遍布节理试样压剪加载下的力学特性及声发射特征研究*

郝 记 王 飞②③ 曹 平 刘智振 董 涛

(①中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083，中国)

(②长沙理工大学，湖南省公路先进建养技术国际科技创新合作基地，长沙 410114，中国)

(③深圳大学，深地科学与绿色能源研究院，土木与交通工程学院，深圳 518060，中国)

0 引 言

现实工程中岩质边坡、巷道拱角等都会受到压剪荷载作用，因而确保压剪作用下工程的稳定性具有重要意义。但天然岩体的稳定性在其内部发育的节理、断层等不连续面的影响下而受到极大削弱(韩刚等， 2016)。岩石节理是最常见的一类不连续面，也是分布最广泛的一种断裂构造。现实中岩体的破坏主要以节理在荷载的作用下剪切贯通而导致工程岩体滑动为主，节理的剪切行为控制裂隙岩体的变形与破坏(Zhang et al.，2015)。因此，在节理岩体中开展力学特性研究显得尤为重要。

由于现场大型原位试验成本高、难度大，现场节理岩体试件采集困难及节理分布的无序性等原因，对现场节理岩体进行有效的力学研究是极其困难的(蒲成志等， 2010； 王佩新等， 2017)。因此，节理岩体的室内试验研究以类岩石材料预制人工节理和加工制作岩石节理为主(范文臣等， 2015)。近年来，国内外专家学者采用人工节理室内试验对节理岩体力学性质及破坏机制进行了大量研究，揭示了不同应力状态下节理对岩体强度、变形及破坏模式的影响。

在压缩应力作用下，节理岩体破坏受到节理连通率、位置、倾角、密度等因素影响。Yang et al. (2013， 2016)对含2条、3条节理的砂岩试件进行单轴压缩试验以研究不同节理参数试样的力学性质； 在单轴压缩条件下，陈新等(2011)，Chen et al. (2014)通过预制张开裂隙节理组研究节理产状和连通率对岩体力学性质的影响； Wong et al. (2009)对大理岩和石膏单裂隙试样进行单轴压缩试验，提出不同裂纹尖端的起裂和扩展模式。Cao et al. (2016)采用类岩材料预制遍布节理试样并进行单轴加载以研究遍布节理参数对试样力学性质的影响。节理岩体不仅在压缩应力下得到了大量力学研究，其在剪切应力下亦得到了大量学者的关注、研究。在剪切作用下，节理试样的破坏受到表面粗糙度、法向荷载、充填物成分、含水率等因素的影响。Gehle et al. (2003)进行直剪试验以研究节理试样的破坏过程并将其分为节理面扩展、岩桥滑动和节理面的滑动3个阶段； 陈国庆等(2017)采用直剪试验结合声发射技术分析不同连通率岩桥和法向应力对断续节理岩体破坏特征的影响； 胡波等(2008)采用理论计算与试验相结合推导了共面闭合断续节理岩体的直剪强度公式； 唐志成等(2011)采用不同轴向荷载下的直剪试验分析法向荷载对节理试样抗剪强度的影响，并基于试验结果对剪切变形本构关系进行推导。范文臣等(2015)通过对充填节理类岩样进行变角度压剪试验，探究不同压剪应力比下倾角对破坏模式的影响。

学者针对遍布节理研究以模型为主，多运用遍布节理模型分析岩体的稳定性。朱泽奇等(2009)针对层状岩体建立了考虑其横观各向同性变形特性的遍布节理模型，并用该模型分析了层状岩体围岩变形及破裂特征。冷先伦等(2009)在硐室群围岩稳定性分析中引入遍布节理模型，研究遍布节理弱面的走向和倾向对围岩变形的影响。吴顺川等(2006)提出了基于遍布节理模型的强度折减法来分析边坡的稳定性。目前，节理参数对遍布节理试样力学性质的影响研究相对较少。熊心广等(2016)采用单轴压缩试验研究节理倾角和节理夹角参数对非贯通遍布节理试样破碎规律的影响。

