層狀灰?guī)r各向異性力學(xué)特征及聲發(fā)射演化試驗(yàn)分析

丁 恒， 劉 兵

(1.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院， 貴陽(yáng) 550000； 2.貴州弘華地質(zhì)工程有限公司， 貴陽(yáng) 550081)

貴州層狀構(gòu)造灰?guī)r體廣泛發(fā)育，其力學(xué)強(qiáng)度表現(xiàn)出沿不同層理傾角的各向異性，為工程建設(shè)帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。在邊坡、隧道開(kāi)挖與支護(hù)，地基承載力計(jì)算，高位地質(zhì)災(zāi)害排查與處理等工程項(xiàng)目中，不可避免涉及到層狀各向異性灰?guī)r體力學(xué)強(qiáng)度方面的考量。因此對(duì)灰?guī)r體層狀各向異性的研究具有現(xiàn)實(shí)意義與生產(chǎn)價(jià)值。對(duì)此，黃春等[1]通過(guò)室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，研究了層狀各向異性灰?guī)r峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)指標(biāo)隨傾角的變化規(guī)律。趙東雷等[2]通過(guò)室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，并結(jié)合連續(xù)損傷理論，采用weibull分布，研究了白云巖損傷變量與累計(jì)應(yīng)變、層理傾角之間的關(guān)系。姚歡迎等[3]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了受載頁(yè)巖準(zhǔn)確的損傷演化規(guī)律和聲發(fā)射特征。鐘帥等[4]通過(guò)不同角度層理灰?guī)r巴西劈裂試驗(yàn)研究，分析了層理灰?guī)r的巴西劈裂強(qiáng)度及拉裂損傷各向異性。張永澤等[5]通過(guò)室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，研究了頁(yè)巖的物理力學(xué)特征及其各向異性，指出當(dāng)傾角為0°時(shí)，破壞模式為張拉破壞，當(dāng)傾角為45°時(shí)，為沿著層理面的單一剪切破壞；當(dāng)傾角為90°時(shí)，為貫穿層理面的張拉破壞。在研究巖石力學(xué)性質(zhì)的方法手段上，聲發(fā)射技術(shù)已廣泛應(yīng)用到巖石損傷監(jiān)測(cè)中，劉運(yùn)思等[6]基于單軸與巴西劈裂試驗(yàn)，結(jié)合聲發(fā)射手段研究了層狀砂巖抗拉壓應(yīng)力強(qiáng)度，破壞模式與聲發(fā)射信號(hào)之間的關(guān)系。田勇等[7]研究了應(yīng)用聲發(fā)射特征信號(hào)判斷灰?guī)r起裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力，并結(jié)合裂紋擴(kuò)展特性，定義了損傷演化區(qū)間和損傷加劇期間。牟宏偉等[8]通過(guò)室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)研究了煤巖不同節(jié)理夾角力學(xué)特性及聲發(fā)射關(guān)系。上述學(xué)者對(duì)巖石層狀各向異性做了深入細(xì)致的研究，但是在運(yùn)用聲發(fā)射手段表征層狀巖石應(yīng)力應(yīng)變破壞全過(guò)程方向上尚有一定研究空間。因此，本文在受前人研究啟發(fā)的基礎(chǔ)之上，分析了不同層理傾角聲發(fā)射演化規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.1 試樣準(zhǔn)備及試驗(yàn)設(shè)備

1.1.1 試樣準(zhǔn)備

試樣(圖1)選取貴州安順西秀區(qū)某采石場(chǎng)，地層為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1y)，中風(fēng)化薄—中厚層狀灰?guī)r，灰白色。將野外采集的巖塊按照不同的巖理傾角，采用人工制樣的方法制成直徑為 50 mm、高為100 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，定義層面傾角為α，分別按照α=0°、α=15°、α=30°、α=45°、α=60°、α=75°、α=90°進(jìn)行制樣，平行度及表面平度控制在誤差范圍內(nèi)，試樣符合巖石試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，室溫下飽和縱波波速為5.95 km/s。平均密度為2.61 g/cm3。

