含弱面巖體拉伸破壞形式及聲發射特性研究

龔彥華

（1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧沈陽 110819；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽 110819）

金屬礦山在開采過程中常遇到相對與開挖巖體較低或沒有抗拉強度的結構面，這些弱面嚴重影響了巖石結構的穩定性[1-2]。目前，關于結構面對巖體力學性能影響的研究多集中在單條或多條裂隙的力學特征等方面[3-4]，而在含軟弱面的巖體開挖過程中，軟弱面往往范圍較大，在其力學行為分析過程中，需要把其作為貫穿裂隙來研究。深入研究弱面對巖體的拉伸破壞影響，將會給含弱面采場或硐室的支護形式提供科學依據。

國內外學者針對層理弱面進行了大量的研究。Abbass等[5-6]研究了不同角度層理砂質板巖抗拉強度等力學參數。趙同彬等[7]研究了不同角度弱面節理的錨固機制。張衛東等[8]對三向應力作用下巖石的強度特征進行了分析。丁乙等[9]在摩爾—庫倫準則基礎上，建立了多弱面的巖體強度破壞準則。何俊[10]對節理，層理及斷層等弱面的破壞機理進行了分析，提出了巖體弱面在開采情況下的活化條件。

以上研究主要針對強度較高的層理弱面，而對于強度較低的含充填節理弱面的巖體的抗拉破壞特征還沒有研究。本研究針對強度較低的充填節理，為了探究其對巖體破壞特征的影響，首先利用完整砂巖預制了不同角度、深度弱面的試件，并利用石膏對弱面進行了充填；隨后探究了不同角度、深度弱面對試件強度及破壞形式的影響；最后，探究了不同角度弱面的聲發射特性及其對應的支護方式。

1 實驗概況

1.1 試樣制作

實驗試樣為砂巖，如圖1（a）所示被加工成φ50 mm×25 mm標準圓柱狀巴西劈裂實驗試件。使用金剛石線切割機對完整試件進行切割，切割線直徑為0.5 mm，切割深度分別為15 mm和10 mm，對不同深度試件進行高強度石膏進行充填，將石膏完全充填在預制裂隙內，形成如圖1（b）和圖1（c）所示的含不同角度和深度預制弱面的砂巖試件。

1.2 實驗設備

如圖2（a）所示，試驗的單軸抗拉強度采用東北大學巖石力學實驗室的YAW-100C壓力試驗機進行測定，計算機可通過負荷控制準確控制試驗的全過程。如圖2（b）所示，使用聲發射采集儀對試件進行測試，此聲發射儀器具有8個通道，門檻值設置為45，其前置放大增益為40 dB。AE通道的PDT為40 μs，AE通道的HDT為160 μs，AE通道的HLT為200 μs，傳感器表面與試件接觸的地方涂抹適量的耦合劑，以保證優質的信號采集。

2 實驗結果及分析

選取具有代表性的完整試件進行實驗研究，再對實驗試件進行深度10 mm和15 mm預制弱面，使法向應力與弱面成0°～90°不同的10個角度，弱面內充填高強度石膏，此砂巖單軸抗壓強度為97 MPa，高強度石膏抗壓強度為15 MPa，符合預制不同角度弱面的強度條件，實驗應用聲發射監測設備進行聲發射實驗，得到相應研究結果并進行實驗分析。

2.1 預制弱面強度及破壞特征研究

利用預制好的15 mm深度預制弱面的砂巖試件進行實驗，使受力方向與弱面成0°～90°不同的10個角度。通過加載可以看到含不同角度預制弱面試件在破壞過程是完全不同的，如圖3所示，為不同角度試件破壞情況。可以看出，含有不同角度試件受到拉應力后，角度較小時，試件會沿著弱面破壞，當達到一定角度后，試件只會沿著加載方向破壞。

圖4為連接度隨著弱面角度變化情況，用其來評價試件在不同角度下的破壞模式。當0°＜α＜40°時，隨著角度增加，試件破壞后沿弱面破壞的連接度越來越小，但試件會有局部沿著弱面形成破壞，破壞形式為復合型破壞；當40°＜α＜90°時，試件破壞將不會沿著弱面破壞，均直接沿著試件受法向應力方向穿過弱面直接拉伸破壞。所以加載方向與弱面成40°為試件破壞模式臨界點，當0＜α＜40°時，試件為復合型破壞，當40°＜α＜90°時，試件為拉伸破壞。

利用10 mm深度預制弱面的砂巖試件進行實驗，使受力方向與弱面成0°～90°不同的10個角度。如圖5為含不同角度深度預制弱面抗拉強度隨角度變化圖。由圖5可以看出，含10 mm預制弱面試樣隨法向應力與弱面角度不斷增大，試件所受的抗拉強度不斷增大，當達到70°時，預制弱面試件承受的抗拉強度最大，當試件在70°～90°區間時，強度隨角度的增加反而會下降。對于含15 mm預制弱面試件，當達到80°時，預制弱面試件承受的抗拉強度最大。對比分析，當預制弱面深度越大時，試件的抗拉強度峰值應力會前移；與含15 mm預制弱面相比較，含10 mm預制弱面砂巖試件所受的抗拉強度整體更大，說明含弱面深度越大，對其抗拉強度影響越大。