前人的研究针对压缩荷载下节理试样的力学性质相对较多，直剪荷载下节理试样的力学性质也进行了部分研究，而压剪综合应力环境在现实边坡工程和基坑工程中是常常出现的。同时，遍布节理岩体内部的节理参数(如间距、倾角、长度等)将极大影响试样的力学性质。因此，针对压剪荷载下受节理倾角、间距组合参数影响的遍布节理试样的力学行为进行研究将对边坡工程的设计、施工具有重要意义。目前，现有研究中尚未出现压剪下组合遍布节理参数影响的岩体的破坏力学行为研究。为此，本文对遍布节理岩体进行压剪试验，研究节理倾角和间距组合参数对岩体强度、破坏规律等力学性质的综合影响，同时采用声发射设备监测试样的微观破裂行为。

1 试验概况

1.1 试样制备

采用18目(1mm)粒径以下的细砂作为骨料，采用C42.5号的白色水泥为胶结材料。水泥砂浆中白水泥、细砂、水按体积比2︰1︰1配置。浇筑好的水泥砂浆在室温下养护24h后拆模，再在养护箱中养护28d后进行试验。通过制作不同类型标准试样并进行测试，得到类岩材料的基本力学参数如表1所示，其与脆性岩石试样力学参数类似，因而可用于节理岩石力学性质的研究。由于现实节理岩石试样存在制作困难、内部均质性等问题，采用类岩材料进行试验研究更易操作、结果规律更可靠。

表1 类岩材料的基本力学参数

试验研究的节理试样尺寸(高×宽×厚)为100mm×100mm×30mm，试样内节理采用插入0.6mm厚度的云母片的方法制作以模拟现实岩体中由泥土或碎屑充填的闭节理，云母片长为15mm，节理岩桥长为20mm，试件尺寸及节理参数分布如图1。采用云母片制作闭节理的方法适用于整体研究节理参数(如倾角、长度)对岩体力学性质的影响，其简化了节理的内在力学参数，存在未考虑节理面之间摩擦性的局限性。结合现实岩体节理间距与岩体尺寸比，试样设置4种不同节理间距(d为15mm、22mm、29mm、36mm 4种)，每种节理间距下含6种不同倾角(0°、30°、45°、60°、75°和90°)。为确保节理制作位置的精确性，先打印按节理布置与试样大小相等的纸张，裁剪后拓在磨具上进行节理制作。节理试样以S-a-b来命名，“S”指试样，“a”指试样的节理间距d，“b”指试样的节理倾角α。

图1 试件尺寸及节理参数分布

1.2 试验过程

本次试验采用新三思轴向加载试验机，加载方式以0.1mm·min-1的位移控加载。将岩石力学常规试验中所用变角度压剪盒固定于仪器压头上，固定压剪角为45°，从而形成压剪系统(图2)。为研究试样的破坏过程，采用高清摄像仪对试验过程进行记录。与加载过程同步，采用声发射设备监测加载过程中试样的声发射活动。现场整体试验装置及示意如图2所示。

图2 现场试验装置及示意图

2 遍布节理试样的力学特性

2.1 压剪荷载下遍布节理试样的破坏模式

单裂隙试样在轴向荷载作用下沿着裂隙会发育拉伸裂纹(翼裂纹)和次生裂纹两种裂隙(王飞等， 2018)。根据裂隙沿节理面不同方向，次生裂纹可分为类平面次生裂纹和斜次生裂纹(图3)。根据试验结果中不同类型裂隙主导试样破坏，将遍布节理类岩试样的破坏模式划分为3种：平面剪切破坏、类完整性剪切破坏和斜剪切破坏。

