預制節理巖體卸荷損傷破壞機理及聲發射特征試驗研究

曹吉勝 ，戴前偉 ，馬德鵬

(1. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083；2. 中南大學 有色金屬成礦預測教育部重點實驗室，湖南 長沙，410083；3. 中國煤炭科工集團重慶研究院有限公司，重慶，400037；4. 山東農業大學 水利土木工程學院，山東 泰安， 271018)

1 試驗方案

1.1 試件制備

試驗所用巖塊為山東濟寧礦區的砂巖，巖石無可見的裂隙、節理，質地較均勻，在煤礦井下挑選出大塊巖石后密封包裝，運抵實驗室之后進行取樣加工，按照巖石力學實驗要求，用取芯機鉆取巖芯，經過切割、打磨制備成直徑×高度為50 mm×100 mm的圓柱型試件。而后采用機械加工法制備巖樣的節理。首先，在試件表面鉆取直徑為2 mm的貫通圓孔；而后，采用鋼絲鋸穿過圓孔進行切割，形成長度為22 mm、傾角為45°、寬度為1 mm左右的節理。節理切割后用石膏進行填充，制備的試驗試件如圖1所示。

圖1 巖樣示意圖Fig. 1 Sketche of rock sample

1.2 試驗方案

試驗采用 MTS815.02 型電液伺服巖石力學試驗系統及AE21C聲發射試驗系統，試驗系統可以滿足多種復雜路徑下的試驗需求，具體的試驗方案見表1。

1)常規三軸試驗。采用應力控制的方式增加圍壓，即按靜水壓力條件逐步施加圍壓至設定值10 MPa；保持圍壓恒定，采用位移控制的方式提高軸壓至巖樣破壞，軸向位移加載速率為2 μm/s。

2)三軸卸圍壓試驗。按照靜水壓力條件逐步施加圍壓σ3至10 MPa；保持圍壓σ3不變，通過應力控制的方式提高軸壓σ1至巖樣常規三軸壓縮峰值應力的80%；采用位移控制方式繼續增加軸壓σ1，同時圍壓σ3以0.05 MPa/s的速率卸除直至巖樣破壞；破壞后，立即停止卸圍壓，沿軸向繼續加載至巖樣的殘余強度。

表1 試驗方案Table 1 Experimental scheme

在進行力學試驗的同時，應用聲發射監測系統全過程監控采集巖樣在試驗過程中的聲發射信息。聲發射參數如下：采樣頻率為10 MHz，增益為30 dB，門檻值為35 dB。

2 試驗結果分析

2.1 應力?應變曲線分析

圖 2所示為完整巖樣和節理巖樣在圍壓10 MPa下的常規三軸壓縮及三軸卸荷條件下應力?應變曲線。從圖2可以看出：不同巖樣在常規三軸壓縮及三軸卸荷試驗條件下，應力?應變曲線的變化趨勢大致相同，包括壓密階段、彈性階段、破壞階段及殘余階段，軸向變形曲線表現出較明顯的線性段；與完整巖樣相比，節理巖樣極限強度明顯減小，巖樣在發生破壞過程中，并不是一次性破壞，存在明顯的應力降現象。每一次應力降的產生都是裂紋擴展的體現。

試驗中，節理巖體的脆性特征與完整巖樣的脆性特征相比不夠明顯，表明節理巖樣在荷載作用下，節理面位置處產生應力集中，裂紋擴展、貫通，局部破壞首先產生；巖體局部發生破壞后，荷載由其他未破壞的部分繼續承擔，當施加的載荷再次增大時，應力集中的位置又會產生破壞。如此反復進行，直到巖樣失去承載能力而發生整體破壞為止。

圖2 不同試驗條件下試樣應力?軸向應變曲線Fig. 2 Stress?strain curves under different triaxial compressions and unloading failures

