遍布節理試樣壓剪加載下的力學特性及聲發射特征研究*

郝 記 王 飛②③ 曹 平 劉智振 董 濤

(①中南大學資源與安全工程學院，長沙 410083，中國)

(②長沙理工大學，湖南省公路先進建養技術國際科技創新合作基地，長沙 410114，中國)

(③深圳大學，深地科學與綠色能源研究院，土木與交通工程學院，深圳 518060，中國)

0 引 言

現實工程中巖質邊坡、巷道拱角等都會受到壓剪荷載作用，因而確保壓剪作用下工程的穩定性具有重要意義。但天然巖體的穩定性在其內部發育的節理、斷層等不連續面的影響下而受到極大削弱(韓剛等， 2016)。巖石節理是最常見的一類不連續面，也是分布最廣泛的一種斷裂構造。現實中巖體的破壞主要以節理在荷載的作用下剪切貫通而導致工程巖體滑動為主，節理的剪切行為控制裂隙巖體的變形與破壞(Zhang et al.，2015)。因此，在節理巖體中開展力學特性研究顯得尤為重要。

由于現場大型原位試驗成本高、難度大，現場節理巖體試件采集困難及節理分布的無序性等原因，對現場節理巖體進行有效的力學研究是極其困難的(蒲成志等， 2010； 王佩新等， 2017)。因此，節理巖體的室內試驗研究以類巖石材料預制人工節理和加工制作巖石節理為主(范文臣等， 2015)。近年來，國內外專家學者采用人工節理室內試驗對節理巖體力學性質及破壞機制進行了大量研究，揭示了不同應力狀態下節理對巖體強度、變形及破壞模式的影響。

在壓縮應力作用下，節理巖體破壞受到節理連通率、位置、傾角、密度等因素影響。Yang et al. (2013， 2016)對含2條、3條節理的砂巖試件進行單軸壓縮試驗以研究不同節理參數試樣的力學性質； 在單軸壓縮條件下，陳新等(2011)，Chen et al. (2014)通過預制張開裂隙節理組研究節理產狀和連通率對巖體力學性質的影響； Wong et al. (2009)對大理巖和石膏單裂隙試樣進行單軸壓縮試驗，提出不同裂紋尖端的起裂和擴展模式。Cao et al. (2016)采用類巖材料預制遍布節理試樣并進行單軸加載以研究遍布節理參數對試樣力學性質的影響。節理巖體不僅在壓縮應力下得到了大量力學研究，其在剪切應力下亦得到了大量學者的關注、研究。在剪切作用下，節理試樣的破壞受到表面粗糙度、法向荷載、充填物成分、含水率等因素的影響。Gehle et al. (2003)進行直剪試驗以研究節理試樣的破壞過程并將其分為節理面擴展、巖橋滑動和節理面的滑動3個階段； 陳國慶等(2017)采用直剪試驗結合聲發射技術分析不同連通率巖橋和法向應力對斷續節理巖體破壞特征的影響； 胡波等(2008)采用理論計算與試驗相結合推導了共面閉合斷續節理巖體的直剪強度公式； 唐志成等(2011)采用不同軸向荷載下的直剪試驗分析法向荷載對節理試樣抗剪強度的影響，并基于試驗結果對剪切變形本構關系進行推導。范文臣等(2015)通過對充填節理類巖樣進行變角度壓剪試驗，探究不同壓剪應力比下傾角對破壞模式的影響。

學者針對遍布節理研究以模型為主，多運用遍布節理模型分析巖體的穩定性。朱澤奇等(2009)針對層狀巖體建立了考慮其橫觀各向同性變形特性的遍布節理模型，并用該模型分析了層狀巖體圍巖變形及破裂特征。冷先倫等(2009)在硐室群圍巖穩定性分析中引入遍布節理模型，研究遍布節理弱面的走向和傾向對圍巖變形的影響。吳順川等(2006)提出了基于遍布節理模型的強度折減法來分析邊坡的穩定性。目前，節理參數對遍布節理試樣力學性質的影響研究相對較少。熊心廣等(2016)采用單軸壓縮試驗研究節理傾角和節理夾角參數對非貫通遍布節理試樣破碎規律的影響。

