單軸壓縮作用下巖石脆性破裂機制的聲發射識別*

范財源，孟范寶，2，劉金鋒，2，3

1.中山大學地球科學與工程學院，廣東 珠海 519082

2.廣東省地球動力作用與地質災害重點實驗室，廣東 珠海 519082

3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519082

巖石的脆性破壞是工程地質災害中的重要問題，識別其破壞機制有助于災害防治。巖石在單軸壓縮條件下表現出多種破裂模式（Basu et al.，2013；Yin et al.，2018），其中軸向劈裂和剪切破壞作為常見破壞形態（伍法權等，2021），其破裂機理已被研究多年（Peng et al.，1972；Ba?ant et al.，1997；Szwedzicki，2007；Fakhimi et al.，2015）。由于巖石內部存在著大量孔隙、礦物解理和原生裂隙等可能缺陷，其變形破壞被認為是內部微裂紋發育、擴展、匯聚直至宏觀斷裂的過程（肖洪天等，2001），微觀不連續性（Lei et al.，2004；Mahabadi et al.，2014）和應力誘發的微破裂（Li et al.，2015）對巖石試件的破裂模式有重要影響。巖石的軸向劈裂現象被認為是原始裂紋缺陷發生剪切破裂（Ⅱ型裂紋）時，張拉裂紋（I 型裂紋）在尖端成核并呈翼型形態擴展的結果，翼型裂紋擴展朝著壓縮應力軸增長，形成軸向貫通面（Holzhausen et al.，1979；Horii et al.，1985）。數值模擬表明（Fakhimi et al.，2015），軸向劈裂破壞也受控于單軸壓縮試驗中加載板的剛度、巖石試件與加載板之間的摩擦系數等條件。剪切破壞則被解釋為一系列小尺度翼型裂紋擴展并出現匯聚作用的結果（Horii et al.，1985），是張拉微裂紋發育、擴展、匯聚的宏觀表現（Healy et al.，2006）。Li et al.（2015）對巖石單軸壓縮過程進行了三維多尺度高分辨率數值模擬，破裂模式形態學的詳細研究支持了這一觀點。然而，已有的破裂機理模型和數值模擬研究，缺少實驗室試驗中真實巖石試件破壞過程的詳細認識和驗證。

聲發射是巖石內部微破裂行為以彈性波形式釋放應變能的現象，為識別巖石材料變形過程中的微破裂行為和破裂機制提供了豐富的信息（Lock‐ner，1993）?；诼暟l射定位技術，Townend et al.（2008）和Fortin et al.（2009）研究了常規三軸條件下砂巖表現出脆性剪切斷裂和延性壓實帶等破壞模式（Wong et al.，2012）的微破裂空間分布特征?；诼暟l射裂紋信息參數RA 與AF 值（Ohno et al.，2010；Aggelis et al.，2011）和矩張量反演的震源機制解（Ohtsu，1991），王春來等（2019）研究了砂巖試件的單軸壓縮變形過程，認為存在3 個裂紋演化階段，前兩個階段以張拉裂紋發育為主，最后階段以剪切裂紋發育為主，并主控試件破壞。儲超群等（2021）發現花崗巖在單軸壓縮變形過程中，張拉裂紋所占百分比增加，主控了試件巖爆破壞。Zhao et al.（2021）和Yao et al.（2019）分析了砂巖和煤巖表現出不同破裂模式時的裂紋類型差異，表明剪切破壞為特征的試件在變形過程中有最多的剪切裂紋聲發射信號。這些研究表明，基于聲發射信號的裂紋類型提取與巖石試件破裂模式之間有較高一致性，有效提高了對巖石內部微裂紋發育特征和破裂機制的認識。

