王曉雷，詹思博，閆順璽，蔣鵬程，周寧

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063200)

0 引 言

由于層狀巖石存在著明顯的層理結(jié)構(gòu)，其巖石強(qiáng)度和變形特征會(huì)隨著層理方向變化而變化，具有顯著的各向異性。因此，開(kāi)展不同層理方向的巖石力學(xué)特性研究，對(duì)探究巖石變形特征與層理方向之間的作用關(guān)系具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

由于層理方向?qū)r石變形破壞特征影響顯著，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了大量研究。CHEN C S等[1]研究了巴西盤劈裂試驗(yàn)條件下層狀巖石抗拉強(qiáng)度的各向異性特征，從理論和試驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度與層理和加載方向之間的夾角密切相關(guān)；A.Tavallali等[2]針對(duì)砂巖材料進(jìn)行了巴西盤劈裂試驗(yàn)，層理方位對(duì)砂巖的破壞應(yīng)力和破裂模式影響顯著，貫通裂紋長(zhǎng)度越長(zhǎng)，巖石強(qiáng)度越高，外界施加的能量越大；C.Jung-Woo等[3]對(duì)不同層理角度的頁(yè)巖進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)，當(dāng)層理角小于60°時(shí)沿著層理面破壞，角度介于75°～90°時(shí)裂紋沿著加載方向擴(kuò)展；P.L.P.Wasantha等[4]從能量轉(zhuǎn)化機(jī)制角度發(fā)現(xiàn)，隨著層理角度增加聲能量的釋放量逐漸減少，這歸因于不同層理方向巖石的破壞機(jī)制不同;王曉雷[5]研究發(fā)現(xiàn),泥巖及煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度隨層理傾角增加呈先減小后增大趨勢(shì)，提出用結(jié)構(gòu)效應(yīng)系數(shù)S(θ)概念表征單軸抗壓強(qiáng)度層理結(jié)構(gòu)效應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果表明,60°時(shí)最明顯，0°時(shí)最小;尤明慶等[6]研究發(fā)現(xiàn)，平行于層理方向巖石黏結(jié)力較小，內(nèi)摩擦角偏大，試樣中層理面的傾向不同是巖石強(qiáng)度變形特征和破壞形式差異顯著的原因；趙迪斐等[7]研究發(fā)現(xiàn)，渝東南地區(qū)龍馬溪組所蘊(yùn)含的水平層理等沉積構(gòu)造增強(qiáng)了儲(chǔ)層的滲透性、改善了巖石壓裂力學(xué)特性；姚光華等[8]對(duì)渝東南下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨頁(yè)巖層理傾角增大，其單軸抗壓強(qiáng)度線性增大，抗張和硬度特性都表現(xiàn)出較強(qiáng)的離散性；蘇承東等[9]發(fā)現(xiàn)含層理大煤樣在加載變形破裂過(guò)程中，煤樣所受的應(yīng)力狀態(tài)、聲發(fā)射特征與瓦斯?jié)B透特征具有很好的對(duì)應(yīng)性；陳曉祥等[10]針對(duì)煤巷傾斜層狀頂板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立煤巷傾斜頂板的簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型，對(duì)層狀頂板變形的影響因素和變形規(guī)律進(jìn)行了探究；LIU J等[11]建立了不同層理煤層的損傷模型，提取聲發(fā)射突變點(diǎn)作為前兆信息，用來(lái)估計(jì)煤層的損傷強(qiáng)度；張東明等[12-13]通過(guò)單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，分析了含層理巖石破壞特征以及損傷演化過(guò)程中聲發(fā)射參數(shù)特征，并建立了基于聲發(fā)射和能量耗散參數(shù)的單軸損傷破壞模型。

