含裂隙饱水风干岩石声发射特征试验研究

刘 静

河南省收费还贷高速公路管理中心，河南 郑州 450000

在外力的作用下，岩石材料内部容易产生裂纹并扩张，进而引起能量释放，这一过程现象便称之为声发射，并可通过声发射仪探测其内部裂纹的动态演化过程。含缺陷岩石的声发射特性是影响围岩稳定性重要因素之一，对其的研究便显得颇为重要。对于含缺陷岩石的声发射特性，近年来有不少学者对其进行了研究［1-3］，也取得了一系列的成果。但对于饱水风干处理后含缺陷岩石的声发射特性研究却鲜有报道。基于此，本文通过对饱水风干作用后含孔洞-裂隙缺陷岩石试样进行单轴压缩试验，探讨裂隙形式对声发射的影响特征。

1 试验方案

花岗岩材料取自河南伏牛山特长公路隧道施工现场，表面无肉眼可见缺陷，采用高压水射流切割机在加工完的板状试样预制孔洞-裂隙组合缺陷，如图1 所示，其中孔洞直径d 均为12mm，裂隙长度l 均为15mm，裂隙下尖端与孔洞上孔壁重合，裂隙倾角β 表示裂隙走向与水平方向的夹角。试验过程中，通过改变裂隙倾角研究裂隙形式对声发射的影响特征。

含缺陷板状试样加工完成后，将试样放置在pH=6.0 弱盐酸溶液中浸泡20d 制成饱水试样，然后在自然状态下风干7d。实验过程中，采用YNS-2000 型电液伺服控制试验系统对饱水风干作用后含缺陷花岗岩板状试样进行单轴压缩试验试，以0.01mm/min的应变速率对试样进行加载。为记录试样压缩过程中声发射信号，在试样左侧布置声发射探头。

图1 花岗岩试样裂隙布置

2 声发射演化特征

本文分别选取β=15°和90°的裂隙岩石试样进行声发射特征分析，如图2 所示。

图2 β=15°和β=90°裂隙试样声发射特征

由上图可知，在加载的初期阶段以及弹性阶段，含孔洞-裂隙板状试样声发射（AE）事件基本没有发生；当应力-时间曲线开始进入非线性段时，试样开始萌生宏观裂纹，AE 事件出现概率较小；当轴向应力增大至峰值附近时，试样声发射（AE）事件出现较为密集，试样最终发生失稳破坏。对比试样β=90°和试样β=15°，在达到峰前的非线性段，试样β=15°的AE 事件频次明显高于β=90°试样，可以推断其宏观裂纹扩展过程更为复杂。

由含裂隙试样的单轴压缩过程中的轴向应力和声发射特征的相关性可以发现，宏观裂纹的产生和扩展，都可导致AE 事件的发生以及应力的跌落。最初的压密阶段多伴随能量积聚，试样只有少量微裂纹产生，在这个过程中AE 事件较少；当轴向应力逐步增大至峰值时，试样内部裂纹持续发展致密，AE 事件突增，能量剧烈释放，试样继而瞬间发生失稳破坏，进一步验证了砂岩的脆性特征。

3 结论

本文研究了饱水风干作用后含孔洞-裂隙缺陷试样的声发射特征，并对含不同裂隙倾角花岗岩板状试样进行单轴压缩试验，最终得到如下结论：含缺陷试样轴向应力-应变曲线和声发射活动表现出明显的对应特征。在压密段和弹性段，声发射事件较少，伴随着次生裂纹的萌生、扩展，声发射事件逐渐变得活跃。