然而，采用聲發射定位技術（Lockner et al.，1991；艾婷等，2011；李天斌等，2015）和矩張量反演方法（王春來等，2019；儲超群等，2021）識別巖石的破壞過程及其破壞模式，依賴于多個傳感器（至少需4 個傳感器）的聲發射信號監測，其實驗操作及數據處理過程較為復雜（Ohtsu，1991），如何使用單個傳感器監測數據有效識別巖石的破壞模式則成為一個重要研究方向（Du et al.，2020；Zhang et al.，2020）。其中，僅依賴于一個傳感器監測數據的RA-AF 裂紋分類準則在理解破壞模式研究中被廣泛應用（Yao et al.，2019；Zhao et al.，2021），但當前仍局限于計算巖石變形過程中不同階段的裂紋信號數量或占比（Triantis，2018；Mu?oz-Ibá?ez et al.，2021；儲超群等，2021），以此獲得大致的裂紋發育過程，這種階段劃分具有一定主觀性且可能忽略了脆性劇烈破壞短暫過程中的裂紋發育行為。此外，單軸或三軸壓縮條件下巖石脆性剪切破壞過程被推測存在張拉微裂紋大量發育及其相互作用（Li et al.，2015；Healy et al.，2006），但缺乏更多的實驗觀測驗證。因此，有必要提出有效的聲發射方法，區分識別巖石破壞前的關鍵微裂紋發育過程，并輔助識別軸向劈裂破壞與剪切破壞（Basu et al.，2013；伍法權等，2021）。

砂巖（鄒才能等，2012）和花崗巖（Zhang et al.，2019）作為重要資源儲層巖石，不同條件下的力學特性與破壞機制已有大量研究，然而在單軸壓縮條件下，其破裂機制仍未被較好地識別，特別是如何基于聲發射信號進行識別。因此，本文針對這兩種巖石進行單軸壓縮實驗，并使用聲發射技術監測巖石變形破壞過程。在分析了常用聲發射特征參數的基礎上，基于RA-AF 裂紋分類準則提出一種簡單有效的分析方法，即裂紋分類參數累計曲線法，以期更好地推斷并識別巖石變形過程中的張拉裂紋和剪切裂紋發育行為，從而理解巖石脆性破裂機制。

1 樣品與實驗

本文使用砂巖和花崗巖圓柱體樣品各至少4個進行實驗和分析，重復樣品實驗結果相似，選擇代表性樣品展示裂紋分類參數累計曲線法的有效性以及關于破壞模式識別的新見解。砂巖樣品高度56.9 mm，直徑25.0 mm，密度2.21 g/cm3，孔隙率為17.5%，縱波波速為2 488 m/s。其礦物成分以石英、高嶺石和鉀長石為主，含少量黑云母?；◢弾r樣品高度50.2 mm，直徑24.9 mm，密度2.65 g/cm3，孔隙率為0.6%，縱波波速為5 001 m/s。其礦物成分以鈉長石、鉀長石和石英為主，含少量金云母。試件高徑比及加工精度滿足《工程巖體試驗方法標準》（GB/T 50266—2013）。試驗加壓設備采用MTS E45.305型號萬能材料試驗機，最大荷載300 kN，試驗采用0.005 mm/s位移速率（蘇承東等，2009；劉泉聲等，2018）加載，直至試件破壞。試件應變由電阻應變片測量，試件表面粘貼4對豎橫應變片，取測量均值得到軸向應變ε1和橫向應變ε2，根據εv=ε1+ 2ε2得到體積應變εv。聲發射監測采用北京軟島時代科技有限公司研發的DS5-8型號聲發射儀，采集試件變形過程中內部的微破裂信號。用硅脂在試件兩側各黏合固定1 個RS-2A 型傳感器，中心頻率為150 kHz，頻率范圍為50～400 kHz。前置放大器設為40 dB 增益，信號采樣率為3 MHz。依據測試結果，聲發射信號背景噪音小于5 mV，精度足以滿足本研究需求。原始波形經50～400 kHz 帶通濾波（與傳感器頻帶一致），提取參數時砂巖試件的門檻值設置為20 mV，花崗巖試件則設置為35 mV。采用兩個傳感器通道可避免某一個傳感器在試驗過程中出現松動而信號缺失，下文無特別說明時，以其中一個通道的數據進行分析展示。