圖1 灰?guī)r試樣

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

單軸壓縮試驗(yàn)設(shè)備采用WAW-1000 kN型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(圖2)。聲發(fā)射系統(tǒng)采用美國(guó)物理聲學(xué)公司的PCI-2 E5.40聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)(圖3)。

圖2 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

圖3 PCI2 E5.40聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)方法

考慮到層狀巖體損傷模型的適用性，進(jìn)行了7組單軸壓縮試驗(yàn)，每組4個(gè)樣，采用位移加載方式(圖4)，加載速率為0.1 mm/min，采用球形承壓板，保證最大主應(yīng)力方向平行與試樣軸向方向。試驗(yàn)時(shí)，先對(duì)試樣進(jìn)行0.5 kN預(yù)加載，使試樣端面與承壓板及加載板充分接觸，然后進(jìn)入既定加載程序，并同時(shí)啟動(dòng)聲發(fā)射采樣系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，確保試驗(yàn)加載與聲發(fā)射時(shí)處于同時(shí)開(kāi)始與結(jié)束。

圖4 試樣尺寸及加載方式

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度分析

各層理傾角灰?guī)r應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5 各層理傾角灰?guī)r應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖5可知，試樣峰值應(yīng)力平均值與傾角的關(guān)系呈現(xiàn)出“V”字形態(tài)，在45°之前，隨著角度增加，峰值應(yīng)力減小，在45°時(shí)達(dá)到最低值，45°以后，峰值應(yīng)力隨角度增加而增大。而分析平均峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的平均應(yīng)變值可發(fā)現(xiàn)，從0°到15°，應(yīng)變呈現(xiàn)陡降，表明在0°時(shí)試樣達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)變較15°時(shí)達(dá)到破壞的應(yīng)變大，表現(xiàn)出較大“彈性”，而對(duì)比0°與90°平均應(yīng)變，相較0°，在峰值應(yīng)力接近情況下，90°試樣以更小應(yīng)變承受了更大應(yīng)力。因此在實(shí)際工程中，應(yīng)當(dāng)實(shí)際考慮工程巖體角度，巖體傾角為30°～60°時(shí)較為危險(xiǎn)，且在室內(nèi)試驗(yàn)得到工程參數(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照實(shí)際傾角情況制樣，否則得到的參數(shù)相比與現(xiàn)場(chǎng)會(huì)有失真情況，在應(yīng)變監(jiān)測(cè)過(guò)程更是如此，0°與15°達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)變有較大差距。

2.2 聲發(fā)射分析

2.2.1 不同層理傾角灰?guī)r聲發(fā)射響應(yīng)