與節理巖樣相比，完整巖樣在加載過程中，巖體內部受力較均勻，整體上達到極限強度的時間大致相同，應力?應變曲線在巖樣整體破壞后急劇下降，呈現出明顯的脆性跌落特征。

六是進一步完善老年教育政策保障。明確老年教育的發展方向，建立健全長效工作機制，把老年教育工作納入教育發展規劃和督導檢查內容；市、區政府相關部門齊抓共管，定期研究，協調解決老年教育有關問題；增加老年教育經費投入，建立以受教育者購買服務為主，社會資本投入為輔，政府適當補貼的機制。

2.2 變形特征分析

不論是完整巖樣還是節理巖樣，與常規三軸壓縮試驗相比，在卸荷試驗中巖樣的脆性特征較明顯。在實驗過程中發生較脆的破壞聲音，軸向應變?應力曲線在峰值后呈現出明顯的突降趨勢。

在軸向加載階段，隨著軸壓的增加應力?應變曲線呈近直線型，軸向應變的斜率小于環向應變斜率，環向應變增加速度變小，與常規三軸壓縮結果相似，此時，體積應變的變化主要受軸向應變的影響。不同類型巖樣的環向應變變化情況有一定差異，節理巖樣內部裂隙發育，巖樣環向應變斜率較小，環向變形較明顯。

卸圍壓開始后，環向應變的增加速度則明顯加大，特別是節理巖樣，體積應變與環向應變的變化規律基本相同，也開始左拐，并且增加速度越來越快，巖樣開始膨脹。

隨著圍壓繼續降低，巖樣的承載能力開始下降，巖樣發生破裂失穩。在三軸卸圍壓試驗中，隨著圍壓降低，圍壓對巖樣表面的約束作用減弱，使得巖樣卸圍壓破壞程度與常規三軸壓縮試驗結果相比更劇烈，特別是節理巖樣，其應力?應變曲線的變化趨勢與常規三軸壓縮試驗結果相比明顯不同。

2.3 強度特征分析

不同試驗條件下的試驗結果如表2所示。從表2可以看出：不同類型巖樣常規三軸壓縮試驗的強度都高于三軸卸圍壓試驗的強度，如完整巖樣在常規三軸壓縮作用下平均強度為147 MPa，而其在三軸卸圍壓作用下的平均強度為133 MPa；含有預制節理的巖樣常規三軸壓縮作用下的平均強度為102 MPa，而在三軸卸圍壓作用下其平均強度為83 MPa，上述試驗結果表明卸圍壓條件下巖樣更容易產生破裂。

根據試驗結果，計算完整巖樣、含有預制節理巖樣在常規三軸試驗與三軸卸圍壓試驗下的強度之差，可得完整巖樣及節理巖樣常規三軸強度與三軸卸圍壓強度之差的平均值分別為13.43 MPa和19.26 MPa。與常規三軸壓縮試驗相比，完整巖樣、含有預制節理巖樣在三軸卸圍壓試驗下巖樣峰值強度的平均降幅分別為9.13%和18.81%，可以看出不同類型巖樣受試驗路徑的影響程度不同，節理巖樣受應力路徑的影響最明顯，表明節理巖石試件在卸圍壓試驗時較完整巖石更易發生破壞。

表2 三軸壓縮及卸荷試驗破壞試驗結果Table 2 Test results of unloading and triaxial compression failure

3 節理巖體卸荷破壞聲發射特征分析

不同巖樣聲發射振鈴計數率曲線、振幅分布曲線分別如圖3和圖4所示。從圖3可見：不同類型巖樣在卸荷損傷破裂各個階段的規律性大致相似，可分為壓密階段、彈塑性階段、卸圍壓及破裂階段、宏觀破裂階段。

在壓密階段中，與常規三軸壓縮試驗相似，巖樣內部原生裂隙閉合，出現零星的聲發射現象，振鈴計數率一般在10次/s以內，其頻度和能量都很小。隨后，巖樣進入彈塑性階段。在該階段前期，聲發射活動也很微弱，隨著軸向應力增加，內部能量積聚，巖樣內部原生裂隙擴展，出現聲發射現象，但總體上仍然微弱，振鈴計數率為200次/s左右；在彈塑性階段后期即巖樣卸圍壓前，裂紋萌生、擴展數量較多，聲發射事件數量明顯增多，與彈塑性階段前期相比，振鈴計數率增大數倍，聲發射活動進入活躍期。