图3 原有裂隙在荷载作用下发育裂隙类型

2.1.1 节理倾角对试样破坏模式的影响

S-22-0试样(图4a)在压剪加载初期上部节理先产生拉伸翼裂纹，翼裂纹随着荷载的增大而扩展。但随着荷载不断增大，裂隙扩展没有得到延续且呈现出缓慢闭合的趋势。剪切面两端开始形成类平面次生裂纹，在荷载作用下不断扩展、贯通岩桥，最终沿着试样中部节理面形成平面剪切破坏。这种由类平面次生裂纹占主导作用形成的剪切破坏定义为平面剪切破坏(Ⅰ破坏模式)。

S-22-45试样(图4c)在加载初期试样节理裂纹发育较少。随荷载增强，试样两端先产生裂隙，试样左上部沿节理面方向类平面剪切裂纹不断发育，进而节理裂隙间不断搭接。但局部的损伤没有完全破坏节理试样，而是由试样中上部附近形成由斜次生裂纹、类平面次生裂纹相互搭接构成的剪切面导致试样破坏。这种由2类裂纹相互贯通形成的破坏现象定义为类完整性剪切破坏(Ⅱ破坏模式)。节理倾角30°试样(图4b)与45°试样裂隙发育形成的贯通路径不同，但其均由类平面剪切裂纹、斜次生裂纹相互搭接贯通形成破坏面，也为类完整性剪切破坏。

S-22-90试样(图4d)加载初期与剪切面相交的中部节理位置发育翼裂纹、试样两端局部开裂。随后，与剪切面相交节理逐步发育斜次生裂纹。斜次生裂纹在相邻节理之间不断搭接，进而形成与剪切面类似平行的贯通节理的剪切面。由斜次生裂纹主导试样贯通剪切破坏的模式定义为斜剪切破坏(Ⅲ破坏模式)。

图4 不同节理倾角试样的破坏模式

观察不同节理倾角试样的破坏模式(表2)可以发现节理倾角在影响试样破坏模式上起主导作用：节理倾角较小时(0°)试样破坏模式均为Ⅰ破坏模式； 随着倾角的增大(30°～60°)为Ⅱ破坏模式； 75°～90°倾角试样的破坏模式为Ⅲ或Ⅱ破坏模式。

表2 不同节理倾角、间距试样的破坏模式

2.1.2 节理间距对破坏模式的影响

当节理倾角α=0°时，不同节理间距的试样破坏模式均为Ⅰ破坏模式(表2)。节理间距的改变会引发节理尖端翼裂纹的发育、搭接位置的改变，但整体上试样内部都在中部剪切应力面上形成由类平面剪切裂纹贯通的剪切破坏面。节理间距只影响节理试样上翼裂纹的发育情况。

当节理倾角α=45°时，不同节理间距的试样破坏模式均为Ⅱ破坏模式(表2)。不同节理间距试样的破坏路径存在一定的差异，节理间距的增大会导致试样表面的裂纹数量减小。节理倾角为30°、60°的试样与节理倾角45°试样的裂纹发育规律类似。

当节理倾角α=75°时，节理间距为15mm的试样为Ⅲ破坏模式，其余节理试样为Ⅱ破坏模式(表2)。试样中不同节理间距会导致破坏模式发生改变。即使相同破坏模式的试样其破坏路径也各有差异。节理间距越小节理尖端斜次生裂纹发育越多，越有利于裂纹搭接、贯通形成斜剪切破坏。

当节理倾角α=90°时，节理间距15mm、22mm为Ⅲ破坏模式，节理间距29mm、36mm为Ⅱ破坏模式(表2)。图5显示了90°节理倾角下不同节理间距试样的破坏模式。90°倾角下试样的剪切应力方向与节理垂直，易引起斜次生裂纹的发育且节理间岩桥较小易引起裂纹的搭接、贯通，因而90°试样斜剪切破坏数量相较75°试样数量增加。节理间距较大时(图5a和图5b)，斜次生裂纹起裂后的扩展极其困难，会与拉伸裂纹相互搭接、贯通，因而节理间距29mm、36mm试样均为类完整性剪切破坏。而节理间距为15mm和22mm时(图5c和图4d)，相邻节理在剪切荷载的作用下易相互搭接形成斜次生裂纹，最终斜次生裂纹以节理端点为接点相互贯通破坏试样，其破坏模式为斜剪切破坏。

