循环剪切加载后锯齿状岩石节理声发射特性研究

通过对经历不同程度先期循环加载后的岩石节理试样进行直剪声发射监测实验，探究声发射监测技术在岩石节理破坏预警上的应用。试验结果表明，声发射技术具有足够的精度监测岩石节理剪切破坏过程，声发射事件陡增和声发射b值降低都具有一定程度的岩石节理破坏预警的能力。先期循环加载会导致试样产生不同程度的声发射记忆效应，声发射记忆效应会使采用声发射技术进行受先期循环加载后的岩石节理破坏监测的预警窗口变短。

岩石节理； 声发射； 边坡监测预警

TU459+.2 A

［定稿日期］2022-03-03

［作者简介］刘尧辉（1993—），男，硕士，助理工程师，主要从事道路工程检测、监测工作。

西部地区的铁路、公路等基础设施建设步伐日益加快，由于地形地质条件的影响，基础设施建设过程中产生了大量的边坡工程，尤其是复杂地质条件下的岩质边坡。这些岩石边坡内部存在许多不规则结构面，如裂缝、节理、软弱夹层等，极大的降低边坡岩体的力学性能，对在役边坡工程的稳定性造成巨大影响，带来一系列安全隐患［1］。同时由于营运过程中高速列车、重型汽车的高频次重复交通荷载的影响下，这些预先存在软弱层面的边坡岩土体产生崩塌、滑坡等地质灾害风险进一步扩大，对人民生命财产安全产生严重影响。因此深入了解这些含软弱层面的岩质边坡在循环荷载作用下的损伤演化以及探索合理的监测预警手段进行滑坡监测预警，对于减轻滑坡灾害造成的财产损失、人员伤亡迫在眉睫。然而现有的边坡监测手段监测预警准确度却十分有限，因此有必要探索更为有效的监测技术应用于边坡监测中。

声发射（AE）技术被认为适用于土木工程中混凝土结构和岩石结构安全性监测，该技术可以在现场进行实时和全面的监视，不会影响结构的运行［2］。在岩土工程领域，声发射（AE）可以作为滑坡等破坏事件被动监测，可以监测材料内部裂纹的萌生、扩展和合并时产生的弹性波，通过对监测到的声发射信号适当地进行参数、波形分析，可以据此评估声发射源的破坏特征［5］，该技术是对现有监测预警技术的补充，为理解岩土材料受荷渐进破坏过程和建立潜在的破坏预警系统带来了巨大的希望。

1 试验条件

1.1 样品制备

试验所用完整岩石样品通过采集天然砂岩所得，试验岩石样品采用高压水射流（DWJ1525型）切割采集的完整砂岩来制备锯齿状岩石节理样品。综合考虑加载设备以及测试条件，确定试样尺寸为160 mm×120 mm×50 mm（长×高×宽）；用Auto-CAD设计试样轮廓尺寸，再采用高压水流切割采集的天然砂岩锯齿状岩石节理试样。试样几何尺寸及成品效果如图1所示。

1.2 试验方法

直剪试验加载设备采用重庆大学WDAJ-600型微机控制电液伺服岩石剪切流变试验机，通过美国物理声学公司DS2声发射仪进行声发射信号监测并进行初步信号分析，实验设备如图2所示。根据先期试验结果，图1所示的锯齿状岩石节理平均峰值剪应力为4.62 MPa，在此基础上采用1.0 kN/s的加载速率条件分别对3组锯齿状岩石节理试样开展0次、100次循环加载幅值为0.5倍峰值剪应力的先期循环剪切以及100次循环加载幅值为0.8倍峰值剪应力的先期循环剪切，以获取经历不同先期循环加载损伤的锯齿状岩石节理试样。随后以0.5 mm/min的加载速率对3组试样进行常规直剪试验，在常规直剪试验过程中实时进行声发射监测。

2 试验结果

2.1 岩石节理剪切破坏声发射特性

图3展示了3种破坏模式下岩石节理试样受不同程度先期循环加载后直接剪切剪应力-时间、声发射能量-时间曲线，实验结果表明锯齿状岩石节理在实验过程中由于滑动摩擦产生了几乎贯穿整个加载过程大致相同能量的声发射事件，并且这些由于滑动摩擦产生声发射事件似乎受先期循环加载的影响，经历先期循环加载后的试样在残余阶段声发射能量波动更为平缓。声发射能量变化趋势与剪应力变化趋势呈現良好的相关性，不同先期循环加载的3种岩石节理试样的声发射能量演化大致呈现相同的趋势，即逐渐增加、能量峰值、剧烈跌落和趋于平静，最大声发射能量峰值均出现在剪应力峰值附近，这表明以上特征为锯齿状岩石节理样品剪切破坏的普遍的声发射释放规律，同时在剪应力曲线小幅度跌落时往往能观察到小型的声发射能量爆发，其能量低于峰值剪应力时的声发射能量峰值，这可能是由于试样滑动过程中锯齿结构面上某些小型粗糙点剪坏所导致的，这一现象表明声发射技术具有足够的精度监测锯齿状岩石节理剪切破坏过程。略有不同的是先期循环加载似乎导致岩石节理试样破坏更为剧烈，2个经历先期循环加载的试样声发射峰值能量分别为35 734.7 mV·mS、11 346.17 mV·mS，远远超过未经循环加载试样的声发射峰值能量61 048.47 mV·mS。

