节理岩体声发射特性试验研究

2019-06-28孙旭曙黄叶宁梁佳灯

水科学与工程技术 2019年3期

孙旭曙，迟健，陈超，黄叶宁，刘洋，梁佳灯

（三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002）

1 研究背景

声发射［1］指的是固体内部缺陷（或潜在的缺陷）在外部荷载作用下应力高度集中，应变能增大，当外部荷载超过某一临界值时，缺陷区域发生微观屈服或变形，使应力得到松弛，多余能量以弹性波的形式瞬时释放的一种现象。岩石在变形、断裂和破坏时均有声发射现象，其强度和频度与材料的性质有关。然而，天然岩体受结构面切割而形成具有特殊结构的不连续体，其变形、强度特征和破坏模式比岩石复杂得多［2］，将导致天然岩体的声发射特性比岩块较为复杂。因此，研究天然岩体中的声发射特性具有重要的理论价值。

声发射事件产生的弹性波，其传播规律受岩体结构影响而产生反射、折射、绕射与散射等现象，孙旭曙［2］开展了节理岩体的超声波传播规律室内试验，研究表明其超声波波速随节理倾角增大呈线性递减。众多的研究表明岩体声发射事件与其应力应变关系密切相关。曹吉胜［3］开展了预制节理岩体三轴压缩及卸荷破坏声发射试验研究，研究表明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，声发射振铃计数率突增；李银平［4］开展了预制裂隙大理岩块试件在剪切作用下的声发射特征研究，研究表明锯齿型裂纹破坏之前声发射活跃，破坏时达到峰值，此类破坏更具突然性和不可预测性；赵兴东［5］开展了单轴压缩载荷作用下预制裂纹花岗岩声发射试验，研究表明声发射事件主要由岩样裂纹扩展所产生，并随应力～应变变化而表现出不同特征。岩体的声发射事件主要产生在力学性能较弱的节理、裂隙等结构面，并且与其破坏模式相关。裴建良［6］开展了单轴压缩条件下自然裂隙大理岩的声发射测试，研究表明单一型和平行型自然裂隙岩样在压应力水平较低时，声发射事件随压应力的渐增沿自然裂隙面产生，当压应力接近峰值强度时，声发射事件主要产生在裂隙面末端；赵小平［7］通过预加载制备了裂隙煤岩试件，并研究了单轴加载破坏过程中的声发射现象，并提出定量指标b值描述声发射事件最大振幅的分布规律，煤岩内部所含裂隙越多，b值越大，破坏裂隙扩展所受的阻碍越大。

本文以不同倾角节理试件为研究对象，开展单轴压缩条件下的声发射试验，研究了单轴压缩条件下单一节理岩体的声发射特性。

2 试验方案

2.1 节理试样制备

本次试验以砂岩为研究对象，单一节理试样为圆柱体，直径φ×高度H=50mm×100mm。节理试件由完整试件切割、经石膏黏接而成，节理角度设计为0°，30°，45°，60°，90°，试件如图1。

图1 单一节理试件

2.2 声发射试验

声发射试验采用美国物理声学公司（PAC）研制的高性能声发射系统（PCI-2）。测试过程中，需在试件上、下两端10mm处各布设2个传感器，并设置上下两组传感器相互垂直，确保4个传感器不在同一平面，传感器安装如图2。

图2 传感器安装

本次声发射试验需与单轴压缩试验同步进行，岩石力学试验系统采用中国科学院武汉岩土力学研究所研制的数字控制式电液伺服试验机（RMT-150C），试件安装如图3。试验中所采集的信号是试件受力变形、裂纹扩展及破坏所产生。

图3 试件安装

3 声发射试验结果分析

试验中所采集的试件应力应变曲线、声发射试验累计撞击数和累计能量参数变化曲线如图4、图5。

图4 撞击数变化曲线

图5 能量变化曲线

结果表明，受节理影响不同倾角试件的应力应变曲线有较大差异，这与其破坏模式有关。0°，30°，90°节理试件为贯穿节理的轴向张拉劈裂破坏，如图6。应力应变曲线呈现为脆性破坏特征，有明显的应力陡降阶段，且峰值强度较大，约为40MPa；45°，60°节理试件为沿节理面的剪切破坏，应力应变曲线呈现为延性破坏特征，应力缓慢降低，峰值强度较低，分别为4MPa和1.7MPa。

图6 节理试件破坏模式

声发射试验累计撞击数和累计能量与试件变形破坏过程一一对应，其曲线斜率代表试件内部微小结构的破坏数量，斜率大表示微小结构的破坏数量多，反之，说明微小结构的破坏数量少。随着应力不断增加，0°，30°，90°节理试件的累计撞击数和累计能量缓慢增加，达到峰值强度时，计撞击数和累计能量骤增并达到极值；45°节理试件的累计撞击数和累计能量随应力缓慢增加，当该试件进入弹性变形阶段，累计撞击数和累计能量快速持续线性增加；在弹性变形中段前，60°节理试件的累计撞击数和累计能量与应力变化规律一致，之后缓慢增加。

根据节理试件变形破坏特点，可将其声发射过程分为3个阶段，即初始压密及上升区、峰值区、平稳区。