图5 不同节理间距岩体破坏模式

观察不同节理间距试样破坏模式(表2)可发现：随着节理间距的增大，平面剪切破坏数量不变，类完整性剪切破坏数量不断增加，斜剪切破坏不断减小。因而，节理间距改变会引起试样破坏模式的改变，影响程度与节理倾角有关。

2.2 节理倾角、间距对试样峰值剪切强度的影响

在压模端面与压力机承压板间放置滚柱板，因而滚动摩擦系数为0。试验研究中，固定压剪角为45°，剪切面上的正应力等于剪应力。对于相同节理布置的试件，进行完全相同的3次重复试验，选取平均值作为该试件试验结果。节理试样的峰值剪切强度试验结果列在表3。

表3 节理试样的抗剪强度

削弱度定义为节理对试件抗剪承载力的削弱值与无节理试件抗剪承载力的比值。45°压剪角下的完整试样的峰值剪切强度为9.59MPa。计算不同节理试样的削弱度列在表3中。从表3中可以发现：节理试样弱化程度范围为15.95%～56.62%； 相同节理间距倾角0°的试样削弱度最大， 45°削弱度最小； 相同节理倾角，削弱度随着节理间距减小不断增大； S-36-45节理试样削弱度最小为15.95%，S-15-0节理试样削弱度最大为56.62%。

2.2.1 节理倾角对试样峰值剪切强度的影响

节理试样的峰值剪切强度随节理倾角变化如图6所示。从图中可以看出：试样的峰值剪切应力随倾角呈现先增加后减小，其中45°节理试样的峰值强度最大。在0°节理倾角下试样沿剪切面的裂隙最长、岩桥最小，在该剪切面上易引发平面剪切裂纹进而贯通试样，因此0°节理试样的剪切强度最小。节理倾角30°～45°，随着节理倾角的增大，剪切应力面上节理之间的岩桥增大，试样在45°节理之间岩桥长度最大，节理试样均发生类完整性剪切破坏，因而峰值剪切强度增大。节理倾角在60°～90°，节理方向与剪切面逐渐趋向垂直，剪切应力面上节理之间岩桥长度不断减小，节理两端斜剪切裂纹发育增强，试样的破坏模式也由类完整性破坏向斜剪切破坏转变，因而试样的峰值剪切强度不断减小。

图6 不同节理倾角试样的峰值剪切强度

2.2.2 节理间距对试样峰值剪切强度的影响

图7为试样的峰值剪切强度随节理间距变化图。从图中可以看出：相同节理倾角下试样的峰值剪切应力随着节理间距的增加不断增大，节理间距29mm与节理间距36mm的试样峰值剪切强度大致相等。节理间距的增加导致预制节理之间的岩桥长度增加，贯通难度加大，从而峰值剪切强度增大。现实岩体中节理间距的增大会导致节理密度的减小，而本次试验中由于试样尺寸的恒定， 29mm和36mm节理间距的改变没有引起试样内节理密度的增加，因而，节理间距29mm与36mm的试样峰值剪切强度近似相同。