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石層理效應(yīng)進(jìn)行了深入研究，也獲得了豐富的成果，但是對(duì)不同層理方向巖體的損傷演化規(guī)律和變形破壞中的聲發(fā)射特征對(duì)比分析較少。因此，本試驗(yàn)選用水平和垂直2種層理方向的片麻巖進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，旨在探討層理方向?qū)r石的壓縮破壞過(guò)程中力學(xué)特征和聲發(fā)射特性的影響。在分析探討不同層理方向?qū)暧^破裂模式影響的基礎(chǔ)上，探討層理方向與聲發(fā)射事件率、能率和巖石載荷曲線之間的關(guān)系，同時(shí)結(jié)合三維定位技術(shù)對(duì)巖石內(nèi)部微裂隙產(chǎn)生、發(fā)展、孕育破裂過(guò)程進(jìn)行表征，為深入研究巖石材料聲發(fā)射特性與其層理方向之間的關(guān)系提供理論基礎(chǔ)。

1 不同層理方向單軸壓縮試驗(yàn)

1.1 試樣制備

片麻巖試樣采自唐山市某礦區(qū)，為礦區(qū)內(nèi)極具代表性的層狀巖石材料，膠結(jié)良好，層理結(jié)構(gòu)明顯。巖石試樣呈青灰色，表面分布有不同寬度、深淺不一的條帶狀礦物，淺色的粒狀變晶礦物以石英、長(zhǎng)石等礦物為主，深色條帶以角閃石、黑云母等礦物為主，如圖1所示。深色、淺色礦物分布相對(duì)集中，試樣整體呈現(xiàn)明顯的深淺條帶相間排列的片麻狀構(gòu)造，條帶寬度2～30 mm。取樣后經(jīng)過(guò)切割、打磨等加工工序，根據(jù)ISRM標(biāo)準(zhǔn)，將試件制成50 mm×50 mm×100 mm、表面不平行度小于0.02的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)方體試件。由于層狀巖石的力學(xué)特性在同一層面內(nèi)大致相同，但在平行和垂直方向上差異較大。因此，僅選用與軸向加載方向平行和垂直于層理面的2組試樣，為敘述方便，簡(jiǎn)稱為平行組試樣和垂直組試樣。

圖1 不同層理方向巖石試樣

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和加載方案

試驗(yàn)設(shè)備由加載系統(tǒng)、聲發(fā)射系統(tǒng)和觀測(cè)系統(tǒng)組成。加載系統(tǒng)采用TAW-3000型剛性伺服試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行試驗(yàn)加載和應(yīng)力、變形數(shù)據(jù)收集工作，此型號(hào)加載機(jī)軸向荷載壓力為3 000 kN，側(cè)壓荷載為1 000 kN，加載精度誤差不超過(guò)1%。聲發(fā)射系統(tǒng)采用北京軟島時(shí)代科技有限公司開(kāi)發(fā)的DS5-16B型聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持全波形采集、多通道聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)，穩(wěn)定性好，靈敏度高，傳輸高速。試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)由高清視頻監(jiān)控和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)組成，可以觀測(cè)巖石破裂過(guò)程，并對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行視頻監(jiān)控、記錄。

單軸軸向壓縮試驗(yàn)加載采用位移控制方式，加載速率為0.002 mm/s，試樣失去承載能力時(shí)停止加載。聲發(fā)射設(shè)置采樣門檻值40 dB，前置放大器增益40 dB，發(fā)射采樣間隔1 s，頻率為1～500 kHz，聲發(fā)射傳感器的頻率為75～750 kHz。試樣除觀測(cè)面外，每側(cè)均布置3個(gè)AE探頭，試驗(yàn)加載示意圖和聲發(fā)射探頭布置方式如圖2～3所示。在試樣和聲發(fā)射傳感器之間涂上適量耦合劑以增加二者耦合性，減少聲發(fā)射信號(hào)衰減和畸變。試驗(yàn)前，選擇層理均勻、結(jié)構(gòu)完整的試件，并通過(guò)斷鉛試驗(yàn)對(duì)試樣進(jìn)行聲速標(biāo)定，剔除波速離散度較高的試件，減小試驗(yàn)的離散程度。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟加載設(shè)備和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證相關(guān)力學(xué)參數(shù)和聲發(fā)射參數(shù)實(shí)時(shí)記錄的時(shí)間單位統(tǒng)一，并使用攝像機(jī)記錄巖石失穩(wěn)破裂過(guò)程。