前人的研究針對壓縮荷載下節理試樣的力學性質相對較多，直剪荷載下節理試樣的力學性質也進行了部分研究，而壓剪綜合應力環境在現實邊坡工程和基坑工程中是常常出現的。同時，遍布節理巖體內部的節理參數(如間距、傾角、長度等)將極大影響試樣的力學性質。因此，針對壓剪荷載下受節理傾角、間距組合參數影響的遍布節理試樣的力學行為進行研究將對邊坡工程的設計、施工具有重要意義。目前，現有研究中尚未出現壓剪下組合遍布節理參數影響的巖體的破壞力學行為研究。為此，本文對遍布節理巖體進行壓剪試驗，研究節理傾角和間距組合參數對巖體強度、破壞規律等力學性質的綜合影響，同時采用聲發射設備監測試樣的微觀破裂行為。

1 試驗概況

1.1 試樣制備

采用18目(1mm)粒徑以下的細砂作為骨料，采用C42.5號的白色水泥為膠結材料。水泥砂漿中白水泥、細砂、水按體積比2︰1︰1配置。澆筑好的水泥砂漿在室溫下養護24h后拆模，再在養護箱中養護28d后進行試驗。通過制作不同類型標準試樣并進行測試，得到類巖材料的基本力學參數如表1所示，其與脆性巖石試樣力學參數類似，因而可用于節理巖石力學性質的研究。由于現實節理巖石試樣存在制作困難、內部均質性等問題，采用類巖材料進行試驗研究更易操作、結果規律更可靠。

表1 類巖材料的基本力學參數

試驗研究的節理試樣尺寸(高×寬×厚)為100mm×100mm×30mm，試樣內節理采用插入0.6mm厚度的云母片的方法制作以模擬現實巖體中由泥土或碎屑充填的閉節理，云母片長為15mm，節理巖橋長為20mm，試件尺寸及節理參數分布如圖1。采用云母片制作閉節理的方法適用于整體研究節理參數(如傾角、長度)對巖體力學性質的影響，其簡化了節理的內在力學參數，存在未考慮節理面之間摩擦性的局限性。結合現實巖體節理間距與巖體尺寸比，試樣設置4種不同節理間距(d為15mm、22mm、29mm、36mm 4種)，每種節理間距下含6種不同傾角(0°、30°、45°、60°、75°和90°)。為確保節理制作位置的精確性，先打印按節理布置與試樣大小相等的紙張，裁剪后拓在磨具上進行節理制作。節理試樣以S-a-b來命名，“S”指試樣，“a”指試樣的節理間距d，“b”指試樣的節理傾角α。

圖1 試件尺寸及節理參數分布

1.2 試驗過程

本次試驗采用新三思軸向加載試驗機，加載方式以0.1mm·min-1的位移控加載。將巖石力學常規試驗中所用變角度壓剪盒固定于儀器壓頭上，固定壓剪角為45°，從而形成壓剪系統(圖2)。為研究試樣的破壞過程，采用高清攝像儀對試驗過程進行記錄。與加載過程同步，采用聲發射設備監測加載過程中試樣的聲發射活動。現場整體試驗裝置及示意如圖2所示。

圖2 現場試驗裝置及示意圖

2 遍布節理試樣的力學特性

2.1 壓剪荷載下遍布節理試樣的破壞模式

單裂隙試樣在軸向荷載作用下沿著裂隙會發育拉伸裂紋(翼裂紋)和次生裂紋兩種裂隙(王飛等， 2018)。根據裂隙沿節理面不同方向，次生裂紋可分為類平面次生裂紋和斜次生裂紋(圖3)。根據試驗結果中不同類型裂隙主導試樣破壞，將遍布節理類巖試樣的破壞模式劃分為3種：平面剪切破壞、類完整性剪切破壞和斜剪切破壞。

