現場巖體直剪試驗聲發射特征及其破壞機制

范 雷，周火明，熊詩湖

(長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

巖體是一種復雜的介質，是由巖橋和結構面組成的混合體。巖體內部微裂紋的產生、擴展是造成巖體破裂失穩的直接因素，諸多巖體工程結構的破壞均與裂紋產生、擴展相關。

聲發射是研究脆性材料損傷演化的良好工具，能夠連續、實時地監測脆性物體內部微裂紋的產生與擴展。因此，可利用它來研究巖體的損傷、破壞過程［1－3］。近年來，對于巖石聲發射特性的研究己經有大量成果發表，如Rudajev對巖石應力－應變全過程的聲發射特征進行室內研究［4］;SETO M對巖石聲發射進行了循環加載試驗研究［5］;COX S J D研究了巖石微裂隙的形成、巖石軟化與聲發射的關系［6］;CHANG S H通過聲發射實時監測對三軸受壓狀態下巖石裂紋擴展破壞機制進行了研究［7］;張流、施良騏等對高圍壓下巖石破壞和摩擦滑動過程中的聲發射活動性進行了分析［8］;唐春安等通過數值方法對巖石的聲發射規律進行探討［9－10］;劉東燕等對含裂隙巖石受壓破壞的聲發射特性進行了研究［11］;吳剛等對巖石類材料加、卸載以及不同卸載方式的聲發射特征進行研究［12］;蔣宇等對巖石疲勞破壞過程中的聲發射特性進行了研究［13］;李庶林等對3種不同巖石單軸受壓巖石破壞全過程中的聲發射特征進行研究［14］;張暉輝等在三軸應力條件下進行了大尺度巖石(片麻巖)破壞聲發射實驗［15］;張茹等研究了花崗巖單軸多級加載巖石破壞聲發射特性［16］;余賢斌等對砂巖和石灰巖巖樣進行直接拉伸、劈裂與單軸壓縮試驗的聲發射規律進行研究［17］;趙興東等采用聲發射定位技術對巖石裂紋的動態演化過程進行了研究［18－20］;劉保縣等對重塑煤樣單軸壓縮變形損傷及聲發射特征進行了研究［21］;呂森鵬等研究了巖石破壞的全過程并進行聲發射特征分析等［22］。通過這些研究，對巖石的破壞過程已經得到了一些規律性的認識:巖石試件加載初期微裂紋的發生具有彌散特性，廣泛分布于試件體內，隨著載荷的增加，微裂紋的演化逐漸局部化——在試件的某一區域內，微裂紋密度增大，某些微裂紋可能聚合成更大的裂紋，宏觀裂紋開始形成，并且在一定的條件下擴展從而導致宏觀破壞。

但是，盡管應用聲發射對巖石破裂過程的研究取得了諸多成果，而由于受到觀測條件和設備性能的限制，實時觀測及定量分析現場工程巖體裂紋產生和擴展過程的研究還較少。本文采用美國PAC公司的最新聲發射系統，對節理巖體現場直剪試驗過程進行聲發射測試，探討了現場巖體直剪破壞過程的聲發射特性，揭示了節理巖體的破壞機制。

2 現場直剪試驗過程聲發射測試

2.1 聲發射探頭布置

現場直剪試驗結果如下:巖體巖性為隱晶質玄武巖及含斑玄武巖，斑晶及微晶為斜長石、輝石，基質為玄武玻璃，節理發育。試驗布置于洞室側壁，剪切面鉛直。試件尺寸為:長50 cm×寬50 cm×高40 cm，剪切面積2 500 cm2。

聲發射測試試驗采用美國物理聲學公司(PAC)生產的SAMOS聲發射系統，由傳感器、放大器和數據處理系統3部分組成。使用的傳感器為R6IAST一體化探頭，主頻60 kHz。通過對巖體直剪過程中聲發射信號的多通道高速采集、數據處理和實時分析，可實現聲發射信號特征參數、頻譜特性分析以及聲發射事件的空間定位分析。

由于直剪試驗巖體破裂位置主要發生于剪切面位置，因此現場共布設3個R6I－AST探頭:2個探頭布置于試樣頂面，1個布置于試樣側面。在監測聲發射信號在剪應力增加過程中變化規律的同時，對其進行平面定位。現場布置圖如圖1所示。

圖1 聲發射探頭布置圖Fig.1 Positions of AE sensors

2.2 巖體直剪試驗過程

節理巖體直剪試驗的法向應力2.65 MPa，采用千斤頂分2次施加，加荷后立即讀數，以后每隔5 min讀數 1次，當連續 2次讀數之差不超過0.01 mm時，即認為穩定。剪切荷載按預估最大剪切荷載分12級施加，每隔5 min加荷1次，加荷前后均需測讀各測表讀數。

