现场岩体直剪试验声发射特征及其破坏机制

范 雷，周火明，熊诗湖

(长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

岩体是一种复杂的介质，是由岩桥和结构面组成的混合体。岩体内部微裂纹的产生、扩展是造成岩体破裂失稳的直接因素，诸多岩体工程结构的破坏均与裂纹产生、扩展相关。

声发射是研究脆性材料损伤演化的良好工具，能够连续、实时地监测脆性物体内部微裂纹的产生与扩展。因此，可利用它来研究岩体的损伤、破坏过程［1－3］。近年来，对于岩石声发射特性的研究己经有大量成果发表，如Rudajev对岩石应力－应变全过程的声发射特征进行室内研究［4］;SETO M对岩石声发射进行了循环加载试验研究［5］;COX S J D研究了岩石微裂隙的形成、岩石软化与声发射的关系［6］;CHANG S H通过声发射实时监测对三轴受压状态下岩石裂纹扩展破坏机制进行了研究［7］;张流、施良骐等对高围压下岩石破坏和摩擦滑动过程中的声发射活动性进行了分析［8］;唐春安等通过数值方法对岩石的声发射规律进行探讨［9－10］;刘东燕等对含裂隙岩石受压破坏的声发射特性进行了研究［11］;吴刚等对岩石类材料加、卸载以及不同卸载方式的声发射特征进行研究［12］;蒋宇等对岩石疲劳破坏过程中的声发射特性进行了研究［13］;李庶林等对3种不同岩石单轴受压岩石破坏全过程中的声发射特征进行研究［14］;张晖辉等在三轴应力条件下进行了大尺度岩石(片麻岩)破坏声发射实验［15］;张茹等研究了花岗岩单轴多级加载岩石破坏声发射特性［16］;余贤斌等对砂岩和石灰岩岩样进行直接拉伸、劈裂与单轴压缩试验的声发射规律进行研究［17］;赵兴东等采用声发射定位技术对岩石裂纹的动态演化过程进行了研究［18－20］;刘保县等对重塑煤样单轴压缩变形损伤及声发射特征进行了研究［21］;吕森鹏等研究了岩石破坏的全过程并进行声发射特征分析等［22］。通过这些研究，对岩石的破坏过程已经得到了一些规律性的认识:岩石试件加载初期微裂纹的发生具有弥散特性，广泛分布于试件体内，随着载荷的增加，微裂纹的演化逐渐局部化——在试件的某一区域内，微裂纹密度增大，某些微裂纹可能聚合成更大的裂纹，宏观裂纹开始形成，并且在一定的条件下扩展从而导致宏观破坏。

但是，尽管应用声发射对岩石破裂过程的研究取得了诸多成果，而由于受到观测条件和设备性能的限制，实时观测及定量分析现场工程岩体裂纹产生和扩展过程的研究还较少。本文采用美国PAC公司的最新声发射系统，对节理岩体现场直剪试验过程进行声发射测试，探讨了现场岩体直剪破坏过程的声发射特性，揭示了节理岩体的破坏机制。

2 现场直剪试验过程声发射测试

2.1 声发射探头布置

现场直剪试验结果如下:岩体岩性为隐晶质玄武岩及含斑玄武岩，斑晶及微晶为斜长石、辉石，基质为玄武玻璃，节理发育。试验布置于洞室侧壁，剪切面铅直。试件尺寸为:长50 cm×宽50 cm×高40 cm，剪切面积2 500 cm2。

声发射测试试验采用美国物理声学公司(PAC)生产的SAMOS声发射系统，由传感器、放大器和数据处理系统3部分组成。使用的传感器为R6IAST一体化探头，主频60 kHz。通过对岩体直剪过程中声发射信号的多通道高速采集、数据处理和实时分析，可实现声发射信号特征参数、频谱特性分析以及声发射事件的空间定位分析。

由于直剪试验岩体破裂位置主要发生于剪切面位置，因此现场共布设3个R6I－AST探头:2个探头布置于试样顶面，1个布置于试样侧面。在监测声发射信号在剪应力增加过程中变化规律的同时，对其进行平面定位。现场布置图如图1所示。

图1 声发射探头布置图Fig.1 Positions of AE sensors

2.2 岩体直剪试验过程

节理岩体直剪试验的法向应力2.65 MPa，采用千斤顶分2次施加，加荷后立即读数，以后每隔5 min读数 1次，当连续 2次读数之差不超过0.01 mm时，即认为稳定。剪切荷载按预估最大剪切荷载分12级施加，每隔5 min加荷1次，加荷前后均需测读各测表读数。