圖2 試樣加載方式

圖3 聲發(fā)射探頭布置示意圖

1.3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

由圖4可知，不同層理方向巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在一定差異，平行組試樣抗壓強(qiáng)度、彈性模量高于垂直組試樣的，達(dá)到峰值前塑性不明顯，破裂時(shí)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力跌落，一聲脆響后巖石瞬間失去承載力，呈現(xiàn)典型的脆性破壞特征。垂直組試樣在達(dá)到峰值應(yīng)力后，巖石內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生局部破裂，應(yīng)力出現(xiàn)階段性下跌并伴隨有小碎塊彈射，巖石逐漸喪失承載能力，破裂過(guò)程呈多段式破壞。

試驗(yàn)結(jié)束后，各試樣的破壞形式差異性顯著。平行組試樣呈現(xiàn)較明顯的貫穿上下端面張拉破壞裂縫，見(jiàn)圖5，裂縫大多沿礦物分界面發(fā)育，裂紋擴(kuò)展路徑較平直；部分貫通裂紋沒(méi)有擴(kuò)展至試樣表面，進(jìn)而出現(xiàn)大塊試樣剝落，形成垮落區(qū)域，見(jiàn)圖5。這是因?yàn)樵嚇訅嚎s時(shí)加載方向平行于層理方向，其中層理間薄弱區(qū)域存在一定的原生裂隙，裂紋容易沿層理面擴(kuò)展，而層理內(nèi)蘊(yùn)含的變晶礦物膠結(jié)強(qiáng)度很高，裂紋擴(kuò)展阻力相對(duì)較大，即層間礦物分界面黏聚作用遠(yuǎn)小于層內(nèi)礦物顆粒之間的結(jié)合力。隨著荷載持續(xù)增大，裂紋首先在層理交界處中萌生，并沿層理面擴(kuò)展、連結(jié)形成一條或多條貫通主裂紋，最終導(dǎo)致巖石失穩(wěn)破壞。

圖4 不同層理方向試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of rocks in different bedding directions

圖5 平行組試件破裂模式

垂直組試樣以斜面剪切滑移破壞為主，伴隨部分縱向次生發(fā)展的微裂隙，如圖6所示。分析認(rèn)為試樣受壓變形因泊松效應(yīng)使試件出現(xiàn)環(huán)向擴(kuò)容現(xiàn)象，裂紋首先從層理間薄弱處起裂并沿層理面方向發(fā)展產(chǎn)生橫向張拉裂紋，見(jiàn)圖6。隨著加載持續(xù)進(jìn)行，裂紋擴(kuò)展受載荷影響逐漸向平行最大主應(yīng)力的方向發(fā)生偏折，裂紋不得不穿過(guò)硬質(zhì)礦物夾層發(fā)育，在層理間摩擦力和軸向壓應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生剪切裂紋，微裂紋不斷發(fā)育、匯聚、貫通，進(jìn)而形成斜向的剪切滑移面。由于裂紋總是繞過(guò)硬質(zhì)顆粒優(yōu)先向薄弱區(qū)域發(fā)展，擴(kuò)展過(guò)程中伴隨著礦物顆粒彈射和小碎塊剝落，因此相較平行組試樣，垂直組試樣表面裂紋擴(kuò)展路徑更為復(fù)雜、曲折，同時(shí)裂紋在加載端部集結(jié)產(chǎn)生大量碎塊，從而形成破碎區(qū)域。

根據(jù)上述分析可知，不同層理方向巖石的承載能力和失穩(wěn)破壞形式差異顯著，層理平行軸向加載方向試樣宏觀上表現(xiàn)為典型的張拉破壞，垂直加載方向試樣則呈現(xiàn)出剪切滑移破壞特征。垂

