含裂隙飽水風干巖石聲發射特征試驗研究

劉 靜

河南省收費還貸高速公路管理中心，河南 鄭州 450000

在外力的作用下，巖石材料內部容易產生裂紋并擴張，進而引起能量釋放，這一過程現象便稱之為聲發射，并可通過聲發射儀探測其內部裂紋的動態演化過程。含缺陷巖石的聲發射特性是影響圍巖穩定性重要因素之一，對其的研究便顯得頗為重要。對于含缺陷巖石的聲發射特性，近年來有不少學者對其進行了研究［1-3］，也取得了一系列的成果。但對于飽水風干處理后含缺陷巖石的聲發射特性研究卻鮮有報道。基于此，本文通過對飽水風干作用后含孔洞-裂隙缺陷巖石試樣進行單軸壓縮試驗，探討裂隙形式對聲發射的影響特征。

1 試驗方案

花崗巖材料取自河南伏牛山特長公路隧道施工現場，表面無肉眼可見缺陷，采用高壓水射流切割機在加工完的板狀試樣預制孔洞-裂隙組合缺陷，如圖1 所示，其中孔洞直徑d 均為12mm，裂隙長度l 均為15mm，裂隙下尖端與孔洞上孔壁重合，裂隙傾角β 表示裂隙走向與水平方向的夾角。試驗過程中，通過改變裂隙傾角研究裂隙形式對聲發射的影響特征。

含缺陷板狀試樣加工完成后，將試樣放置在pH=6.0 弱鹽酸溶液中浸泡20d 制成飽水試樣，然后在自然狀態下風干7d。實驗過程中，采用YNS-2000 型電液伺服控制試驗系統對飽水風干作用后含缺陷花崗巖板狀試樣進行單軸壓縮試驗試，以0.01mm/min的應變速率對試樣進行加載。為記錄試樣壓縮過程中聲發射信號，在試樣左側布置聲發射探頭。

圖1 花崗巖試樣裂隙布置

2 聲發射演化特征

本文分別選取β=15°和90°的裂隙巖石試樣進行聲發射特征分析，如圖2 所示。

圖2 β=15°和β=90°裂隙試樣聲發射特征

由上圖可知，在加載的初期階段以及彈性階段，含孔洞-裂隙板狀試樣聲發射（AE）事件基本沒有發生；當應力-時間曲線開始進入非線性段時，試樣開始萌生宏觀裂紋，AE 事件出現概率較小；當軸向應力增大至峰值附近時，試樣聲發射（AE）事件出現較為密集，試樣最終發生失穩破壞。對比試樣β=90°和試樣β=15°，在達到峰前的非線性段，試樣β=15°的AE 事件頻次明顯高于β=90°試樣，可以推斷其宏觀裂紋擴展過程更為復雜。

由含裂隙試樣的單軸壓縮過程中的軸向應力和聲發射特征的相關性可以發現，宏觀裂紋的產生和擴展，都可導致AE 事件的發生以及應力的跌落。最初的壓密階段多伴隨能量積聚，試樣只有少量微裂紋產生，在這個過程中AE 事件較少；當軸向應力逐步增大至峰值時，試樣內部裂紋持續發展致密，AE 事件突增，能量劇烈釋放，試樣繼而瞬間發生失穩破壞，進一步驗證了砂巖的脆性特征。

3 結論

本文研究了飽水風干作用后含孔洞-裂隙缺陷試樣的聲發射特征，并對含不同裂隙傾角花崗巖板狀試樣進行單軸壓縮試驗，最終得到如下結論：含缺陷試樣軸向應力-應變曲線和聲發射活動表現出明顯的對應特征。在壓密段和彈性段，聲發射事件較少，伴隨著次生裂紋的萌生、擴展，聲發射事件逐漸變得活躍。