预制节理岩体卸荷损伤破坏机理及声发射特征试验研究

曹吉胜 ，戴前伟 ，马德鹏

(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；2. 中南大学 有色金属成矿预测教育部重点实验室，湖南 长沙，410083；3. 中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司，重庆，400037；4. 山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安， 271018)

1 试验方案

1.1 试件制备

试验所用岩块为山东济宁矿区的砂岩，岩石无可见的裂隙、节理，质地较均匀，在煤矿井下挑选出大块岩石后密封包装，运抵实验室之后进行取样加工，按照岩石力学实验要求，用取芯机钻取岩芯，经过切割、打磨制备成直径×高度为50 mm×100 mm的圆柱型试件。而后采用机械加工法制备岩样的节理。首先，在试件表面钻取直径为2 mm的贯通圆孔；而后，采用钢丝锯穿过圆孔进行切割，形成长度为22 mm、倾角为45°、宽度为1 mm左右的节理。节理切割后用石膏进行填充，制备的试验试件如图1所示。

图1 岩样示意图Fig. 1 Sketche of rock sample

1.2 试验方案

试验采用 MTS815.02 型电液伺服岩石力学试验系统及AE21C声发射试验系统，试验系统可以满足多种复杂路径下的试验需求，具体的试验方案见表1。

1)常规三轴试验。采用应力控制的方式增加围压，即按静水压力条件逐步施加围压至设定值10 MPa；保持围压恒定，采用位移控制的方式提高轴压至岩样破坏，轴向位移加载速率为2 μm/s。

2)三轴卸围压试验。按照静水压力条件逐步施加围压σ3至10 MPa；保持围压σ3不变，通过应力控制的方式提高轴压σ1至岩样常规三轴压缩峰值应力的80%；采用位移控制方式继续增加轴压σ1，同时围压σ3以0.05 MPa/s的速率卸除直至岩样破坏；破坏后，立即停止卸围压，沿轴向继续加载至岩样的残余强度。

表1 试验方案Table 1 Experimental scheme

在进行力学试验的同时，应用声发射监测系统全过程监控采集岩样在试验过程中的声发射信息。声发射参数如下：采样频率为10 MHz，增益为30 dB，门槛值为35 dB。

2 试验结果分析

2.1 应力−应变曲线分析

图 2所示为完整岩样和节理岩样在围压10 MPa下的常规三轴压缩及三轴卸荷条件下应力−应变曲线。从图2可以看出：不同岩样在常规三轴压缩及三轴卸荷试验条件下，应力−应变曲线的变化趋势大致相同，包括压密阶段、弹性阶段、破坏阶段及残余阶段，轴向变形曲线表现出较明显的线性段；与完整岩样相比，节理岩样极限强度明显减小，岩样在发生破坏过程中，并不是一次性破坏，存在明显的应力降现象。每一次应力降的产生都是裂纹扩展的体现。

试验中，节理岩体的脆性特征与完整岩样的脆性特征相比不够明显，表明节理岩样在荷载作用下，节理面位置处产生应力集中，裂纹扩展、贯通，局部破坏首先产生；岩体局部发生破坏后，荷载由其他未破坏的部分继续承担，当施加的载荷再次增大时，应力集中的位置又会产生破坏。如此反复进行，直到岩样失去承载能力而发生整体破坏为止。

图2 不同试验条件下试样应力−轴向应变曲线Fig. 2 Stress−strain curves under different triaxial compressions and unloading failures

与节理岩样相比，完整岩样在加载过程中，岩体内部受力较均匀，整体上达到极限强度的时间大致相同，应力−应变曲线在岩样整体破坏后急剧下降，呈现出明显的脆性跌落特征。

六是进一步完善老年教育政策保障。明确老年教育的发展方向，建立健全长效工作机制，把老年教育工作纳入教育发展规划和督导检查内容；市、区政府相关部门齐抓共管，定期研究，协调解决老年教育有关问题；增加老年教育经费投入，建立以受教育者购买服务为主，社会资本投入为辅，政府适当补贴的机制。

2.2 变形特征分析

不论是完整岩样还是节理岩样，与常规三轴压缩试验相比，在卸荷试验中岩样的脆性特征较明显。在实验过程中发生较脆的破坏声音，轴向应变−应力曲线在峰值后呈现出明显的突降趋势。