节理岩体现场直剪试验剪应力－剪切位移曲线如图2所示。

图2 剪切应力－剪切位移曲线Fig.2 Curve of shear stress vs.shear displacement

3 声发射信号特性分析

3.1 声发射信号时序特征

在现场直剪试验开始施加剪切荷载时，开始对试样的声发射信号进行采集。整个现场直剪试验过程共持续约4 700 s，即大约78 min左右。

试验过程中单个探头的声发射信号单位时间撞击率如图3所示。其中主要横坐标为剪应力，次要横坐标轴为试验时间，纵坐标表示声发射信号的撞击率。根据图3可发现，在直剪试验过程中每隔5 min，施加一次荷载，因此每隔300 s，声发射信号就会有一次突发，并且随着岩体内部应力的调整平衡，声发射信号也逐渐消减。随着剪切应力的增加，每级加载后声发射信号也不断增多，并在剪切应力达到试样抗剪断强度时，声发射信号达到最多。

图3 声发射信号撞击率变化曲线Fig.3 History of AE hit rate

根据试验过程中岩体声发射信号撞击率的变化规律，试样的剪切破坏过程可分为弹性变形阶段、起裂阶段、扩展阶段和破坏阶段4个阶段。

3.2 岩体破坏声发射信号频谱特性

现场直剪试验过程中，节理岩体声发射信号典型波形图如图4所示。通过FFT(快速傅立叶变换)计算出声发射信号的频谱如图5所示。

根据图5可得，节理岩体破坏声发射源主频范围为40～120 kHz。

图4 岩体破坏声发射信号典型波形图Fig.4 Typical AE waveform acquired from the jointed rockmass

图5 岩体破坏声发射信号典型频谱图Fig.5 Typical AE frequency spectrum acquired from the jointed rockmass

图6 声发射事件累积曲线Fig.6 The cumulative curve of AE events

4 节理岩体破坏过程分析

声发射事件定位主要是通过不同位置的传感器拾取P(S)波到达的时间差来反演岩石破裂源位置，应用定位算法来反演声发射事件位置，通过此时间差和位置差，应用盖格尔算法反演声发射源位置，进而实现声发射事件定位。

节理岩体现场直剪破坏过程中，声发射事件的累积曲线如图6所示。在前400 s剪应力施加至1.73 MPa时，无声发射事件，岩体处于弹性变形阶段;当2 135 s剪应力施加至4.33 MPa时，声发射事件较少，内部仅有极少量的裂纹产生，岩体处于微裂纹起裂阶段;当试验时间到达4 000 s，剪应力为5.63 MPa时，声发射事件缓慢增加，岩体内部裂纹不断扩展，岩体处于微裂纹稳定扩展阶段。在此之后，岩体进入破坏阶段，岩体内部声发射事件则大量增加，微裂纹迅速扩展贯通，剪切应力达到其峰值强度。

图7 直剪试验过程中声发射定位结果Fig.7 Test results of AE events location during shear test

节理玄武岩现场直剪试验中，不同剪应力水平岩体微破裂平面定位如图7所示。根据图7和图3可知，当剪切应力施加至第3级2.17 MPa时，岩体开始出现微破裂，并且微破裂位于剪切面右部，即岩体在施加剪切荷载的后端最先出现微破裂。随着剪切荷载的增加，声发射事件缓慢增加，并且岩体内部产生微破裂的位置也逐渐前移(图7(b)至(g))。通过微裂纹稳定发展这一阶段，微破裂基本上布满整个剪切面。由剪切荷载施加第14级5.63 MPa开始，声发射事件开始大量增加，微破裂发生的位置则集中剪切面局部，直至形成宏观的破裂面(图7(h)至(j))。施加剪切荷载5.63 MPa至5.72 MPa这一阶段则对应于岩体局部破裂化过程。

试样破坏后，剪切面状况如图8所示。通过试样破坏后剪切面照片与声发射事件定位图对比分析，可以明确看到，在剪切面左上角，发生岩体剪切破坏，声发射事件也最为集中。其次，在右下角也发生岩体局部剪切破坏，同样也得到一个声发射集中区。

图8 试样破坏面照片Fig.8 Photograph of the failure surface of the sample

5 结论

(1)在现场直剪试验过程中，节理岩体声发射现象随着剪切应力的增加不断增多，在剪应力达到其峰值强度前声发射信号最多。

(2)节理岩体破坏过程中，声发射信号的主频范围为40～120 kHz。

(3)节理岩体现场直剪破坏过程可分为4个阶段:弹性变形阶段，无声发射事件;起裂阶段，声发射事件很少，岩体内部仅有少量的裂纹产生;扩展阶段，声发射事件缓慢增加，岩体内部微裂纹稳定扩展;破坏阶段，声发射事件大量增加，微裂纹迅速扩展贯通，岩体出现宏观破裂。

(4)节理岩体剪切破坏过程中，施加剪切荷载的后端最先出现微破裂，并随着剪切应力的增加逐渐向施加剪切荷载的前端靠近。当岩体进入破裂贯通阶段后，微破裂则集中于剪切面局部，岩体产生局部破裂化。

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