圖3 原有裂隙在荷載作用下發育裂隙類型

2.1.1 節理傾角對試樣破壞模式的影響

S-22-0試樣(圖4a)在壓剪加載初期上部節理先產生拉伸翼裂紋，翼裂紋隨著荷載的增大而擴展。但隨著荷載不斷增大，裂隙擴展沒有得到延續且呈現出緩慢閉合的趨勢。剪切面兩端開始形成類平面次生裂紋，在荷載作用下不斷擴展、貫通巖橋，最終沿著試樣中部節理面形成平面剪切破壞。這種由類平面次生裂紋占主導作用形成的剪切破壞定義為平面剪切破壞(Ⅰ破壞模式)。

S-22-45試樣(圖4c)在加載初期試樣節理裂紋發育較少。隨荷載增強，試樣兩端先產生裂隙，試樣左上部沿節理面方向類平面剪切裂紋不斷發育，進而節理裂隙間不斷搭接。但局部的損傷沒有完全破壞節理試樣，而是由試樣中上部附近形成由斜次生裂紋、類平面次生裂紋相互搭接構成的剪切面導致試樣破壞。這種由2類裂紋相互貫通形成的破壞現象定義為類完整性剪切破壞(Ⅱ破壞模式)。節理傾角30°試樣(圖4b)與45°試樣裂隙發育形成的貫通路徑不同，但其均由類平面剪切裂紋、斜次生裂紋相互搭接貫通形成破壞面，也為類完整性剪切破壞。

S-22-90試樣(圖4d)加載初期與剪切面相交的中部節理位置發育翼裂紋、試樣兩端局部開裂。隨后，與剪切面相交節理逐步發育斜次生裂紋。斜次生裂紋在相鄰節理之間不斷搭接，進而形成與剪切面類似平行的貫通節理的剪切面。由斜次生裂紋主導試樣貫通剪切破壞的模式定義為斜剪切破壞(Ⅲ破壞模式)。

圖4 不同節理傾角試樣的破壞模式

觀察不同節理傾角試樣的破壞模式(表2)可以發現節理傾角在影響試樣破壞模式上起主導作用：節理傾角較小時(0°)試樣破壞模式均為Ⅰ破壞模式； 隨著傾角的增大(30°～60°)為Ⅱ破壞模式； 75°～90°傾角試樣的破壞模式為Ⅲ或Ⅱ破壞模式。

表2 不同節理傾角、間距試樣的破壞模式

2.1.2 節理間距對破壞模式的影響

當節理傾角α=0°時，不同節理間距的試樣破壞模式均為Ⅰ破壞模式(表2)。節理間距的改變會引發節理尖端翼裂紋的發育、搭接位置的改變，但整體上試樣內部都在中部剪切應力面上形成由類平面剪切裂紋貫通的剪切破壞面。節理間距只影響節理試樣上翼裂紋的發育情況。

當節理傾角α=45°時，不同節理間距的試樣破壞模式均為Ⅱ破壞模式(表2)。不同節理間距試樣的破壞路徑存在一定的差異，節理間距的增大會導致試樣表面的裂紋數量減小。節理傾角為30°、60°的試樣與節理傾角45°試樣的裂紋發育規律類似。

當節理傾角α=75°時，節理間距為15mm的試樣為Ⅲ破壞模式，其余節理試樣為Ⅱ破壞模式(表2)。試樣中不同節理間距會導致破壞模式發生改變。即使相同破壞模式的試樣其破壞路徑也各有差異。節理間距越小節理尖端斜次生裂紋發育越多，越有利于裂紋搭接、貫通形成斜剪切破壞。

當節理傾角α=90°時，節理間距15mm、22mm為Ⅲ破壞模式，節理間距29mm、36mm為Ⅱ破壞模式(表2)。圖5顯示了90°節理傾角下不同節理間距試樣的破壞模式。90°傾角下試樣的剪切應力方向與節理垂直，易引起斜次生裂紋的發育且節理間巖橋較小易引起裂紋的搭接、貫通，因而90°試樣斜剪切破壞數量相較75°試樣數量增加。節理間距較大時(圖5a和圖5b)，斜次生裂紋起裂后的擴展極其困難，會與拉伸裂紋相互搭接、貫通，因而節理間距29mm、36mm試樣均為類完整性剪切破壞。而節理間距為15mm和22mm時(圖5c和圖4d)，相鄰節理在剪切荷載的作用下易相互搭接形成斜次生裂紋，最終斜次生裂紋以節理端點為接點相互貫通破壞試樣，其破壞模式為斜剪切破壞。

