循環剪切加載后鋸齒狀巖石節理聲發射特性研究

通過對經歷不同程度先期循環加載后的巖石節理試樣進行直剪聲發射監測實驗，探究聲發射監測技術在巖石節理破壞預警上的應用。試驗結果表明，聲發射技術具有足夠的精度監測巖石節理剪切破壞過程，聲發射事件陡增和聲發射b值降低都具有一定程度的巖石節理破壞預警的能力。先期循環加載會導致試樣產生不同程度的聲發射記憶效應，聲發射記憶效應會使采用聲發射技術進行受先期循環加載后的巖石節理破壞監測的預警窗口變短。

巖石節理； 聲發射； 邊坡監測預警

TU459+.2 A

［定稿日期］2022-03-03

［作者簡介］劉堯輝（1993—），男，碩士，助理工程師，主要從事道路工程檢測、監測工作。

西部地區的鐵路、公路等基礎設施建設步伐日益加快，由于地形地質條件的影響，基礎設施建設過程中產生了大量的邊坡工程，尤其是復雜地質條件下的巖質邊坡。這些巖石邊坡內部存在許多不規則結構面，如裂縫、節理、軟弱夾層等，極大的降低邊坡巖體的力學性能，對在役邊坡工程的穩定性造成巨大影響，帶來一系列安全隱患［1］。同時由于營運過程中高速列車、重型汽車的高頻次重復交通荷載的影響下，這些預先存在軟弱層面的邊坡巖土體產生崩塌、滑坡等地質災害風險進一步擴大，對人民生命財產安全產生嚴重影響。因此深入了解這些含軟弱層面的巖質邊坡在循環荷載作用下的損傷演化以及探索合理的監測預警手段進行滑坡監測預警，對于減輕滑坡災害造成的財產損失、人員傷亡迫在眉睫。然而現有的邊坡監測手段監測預警準確度卻十分有限，因此有必要探索更為有效的監測技術應用于邊坡監測中。

聲發射（AE）技術被認為適用于土木工程中混凝土結構和巖石結構安全性監測，該技術可以在現場進行實時和全面的監視，不會影響結構的運行［2］。在巖土工程領域，聲發射（AE）可以作為滑坡等破壞事件被動監測，可以監測材料內部裂紋的萌生、擴展和合并時產生的彈性波，通過對監測到的聲發射信號適當地進行參數、波形分析，可以據此評估聲發射源的破壞特征［5］，該技術是對現有監測預警技術的補充，為理解巖土材料受荷漸進破壞過程和建立潛在的破壞預警系統帶來了巨大的希望。

1 試驗條件

1.1 樣品制備

試驗所用完整巖石樣品通過采集天然砂巖所得，試驗巖石樣品采用高壓水射流（DWJ1525型）切割采集的完整砂巖來制備鋸齒狀巖石節理樣品。綜合考慮加載設備以及測試條件，確定試樣尺寸為160 mm×120 mm×50 mm（長×高×寬）；用Auto-CAD設計試樣輪廓尺寸，再采用高壓水流切割采集的天然砂巖鋸齒狀巖石節理試樣。試樣幾何尺寸及成品效果如圖1所示。

1.2 試驗方法

直剪試驗加載設備采用重慶大學WDAJ-600型微機控制電液伺服巖石剪切流變試驗機，通過美國物理聲學公司DS2聲發射儀進行聲發射信號監測并進行初步信號分析，實驗設備如圖2所示。根據先期試驗結果，圖1所示的鋸齒狀巖石節理平均峰值剪應力為4.62 MPa，在此基礎上采用1.0 kN/s的加載速率條件分別對3組鋸齒狀巖石節理試樣開展0次、100次循環加載幅值為0.5倍峰值剪應力的先期循環剪切以及100次循環加載幅值為0.8倍峰值剪應力的先期循環剪切，以獲取經歷不同先期循環加載損傷的鋸齒狀巖石節理試樣。隨后以0.5 mm/min的加載速率對3組試樣進行常規直剪試驗，在常規直剪試驗過程中實時進行聲發射監測。