图7 不同节理间距试件的峰值剪切强度

2.3 节理试样的剪切应力-位移曲线

根据试验机记录的轴向荷载和轴向位移曲线得到试样的剪切应力-位移曲线。不同倾角下节理试样的剪切应力-位移曲线(图8a)随倾角变化其曲线在微裂隙闭合阶段有一定的重合性，而其他阶段体现出明显的差异(峰后阶段尤其明显)。节理间距为15mm的试样， 45°节理倾角试样的应力-位移曲线在峰后阶段产生应力突降，其他试样的应力-位移曲线则缓慢下降。节理试样的应力-位移曲线在峰后阶段的应力曲线斜率与破坏模式有一定相关性： 45°、60°、30°节理倾角试样破坏模式为类完整性剪切破坏， 45°节理倾角试样曲线产生应力突降现象， 60°和30°节理试样应力曲线斜率也较大； 75°和90°节理试样在峰后阶段应力曲线斜率较小，由于试样的破坏模式为斜剪切破坏导致试样峰值剪切强度较小进而下降较慢； 0°节理试样的峰后曲线斜率最小，由于其破坏模式为平面剪切破坏导致其峰值剪切强度较低进而峰后曲线相对平缓。节理间距为36mm的试样其峰后曲线出现应力突降或多级应力突降现象。与节理间距15mm的试样相比，节理间距为36mm的试样破坏后曲线易产生应力突降。

不同节理间距试样的剪切应力-位移曲线(图8b)呈现出以下特点：节理间距越大的试样其峰值剪切强度越大； 不同节理间距试样曲线变化形态大致相似，但曲线斜率与节理间距具有相关性。对于0°节理倾角试样，不同间距其峰后曲线均呈平缓下降趋势，节理间距越大则试样的峰后曲线斜率相对越大。节理倾角为60°的试样，破裂后阶段具有明显的应力突降，节理间距越大应力突降值相对越大。

图8 压剪荷载下节理试样的剪切应力-位移曲线

3 节理试样声发射特征参数分析

3.1 不同节理间距试样声发射活动差异性分析

声发射撞击数体现了破裂活动的总量和频度，它是超过声发射门槛值并被通道获取的信号(纪洪广等， 2015)。图9为不同试样撞击数和剪切应力随时间变化情况。从图中可以发现：完整试样(图9a)在压密阶段最大撞击数小于节理试样(图9b～图9d)的最大撞击数，在压密阶段随着节理间距减小声发射撞击数增大； 节理试样在压密阶段的声发射单位最大撞击数大于其在裂纹扩展、破坏阶段。完整试样在压密阶段孔隙相对较少，遍布节理试样由于内置裂纹且量大，其在压密阶段试样不断压缩内在裂隙，进而产生大量的声发射活动，声发射撞击数远大于完整试样的撞击数。节理试样S-36-45与试样S-29-45相比，虽然节理间距减小，但裂隙密度并未有太大变化，因而其声发射活动单位撞击数峰值和形态差异性不大(图9b～图9c)。而节理间距22mm的试样断续节理增加较多，其在压密阶段单位最大撞击数会更大(图9d)，在荷载的作用下其内部裂纹更易相互搭接、贯通形成整体较强的声发射活动。节理试样在压密阶段的单位最大撞击数大于裂隙扩展、破坏阶段的原因在于节理试样内置裂隙处于张开状态，其在压密阶段荷载作用下全部进行压密、闭合，所有断续节理将同时产生大量声发射活动，而试样在裂纹扩展、破坏阶段其内部是密实的，声发射活动来源于沿着主要破坏面的裂纹扩展，因而其单位撞击数小于压密阶段。

图9 不同节理试样的剪切应力-时间曲线及声发射特征

撞击数反应声发射的频度，而声发射能量反映信号的强度。针对声发射能量数据进行统计分析，图10a为完整试样(S-WZ)和节理试样(S-36-45)能量柱状图和能量累积随时间变化。完整试样的能量释放呈现多个峰值而节理试样峰值较少，因而节理试样的最大峰值(19494)大于完整试样(7603)； 完整试样的能量和(92320)大于节理试样能量和(85330)。完整试样在其受载过程中呈现渐进式突破，历经蓄能、突破、再蓄能式不断前进的过程，因而能量释放呈现多个峰值。遍布节理试样由于内置裂隙的存在，其破坏围绕断续节理不断起裂、扩展，最终形成贯通破坏面导致能量骤然释放，因而其峰值数较少且最大峰值能量大于完整试样。