2.2 預制弱面試件強度與聲發射關系研究

巖體結構在受力破壞過程中會產生局部結構斷裂或失穩等現象，從而導致破裂信號的產生。圖6所示為含15 mm弱面砂巖試件的單軸抗壓強度隨時間變化的聲發射曲線圖。圖6（a）為試件法向應力方向與弱面的夾角在0°～20°時的典型代表，從圖中可以看出，剛開始試件受拉應力時，已經有聲發射撞擊率信號產生，而且聲發射撞擊率信號會達到一定峰值，說明此次試件正受壓密階段，弱面參與抗拉強度，后期聲發射撞擊率信號持續產生，達到一定強度后聲發射撞擊率迅速增長，直到到達峰值伴隨試件破壞，此時能量累積也達到峰值，此過程剛開始有明顯聲發射撞擊率信號和試件內部弱面有關，說明試件內部弱面剛開始加載就對試樣抗拉強度產生了影響，對比0°～10°試件，隨著角度增加，弱面對試件初期劣化過程影響逐漸增強；當法向應力方向與弱面的角度在70°～90°時，其對試件初期強度影響情況類似于0°～20°，但其破壞形式為拉伸破壞，隨著角度增加弱面對試件初期劣化過程影響逐漸降低。當弱面角度在30°附近時（圖6（b）），試件破壞過程中聲發射將出現頻率將出兩次現階段性下降的過程，在第二次聲發射速率下降到最低點后，其速率將會快速上升，說明其內部劣化過程具有一定的階梯型。當試樣法向應力方向與弱面成50°角度時（6（c）），可以明顯看出，從開始試件始終無聲發射撞擊信號，當接近最終強度時聲發射撞擊頻率急劇上升，試件突然發生破壞，說明其破壞具有突然性，具有一定的巖爆傾向性。當法向應力方向與弱面成60°角度附近時（6（d）），聲發射與其強度的關系，從圖中可以看出，聲發射撞擊率在加載初期急劇升高，隨后快速下降至穩定狀態，說明弱面對其試件初期強度影響較大，其破壞速度相對其他角度弱面比較緩和。

2.3 含弱面巖體支護方式研究

由以上分析可知，利用試樣在破壞過程中產生聲發射特征可以反映出含弱面巖體內部劣化的過程，基于此種原理可以指導含弱面巖體的施工過程。當弱面角度在0°＜α＜20°，70°＜α＜90°范圍時（圖6（a）），由于其在初期劣化速度明顯是低于最大強度附近速度，在聲發射撞擊率急速增加時，說明此時弱面巖體將要達到極限強度，這時需要對巖體進行加強支護。當弱面角度在30°附近時（圖6（b）），試件破壞過程中聲發射將出現頻率將出兩次現階段性下降的過程，在第二次聲發射速率下降到最低點后，其速率將會快速上升，在現場弱監測到此種類型聲發射信號，應在第二次聲發射速率下降時對弱面巖體進行支護。圖6（c）為弱面角度在50°附近時，聲發射撞擊率的特點，其破壞強度具有突然性，具有一定的巖爆傾向性，需要在受力前進行支護。圖6（d）為弱面角度在60°附近時，聲發射撞擊率的特點，其內部初期劣化速度較快，而后逐漸平穩直至破壞，這種支護方式可以選擇其劣化速度平穩后進行支護。

3 結 論

（1）通過預制不同角度深度弱面砂巖的單軸拉伸試驗，可以得到圓盤試件有2種破壞形式，40°為臨界點：當0°＜α＜40°時，試件為剪切拉伸復合型破壞，當α＞40°時，試件為拉伸破壞。同時，含相同角度試件預制弱面深度越大，試件的抗拉強度越低。

（2）弱面角度為70°時，含10 mm預制弱面試件承受的抗拉強度最大，當試件在70°～90°受抗拉時，強度又會下降。相比較含15 mm預制弱面，當達到80°時，預制弱面試件承受抗拉強度達到最大。當預制弱面深度越大時，圓盤試件承受的峰值抗拉強度會隨角度前移。

（3）當試件弱面在0°～20°時，其對試件初期劣化過程影響逐漸增強，在70°～90°其對試件初期劣化過程影響逐漸減弱，在30°附近時，其聲發射具有多次波峰、波谷現象，其內部劣化方式具有一定的階梯性，當其弱面在50°附近時，試件會發生突然破壞，具有一定的巖爆傾向性，當其弱面在60°附近時，試件會發生相對平穩的破壞；

（4）巖體受拉破壞特征與巖體弱面角度有密切關系，不同角度弱面會有不同的支護方式，進行室內含預制弱面試件抗拉強度實驗，可為含弱面巖體的現場工程施工提供指導。