含弱面岩体拉伸破坏形式及声发射特性研究

龚彦华

（1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁沈阳 110819；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819）

金属矿山在开采过程中常遇到相对与开挖岩体较低或没有抗拉强度的结构面，这些弱面严重影响了岩石结构的稳定性[1-2]。目前，关于结构面对岩体力学性能影响的研究多集中在单条或多条裂隙的力学特征等方面[3-4]，而在含软弱面的岩体开挖过程中，软弱面往往范围较大，在其力学行为分析过程中，需要把其作为贯穿裂隙来研究。深入研究弱面对岩体的拉伸破坏影响，将会给含弱面采场或硐室的支护形式提供科学依据。

国内外学者针对层理弱面进行了大量的研究。Abbass等[5-6]研究了不同角度层理砂质板岩抗拉强度等力学参数。赵同彬等[7]研究了不同角度弱面节理的锚固机制。张卫东等[8]对三向应力作用下岩石的强度特征进行了分析。丁乙等[9]在摩尔—库伦准则基础上，建立了多弱面的岩体强度破坏准则。何俊[10]对节理，层理及断层等弱面的破坏机理进行了分析，提出了岩体弱面在开采情况下的活化条件。

以上研究主要针对强度较高的层理弱面，而对于强度较低的含充填节理弱面的岩体的抗拉破坏特征还没有研究。本研究针对强度较低的充填节理，为了探究其对岩体破坏特征的影响，首先利用完整砂岩预制了不同角度、深度弱面的试件，并利用石膏对弱面进行了充填；随后探究了不同角度、深度弱面对试件强度及破坏形式的影响；最后，探究了不同角度弱面的声发射特性及其对应的支护方式。

1 实验概况

1.1 试样制作

实验试样为砂岩，如图1（a）所示被加工成φ50 mm×25 mm标准圆柱状巴西劈裂实验试件。使用金刚石线切割机对完整试件进行切割，切割线直径为0.5 mm，切割深度分别为15 mm和10 mm，对不同深度试件进行高强度石膏进行充填，将石膏完全充填在预制裂隙内，形成如图1（b）和图1（c）所示的含不同角度和深度预制弱面的砂岩试件。

1.2 实验设备

如图2（a）所示，试验的单轴抗拉强度采用东北大学岩石力学实验室的YAW-100C压力试验机进行测定，计算机可通过负荷控制准确控制试验的全过程。如图2（b）所示，使用声发射采集仪对试件进行测试，此声发射仪器具有8个通道，门槛值设置为45，其前置放大增益为40 dB。AE通道的PDT为40 μs，AE通道的HDT为160 μs，AE通道的HLT为200 μs，传感器表面与试件接触的地方涂抹适量的耦合剂，以保证优质的信号采集。

2 实验结果及分析

选取具有代表性的完整试件进行实验研究，再对实验试件进行深度10 mm和15 mm预制弱面，使法向应力与弱面成0°～90°不同的10个角度，弱面内充填高强度石膏，此砂岩单轴抗压强度为97 MPa，高强度石膏抗压强度为15 MPa，符合预制不同角度弱面的强度条件，实验应用声发射监测设备进行声发射实验，得到相应研究结果并进行实验分析。

2.1 预制弱面强度及破坏特征研究

利用预制好的15 mm深度预制弱面的砂岩试件进行实验，使受力方向与弱面成0°～90°不同的10个角度。通过加载可以看到含不同角度预制弱面试件在破坏过程是完全不同的，如图3所示，为不同角度试件破坏情况。可以看出，含有不同角度试件受到拉应力后，角度较小时，试件会沿着弱面破坏，当达到一定角度后，试件只会沿着加载方向破坏。

图4为连接度随着弱面角度变化情况，用其来评价试件在不同角度下的破坏模式。当0°＜α＜40°时，随着角度增加，试件破坏后沿弱面破坏的连接度越来越小，但试件会有局部沿着弱面形成破坏，破坏形式为复合型破坏；当40°＜α＜90°时，试件破坏将不会沿着弱面破坏，均直接沿着试件受法向应力方向穿过弱面直接拉伸破坏。所以加载方向与弱面成40°为试件破坏模式临界点，当0＜α＜40°时，试件为复合型破坏，当40°＜α＜90°时，试件为拉伸破坏。

利用10 mm深度预制弱面的砂岩试件进行实验，使受力方向与弱面成0°～90°不同的10个角度。如图5为含不同角度深度预制弱面抗拉强度随角度变化图。由图5可以看出，含10 mm预制弱面试样随法向应力与弱面角度不断增大，试件所受的抗拉强度不断增大，当达到70°时，预制弱面试件承受的抗拉强度最大，当试件在70°～90°区间时，强度随角度的增加反而会下降。对于含15 mm预制弱面试件，当达到80°时，预制弱面试件承受的抗拉强度最大。对比分析，当预制弱面深度越大时，试件的抗拉强度峰值应力会前移；与含15 mm预制弱面相比较，含10 mm预制弱面砂岩试件所受的抗拉强度整体更大，说明含弱面深度越大，对其抗拉强度影响越大。