圖5 不同節理間距巖體破壞模式

觀察不同節理間距試樣破壞模式(表2)可發現：隨著節理間距的增大，平面剪切破壞數量不變，類完整性剪切破壞數量不斷增加，斜剪切破壞不斷減小。因而，節理間距改變會引起試樣破壞模式的改變，影響程度與節理傾角有關。

2.2 節理傾角、間距對試樣峰值剪切強度的影響

在壓模端面與壓力機承壓板間放置滾柱板，因而滾動摩擦系數為0。試驗研究中，固定壓剪角為45°，剪切面上的正應力等于剪應力。對于相同節理布置的試件，進行完全相同的3次重復試驗，選取平均值作為該試件試驗結果。節理試樣的峰值剪切強度試驗結果列在表3。

表3 節理試樣的抗剪強度

削弱度定義為節理對試件抗剪承載力的削弱值與無節理試件抗剪承載力的比值。45°壓剪角下的完整試樣的峰值剪切強度為9.59MPa。計算不同節理試樣的削弱度列在表3中。從表3中可以發現：節理試樣弱化程度范圍為15.95%～56.62%； 相同節理間距傾角0°的試樣削弱度最大， 45°削弱度最小； 相同節理傾角，削弱度隨著節理間距減小不斷增大； S-36-45節理試樣削弱度最小為15.95%，S-15-0節理試樣削弱度最大為56.62%。

2.2.1 節理傾角對試樣峰值剪切強度的影響

節理試樣的峰值剪切強度隨節理傾角變化如圖6所示。從圖中可以看出：試樣的峰值剪切應力隨傾角呈現先增加后減小，其中45°節理試樣的峰值強度最大。在0°節理傾角下試樣沿剪切面的裂隙最長、巖橋最小，在該剪切面上易引發平面剪切裂紋進而貫通試樣，因此0°節理試樣的剪切強度最小。節理傾角30°～45°，隨著節理傾角的增大，剪切應力面上節理之間的巖橋增大，試樣在45°節理之間巖橋長度最大，節理試樣均發生類完整性剪切破壞，因而峰值剪切強度增大。節理傾角在60°～90°，節理方向與剪切面逐漸趨向垂直，剪切應力面上節理之間巖橋長度不斷減小，節理兩端斜剪切裂紋發育增強，試樣的破壞模式也由類完整性破壞向斜剪切破壞轉變，因而試樣的峰值剪切強度不斷減小。

圖6 不同節理傾角試樣的峰值剪切強度

2.2.2 節理間距對試樣峰值剪切強度的影響

圖7為試樣的峰值剪切強度隨節理間距變化圖。從圖中可以看出：相同節理傾角下試樣的峰值剪切應力隨著節理間距的增加不斷增大，節理間距29mm與節理間距36mm的試樣峰值剪切強度大致相等。節理間距的增加導致預制節理之間的巖橋長度增加，貫通難度加大，從而峰值剪切強度增大。現實巖體中節理間距的增大會導致節理密度的減小，而本次試驗中由于試樣尺寸的恒定， 29mm和36mm節理間距的改變沒有引起試樣內節理密度的增加，因而，節理間距29mm與36mm的試樣峰值剪切強度近似相同。