在轴向加载阶段，随着轴压的增加应力−应变曲线呈近直线型，轴向应变的斜率小于环向应变斜率，环向应变增加速度变小，与常规三轴压缩结果相似，此时，体积应变的变化主要受轴向应变的影响。不同类型岩样的环向应变变化情况有一定差异，节理岩样内部裂隙发育，岩样环向应变斜率较小，环向变形较明显。

卸围压开始后，环向应变的增加速度则明显加大，特别是节理岩样，体积应变与环向应变的变化规律基本相同，也开始左拐，并且增加速度越来越快，岩样开始膨胀。

随着围压继续降低，岩样的承载能力开始下降，岩样发生破裂失稳。在三轴卸围压试验中，随着围压降低，围压对岩样表面的约束作用减弱，使得岩样卸围压破坏程度与常规三轴压缩试验结果相比更剧烈，特别是节理岩样，其应力−应变曲线的变化趋势与常规三轴压缩试验结果相比明显不同。

2.3 强度特征分析

不同试验条件下的试验结果如表2所示。从表2可以看出：不同类型岩样常规三轴压缩试验的强度都高于三轴卸围压试验的强度，如完整岩样在常规三轴压缩作用下平均强度为147 MPa，而其在三轴卸围压作用下的平均强度为133 MPa；含有预制节理的岩样常规三轴压缩作用下的平均强度为102 MPa，而在三轴卸围压作用下其平均强度为83 MPa，上述试验结果表明卸围压条件下岩样更容易产生破裂。

根据试验结果，计算完整岩样、含有预制节理岩样在常规三轴试验与三轴卸围压试验下的强度之差，可得完整岩样及节理岩样常规三轴强度与三轴卸围压强度之差的平均值分别为13.43 MPa和19.26 MPa。与常规三轴压缩试验相比，完整岩样、含有预制节理岩样在三轴卸围压试验下岩样峰值强度的平均降幅分别为9.13%和18.81%，可以看出不同类型岩样受试验路径的影响程度不同，节理岩样受应力路径的影响最明显，表明节理岩石试件在卸围压试验时较完整岩石更易发生破坏。

表2 三轴压缩及卸荷试验破坏试验结果Table 2 Test results of unloading and triaxial compression failure

3 节理岩体卸荷破坏声发射特征分析

不同岩样声发射振铃计数率曲线、振幅分布曲线分别如图3和图4所示。从图3可见：不同类型岩样在卸荷损伤破裂各个阶段的规律性大致相似，可分为压密阶段、弹塑性阶段、卸围压及破裂阶段、宏观破裂阶段。

在压密阶段中，与常规三轴压缩试验相似，岩样内部原生裂隙闭合，出现零星的声发射现象，振铃计数率一般在10次/s以内，其频度和能量都很小。随后，岩样进入弹塑性阶段。在该阶段前期，声发射活动也很微弱，随着轴向应力增加，内部能量积聚，岩样内部原生裂隙扩展，出现声发射现象，但总体上仍然微弱，振铃计数率为200次/s左右；在弹塑性阶段后期即岩样卸围压前，裂纹萌生、扩展数量较多，声发射事件数量明显增多，与弹塑性阶段前期相比，振铃计数率增大数倍，声发射活动进入活跃期。

图3 岩石三轴压缩及卸荷破坏声发射振铃计数率曲线Fig. 3 AE CNT curves of rock samples under triaxial compression and unloading failure

图4 岩石三轴压缩及卸荷破坏声发射振幅分布曲线Fig. 4 AE amplitude distribution of rock samples under triaxial compression and unloading failure

卸围压开始后，围压逐渐减小而轴向载荷继续增加，岩样内部出现尺度较大、数目较多的裂纹，声发射活动进一步增强；随着载荷继续增加和围压持续降低，声发射事件开始减少，与活跃期相比，声发射事件数量大幅度降低，出现一段时间的“相对沉寂”；相对沉寂期过后，岩样达到峰值应力点，而后进入破裂阶段，此时，岩样内部裂纹开始迅速扩展、汇合、贯通，声发射事件迅速增多，直至岩样突然破坏，声发射振铃计数、能量都达到最大值，声发射活动极度活跃。与完整岩样不同的是：节理岩样在破裂阶段并不是一次性破裂的，节理岩样在破裂过程中发生多次应力降，每次应力降发生时声发射振铃计数率都产生突增，但除最后一次外，每次应力降对应的声发射振铃计数率都比前一次有所降低。此外，节理岩样产生的声发射振铃强度与完整岩样相比其强度有所减弱，表明完整岩样卸荷破坏程度更强烈。