2 巖石的脆性破裂差異

砂巖和花崗巖的應力應變曲線見圖1，其中砂巖受力變形過程表現出典型的壓密、彈性段、微破裂穩定至非穩定發展特征，在應力達到峰值后迅速破壞，表現出典型脆性破壞特征。砂巖峰值強度為29.1 MPa，花崗巖為178.2 MPa。相比砂巖，花崗巖強度高約6 倍，軸向應變曲線更加線性，表現出更強的脆性，體積應變則在更高的應力水平才發生膨脹行為。實驗后兩個試件的破裂形態不同（圖2），砂巖表現出單斜面剪切破壞，花崗巖則為軸向劈裂破壞。由于花崗巖分裂為多個試件塊（圖2b 花崗巖為試件塊拼湊而成），其斷裂帶形態的顯微觀察意義不大，因此僅對砂巖垂直剪切斷裂帶的縱剖面進行薄片顯微觀察（圖3）。砂巖的剪切斷裂帶存在典型的翼型張拉裂紋擴展形態和具有位移錯動特征的礦物剪切形態，可觀察到長石礦物斷裂，而石英顆?；颈３滞暾?。

圖1 砂巖和花崗巖試件的單軸壓縮應力-應變曲線Fig.1 The stress-strain curves under uniaxial compression loading for sandstone and granite samples

圖2 單軸壓縮破壞后巖石照片Fig.2 Photographs of the failure samples after uniaxial compression showing (a) shear faulting of sandstone and (b) axial splitting of granite

圖3 破壞砂巖縱剖面的剪切斷裂帶顯微形態（正交偏光）Fig.3 Microscopic images of the sandstone failure sample under orthogonal polarized microscope, showing wing cracks and mineral fractures in the shear fracture zone

盡管砂巖和花崗巖的應力應變曲線有一定差異，表明了巖石內部微破裂過程不同，但不能明確揭示破裂模式差異的本質。因此，下面將基于單軸壓縮實驗過程中的聲發射監測，分析識別兩種破裂模式背后的機制差異。

3 聲發射特征參數演化

聲發射基本特征參數包括幅值、撞擊數、能量和頻率等，反映了巖石變形過程彈性能釋放產生的聲波的多個維度特征，且參數之間具有一定相關性（張艷博等，2016）。由于撞擊數直接反映了巖石內部微破裂的活動特征，因此以撞擊數參數為例進行分析。圖4展示了砂巖和花崗巖在單軸壓縮過程中的聲發射累計撞擊數和撞擊率（每秒內的撞擊數）結果，表明砂巖和花崗巖有相似的撞擊數信號增長趨勢。隨著軸向荷載的增加，累計撞擊數在前期較長時間內增長緩慢，撞擊率較低，表明巖石內部微破裂活動非常少，大致對應了裂隙壓密和彈性變形階段。隨后撞擊率以指數線性趨勢增長，累計撞擊數以非線性趨勢逐漸快速增長，指示了巖石從穩定裂紋發育到不穩定裂紋發育的微破裂活動特征。在巖石破壞后，累計撞擊數不再快速增長，保持穩定。

圖4 砂巖和花崗巖軸向應力與聲發射撞擊數信號的響應Fig.4 Development of axial stress and AE hits (and hit rate)with loading time measured for(a) sandstone and (b) granite samples

累計撞擊數反映了微破裂活動的數量，圖4顯示花崗巖破壞后累計撞擊數比砂巖高約11 倍，表明在單軸壓縮過程中花崗巖內部的微破裂活動比砂巖更為強烈。這種差異可能源于巖性及結構的差異，花崗巖為結晶巖，且以長石和石英等硬質礦物為主，變形主要伴隨礦物晶內或粒間微裂紋發育，微破裂釋放的彈性波更易傳播并被監測。而后者為沉積巖，高嶺石黏土礦物形成的膠結結構（見圖3）一定程度上降低了礦物粒間或晶內微破裂，彈性波釋放繼而減少。然而，由于撞擊數增長過程相似，破裂機制的差異不能被闡明。