圖7 不同節理間距試件的峰值剪切強度

2.3 節理試樣的剪切應力-位移曲線

根據試驗機記錄的軸向荷載和軸向位移曲線得到試樣的剪切應力-位移曲線。不同傾角下節理試樣的剪切應力-位移曲線(圖8a)隨傾角變化其曲線在微裂隙閉合階段有一定的重合性，而其他階段體現出明顯的差異(峰后階段尤其明顯)。節理間距為15mm的試樣， 45°節理傾角試樣的應力-位移曲線在峰后階段產生應力突降，其他試樣的應力-位移曲線則緩慢下降。節理試樣的應力-位移曲線在峰后階段的應力曲線斜率與破壞模式有一定相關性： 45°、60°、30°節理傾角試樣破壞模式為類完整性剪切破壞， 45°節理傾角試樣曲線產生應力突降現象， 60°和30°節理試樣應力曲線斜率也較大； 75°和90°節理試樣在峰后階段應力曲線斜率較小，由于試樣的破壞模式為斜剪切破壞導致試樣峰值剪切強度較小進而下降較慢； 0°節理試樣的峰后曲線斜率最小，由于其破壞模式為平面剪切破壞導致其峰值剪切強度較低進而峰后曲線相對平緩。節理間距為36mm的試樣其峰后曲線出現應力突降或多級應力突降現象。與節理間距15mm的試樣相比，節理間距為36mm的試樣破壞后曲線易產生應力突降。

不同節理間距試樣的剪切應力-位移曲線(圖8b)呈現出以下特點：節理間距越大的試樣其峰值剪切強度越大； 不同節理間距試樣曲線變化形態大致相似，但曲線斜率與節理間距具有相關性。對于0°節理傾角試樣，不同間距其峰后曲線均呈平緩下降趨勢，節理間距越大則試樣的峰后曲線斜率相對越大。節理傾角為60°的試樣，破裂后階段具有明顯的應力突降，節理間距越大應力突降值相對越大。

圖8 壓剪荷載下節理試樣的剪切應力-位移曲線

3 節理試樣聲發射特征參數分析

3.1 不同節理間距試樣聲發射活動差異性分析

聲發射撞擊數體現了破裂活動的總量和頻度，它是超過聲發射門檻值并被通道獲取的信號(紀洪廣等， 2015)。圖9為不同試樣撞擊數和剪切應力隨時間變化情況。從圖中可以發現：完整試樣(圖9a)在壓密階段最大撞擊數小于節理試樣(圖9b～圖9d)的最大撞擊數，在壓密階段隨著節理間距減小聲發射撞擊數增大； 節理試樣在壓密階段的聲發射單位最大撞擊數大于其在裂紋擴展、破壞階段。完整試樣在壓密階段孔隙相對較少，遍布節理試樣由于內置裂紋且量大，其在壓密階段試樣不斷壓縮內在裂隙，進而產生大量的聲發射活動，聲發射撞擊數遠大于完整試樣的撞擊數。節理試樣S-36-45與試樣S-29-45相比，雖然節理間距減小，但裂隙密度并未有太大變化，因而其聲發射活動單位撞擊數峰值和形態差異性不大(圖9b～圖9c)。而節理間距22mm的試樣斷續節理增加較多，其在壓密階段單位最大撞擊數會更大(圖9d)，在荷載的作用下其內部裂紋更易相互搭接、貫通形成整體較強的聲發射活動。節理試樣在壓密階段的單位最大撞擊數大于裂隙擴展、破壞階段的原因在于節理試樣內置裂隙處于張開狀態，其在壓密階段荷載作用下全部進行壓密、閉合，所有斷續節理將同時產生大量聲發射活動，而試樣在裂紋擴展、破壞階段其內部是密實的，聲發射活動來源于沿著主要破壞面的裂紋擴展，因而其單位撞擊數小于壓密階段。

圖9 不同節理試樣的剪切應力-時間曲線及聲發射特征

撞擊數反應聲發射的頻度，而聲發射能量反映信號的強度。針對聲發射能量數據進行統計分析，圖10a為完整試樣(S-WZ)和節理試樣(S-36-45)能量柱狀圖和能量累積隨時間變化。完整試樣的能量釋放呈現多個峰值而節理試樣峰值較少，因而節理試樣的最大峰值(19494)大于完整試樣(7603)； 完整試樣的能量和(92320)大于節理試樣能量和(85330)。完整試樣在其受載過程中呈現漸進式突破，歷經蓄能、突破、再蓄能式不斷前進的過程，因而能量釋放呈現多個峰值。遍布節理試樣由于內置裂隙的存在，其破壞圍繞斷續節理不斷起裂、擴展，最終形成貫通破壞面導致能量驟然釋放，因而其峰值數較少且最大峰值能量大于完整試樣。