2 試驗結果

2.1 巖石節理剪切破壞聲發射特性

圖3展示了3種破壞模式下巖石節理試樣受不同程度先期循環加載后直接剪切剪應力-時間、聲發射能量-時間曲線，實驗結果表明鋸齒狀巖石節理在實驗過程中由于滑動摩擦產生了幾乎貫穿整個加載過程大致相同能量的聲發射事件，并且這些由于滑動摩擦產生聲發射事件似乎受先期循環加載的影響，經歷先期循環加載后的試樣在殘余階段聲發射能量波動更為平緩。聲發射能量變化趨勢與剪應力變化趨勢呈現良好的相關性，不同先期循環加載的3種巖石節理試樣的聲發射能量演化大致呈現相同的趨勢，即逐漸增加、能量峰值、劇烈跌落和趨于平靜，最大聲發射能量峰值均出現在剪應力峰值附近，這表明以上特征為鋸齒狀巖石節理樣品剪切破壞的普遍的聲發射釋放規律，同時在剪應力曲線小幅度跌落時往往能觀察到小型的聲發射能量爆發，其能量低于峰值剪應力時的聲發射能量峰值，這可能是由于試樣滑動過程中鋸齒結構面上某些小型粗糙點剪壞所導致的，這一現象表明聲發射技術具有足夠的精度監測鋸齒狀巖石節理剪切破壞過程。略有不同的是先期循環加載似乎導致巖石節理試樣破壞更為劇烈，2個經歷先期循環加載的試樣聲發射峰值能量分別為35 734.7 mV·mS、11 346.17 mV·mS，遠遠超過未經循環加載試樣的聲發射峰值能量61 048.47 mV·mS。

圖3 不同先期循環加載后巖石節理

剪應力-時間、聲發射能量-時間曲線

先期循環加載明顯使節理在巖石直剪試驗過程中產生了不同水平的聲發射記憶效應，并且聲發射記憶效應隨循環損傷的增加表現的更為明顯，對于未經先期循環剪切的試驗，直剪過程一開始便能檢測到聲發射現象。不同的是0.5倍峰值剪應力循環剪切100次試樣，表現出一定程度的聲發射記憶效應，剪切試驗初期無法監測到聲發射信號，只有剪應力達到一定的水平時才能監測到聲發射信號。隨著先期循環加載幅值提高，試樣聲發射記憶效應表現的更加明顯，對于0.8倍峰值剪應力循環剪切100次試樣在應力峰值前幾乎無法監測到明顯的聲發射信號。以上結果表明，對于經歷先期循環加載的試樣，隨著循環損傷程度不斷增加，試樣聲發射記憶效應水平不斷提高，當先期循環損傷積累到一定程度后，試樣只有在接近剪應力峰值處才能再次監測到聲發射信號。因此如果將通常用于預警完整巖石試樣破壞的聲發射信號陡增現象將難以應用于受先期循環加載的鋸齒狀巖石節理試樣受荷破壞的監測預警中，需要進一步提取更精準的監測預警判據。

2.2 直剪試驗過程中巖石節理聲發射b值特性

在以往巖石材料的聲發射研究中表明在地震領域廣泛運用的b值具有預測巖石脆性破壞的能力［3］，b值由式2-1給出，該公式描述了地震活動中小振幅事件和大振幅事件的相對比例［4］。