灰?guī)r不同層理傾角單軸壓縮曲線及聲發(fā)射撞擊數(shù)、能量關(guān)系如圖6所示。灰?guī)r在單軸壓縮過(guò)程中，不同傾角的其應(yīng)力降與聲發(fā)射之間有著較好對(duì)應(yīng)關(guān)系，在單軸壓縮曲線發(fā)生應(yīng)力降之前，灰?guī)r聲發(fā)射撞擊數(shù)保持在較低水平。出現(xiàn)應(yīng)力降以后，灰?guī)r撞擊數(shù)驟增，并且伴隨能量的突然增加，在45°以前，聲發(fā)射能量增加曲線存在兩個(gè)明顯的水平臺(tái)階，而在45°以后，能量呈現(xiàn)出鋸齒狀上升，這表明在45°以前，灰?guī)r在達(dá)到峰值強(qiáng)度之前存在兩次控制性破裂，而在45°以后，灰?guī)r的破壞主要是每一次小的破裂累計(jì)而來(lái)。結(jié)合聲發(fā)射撞擊數(shù)分析，45°以前，灰?guī)r應(yīng)變?cè)谶_(dá)到0.3%～0.4%時(shí)出現(xiàn)第一次撞擊數(shù)突增，聲發(fā)射能量也隨之突增，隨后撞擊數(shù)減小，累計(jì)能量也進(jìn)入到平臺(tái)期；在0.6%～0.7%時(shí)撞擊數(shù)出現(xiàn)第二次激增，而累計(jì)能量值也隨之增加。Martin等[9]結(jié)合巖石變形與強(qiáng)度特征，提出了起裂應(yīng)力σci和損傷應(yīng)力σcd表征巖石強(qiáng)度的特征值，其中σci對(duì)應(yīng)巖石從彈性變形階段到穩(wěn)定破裂階段的臨界值，σcd對(duì)應(yīng)巖石從穩(wěn)定破裂階段到非穩(wěn)定破裂階段的臨界值。Eberhardt等[10]結(jié)合聲發(fā)射研究指出，σci可以對(duì)應(yīng)與巖石聲發(fā)射信號(hào)第一次激增時(shí)的巖石應(yīng)力，σcd對(duì)應(yīng)與巖石第二次聲發(fā)射信號(hào)激增點(diǎn)。根據(jù)不同層理傾角單軸壓縮曲線及聲發(fā)射撞擊數(shù)、能量關(guān)系結(jié)果，0°、15°、30°、45°的σci出現(xiàn)點(diǎn)分別為ε=0.32%、0.39%、0.40%、0.41%、0.42%、0.41%、0.35%，σcd出現(xiàn)的點(diǎn)分別為ε=0.65%、0.69%、0.64%、0.65%、0.62%、0.63%、0.55%，可σci出現(xiàn)階段大致范圍為0.32%～42%，σcd出現(xiàn)階段大致范圍為0.55%～0.69%。結(jié)合撞擊數(shù)與累計(jì)能量綜合分析，在45°以前，在應(yīng)變達(dá)到0.6%之后，撞擊數(shù)減小，累計(jì)能量曲線出現(xiàn)平臺(tái)期，表明在此階段產(chǎn)生裂隙較少，直至破裂階段，撞擊數(shù)與能量才又出現(xiàn)較大增幅。而在45°以后，撞擊數(shù)達(dá)到第二峰值以后，其衰減并不強(qiáng)烈，且累計(jì)能量還在呈鋸齒狀增加，表明在此階段，灰?guī)r仍然產(chǎn)生較多微裂隙，直至最后貫通階段。

圖6 各層理傾角試件熱破裂聲發(fā)射演化特征

2.2.2 不同層理傾角灰?guī)r破壞機(jī)制分析

受層理面傾角影響，將施加在微裂隙上的應(yīng)力σ分解為平行于微裂隙的應(yīng)力分量σx和垂直于原生微裂隙的應(yīng)力分量σy，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，σx和σy隨著α的變化而變化，其破壞特征如圖7所示。

圖7 不同層理傾角灰?guī)r的破壞特征

1)當(dāng)α≤15°時(shí)，此時(shí)最大主應(yīng)力方向垂直于原生微裂隙，微裂隙被壓縮，此時(shí)垂直于原生裂隙產(chǎn)生新裂隙而不易沿著原生裂隙破壞，原生裂隙僅僅起到充當(dāng)起裂點(diǎn)的作用，且因?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力方向垂直于原生裂隙，使得原生裂隙在最大程度上被壓縮而不發(fā)生沿裂隙面的滑移破壞，結(jié)合圖5可以得出，在α=0°時(shí)，灰?guī)r樣的應(yīng)變相比與其他角度是最大的。由累計(jì)能量圖可以看出，由于此種狀態(tài)下灰?guī)r不會(huì)發(fā)生沿著原生裂隙面的滑移錯(cuò)動(dòng)，僅產(chǎn)生垂直于原生裂隙的新裂隙，因此在達(dá)到峰值強(qiáng)度前其累計(jì)能量保持在較低水平，而在達(dá)到峰值強(qiáng)度后，由于貫通性裂隙的產(chǎn)生，此時(shí)灰?guī)r積聚的彈性能劇烈釋放，導(dǎo)致聲發(fā)射累計(jì)能量的急劇上升，發(fā)生瞬時(shí)性破壞。