圖10 不同節理間距試樣對聲發射能量的影響

圖10b展示了節理間距對試樣聲發射活動的影響。隨節理間距的減小，節理試樣的能量峰值減小，其與試樣強度具有一致性； 但隨著節理間距的減小，節理試樣的能量累積值逐漸增大。由于能量累積的大小與時間相關，為了體現試樣整體聲發射活動效率，不同節理間距試樣進行了能量均值求解。能量均值隨節理間距減小而增大。節理間距越小，斷續節理越密集，荷載作用下節理尖端易產生較多的裂紋。節理間距越小其內部的裂紋量越多，基于損傷理論、能量守恒，其試樣破壞過程需要的能量也越多。

3.2 不同傾角節理試樣聲發射活動差異性分析

對不同節理傾角試樣的聲發射撞擊數、能量等數據進行處理統計，分析節理傾角對聲發射活動的影響。圖11a為22mm節理間距下不同傾角試樣在壓密階段和裂隙擴展破壞階段的最大撞擊數統計。S-22-0、S-22-45節理試樣壓密階段最大撞擊數大于裂隙擴展破壞階段，其他傾角試樣壓密階段峰值撞擊數小于裂隙擴展破壞階段峰值撞擊數。不同傾角節理試樣聲發射撞擊數的差異性與試樣的破壞模式及具體的裂紋擴展、破壞路徑有一定的相關性，因而壓密階段最大撞擊數與破壞階段最大撞擊數不具有絕對的對應關系。

圖11 不同節理傾角試樣對聲發射活動的影響

圖11b為聲發射活動隨傾角變化的能量指標變化情況(圖中省略了45°能量累積曲線)。將圖中峰值能量進行對比可以發現：試樣峰值能量隨節理傾角從0°增加到45°而增大，隨節理傾角從45°增加到90°而減小。試樣峰值能量變化規律與峰值剪切強度隨傾角變化規律相同。分析圖9b中聲發射能量累積曲線可以發現：S-22-90試樣達到破壞的加載時間相對較長，S-22-0試樣達到破壞的加載時間最短，加載至破壞時間的長短與試樣的破壞模式有一定的相關性。S-22-0試樣為平面剪切破壞，其破壞路徑已知且較短，沿著剪切面不斷克服巖橋、最終貫通，因而時間相對較快。S-22-90試樣為斜剪切破壞，其以斜次生裂紋擴展、貫通破壞試樣，但試樣先產生翼裂紋后產生斜次生裂紋，其產生較慢且試樣內部產生大量裂紋，因而加載至破壞時間較長。對能量累積值進行單位能量均值求解，能量均值(圖11b)結果表明：單位時間的能量均值呈現出隨傾角增大先增大后減小的變化趨勢且在45°最大，其能量均值變化規律與試樣的峰值強度變化規律一致。

4 結 論

(1)根據不同發育裂隙主導試樣破壞，遍布節理試樣破壞模式分為3類。節理傾角在節理試樣破壞模式上起主導作用：節理傾角較小時(0°)試樣破壞模式均為平面剪切破壞； 隨著傾角的增大(30°～60°)為類完整性剪切破壞； 75°～90°則為斜剪切破壞或類完整性剪切破壞。隨著節理間距的增大，部分斜剪切破壞轉化為類完整性剪切破壞。

(2)節理試樣的峰值剪切強度隨著節理間距的增大逐漸增強； 試樣峰值剪切強度隨傾角增加先增大、在45°取得最大值、而后不斷減小。遍布節理對巖樣強度有很強的弱化作用，其弱化程度范圍為15.95%～56.62%，S-15-0試樣削弱度最大為56.6%。

(3)完整試樣在壓密階段最大撞擊數小于節理試樣的最大撞擊數，節理試樣在壓密階段隨著節理間距減小聲發射最大撞擊數增大。節理試樣聲發射最大峰值能量與試樣強度呈現正相關性，聲發射峰值能量隨節理間距減小而減小，但均值能量隨節理間距減小而增大。節理試樣的峰值能量和均值能量隨節理傾角增大均呈現先增大后減小的規律。