為進一步分析微破裂活動差異，采用描述破裂活動震級-頻度關系式（Scholz，1968a）的b值參數表征巖石試件破壞過程。b值指示了一定時間內巖石內部微破裂活動的強弱。b>1 表明此時間段微破裂活動尺度較小且穩定，b<1 則表明大尺度微破裂信號占比大，微破裂相互作用劇烈，常作為巖石失穩破裂的前兆（Lei et al.，2000）。采用最大似然法評估b值及其標準誤差(Shi & Bolt, 1982)，計算方法見公式（1）和（2）。計算窗口取撞擊數總量的10%，即砂巖為245 個，花崗巖為2 890 個，移動步長為窗口的一半。

式中b為估算參數；e 為自然指數，Mˉ為信號窗口內的平均震級（震級M以A/20 作為替代，A為信號幅值），Mc為最小震級，Mi為信號窗口內第i個信號的震級，σb為b值標準誤差，n為計算窗口撞擊數。

巖石臨界失穩前的破壞過程對破裂模式有重要影響（Davidsen et al.，2021），因此基于圖4 的撞擊數結果，在圖5 僅展示了2 個試件在臨近峰值以及峰后區域的b值和能率（每0.5 s 聲發射信號的能量和）?？傮w上，砂巖（圖5a）的b值相比花崗巖（圖5b）更高，能率則更低。砂巖和花崗巖的b值在誤差線范圍外均顯示出先小幅下降（見圖中箭頭標記，其中花崗巖有2 次）再上升的過程，最終在破壞前大幅降低至1 以下，即砂巖b值從1.56（±0.10）降低至0.85（±0.05），花崗巖b值從1.13（±0.02）降低至0.70（±0.01）。能率與b值下降有很好的對應關系，b值下降時，能率升高，并在b值大幅降至最低時，能率增至最大。因此，每一次b值下降代表大尺度微破裂活動增多的同時，也指示了微破裂釋放的彈性能增大。b值和能率隨加載時間的變化表明了砂巖受力變形過程伴隨的微破裂活動尺度相比花崗巖更弱。兩者在破壞前局部區域臨近失效的裂紋缺陷產生一次或兩次相對大尺度的微破裂活動，但試件整體變形仍然保持穩定。當臨近破壞時，b值降到最低，高震級高能量的微破裂活動顯著增加，劇烈的裂紋擴展、匯聚作用形成宏觀貫通面，導致試件完全失穩破裂。

圖5 砂巖和花崗巖臨近峰值應力及峰后的b值和能率特征Fig.5 Development of axial stress, energy rate, and b value with loading time at an interval between near and post failure measured for (a) sandstone and (b) granite samples

前人對巖石破壞失穩前b值下降現象的物理機制已有一定認識（Lei et al.，2000；Wu et al.，2017；Huang et al.，2021），一種可能的物理過程是微裂紋從張拉型為主轉為剪切型為主（Lei et al.，2000），大量微裂紋信號在時空分布中存在團簇現象（李浩然等，2014；Davidsen et al.，2021），并以剪切帶的形態出現（Wu et al.，2017）（圖6）。然而，本文花崗巖存在顯著b值下降卻表現為宏觀軸向劈裂破壞，因此該物理解釋并不具有唯一性。另一種合理解釋（Lei et al.，2000）是巖石處于不穩定受荷變形狀態時，裂紋擴展相互作用顯著增強，從而導致短時間內大尺度裂紋擴展、匯聚行為增多，表現為b值下降，而與裂紋類型和空間團簇特征無關。因此，盡管b值演化及其可能物理機制顯示了兩種巖石的微破裂活動的強度變化，但沒有顯著特征揭示出破裂機制的差異。下面將基于聲發射信號的裂紋類型，提出一種分析微裂紋發育過程的有效方法，以識別砂巖剪切破壞和花崗巖軸向劈裂破壞的機理差異。