圖6 垂直組試樣破裂模式

直組試樣在加載試驗(yàn)過(guò)程中，雖然產(chǎn)生了碎塊剝落并形成剪切滑移破裂帶，且試樣端部裂紋大量發(fā)育破裂形態(tài)更加復(fù)雜，但是巖石經(jīng)歷多次應(yīng)力調(diào)整后仍保留一定的承載能力。相較而言，平行組試樣破裂面較為平整、光滑，貫通裂紋數(shù)量較少，但在峰后階段產(chǎn)生了沿層理的貫通裂隙或發(fā)生大塊垮落導(dǎo)致巖石瞬間失穩(wěn)。由于平行組試樣破壞更具突發(fā)性，破裂程度更高，在層狀構(gòu)造的巖石內(nèi)加固工程更應(yīng)充分考慮平行層理，增加層理間黏結(jié)力，防止出現(xiàn)片幫等地質(zhì)災(zāi)害。

2 不同層理方向聲發(fā)射特征分析

2.1 聲發(fā)射參數(shù)分析

聲發(fā)射探頭每接收到一個(gè)信號(hào)的波形即對(duì)應(yīng)一次事件，聲發(fā)射事件率為單位時(shí)間段內(nèi)的計(jì)數(shù)總和，可以反映該時(shí)段巖石材料內(nèi)部聲發(fā)射活躍程度。通過(guò)聲發(fā)射累積事件曲線確定巖石起裂應(yīng)力σci和損傷應(yīng)力σcd[14-16]。聲發(fā)射能率是反映聲發(fā)射信號(hào)脈沖能量的特征參數(shù)，指單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射探頭接收到的全部事件的絕對(duì)能量總和。

通過(guò)接收到的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)繪制不同層理方向下巖石載荷-AE事件率、能率-時(shí)間關(guān)系曲線，如圖7～8所示，限于篇幅，2種層理僅列出結(jié)果較為典型的試件。不同層理方向的兩類巖石試件的AE參數(shù)-時(shí)間與載荷曲線具有較好的一致性，通過(guò)AE參數(shù)階段關(guān)鍵特征，可以將巖石破壞過(guò)程分為平靜期、上升期、劇烈期3個(gè)階段。不同階段聲發(fā)射具有以下特征:

圖7 平行組聲發(fā)射參數(shù)演化曲線

圖8 垂直組聲發(fā)射參數(shù)演化曲線

平靜期OA段(P-1:0～171 s；V-3：0～140 s)：由于巖石結(jié)構(gòu)致密，加載過(guò)程中裂隙壓密階段持續(xù)較短，但垂直組試樣載荷上升曲線較平行組試樣明顯更為平緩。試樣在加載前期內(nèi)部沒(méi)有裂紋萌生或者裂紋開(kāi)裂尺度較小，聲發(fā)射探頭無(wú)法接受，因此從開(kāi)始加載至很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，平行組與垂直組試樣均沒(méi)有聲發(fā)射事件產(chǎn)生，聲發(fā)射處于平靜期。垂直組試樣加載至峰值載荷21%開(kāi)始出現(xiàn)聲發(fā)射事件，而平行組試樣加載至峰值載荷的35%才開(kāi)始產(chǎn)生聲發(fā)射事件。

上升期AB段(P-1:171～289 s；V-3：140～300 s)：巖石經(jīng)歷壓密階段后至峰前處于彈性階段，當(dāng)載荷達(dá)到A點(diǎn)后巖石內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)零星的聲發(fā)射事件，表明隨著載荷增加，在外力作用下試件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋開(kāi)始萌生、擴(kuò)展，由文獻(xiàn)[14-16]可知，此階段對(duì)應(yīng)的起始應(yīng)力即為該試樣的起裂應(yīng)力σci。兩組試件在上升期內(nèi)一直有小尺度裂紋產(chǎn)生，聲發(fā)射事件頻度和能量均維持在低水平，但垂直組試件更早進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，導(dǎo)致上升期持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，巖石在峰前積蓄的彈性應(yīng)變能更多。