節理巖體現場直剪試驗剪應力－剪切位移曲線如圖2所示。

圖2 剪切應力－剪切位移曲線Fig.2 Curve of shear stress vs.shear displacement

3 聲發射信號特性分析

3.1 聲發射信號時序特征

在現場直剪試驗開始施加剪切荷載時，開始對試樣的聲發射信號進行采集。整個現場直剪試驗過程共持續約4 700 s，即大約78 min左右。

試驗過程中單個探頭的聲發射信號單位時間撞擊率如圖3所示。其中主要橫坐標為剪應力，次要橫坐標軸為試驗時間，縱坐標表示聲發射信號的撞擊率。根據圖3可發現，在直剪試驗過程中每隔5 min，施加一次荷載，因此每隔300 s，聲發射信號就會有一次突發，并且隨著巖體內部應力的調整平衡，聲發射信號也逐漸消減。隨著剪切應力的增加，每級加載后聲發射信號也不斷增多，并在剪切應力達到試樣抗剪斷強度時，聲發射信號達到最多。

圖3 聲發射信號撞擊率變化曲線Fig.3 History of AE hit rate

根據試驗過程中巖體聲發射信號撞擊率的變化規律，試樣的剪切破壞過程可分為彈性變形階段、起裂階段、擴展階段和破壞階段4個階段。

3.2 巖體破壞聲發射信號頻譜特性

現場直剪試驗過程中，節理巖體聲發射信號典型波形圖如圖4所示。通過FFT(快速傅立葉變換)計算出聲發射信號的頻譜如圖5所示。

根據圖5可得，節理巖體破壞聲發射源主頻范圍為40～120 kHz。

圖4 巖體破壞聲發射信號典型波形圖Fig.4 Typical AE waveform acquired from the jointed rockmass

圖5 巖體破壞聲發射信號典型頻譜圖Fig.5 Typical AE frequency spectrum acquired from the jointed rockmass

圖6 聲發射事件累積曲線Fig.6 The cumulative curve of AE events

4 節理巖體破壞過程分析

聲發射事件定位主要是通過不同位置的傳感器拾取P(S)波到達的時間差來反演巖石破裂源位置，應用定位算法來反演聲發射事件位置，通過此時間差和位置差，應用蓋格爾算法反演聲發射源位置，進而實現聲發射事件定位。

節理巖體現場直剪破壞過程中，聲發射事件的累積曲線如圖6所示。在前400 s剪應力施加至1.73 MPa時，無聲發射事件，巖體處于彈性變形階段;當2 135 s剪應力施加至4.33 MPa時，聲發射事件較少，內部僅有極少量的裂紋產生，巖體處于微裂紋起裂階段;當試驗時間到達4 000 s，剪應力為5.63 MPa時，聲發射事件緩慢增加，巖體內部裂紋不斷擴展，巖體處于微裂紋穩定擴展階段。在此之后，巖體進入破壞階段，巖體內部聲發射事件則大量增加，微裂紋迅速擴展貫通，剪切應力達到其峰值強度。

圖7 直剪試驗過程中聲發射定位結果Fig.7 Test results of AE events location during shear test

節理玄武巖現場直剪試驗中，不同剪應力水平巖體微破裂平面定位如圖7所示。根據圖7和圖3可知，當剪切應力施加至第3級2.17 MPa時，巖體開始出現微破裂，并且微破裂位于剪切面右部，即巖體在施加剪切荷載的后端最先出現微破裂。隨著剪切荷載的增加，聲發射事件緩慢增加，并且巖體內部產生微破裂的位置也逐漸前移(圖7(b)至(g))。通過微裂紋穩定發展這一階段，微破裂基本上布滿整個剪切面。由剪切荷載施加第14級5.63 MPa開始，聲發射事件開始大量增加，微破裂發生的位置則集中剪切面局部，直至形成宏觀的破裂面(圖7(h)至(j))。施加剪切荷載5.63 MPa至5.72 MPa這一階段則對應于巖體局部破裂化過程。

試樣破壞后，剪切面狀況如圖8所示。通過試樣破壞后剪切面照片與聲發射事件定位圖對比分析，可以明確看到，在剪切面左上角，發生巖體剪切破壞，聲發射事件也最為集中。其次，在右下角也發生巖體局部剪切破壞，同樣也得到一個聲發射集中區。

圖8 試樣破壞面照片Fig.8 Photograph of the failure surface of the sample

5 結論

(1)在現場直剪試驗過程中，節理巖體聲發射現象隨著剪切應力的增加不斷增多，在剪應力達到其峰值強度前聲發射信號最多。

(2)節理巖體破壞過程中，聲發射信號的主頻范圍為40～120 kHz。

(3)節理巖體現場直剪破壞過程可分為4個階段:彈性變形階段，無聲發射事件;起裂階段，聲發射事件很少，巖體內部僅有少量的裂紋產生;擴展階段，聲發射事件緩慢增加，巖體內部微裂紋穩定擴展;破壞階段，聲發射事件大量增加，微裂紋迅速擴展貫通，巖體出現宏觀破裂。

(4)節理巖體剪切破壞過程中，施加剪切荷載的后端最先出現微破裂，并隨著剪切應力的增加逐漸向施加剪切荷載的前端靠近。當巖體進入破裂貫通階段后，微破裂則集中于剪切面局部，巖體產生局部破裂化。

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