图10 不同节理间距试样对声发射能量的影响

图10b展示了节理间距对试样声发射活动的影响。随节理间距的减小，节理试样的能量峰值减小，其与试样强度具有一致性； 但随着节理间距的减小，节理试样的能量累积值逐渐增大。由于能量累积的大小与时间相关，为了体现试样整体声发射活动效率，不同节理间距试样进行了能量均值求解。能量均值随节理间距减小而增大。节理间距越小，断续节理越密集，荷载作用下节理尖端易产生较多的裂纹。节理间距越小其内部的裂纹量越多，基于损伤理论、能量守恒，其试样破坏过程需要的能量也越多。

3.2 不同倾角节理试样声发射活动差异性分析

对不同节理倾角试样的声发射撞击数、能量等数据进行处理统计，分析节理倾角对声发射活动的影响。图11a为22mm节理间距下不同倾角试样在压密阶段和裂隙扩展破坏阶段的最大撞击数统计。S-22-0、S-22-45节理试样压密阶段最大撞击数大于裂隙扩展破坏阶段，其他倾角试样压密阶段峰值撞击数小于裂隙扩展破坏阶段峰值撞击数。不同倾角节理试样声发射撞击数的差异性与试样的破坏模式及具体的裂纹扩展、破坏路径有一定的相关性，因而压密阶段最大撞击数与破坏阶段最大撞击数不具有绝对的对应关系。

图11 不同节理倾角试样对声发射活动的影响

图11b为声发射活动随倾角变化的能量指标变化情况(图中省略了45°能量累积曲线)。将图中峰值能量进行对比可以发现：试样峰值能量随节理倾角从0°增加到45°而增大，随节理倾角从45°增加到90°而减小。试样峰值能量变化规律与峰值剪切强度随倾角变化规律相同。分析图9b中声发射能量累积曲线可以发现：S-22-90试样达到破坏的加载时间相对较长，S-22-0试样达到破坏的加载时间最短，加载至破坏时间的长短与试样的破坏模式有一定的相关性。S-22-0试样为平面剪切破坏，其破坏路径已知且较短，沿着剪切面不断克服岩桥、最终贯通，因而时间相对较快。S-22-90试样为斜剪切破坏，其以斜次生裂纹扩展、贯通破坏试样，但试样先产生翼裂纹后产生斜次生裂纹，其产生较慢且试样内部产生大量裂纹，因而加载至破坏时间较长。对能量累积值进行单位能量均值求解，能量均值(图11b)结果表明：单位时间的能量均值呈现出随倾角增大先增大后减小的变化趋势且在45°最大，其能量均值变化规律与试样的峰值强度变化规律一致。

4 结 论

(1)根据不同发育裂隙主导试样破坏，遍布节理试样破坏模式分为3类。节理倾角在节理试样破坏模式上起主导作用：节理倾角较小时(0°)试样破坏模式均为平面剪切破坏； 随着倾角的增大(30°～60°)为类完整性剪切破坏； 75°～90°则为斜剪切破坏或类完整性剪切破坏。随着节理间距的增大，部分斜剪切破坏转化为类完整性剪切破坏。

(2)节理试样的峰值剪切强度随着节理间距的增大逐渐增强； 试样峰值剪切强度随倾角增加先增大、在45°取得最大值、而后不断减小。遍布节理对岩样强度有很强的弱化作用，其弱化程度范围为15.95%～56.62%，S-15-0试样削弱度最大为56.6%。

(3)完整试样在压密阶段最大撞击数小于节理试样的最大撞击数，节理试样在压密阶段随着节理间距减小声发射最大撞击数增大。节理试样声发射最大峰值能量与试样强度呈现正相关性，声发射峰值能量随节理间距减小而减小，但均值能量随节理间距减小而增大。节理试样的峰值能量和均值能量随节理倾角增大均呈现先增大后减小的规律。