图3 不同先期循环加载后岩石节理

剪应力-时间、声发射能量-时间曲线

先期循环加载明显使节理在岩石直剪试验过程中产生了不同水平的声发射记忆效应，并且声发射记忆效应随循环损伤的增加表现的更为明显，对于未经先期循环剪切的试验，直剪过程一开始便能检测到声发射现象。不同的是0.5倍峰值剪应力循环剪切100次试样，表现出一定程度的声发射记忆效应，剪切试验初期无法监测到声发射信号，只有剪应力达到一定的水平时才能监测到声发射信号。随着先期循环加载幅值提高，试样声发射记忆效应表现的更加明显，对于0.8倍峰值剪应力循环剪切100次试样在应力峰值前几乎无法监测到明显的声发射信号。以上结果表明，对于经历先期循环加载的试样，随着循环损伤程度不断增加，试样声发射记忆效应水平不断提高，当先期循环损伤积累到一定程度后，试样只有在接近剪应力峰值处才能再次监测到声发射信号。因此如果将通常用于预警完整岩石试样破坏的声发射信号陡增现象将难以应用于受先期循环加载的锯齿状岩石节理试样受荷破坏的监测预警中，需要进一步提取更精准的监测预警判据。

2.2 直剪试验过程中岩石节理声发射b值特性

在以往岩石材料的声发射研究中表明在地震领域广泛运用的b值具有预测岩石脆性破坏的能力［3］，b值由式2-1给出，该公式描述了地震活动中小振幅事件和大振幅事件的相对比例［4］。

lgN=a-bM（1）

图4显示3种岩石节理试样直剪声发射b值的时间演化曲线。实验结果表明锯齿状岩石节理试样剪切破坏全过程的声发射b值曲线和剪应力曲线同样呈现出良好的相关性，3种试样的b值曲线均存在阶段性特征，第一阶段为加载初期，声发射b值处于较高的水平，未经先期循环加载的试样以及以0.5倍峰值剪应力循环加载100次的试样在2.0～2.3的范围内，以0.8倍峰值剪应力循环加载100次的试样则在1.9左右，这一现象表明加载初期声发射信号中大振幅事件的比例相对较低，监测到的声发射事件大部分是由试样微裂纹成核、扩展所产生的。随着加载进行，声发射b值进入第二阶段，试样声发射b值随剪应力增加降低，在峰值剪应力附近，声发射b出现极小值，说明随着加载的进一步进行，各试样加载过程中监测到的声发射大振幅事件的比例逐渐增加，同时尽管第二阶段声发射b值具有相同的演化规律，但是b值降低的速率存在不同，表现为先期损伤程度越明显，直剪试验中声发射b值跌落速率越快，大振幅事件增加速率越快，这表明加载过程中试样内部裂纹逐渐贯通，直到峰值剪应力时试样发生脆性破坏，也一步说明先期循环加载将导致岩石节理试样剪切破坏表现的更为剧烈。随后声发射b值曲线进入第三阶段，即剪切曲线进入残余强度阶段，在这一阶段同时存在试样沿节理面滑动，破坏后产生的小型粗糙体剪坏等破坏模式，声发射事件产生机制复杂，3种试样声发射b值存在一定的差异，但是总体上看残余强度阶段声发射b值波动趋于平缓，出0.5倍峰值剪应力循环加载100次试样，其余试样的b值逐渐恢复至第一阶段水平。

与声发射能量释放规律一样，先期循环加载不会影响试样声发射b值曲线和剪应力曲线直剪的相关性，但是由于先前循环加载所产生的声发射记忆效应，导致试样在第一段的声发射事件数量大幅减少，拟合的b值数据点同样显著减少，如图4（c）所示，对于0.8倍峰值剪应力循环加载100次后的

试样，直剪试样过程通过声发射数据拟合的b值仅有3个数据点表现出上述第一阶段的特性，随后声发射b值急速降低，这一现象表明若采用声发射b值进行受循环荷载后的锯齿状岩石节理破坏监测预警，随着循环损伤程度不断增加，預警窗口将变得很短。

3 结论

声发射技术具有足够的精度监测岩石节理剪切破坏过程，岩石节理剪切破坏力学行为和声发射释放规律具有良好的相关性。先期循环加载会导致岩石节理试样剪切破坏表现的更为剧烈，同时使试样产生不同程度的声发射记忆效应，但不会影响岩石节理剪切破坏力学行为和声发射释放规律的相关性。声发射事件陡增和声发射b值降低都具有一定程度的岩石节理破坏预警的能力，但是对于经历先期循环加载的试样来说，由于声发射记忆效应的影响，采用声发射进行受循环荷载后的锯齿状岩石节理破坏监测预警，随着循环损伤程度不断增加，预警窗口将变得很短。

参考文献

［1］ 黄润秋.20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制［J］.岩石力学与工程学报，2007（3）：433-454.

［2］ 腾山邦久.声发射（AE）技术的应用［M］.冯夏庭.译.北京：冶金工业出版社，1997.

［3］ Hong C， Seokwon J.Influence of shear load on the characteristics of acoustic emission of rock-concrete interface［J］.Key Engineering Mater， 2004， 42：1598-1603.

［4］ Song Leibo， Jiang Quan， Li Lifu. An enhanced index for evaluating natural joint roughness considering multiple morphological factors affecting the shear behavior［J］.Bulletin of Engineering Geology and the Environment， 2019， 79（6）：27-37.

［5］ Trippetta F， Collettini C， Meredith P， et al. Evolution of the elastic moduli of seismogenic triassic evaporites subjected to cyclic stressing ［J］. Tectonophysics， 2013， 592：67-79.