劇烈期BC段(P-1：289～345 s；V-3：300～401 s)：隨著載荷不斷增加，載荷曲線達(dá)到B點(diǎn)，產(chǎn)生一次小幅度的應(yīng)力跌落(B點(diǎn)載荷水平：平行組82%；垂直組78%)，聲發(fā)射事件率開(kāi)始顯著增加，高能事件瞬間陡增，同時(shí)累積事件曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折，迅速攀升，累積能量曲線也呈臺(tái)階狀上升，表明新裂隙不斷產(chǎn)生，此時(shí)巖石內(nèi)部裂紋進(jìn)入非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，B點(diǎn)即為損傷應(yīng)力點(diǎn)σcd。劇烈期內(nèi)2組試件內(nèi)積蓄的彈性能不斷釋放，大量微裂紋發(fā)生連通、擴(kuò)展，巖石聲發(fā)射活動(dòng)十分劇烈，內(nèi)部損傷不斷積累。隨著加載進(jìn)行，平行組試件內(nèi)裂紋在達(dá)到巖石峰值載荷后瞬間貫通，形成貫通主裂隙，巖石失穩(wěn)破壞，高能信號(hào)的釋放AE能率出現(xiàn)跳躍式增長(zhǎng)上升至峰值。垂直組試件發(fā)生多次大尺度破裂，但裂紋并未貫通整個(gè)試件，巖石仍具有一定承載力，在多次應(yīng)力跌落后，巖石終于發(fā)生失穩(wěn)破裂。

由上述分析可知，在巖石工程中對(duì)巖石聲發(fā)射事件發(fā)生頻度和能量水平的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要，不同層理方向的片麻巖試樣聲發(fā)射特征規(guī)律與試樣宏觀破裂模式具有良好的一致性。上升期試樣在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)僅發(fā)生小尺度開(kāi)裂，巖石處于蓄能階段。隨著巖石內(nèi)微裂隙順著層理面迅速匯聚、貫通，當(dāng)產(chǎn)生大尺度裂隙時(shí)，巖石進(jìn)入劇烈期。由于軸向平行試樣層理內(nèi)含有豎向排列的硬質(zhì)礦物，間接提高了巖石的軸向承載能力，因此儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能更多，試樣最終破裂過(guò)程短暫、劇烈，表現(xiàn)出更強(qiáng)的脆性和突發(fā)性，聲發(fā)射的演化特征與其試樣失穩(wěn)最終發(fā)生張拉破壞的破裂模式相對(duì)應(yīng)。相對(duì)而言，垂直組試樣劇烈期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生多次應(yīng)力跌落，釋放了大量能量，裂紋擴(kuò)展中巖石內(nèi)部產(chǎn)生了剪切滑移破壞，破裂過(guò)程更為緩慢、復(fù)雜，呈現(xiàn)出漸進(jìn)性破壞的特點(diǎn)。分析認(rèn)為，巖石聲發(fā)射的參數(shù)特征可以對(duì)巖石內(nèi)部裂隙演化發(fā)展過(guò)程進(jìn)行刻畫，進(jìn)而對(duì)損傷積累和巖石穩(wěn)定性進(jìn)行判定。由于整個(gè)受力過(guò)程中短時(shí)間內(nèi)軸向平行試樣產(chǎn)生失穩(wěn)性破壞，破裂具有突發(fā)性，因此，在工程中應(yīng)將層理方向平行于軸向應(yīng)力的工作區(qū)域作為巖石穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)對(duì)象。

2.2 聲發(fā)射定位分析

聲發(fā)射是材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波，因而一個(gè)聲發(fā)射事件信號(hào)可以被多個(gè)探頭接收，根據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備接收到的參數(shù)信息對(duì)聲發(fā)射事件進(jìn)行空間定位。對(duì)聲發(fā)射定位圖分析，可以得到聲發(fā)射事件的空間分布特性，進(jìn)而直觀反映巖石變形破裂過(guò)程中內(nèi)部損傷情況和裂紋的萌生、發(fā)育和聚集的演化過(guò)程。

圖9為單軸壓縮下聲發(fā)射三維定位的結(jié)果，選用2組試樣反映不同層理方向巖石內(nèi)部各定位點(diǎn)分布情況，同時(shí)采用不同顏色和大小的定位點(diǎn)刻畫試樣時(shí)空演化和能量積聚過(guò)程。通過(guò)接收設(shè)備記錄的聲發(fā)射事件到達(dá)時(shí)間區(qū)分事件的先后順序，顏色偏藍(lán)為先接收的定位點(diǎn)，顏色偏紅為后接收到的事件。為了更好地描述不同階段內(nèi)能量相對(duì)較高的信號(hào)分布情況，采用截取階段內(nèi)能量的最大值和最小值按照一定比例對(duì)定位點(diǎn)大小進(jìn)行縮放，單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)空演化過(guò)程如下：