圖3 巖石三軸壓縮及卸荷破壞聲發射振鈴計數率曲線Fig. 3 AE CNT curves of rock samples under triaxial compression and unloading failure

圖4 巖石三軸壓縮及卸荷破壞聲發射振幅分布曲線Fig. 4 AE amplitude distribution of rock samples under triaxial compression and unloading failure

卸圍壓開始后，圍壓逐漸減小而軸向載荷繼續增加，巖樣內部出現尺度較大、數目較多的裂紋，聲發射活動進一步增強；隨著載荷繼續增加和圍壓持續降低，聲發射事件開始減少，與活躍期相比，聲發射事件數量大幅度降低，出現一段時間的“相對沉寂”；相對沉寂期過后，巖樣達到峰值應力點，而后進入破裂階段，此時，巖樣內部裂紋開始迅速擴展、匯合、貫通，聲發射事件迅速增多，直至巖樣突然破壞，聲發射振鈴計數、能量都達到最大值，聲發射活動極度活躍。與完整巖樣不同的是：節理巖樣在破裂階段并不是一次性破裂的，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都產生突增，但除最后一次外，每次應力降對應的聲發射振鈴計數率都比前一次有所降低。此外，節理巖樣產生的聲發射振鈴強度與完整巖樣相比其強度有所減弱，表明完整巖樣卸荷破壞程度更強烈。

宏觀破裂發生后，形成宏觀破裂面，巖樣進入殘余破碎過程，振鈴計數大幅度降低。在殘余階段后期，部分巖樣的聲發射事件甚至消失。與常規三軸聲發射試驗相似，三軸卸圍壓時巖樣聲發射振鈴計數及能量出現最大值的時間均稍滯后于其峰值應力出現的時間。

對比分析完整巖樣、節理巖樣振幅幅值分布可知：由于節理巖樣裂紋較發育，因此，在常規三軸壓縮聲發射試驗中，其聲發射振幅在整個試驗中的分布范圍要比完整巖樣的大；但在三軸卸荷試驗中，常規三軸壓縮試驗與卸荷試驗的振幅分布規律基本相似。

在三軸卸荷試驗中，不同巖樣的聲發射幅值總體分布范圍為40~90 dB。在試驗開始階段，巖樣幅值的分布區間逐漸增大，幅值也逐漸增大，但變化范圍不大；卸圍壓開始后，隨著巖樣裂紋擴展，聲發射幅值分布區間開始增大，幅值峰值也逐漸達到最大；巖樣破壞后，幅值分布區間與破裂階段的分布區間基本相同，但低幅值區域明顯變密，說明此階段除了有許多大的破裂出現外，還存在一些小的破裂，使得幅值分布呈現強度大、范圍廣的規律。

4 結論

1)與完整巖樣相比，節理巖樣的破壞并不是一次性的，存在明顯的應力降現象。每一次產生應力降時，其脆性特征與完整巖樣相比不夠明顯。

2)在卸荷試驗中，節理巖樣與完整巖樣的環向應變變化規律不同。由于節理巖樣內部裂隙發育，其環向應變斜率較小，環向變形較明顯。

3)在卸荷試驗中，節理巖樣極限強度明顯比完整巖樣的小，兩者強度之差的平均值分別為13.43 MPa和19.26 MPa；與常規三軸壓縮試驗相比，不同類型巖樣卸圍壓試驗下巖樣峰值強度的平均降幅分別為9.13%和18.81%。節理巖樣受應力路徑的影響明顯，表明在卸荷試驗中節理巖樣更易發生破壞。

4)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都突增；此外，節理巖樣在卸荷試驗中的破壞程度與完整巖樣的破壞程度相比較弱。

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