圖6 不同b值狀態下微破裂（實心點）空間分布特征示意圖（根據Wu et al.,2017修改）Fig.6 Schematic diagram of spatial distribution of microcracks (indicated by dot) in deformed rock at different b values (after Wu et al.,2017)

4 微裂紋發育過程的聲發射識別

4.1 裂紋分類參數累計曲線法原理

巖石內部的微裂紋行為可簡化為張拉裂紋（I型）和剪切裂紋（II 型），兩種裂紋的發育過程對宏觀破裂有重要控制作用。聲發射信號攜帶著聲發射震源特征，基于多通道監測的簡化矩張量法可反演震源的時空位置和破裂類型（Ohtsu，1991），從而認識巖石破壞過程和控制機理（Lockner et al.，1991；Lockner，1993；Lei et al.，2000；Davidsen et al.，2021）。然而，矩張量方法依賴于多傳感器監測且其處理方法復雜。部分學者探究了如何基于單個通道聲發射數據分析巖石的破壞過程（Yao et al.，2019；Zhao et al.，2021），基于宏觀特定斷裂（剪切或張拉）過程的識別和聲發射信號的比對，發現張拉裂紋具有低RA 值（上升時間/幅值，ms/V）和高AF 值（振鈴計數/持續時間，kHz），而剪切裂紋具有高RA 值和低AF 值（Ohno et al.，2010；Aggelis et al.，2011），并提出RA-AF 裂紋分類準則識別聲發射信號裂紋類型，其示意圖見圖7。該簡化裂紋分類方法的有效性得到了矩張量反演結果的驗證（Ohno et al.，2010；王春來等，2019；儲超群等，2021），因此也廣泛應用于分析裂紋發育過程（Yao et al.，2019；Zhao et al.，2021）。

圖7 RA-AF裂紋分類方法示意圖Fig.7 Schematic diagram showing RA-AF crack classification(RA: rise time/amplitude, AF:count/duration)

然而，分隔線的選擇直接影響裂紋類型的識別（圖7），多位學者做了深入分析（Du et al.，2020；Zhang et al.，2020；Zhu et al.，2022）。Ohno et al.（2010）對比了矩張量反演和RA-AF 參數法，表明RA∶AF=1∶200 可獲得最準確的裂紋分類結果。Zhang et al.（2020）最近提出使用聲發射主頻特征獲得RA∶AF 分隔線的最佳值，表明壓縮條件下脆性巖石的分割線應在1∶100～1∶500 范圍中選取。因此，本文選擇1∶200分割線將聲發射信號劃分為兩種裂紋類型，該依據已在頁巖（Meng et al.，2016；Wang et al.，2017）和花崗巖（Dong et al.，2021）等巖石脆性破壞中得到應用。

在上述RA-AF 裂紋分類基礎上，Meng et al.（2016）提出將張拉裂紋聲發射信號標記為1，剪切裂紋聲發射信號標記為-1，按照聲發射時間序列將信號標記值累加，得到加載過程的裂紋信號累計求和結果。Meng et al.（2016）將其與軸向應變相聯系，發現在臨近破裂前累計和降低至負值，進而判斷該時期巖石試件最終受剪切裂紋控制破壞。然而該方式僅能顯示裂紋發育趨勢，不能闡明張拉和剪切裂紋對巖石變形破壞的主控作用及其如何轉變。因此，本文在Meng et al.（2016）的基礎上提出裂紋分類參數累計曲線法，將累計和繪制在累計撞擊數（非時間維度）作為橫軸的空間域中，累計撞擊數代表微裂紋行為的先后序列維度，累計和趨勢顯示了張拉裂紋和剪切裂紋的數量增長特征，反映出兩種裂紋的競爭發育過程，因此能夠識別兩種微裂紋在發育、擴展、匯聚等整個過程中對巖石變形的主控作用。

