單軸壓縮條件下層狀軟巖破壞過程聲發射特征研究

袁兆廷

(中鐵二十四局集團南昌鐵路工程有限公司 江西南昌 330002)

1 引言

巖石層狀特征是由于地質作用導致巖體呈現非均一性排布，部分巖體層狀特性呈現傾角分布，因此力學性質也會產生巨大差異。對于層狀巖石的研究，McLamore[1]開展了巖石在不同層狀與圍壓下的三軸壓縮試驗，提出一種用來描述層狀巖石強度性質的新準則；JAEGER[2]在研究中提出單弱面理論并發現帶有層狀傾角巖石的單軸抗壓強度總小于完整巖石。隨著后續研究的深入，TIEN等[3-4]基于前人的研究準則預制了不同傾角的層理巖石，分析傾角對巖石強度的影響，并提出相應的破壞準則。國內學者張東明等[5]基于X射線衍射技術對層理巖石進行斷層掃描測試，分析了在單軸壓縮下巖石能量耗散演化規律；陳子全等[6]通過常規單、三軸壓縮試驗，研究層理方向及含水率對千枚巖儲能和釋能機制的影響；王曉雷等[7]通過片麻巖進行不同層理性質研究，探究不同傾角對巖石破壞的影響；曾立兵[8]利用MTS landmark動態電液伺服測試系統進行石灰巖單軸循環荷載作用下疲勞試驗。

聲發射是指材料中局部受到里的作用后快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象[9]。聲發射技術可為巖石破壞損傷過程中提供試驗與數值分析提供不了的重要信息[10]。王林均[11]等通過對砂巖和花崗巖進行單軸壓縮試驗，發現巖石顆粒膠結強度等微觀性能對聲發射能量和計數有很大影響；孟令超[12]等開展單軸壓縮及聲發射測試試驗，獲取了兩種巖石的強度及變形特性，并對其脆性大小進行定量評價。因此，利用聲發射技術可有效揭示層狀層理對千枚巖力學性質的影響。但目前關于不同層狀千枚巖破壞過程的聲發射特征研究鮮有報道。

為探究層狀結構對千枚巖破壞過程中力學性質的影響，本文制備了水平、45°、豎直三種典型層狀千枚巖試樣，開展單軸壓縮條件下不同層狀千枚巖破壞過程的聲發射試驗，分析不同層狀千枚巖破壞過程中破壞特征和聲發射數量及能量演化規律，研究結果可為層狀千枚巖巖體破壞機制提供參考依據。

2 不同層狀千枚巖聲發射試驗

2.1 巖樣制備

為探究層狀千枚巖破壞過程的聲發射特征，制備三種典型層狀千枚巖，如圖1所示。巖樣制備過程嚴格遵照國際巖石力學規范要求:高100 mm、直徑50 mm的標準圓柱體。

圖1 三種層狀結構千枚巖

2.2 試驗過程

試驗采用長春市展拓試驗儀器有限公司生產的ZTRE-210微機控制巖石三軸測試系統和美國物理聲學公司(PAC)所生產的PCI-2型聲發射監測設備，聲發射傳感器為NANO-30型(信號頻率范圍為100～400 kHz)。

首先在聲發射系統中建立一個與試樣同等大小的模型，然后根據模型將聲發射探頭用膠帶固定在試樣對應點上，再通過電腦端調整試樣參數，最后對試樣進行加載。先對試樣進行預壓加載(2 kN)，然后通過荷載控制以500 N/S的加載速率加載試樣至彈性變形階段時，再以變形方式來控制加載(加載速率為0.02 mm/min)直至試樣破壞。試驗過程中，為保證結果的可靠性，每種層狀千枚巖至少進行三次加載試驗。試樣模型及加載裝置如圖2所示。

圖2 試樣模型及加載裝置

3 試驗結果分析

3.1 不同層狀千枚巖強度及變形特征分析

不同層狀千枚巖應力-應變曲線如圖3所示。黑色、紅色和藍色線分別為軸向應變、環向應變和體積應變與應力的關系。應變大于零和小于零分別代表應變收縮和膨脹。

圖3 不同層狀結構千枚巖應力-應變曲線

在加載初期，水平層狀千枚巖表現出明顯線彈性特征，彈模約為1.31×104MPa。在屈服階段，巖石開始逐漸破壞，但仍具有一定的承載力，其抗壓強度到達低點后受持續施加的荷載作用反而呈現上升態勢。在持續加載后，巖石被壓密后裂紋逐漸擴展后失穩，此時抗壓強度小于完整巖石的峰值強度。