2)當(dāng)15<α≤45°時(shí)，此時(shí)垂直原生裂隙的應(yīng)力分量σy大于水平應(yīng)力分量σx，原生裂隙較容易被壓縮，但此時(shí)σx提供的應(yīng)力也在破裂中起到一定作用，隨著角度α增加，應(yīng)力分量σx不斷增減，新生裂隙會(huì)沿著原生裂隙垂直方向和水平方向同時(shí)擴(kuò)展，形成“X”形破裂。

3)當(dāng)45<α≤75°時(shí)，隨著α增加，原生裂隙水平應(yīng)力分量σx不斷增加，σy不斷減小，此時(shí)灰?guī)r沿潛在滑動(dòng)面剪斷破壞，巖體潛在剪斷面追蹤巖體原生裂隙，在σx不斷增加下，巖體內(nèi)部沿著垂直于原生裂隙方向產(chǎn)生拉張分支裂隙，隨著σx進(jìn)一步增加，在原生裂隙前段產(chǎn)生法向壓碎帶，最終法向壓碎帶突破鎖固段的限制，裂隙形成貫通通道，重復(fù)上述步驟最終直至破壞。結(jié)合圖6，灰?guī)r還未突破一個(gè)鎖固段，便形成一次聲發(fā)射能量的突增，因而在此階段聲發(fā)射能量增加方式為鋸齒狀增加。

4)當(dāng)α>75°時(shí)，隨著α增加，σx進(jìn)一步增加，σy逐步減小至0，此時(shí)最大主應(yīng)力方向平行于原生裂隙，導(dǎo)致原生裂隙不易被壓縮，此時(shí)新生裂隙沿原生裂隙尖端擴(kuò)展，破裂方式為沿著原生裂隙面張拉破裂為主。當(dāng)產(chǎn)生控制性裂隙時(shí)，發(fā)生應(yīng)力降，但是此時(shí)裂隙并未完全貫通且，還能繼續(xù)承壓，所以此時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)出震蕩特性。峰值應(yīng)力時(shí)的聲發(fā)射能量激增幅度也不如α<75°時(shí)大。