圖8 顯示了裂紋累計曲線可推斷出的5 種裂紋發育過程，依據斜率k值大?。?1 ～ 1），依次為：

圖8 裂紋分類參數累計曲線示意圖Fig.8 Schematic diagram of crack cumulative summation curve showing inversed five types of microcrack developments with different k values

A）k=1，純張拉型裂紋發育，即巖石變形過程中僅有張拉裂紋發育，沒有剪切裂紋發育；

B）0

C）k=0，均衡裂紋發育，即兩種裂紋發育速率相同，裂紋信號數量也相當，對試件變形的貢獻相同；

D）-1

E）k=-1，純剪切型裂紋發育，即巖石變形過程中僅有剪切裂紋發育，沒有張拉裂紋發育。

因巖石具有較強的異質性，受力變形時兩種裂紋常共存共同發育，可以推測上述A和E型過程在單軸壓縮條件下很難存在，B～D 型過程則是主要形式。此外，該累計曲線在微裂紋活動先后序列中獲得，而試件內部微裂紋的時空分布具有一定隨機性（Scholz，1968b；Davidsen et al.，2021），在曲線局部放大時將呈現增加和減小交替的過程（見圖8 綠色波浪線），這種微小浮動不具有良好穩定的指示作用，因此不作為微裂紋發育特征過程的識別依據。

4.2 微裂紋發育過程分析結果

砂巖和花崗巖試件張拉裂紋和剪切裂紋信號累計數量隨著加載時間的演化分別見圖9a和圖9b，為分析臨近破壞過程，圖中僅展示臨近峰值以及峰后區域。兩種裂紋的數量在砂巖和花崗巖變形過程中均在非線性增長，且張拉裂紋數量保持超過剪切裂紋。計算表明，整個破壞過程中砂巖張拉裂紋信號占比70%，剪切裂紋信號占比30%，而花崗巖則分別為88%和12%，張拉裂紋占比均大于剪切裂紋，但在巖石破壞前的一定時間內，兩種裂紋信號的相對發展需要進一步確認。

圖9 砂巖和花崗巖的聲發射微裂紋信號計算結果Fig.9 Calculation of microcrack signals for sandstone (a, c) and granite (b, d)

圖9c 和圖9d 分別顯示了砂巖和花崗巖在受力變形至破壞整個過程的裂紋分類參數累計曲線結果。砂巖以峰后A 和B 點為分界劃分為3 個特征階段（對應應力階段見圖9a），花崗巖則以峰前A′點為分界劃分為2 個特征階段（對應應力階段見圖9b）。砂巖OA 段包括整個峰前和短暫峰后階段，累計曲線保持線性增長，斜率k=0.66（擬合相關系數R2=0.99）。在AB 段k值從0.66降低至0，累計曲線以非線性趨勢增長。在BC 段k值從0 緩慢降低至?0.37（R2=0.97），累計曲線以非線性趨勢降低。根據圖8 的5 種微裂紋發育過程示意圖，砂巖經過了穩定的張拉裂紋發育主控階段、削弱的張拉裂紋發育主控階段（即剪切裂紋發育在增強）和增強的剪切裂紋發育主控階段?；◢弾r累計曲線在O′A′段斜率k=0.83（R2=0.99），保持線性增長；在A′B′段（含短暫峰后）k值從0.83 降低至0.50（R2=0.99），以非線性趨勢增長，表明花崗巖經歷了穩定的張拉裂紋發育主控階段和削弱的張拉裂紋發育主控階段。根據上述特征階段劃分，分段裂紋信號占比計算顯示，砂巖剪切裂紋信號占比在OA、AB 和BC 段分別為19%、30%和58%（見圖9a），花崗巖剪切裂紋信號占比在O′A′和A′B′段分別為9%和16%（見圖9b標注），表明砂巖剪切裂紋主控階段同時對應了剪切裂紋信號占比超過張拉裂紋，這進一步證明了裂紋分類參數方法的有效性，很好地解釋了砂巖表現為剪切破壞而花崗巖為劈裂破壞的宏觀特征。