45°層狀千枚巖在豎向變形時與一般巖石相一致，彈性模量約為1.61×104MPa。體積應變及環向應變呈現先收縮后膨脹的特性，剪切裂紋從試樣中間薄弱面開始擴展。試樣在加載過程中由于剪切力的原因，產生了薄弱部位內部空隙的收縮現象。而在部分學者看來[13]，巖石受到剪切作用時，斜向45°層狀試樣受影響最大。

與水平層狀試樣類同，在初始加載階段豎直層狀試樣呈現線彈性特征，彈模約為5.56x104MPa。塑性階段，試樣表面裂紋慢慢出現，環向應變逐漸增大，體積應變表現為先收縮后膨脹特征。由于該類巖石豎向剛度較小，受壓后內部孔隙不斷被壓密導致體積收縮。當巖石內部出去壓密狀態時，軸向應變發展受到抑制，這也就導致了環向應變的突增。

3.2 不同層狀千枚巖破壞過程聲發射特征分析

3.2.1 聲發射RA值特征

從圖4a可以看出，RA值在第一次破壞后更為活躍，可能是因為在加載初期，巖石內部結構較完整，處于較穩定狀態。隨著荷載的持續增加，巖石內部裂紋開始發育。這也導致了聲發射RA值的逐漸活躍。由于經歷過一次破壞，且荷載仍在增加，因此內部裂紋的擴展和發育達到頂峰，此時RA值的活躍程度也明顯提高不少直至最終破壞。

從圖4b曲線中可以看出，45°層狀千枚巖聲發射RA值在試樣加載全過程均保持了較低水平的波動。相較于水平層狀千枚巖，45°層狀巖石 RA值在前期較為活躍，可能是由于巖石層理構造所導致。

圖4 不同層狀千枚巖RA值及應力與時間關系曲線

3.2.2 聲發射振鈴計數特征

聲發射振鈴計數是指越過門檻信號的振蕩次數，它能反映巖石內部裂紋孕育發展情況的時序變化。從圖5a可發現，該試樣與大部分學者探究過的硬巖破壞形式不同，它并沒有呈現分階段進行特征。RA值的出現比較平均，在試樣加載全過程均有產生。

從圖5b中可看出，在加載時間171 s，試樣抗壓強度達到峰值后逐漸減小，此時試樣仍有一定的承載能力，表現出明顯的塑性特征。可認為聲發射振鈴計數的突增對于試樣的塑性階段預警有著不錯的效果。45°巖石瞬時振鈴計數的最大值在峰值強度之后，因此推測該類巖石最大裂紋的發生可能出現在抗壓極值之后。

圖5 不同層狀千枚巖振鈴計數-應力-時間關系曲線

豎直層狀千枚巖在初始時刻較為平靜，聲發射振鈴計數幾乎不產生。在臨近破壞階段時，振鈴計數逐漸變得活躍，在破壞時AE信號再次恢復平靜。在破壞后的塑性區振鈴計數再次活躍直至峰值。可以看出聲發射信號的活躍區為該類巖石的塑性階段。可認為其具有延時破壞的特征。

3.2.3 聲發射能量特征

聲發射能量特征可以用來反映應巖石在受力過程中內部能量釋放的強度。由圖6可知，水平層狀巖石累計能量在三種巖石中最高，且發射能量在巖樣受壓過程中均勻釋放。45°層狀試樣在加載全過程的能量釋放和振鈴計數增長規律保持一致，可分為線性增長、緩慢增長和快速增長三個階段。豎直層狀巖石在初始彈性階段保持平靜狀態，幾乎無能量釋放。隨著荷載持續施加，該巖樣能量開始釋放至極值。

圖6 聲發射累計能量、能量及應力-時間關系曲線

4 結論

(1)層狀傾角不同對于千枚巖的抗壓強度及變形特性影響較大。45°層狀千枚巖在加載過程中其軸向變形、環向變形和體積應變分別呈現收縮、先收縮后擴張和先收縮后膨脹的特征。而水平層狀和豎直層狀試樣表現為收縮、擴張和先收縮后膨脹的特征。

(2)三種不同層狀巖石的能量釋放均有所不同，該現象的出現均與千枚巖層狀結構相關。且三種千枚巖在破壞前期都出現了不同程度聲發射累計能量的高位釋放現象。

(3)水平層狀和45°層狀千枚巖在加載全過程振鈴計數持續釋放，在臨近破壞階段時才突增。對于豎直層狀巖石其振鈴計數的產生主要發生在塑性及破壞階段，由于存在塑性區間作為緩沖區，因此聲發射振鈴計數對豎直層狀軟巖的破壞有不錯的預警效果。