2.3 聲發(fā)射b值分析

1941年Gutenberg通過(guò)總結(jié)研究世界各地地震，提出了震級(jí)與頻度經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式lgn=a-bM，其中參數(shù)b描述了震源尺度分布的比例，稱為b值。與地震機(jī)理相似，巖石內(nèi)部裂紋萌生、發(fā)展、貫通直至破裂，伴隨著大量不同尺度事件的分布，加之聲發(fā)射手段，可以得到巖石破裂過(guò)程中b值動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，用以研究巖石破裂特征。其公式為lgN=a-(AdB/20)，其中，AdB為以分貝為單位表示的聲發(fā)射事件的最大振幅，求取b值時(shí)以5 dB步距為基準(zhǔn)對(duì)巖石聲發(fā)射幅值數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。Lei[11]研究發(fā)現(xiàn)b值隨著巖石內(nèi)部不均勻性變化而出現(xiàn)波動(dòng)，b值會(huì)隨之下降。曾正文等[12]在文獻(xiàn)中指出，b值增大意味著巖石內(nèi)部小尺度事件占比增大，此時(shí)巖石以小尺度微破裂為主，而b值不變則說(shuō)明巖石內(nèi)部破裂尺度分布不變，b值減小意味著大尺度事件所占比例增加，b值大幅度躍遷說(shuō)明巖石內(nèi)部未破裂狀態(tài)的突然變化。按應(yīng)力水平將加載過(guò)程分為10個(gè)階段，求取每一階累計(jì)聲發(fā)射b值，結(jié)果如圖8所示，灰?guī)rb值在45°以前，呈現(xiàn)總體下降趨勢(shì)，說(shuō)明在初期巖石內(nèi)部小尺度微破裂事件發(fā)育，而大尺度微破裂尚未產(chǎn)生。在30%～40%峰值應(yīng)力時(shí)，聲發(fā)射b值產(chǎn)生一個(gè)較大幅度跌落，說(shuō)明在此時(shí)巖石內(nèi)部產(chǎn)生了較大尺度微破裂，可以表明此時(shí)巖石已經(jīng)達(dá)到了起裂強(qiáng)度。隨后b值上升并穩(wěn)定在一定水平，表明此時(shí)巖石內(nèi)部微破裂狀態(tài)緩慢發(fā)展，對(duì)應(yīng)與巖石的穩(wěn)定破裂期，微破裂緩慢發(fā)展時(shí)間段較短，只保持10%峰值強(qiáng)度的時(shí)間，隨后b值陡降，代表此時(shí)微破裂狀態(tài)發(fā)生了變化，發(fā)生了突然的微裂紋擴(kuò)展并在70%～80%峰值強(qiáng)度時(shí)達(dá)到最低值，表明此時(shí)巖石內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了控制性微裂紋，隨后巖石將沿著控制性微裂紋發(fā)生破壞。可以看出，b值最小值并未出現(xiàn)在巖石最終失穩(wěn)破裂時(shí)，而是發(fā)生在70%～80%峰值強(qiáng)度時(shí)。而在45°后包括45°的b值則呈現(xiàn)出“V”字形態(tài)，b值最低點(diǎn)出現(xiàn)在約60%峰值強(qiáng)度時(shí)，說(shuō)明在45°以后，巖石內(nèi)部微破裂從加載初期穩(wěn)定發(fā)育，大尺度微破裂事件占比逐漸增大，到60%峰值強(qiáng)度時(shí)形成沿著層理面的控制性裂紋，控制性裂紋形成后，b值增加，此時(shí)大尺度微裂紋反而減小，可以推測(cè)此時(shí)控制性裂紋沿著層面發(fā)育，形成控制性裂紋后，后續(xù)微裂紋沿著控制性裂紋發(fā)育，不斷突破巖橋，達(dá)到漸進(jìn)性破壞。

圖8 各層面傾角試件聲發(fā)射b值分析特征

3 結(jié)論

1)7組不同傾角巖樣單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明，隨著層理傾角增加，灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大的“V”字形特征，在層理傾角為45°時(shí)達(dá)到最小值。

2)以45°為界，45°以前，應(yīng)變達(dá)到0.6%之后，撞擊數(shù)減小，聲發(fā)射能量累計(jì)曲線出現(xiàn)兩個(gè)明顯臺(tái)階，在0.3σp與0.7σp兩個(gè)點(diǎn)存在激增現(xiàn)象，此階段產(chǎn)生裂隙較少，直至破裂階段，撞擊數(shù)與能量才又出現(xiàn)較大增幅；45°及以后，撞擊數(shù)達(dá)到第二峰值以后，其衰減并不強(qiáng)烈，聲發(fā)射能量累計(jì)曲線呈鋸齒狀增加，無(wú)明顯臺(tái)階，此階段產(chǎn)生較多微裂隙，直至最后貫通。

3)聲發(fā)射b值以45°為界，b值在45°以前，呈整體下降趨勢(shì)，巖石內(nèi)部在初期時(shí)小尺度微破裂事件發(fā)育，大尺度微破裂尚未產(chǎn)生，在30%～40%峰值應(yīng)力時(shí)，b值產(chǎn)生一個(gè)較大幅度跌落，在70%～80%峰值強(qiáng)度時(shí)達(dá)到最低值；在45°后包括45°的b值則呈現(xiàn)出“V”字形態(tài)，b值最低點(diǎn)出現(xiàn)在60%峰值強(qiáng)度左右。