相比花崗巖，砂巖在第1階段張拉裂紋發育對變形的主控作用更弱（斜率為0.66，小于0.83）；反之，剪切裂紋發育則稍強。在第2階段張拉裂紋和剪切裂紋共同發育并競爭的過程中，砂巖的剪切裂紋發育增強至與張拉裂紋相當的水平，而花崗巖僅有小幅增強，最終在張拉裂紋主控階段發生劈裂破壞。砂巖則完全進入第3階段，剪切裂紋發育對試件變形破壞發揮主控作用，與宏觀剪切破壞特征一致，分段裂紋信號占比也支持了這一推斷。

因此，裂紋分類參數累計曲線法推斷顯示了砂巖和花崗巖整個受力變形過程中張拉裂紋和剪切裂紋的發育過程，累計曲線的斜率指示了兩種裂紋發育對巖石變形的控制作用，斜率的變化能夠清楚識別不同的裂紋發育主控階段之間的轉變，有效識別了砂巖和花崗巖表現出不同宏觀破裂模式的微觀裂紋發育過程差異。分析結果表明，剪切裂紋發育增強并最終能否對巖石變形發揮主控作用（即是否存在砂巖裂紋累計曲線的BC 段），是巖石脆性破壞表現出單斜面剪切斷裂或劈裂的判別依據。然而，該觀點僅建立在砂巖和花崗巖多個單軸壓縮的實驗數據上，累計曲線的k值變化對二者破壞模式的反映具有普適性，對于其他巖石是否仍然適用，仍需更多試驗研究。

此外，砂巖剪切裂紋發育主控階段僅短暫存在于峰后臨近破壞前，在此之前試件變形長期受張拉裂紋發育主控，指示出強烈的剪切裂紋發育可能是長期張拉裂紋發育的結果，大量張拉裂紋相互作用促進剪切裂紋的劇烈發育。圖3破壞后砂巖的顯微結構也顯示剪切帶由翼型張拉裂紋組成，暗示張拉裂紋對形成宏觀剪切斷裂的促進作用。因此，基于微觀結構特征，結合本文方法的推斷結果，支持了張拉微裂紋大量發育并相互作用促進剪切裂紋發育，繼而導致宏觀剪切破壞的破裂過程模型（圖10）。

圖10 破裂過程示意圖（修改自Li et al.,2015），顯示張拉微裂紋相互作用誘發宏觀剪切裂紋Fig.10 Schematic illustration of fracturing process(after Li et al.,2015), showing that the macro shear fracturing is induced by tensile microcracks interaction

5 結 論

為識別巖石的脆性破裂機制，本文結合應力?應變、微觀觀察和聲發射數據，對比了多種聲發射參數特征，對砂巖和花崗巖在單軸壓縮條件下的變形破裂過程和破裂機制進行了詳細分析，得到以下結論：

1）單軸壓縮后，砂巖和花崗巖分別表現為單斜面剪切破壞和軸向劈裂破壞，微觀結構顯示砂巖剪切帶由翼型張拉裂紋組成。聲發射撞擊數、b值和能率參數表明，變形過程中花崗巖的微破裂活動相比砂巖更加劇烈，但和應力應變數據類似，無法識別出兩種巖石的破裂機制。

2）基于聲發射RA-AF 裂紋分類準則，首次提出了裂紋分類參數累計曲線法，依據曲線斜率變化，可推斷出完整的5 種裂紋發育過程。分析表明，砂巖經歷3個階段：穩定的和削弱的兩個張拉裂紋主控階段，以及增強的剪切裂紋主控階段，而花崗巖僅經歷了前2個階段，這種階段差異有效區分了宏觀剪切破壞和劈裂破壞。因此，裂紋分類參數累計曲線法彌補了當前識別巖石破裂機制的聲發射單通道參數方法空缺，為研究復雜應力條件下巖石的破裂過程提供了簡單途徑。