宏观破裂发生后，形成宏观破裂面，岩样进入残余破碎过程，振铃计数大幅度降低。在残余阶段后期，部分岩样的声发射事件甚至消失。与常规三轴声发射试验相似，三轴卸围压时岩样声发射振铃计数及能量出现最大值的时间均稍滞后于其峰值应力出现的时间。

对比分析完整岩样、节理岩样振幅幅值分布可知：由于节理岩样裂纹较发育，因此，在常规三轴压缩声发射试验中，其声发射振幅在整个试验中的分布范围要比完整岩样的大；但在三轴卸荷试验中，常规三轴压缩试验与卸荷试验的振幅分布规律基本相似。

在三轴卸荷试验中，不同岩样的声发射幅值总体分布范围为40~90 dB。在试验开始阶段，岩样幅值的分布区间逐渐增大，幅值也逐渐增大，但变化范围不大；卸围压开始后，随着岩样裂纹扩展，声发射幅值分布区间开始增大，幅值峰值也逐渐达到最大；岩样破坏后，幅值分布区间与破裂阶段的分布区间基本相同，但低幅值区域明显变密，说明此阶段除了有许多大的破裂出现外，还存在一些小的破裂，使得幅值分布呈现强度大、范围广的规律。

4 结论

1)与完整岩样相比，节理岩样的破坏并不是一次性的，存在明显的应力降现象。每一次产生应力降时，其脆性特征与完整岩样相比不够明显。

2)在卸荷试验中，节理岩样与完整岩样的环向应变变化规律不同。由于节理岩样内部裂隙发育，其环向应变斜率较小，环向变形较明显。

3)在卸荷试验中，节理岩样极限强度明显比完整岩样的小，两者强度之差的平均值分别为13.43 MPa和19.26 MPa；与常规三轴压缩试验相比，不同类型岩样卸围压试验下岩样峰值强度的平均降幅分别为9.13%和18.81%。节理岩样受应力路径的影响明显，表明在卸荷试验中节理岩样更易发生破坏。

4)节理岩样在破裂过程中发生多次应力降，每次应力降发生时声发射振铃计数率都突增；此外，节理岩样在卸荷试验中的破坏程度与完整岩样的破坏程度相比较弱。

[1]WANG Ruihong, LI Jianlin, GUO Jing, et al. Experimental study of mechanical properties of rock mass containing intermittent joints of prefabricated[J]. Advanced Materials Research, 2011,168/169/170: 2468−2472.

[2]CAI Min, KAISER P K, TASAKA Y, et al. Generalized crack initiation and crack damage stress thresholds of brittle rock masses near underground excavations[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2004, 41(5): 833−847.

[3]李术才, 朱维申. 复杂应力状态下断续节理岩体断裂损伤机制研究及其应用[J]. 岩石力学与工程学报, 1999, 18(2):142−146.LI Shucai, ZHU Weishen. Fracture damage mechanism of discontinuous jointed rock mass under the state of complex stress and its application[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1999, 18(2): 142−146.

[4]EBERHARDT E, STEAD D, STIMPSON B, et al. The effect of neighbouring cracks on elliptical crack initiation and propagation in uniaxial and triaxial stress fields[J]. Engineering Fracture Mechanics, 1998, 59(2): 103−115.

[5]王士民, 刘丰军, 叶飞, 等. 含预制裂纹脆性岩石破坏数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2006, 27(增刊 1): 235−238.WANG Shimin, LIU Fengjun, YE Fei, et al. The numerical simulation to model failure of brittle rock with prefab crack[J].Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(Supp1): 235−238.

[6]YANG Zhenfan, CHEN Jimin, HUANG Tinghe. Effect of joint sets on the strength and deformation of rock mass models[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1998, 35(1): 75−84.

[7]NASSERI M H, RAO K S, RAMAMURTHY T. Failure mechanism in schistose rocks[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1997, 34(3): 219−219.

