巖體三軸壓縮及卸荷破壞聲發射試驗研究，研究表明節理巖樣在破裂過程中發生多次應力降，每次應力降發生時，聲發射振鈴計數率突增；李銀平［4］開展了預制裂隙大理巖塊試件在剪切作用下的聲發射特征研究，研究表明鋸齒型裂紋破壞之前聲發射活躍，破壞時達到峰值，此類破壞更具突然性和不可預測性；趙興東［5］開展了單軸壓縮載荷作用下預制裂紋花崗巖聲發射試驗，研究表明聲發射事件主要由巖樣裂紋擴展所產生，并隨應力～應變變化而表現出不同特征。巖體的聲發射事件主要產生在力學性能較弱的節理、裂隙等結構面，并且與其破壞模式相關。裴建良［6］開展了單軸壓縮條件下自然裂隙大理巖的聲發射測試，研究表明單一型和平行型自然裂隙巖樣在壓應力水平較低時，聲發射事件隨壓應力的漸增沿自然裂隙面產生，當壓應力接近峰值強度時，聲發射事件主要產生在裂隙面末端；趙小平［7］通過預加載制備了裂隙煤巖試件，并研究了單軸加載破壞過程中的聲發射現象，并提出定量指標b值描述聲發射事件最大振幅的分布規律，煤巖內部所含裂隙越多，b值越大，破壞裂隙擴展所受的阻礙越大。

本文以不同傾角節理試件為研究對象，開展單軸壓縮條件下的聲發射試驗，研究了單軸壓縮條件下單一節理巖體的聲發射特性。

2 試驗方案

2.1 節理試樣制備

本次試驗以砂巖為研究對象，單一節理試樣為圓柱體，直徑φ×高度H=50mm×100mm。節理試件由完整試件切割、經石膏黏接而成，節理角度設計為0°，30°，45°，60°，90°，試件如圖1。

圖1 單一節理試件

2.2 聲發射試驗

聲發射試驗采用美國物理聲學公司（PAC）研制的高性能聲發射系統（PCI-2）。測試過程中，需在試件上、下兩端10mm處各布設2個傳感器，并設置上下兩組傳感器相互垂直，確保4個傳感器不在同一平面，傳感器安裝如圖2。

圖2 傳感器安裝

本次聲發射試驗需與單軸壓縮試驗同步進行，巖石力學試驗系統采用中國科學院武漢巖土力學研究所研制的數字控制式電液伺服試驗機 （RMT-150C），試件安裝如圖3。試驗中所采集的信號是試件受力變形、裂紋擴展及破壞所產生。

圖3 試件安裝

3 聲發射試驗結果分析

試驗中所采集的試件應力應變曲線、聲發射試驗累計撞擊數和累計能量參數變化曲線如圖4、圖5。

圖4 撞擊數變化曲線

圖5 能量變化曲線

結果表明，受節理影響不同傾角試件的應力應變曲線有較大差異，這與其破壞模式有關。0°，30°，90°節理試件為貫穿節理的軸向張拉劈裂破壞，如圖6。應力應變曲線呈現為脆性破壞特征，有明顯的應力陡降階段，且峰值強度較大，約為40MPa；45°，60°節理試件為沿節理面的剪切破壞，應力應變曲線呈現為延性破壞特征，應力緩慢降低，峰值強度較低，分別為4MPa和1.7MPa。

圖6 節理試件破壞模式

聲發射試驗累計撞擊數和累計能量與試件變形破壞過程一一對應，其曲線斜率代表試件內部微小結構的破壞數量，斜率大表示微小結構的破壞數量多，反之，說明微小結構的破壞數量少。隨著應力不斷增加，0°，30°，90°節理試件的累計撞擊數和累計能量緩慢增加，達到峰值強度時，計撞擊數和累計能量驟增并達到極值；45°節理試件的累計撞擊數和累計能量隨應力緩慢增加，當該試件進入彈性變形階段，累計撞擊數和累計能量快速持續線性增加；在彈性變形中段前，60°節理試件的累計撞擊數和累計能量與應力變化規律一致，之后緩慢增加。

根據節理試件變形破壞特點，可將其聲發射過程分為3個階段，即初始壓密及上升區、峰值區、平穩區。

3.1 初始壓密及上升區

節理試件在軸向荷載作用下，試件內部微裂紋、裂隙受壓縮閉合及擴展而變形，此階段產生少量聲發射事件并呈小幅上升趨勢；0°，30°，90°節理試件持續到峰值強度之前，而45°，60°節理試件持續到彈性變形階段。

3.2 峰值區

節理試件內部裂紋貫通形成較大裂紋，聲發射事件急劇增加；0°，30°，90°節理試件的聲發射事件驟升至最大值，45°節理試件的聲發射事件持續增加，而60°節理試件的聲發射事件趨于穩定。

3.3 平穩區

試件破壞后，聲發射事件迅速消失，0°，30°，90°節理試件的聲發射事件累計曲線趨于平穩。

4 結語

（1）受節理影響，不同傾角節理試件的應力應變關系有較大差異，這與其不同破壞模式有關。

（2） 巖石變形破壞過程中的應力應變關系與其聲發射特性一一對應，聲發射過程中的撞擊數和能量代表試件內部微小結構的破壞數量。

（3）節理試件的破壞模式不同，導致節理試件的聲發射特性具有明顯的差異。