2.2 预制弱面试件强度与声发射关系研究

岩体结构在受力破坏过程中会产生局部结构断裂或失稳等现象，从而导致破裂信号的产生。图6所示为含15 mm弱面砂岩试件的单轴抗压强度随时间变化的声发射曲线图。图6（a）为试件法向应力方向与弱面的夹角在0°～20°时的典型代表，从图中可以看出，刚开始试件受拉应力时，已经有声发射撞击率信号产生，而且声发射撞击率信号会达到一定峰值，说明此次试件正受压密阶段，弱面参与抗拉强度，后期声发射撞击率信号持续产生，达到一定强度后声发射撞击率迅速增长，直到到达峰值伴随试件破坏，此时能量累积也达到峰值，此过程刚开始有明显声发射撞击率信号和试件内部弱面有关，说明试件内部弱面刚开始加载就对试样抗拉强度产生了影响，对比0°～10°试件，随着角度增加，弱面对试件初期劣化过程影响逐渐增强；当法向应力方向与弱面的角度在70°～90°时，其对试件初期强度影响情况类似于0°～20°，但其破坏形式为拉伸破坏，随着角度增加弱面对试件初期劣化过程影响逐渐降低。当弱面角度在30°附近时（图6（b）），试件破坏过程中声发射将出现频率将出两次现阶段性下降的过程，在第二次声发射速率下降到最低点后，其速率将会快速上升，说明其内部劣化过程具有一定的阶梯型。当试样法向应力方向与弱面成50°角度时（6（c）），可以明显看出，从开始试件始终无声发射撞击信号，当接近最终强度时声发射撞击频率急剧上升，试件突然发生破坏，说明其破坏具有突然性，具有一定的岩爆倾向性。当法向应力方向与弱面成60°角度附近时（6（d）），声发射与其强度的关系，从图中可以看出，声发射撞击率在加载初期急剧升高，随后快速下降至稳定状态，说明弱面对其试件初期强度影响较大，其破坏速度相对其他角度弱面比较缓和。

2.3 含弱面岩体支护方式研究

由以上分析可知，利用试样在破坏过程中产生声发射特征可以反映出含弱面岩体内部劣化的过程，基于此种原理可以指导含弱面岩体的施工过程。当弱面角度在0°＜α＜20°，70°＜α＜90°范围时（图6（a）），由于其在初期劣化速度明显是低于最大强度附近速度，在声发射撞击率急速增加时，说明此时弱面岩体将要达到极限强度，这时需要对岩体进行加强支护。当弱面角度在30°附近时（图6（b）），试件破坏过程中声发射将出现频率将出两次现阶段性下降的过程，在第二次声发射速率下降到最低点后，其速率将会快速上升，在现场弱监测到此种类型声发射信号，应在第二次声发射速率下降时对弱面岩体进行支护。图6（c）为弱面角度在50°附近时，声发射撞击率的特点，其破坏强度具有突然性，具有一定的岩爆倾向性，需要在受力前进行支护。图6（d）为弱面角度在60°附近时，声发射撞击率的特点，其内部初期劣化速度较快，而后逐渐平稳直至破坏，这种支护方式可以选择其劣化速度平稳后进行支护。

3 结 论

（1）通过预制不同角度深度弱面砂岩的单轴拉伸试验，可以得到圆盘试件有2种破坏形式，40°为临界点：当0°＜α＜40°时，试件为剪切拉伸复合型破坏，当α＞40°时，试件为拉伸破坏。同时，含相同角度试件预制弱面深度越大，试件的抗拉强度越低。

（2）弱面角度为70°时，含10 mm预制弱面试件承受的抗拉强度最大，当试件在70°～90°受抗拉时，强度又会下降。相比较含15 mm预制弱面，当达到80°时，预制弱面试件承受抗拉强度达到最大。当预制弱面深度越大时，圆盘试件承受的峰值抗拉强度会随角度前移。

（3）当试件弱面在0°～20°时，其对试件初期劣化过程影响逐渐增强，在70°～90°其对试件初期劣化过程影响逐渐减弱，在30°附近时，其声发射具有多次波峰、波谷现象，其内部劣化方式具有一定的阶梯性，当其弱面在50°附近时，试件会发生突然破坏，具有一定的岩爆倾向性，当其弱面在60°附近时，试件会发生相对平稳的破坏；

（4）岩体受拉破坏特征与岩体弱面角度有密切关系，不同角度弱面会有不同的支护方式，进行室内含预制弱面试件抗拉强度实验，可为含弱面岩体的现场工程施工提供指导。