lgN=a-bM（1）

圖4顯示3種巖石節理試樣直剪聲發射b值的時間演化曲線。實驗結果表明鋸齒狀巖石節理試樣剪切破壞全過程的聲發射b值曲線和剪應力曲線同樣呈現出良好的相關性，3種試樣的b值曲線均存在階段性特征，第一階段為加載初期，聲發射b值處于較高的水平，未經先期循環加載的試樣以及以0.5倍峰值剪應力循環加載100次的試樣在2.0～2.3的范圍內，以0.8倍峰值剪應力循環加載100次的試樣則在1.9左右，這一現象表明加載初期聲發射信號中大振幅事件的比例相對較低，監測到的聲發射事件大部分是由試樣微裂紋成核、擴展所產生的。隨著加載進行，聲發射b值進入第二階段，試樣聲發射b值隨剪應力增加降低，在峰值剪應力附近，聲發射b出現極小值，說明隨著加載的進一步進行，各試樣加載過程中監測到的聲發射大振幅事件的比例逐漸增加，同時盡管第二階段聲發射b值具有相同的演化規律，但是b值降低的速率存在不同，表現為先期損傷程度越明顯，直剪試驗中聲發射b值跌落速率越快，大振幅事件增加速率越快，這表明加載過程中試樣內部裂紋逐漸貫通，直到峰值剪應力時試樣發生脆性破壞，也一步說明先期循環加載將導致巖石節理試樣剪切破壞表現的更為劇烈。隨后聲發射b值曲線進入第三階段，即剪切曲線進入殘余強度階段，在這一階段同時存在試樣沿節理面滑動，破壞后產生的小型粗糙體剪壞等破壞模式，聲發射事件產生機制復雜，3種試樣聲發射b值存在一定的差異，但是總體上看殘余強度階段聲發射b值波動趨于平緩，出0.5倍峰值剪應力循環加載100次試樣，其余試樣的b值逐漸恢復至第一階段水平。

與聲發射能量釋放規律一樣，先期循環加載不會影響試樣聲發射b值曲線和剪應力曲線直剪的相關性，但是由于先前循環加載所產生的聲發射記憶效應，導致試樣在第一段的聲發射事件數量大幅減少，擬合的b值數據點同樣顯著減少，如圖4（c）所示，對于0.8倍峰值剪應力循環加載100次后的

試樣，直剪試樣過程通過聲發射數據擬合的b值僅有3個數據點表現出上述第一階段的特性，隨后聲發射b值急速降低，這一現象表明若采用聲發射b值進行受循環荷載后的鋸齒狀巖石節理破壞監測預警，隨著循環損傷程度不斷增加，預警窗口將變得很短。

3 結論

聲發射技術具有足夠的精度監測巖石節理剪切破壞過程，巖石節理剪切破壞力學行為和聲發射釋放規律具有良好的相關性。先期循環加載會導致巖石節理試樣剪切破壞表現的更為劇烈，同時使試樣產生不同程度的聲發射記憶效應，但不會影響巖石節理剪切破壞力學行為和聲發射釋放規律的相關性。聲發射事件陡增和聲發射b值降低都具有一定程度的巖石節理破壞預警的能力，但是對于經歷先期循環加載的試樣來說，由于聲發射記憶效應的影響，采用聲發射進行受循環荷載后的鋸齒狀巖石節理破壞監測預警，隨著循環損傷程度不斷增加，預警窗口將變得很短。

參考文獻

［1］ 黃潤秋.20世紀以來中國的大型滑坡及其發生機制［J］.巖石力學與工程學報，2007（3）：433-454.

［2］ 騰山邦久.聲發射（AE）技術的應用［M］.馮夏庭.譯.北京：冶金工業出版社，1997.

［3］ Hong C， Seokwon J.Influence of shear load on the characteristics of acoustic emission of rock-concrete interface［J］.Key Engineering Mater， 2004， 42：1598-1603.

［4］ Song Leibo， Jiang Quan， Li Lifu. An enhanced index for evaluating natural joint roughness considering multiple morphological factors affecting the shear behavior［J］.Bulletin of Engineering Geology and the Environment， 2019， 79（6）：27-37.

［5］ Trippetta F， Collettini C， Meredith P， et al. Evolution of the elastic moduli of seismogenic triassic evaporites subjected to cyclic stressing ［J］. Tectonophysics， 2013， 592：67-79.