[8]LAJTAI E Z. A theoretical and experimental evaluation of the Griffith theory of brittle fracture[J]. Tectonophysics, 1971, 11(2):129−156.

[9]BRACE W F, BOMBOLAKIS E G. A note on brittle crack growth in compression[J]. Journal of Geophysical Research,1963, 68(12): 3709−3713.

[10]SHEN Baotang. The mechanics of fracture coalescence in compression experimental study and numerical simulation[J].Engineering Fracture Mechanics, 1993, 51(1): 73−85.

[11]BOBET A. The initiation of secondary cracks in compression[J].Engineering Fracture Mechanics, 2000, 66(2): 187−219.

[12]李宏哲, 夏才初, 王晓东, 等. 含节理大理岩变形和强度特性的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(10):2118−2123.LI Hongzhe, XIA Caichu, WANG Xiaodong, et al. Experimental study of deformation and strength properties of jointed marble specimens[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(10): 2118−2123.

[13]杨圣奇, 温森, 李良权. 不同围压下断续预制裂纹粗晶大理岩变形和强度特性的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2007, 26(8): 1572−1587.YANG Shengqi, WEN Sen, LI Liangquan. Experimental study of deformation and strength properties of coarse marble with discontinuous pre-existing cracks under different confining pressures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(8): 1572−1587.

[14]高艳华, 吴顺川, 王贺, 等. 基于持续屈服节理模型的节理直剪数值试验[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2016, 47(4):1253−1261.GAO Yanhua, WU Shunchuan, WANG He, et al. Numerical simulation of joint direct shear test based on continuously yielding joint model[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2016, 47(4): 1253−1261.

[15]王飞, 杜建坡, 李秀芬. 节理岩体卸荷强度特性的试验研究[J]. 地质灾害与环境保护, 2008, 19(3): 104−108.WANG Fei, DU Jianpo, LI Xiufen. Experimental study of strength behavior of jointed rock mass under the unloading state[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation, 2008, 19(3): 104−108.

[16]李建林, 王乐华. 节理岩体卸荷非线性力学特性研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(10): 1968−1975.LI Jianlin, WANG Lehua. Study of unloading nonlinear mechanical characteristics of jointed rock mass[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(10):1968−1975.

[17]金爱兵, 孙浩, 孟新秋, 等. 非贯通节理岩体等效强度及破坏特性[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2016, 47(9): 3169−3176.JIN Aibing, SUN Hao, MENG Xinqiu, et al. Equivalent strength and failure behavior of intermittent jointed rock mass[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2016,47(9): 3169−3176.

[18]周喻, 韩光, 吴顺川, 等. 断续节理岩体及岩质边坡破坏的细观机制[J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(S2): 3878−3889.ZHOU Yu, HAN Guang, WU Shunchuan, et al. Meso failure mechanism of rock mass and slope with intermittent joints[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016,35(S2): 3878−3889.

[19]周喻, 王莉, 丁剑锋, 等. 多尺度节理岩体力学特性的颗粒流分析[J]. 岩土力学, 2016, 37(7): 2085−2095+2127.ZHOU Yu, WANG Li, DING Jianfeng, et al. Particle flow code analysis of multi-scale jointed rock mass based upon equivalent rock mass technique[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(7):2085−2095+2127.

[20]李晓锋, 李海波, 夏祥, 等. 类节理岩石直剪试验力学特性的数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2016, 37(2): 583−591.LI Xiaofeng, LI Haibo, XIA Xiang, et al. Numerical simulation of mechanical characteristics of jointed rock in direct shear test[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(2): 583−591.

[21]黄达, 岑夺丰, 黄润秋. 单裂隙砂岩单轴压缩的中等应变率效应颗粒流模拟[J]. 岩土力学, 2013, 34(2): 535−545.HUANG Da, CEN Duofeng, HUANG Runqiu. Influence of medium strain rate on sandstone with a single pre-crack under uniaxial compression using PFC simulation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(2): 535−545.

[22]宿辉, 李长洪. 不同围压条件下花岗岩压缩破坏声发射特征细观数值模拟[J]. 北京科技大学学报, 2011, 33(11):1312−1318.SU Hui, LI Changhong. Mesoscopic numerical simulation of acoustic emission experiment in rock compression failure under different confining pressures[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2011, 33(11): 1312−1318.