圖9 不同層理方向巖石聲發(fā)射定位圖

平行組：加載前期，事件點(diǎn)在試樣內(nèi)部呈離散狀分布，由于平行層理方向礦物排列一致，裂紋首先在礦物組分層間萌生發(fā)育。隨著加載進(jìn)行，巖石應(yīng)力水平不斷提高，不同尺度的微觀缺陷在試樣內(nèi)部大規(guī)模積聚并沿層理面方向轉(zhuǎn)移，形成裂紋成核區(qū)；巖石臨近失穩(wěn)破壞階段，內(nèi)部裂紋成核區(qū)基本成形，試樣內(nèi)部大量裂紋迅速擴(kuò)展、相互貫通形成宏觀裂隙，巖石積累的能量迅速釋放，產(chǎn)生的高能事件沿層理分布，最終發(fā)生明顯的張拉破壞。

垂直組：初期階段，AE事件點(diǎn)分布相對(duì)平行組試樣更為離散，隨著加載進(jìn)行，定位點(diǎn)由隨機(jī)分布逐漸向試樣中部集中，形成成核區(qū)域，聲發(fā)射事件頻度較高但多為小能量事件。在非均質(zhì)性和軸向應(yīng)力共同影響下層理面產(chǎn)生剪切裂紋，微裂紋逐漸貫穿層理擴(kuò)展、匯聚形成帶狀裂紋成核區(qū)。試樣達(dá)到峰值載荷后，高能事件頻繁出現(xiàn)，內(nèi)部大尺度裂紋不斷向上下兩端或兩側(cè)擴(kuò)展連通，巖石承載力迅速下降。巖石臨近破裂前夕底部出現(xiàn)多條宏觀裂隙，阻擋了彈性波的傳播，導(dǎo)致聲發(fā)射探頭信號(hào)接收受阻，從而影響定位效果，最終底部事件點(diǎn)數(shù)量比真實(shí)情況要少。

試樣最終破裂形態(tài)與聲發(fā)射定位結(jié)果十分吻合，表明通過(guò)聲發(fā)射定位技術(shù)對(duì)試樣內(nèi)聲發(fā)射事件進(jìn)行探測(cè)，可以很好地刻畫巖石內(nèi)微裂紋聚集、成核，最終貫通形成貫通主裂紋這一過(guò)程演化發(fā)展規(guī)律。

3 聲發(fā)射b值變化特征

AE的振幅表示單個(gè)AE波形信號(hào)的最大幅值，高振幅對(duì)應(yīng)高能量事件，即發(fā)生大尺度破裂。研究片麻巖試樣在破壞過(guò)程中的振幅分布規(guī)律，可以探究不同層理方向片麻巖在加載過(guò)程中裂紋尺度演化規(guī)律。

本研究中的聲發(fā)射振幅分布特征用b描述。b是表征地震的震級(jí)-頻度關(guān)系的參數(shù)，震級(jí)-頻度關(guān)系一直被用作地區(qū)地震活動(dòng)水平的一項(xiàng)指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，震級(jí)與累積頻度對(duì)數(shù)之間呈線性關(guān)系，其斜率為b。現(xiàn)在對(duì)b值的研究已不限于地震學(xué)領(lǐng)域，把巖石受力破壞中的聲發(fā)射事件當(dāng)作地震活動(dòng)(微震)，研究不同條件下巖石變形破壞過(guò)程中AE的b值變化規(guī)律，可采用式(1)計(jì)算：

lgN(A)=C-blgA，

(1)

式中：A為加載過(guò)程中AE事件的振幅，dB；N(A)為加載過(guò)程中大于(包含)振幅A的AE事件總數(shù)。利用式(1)和試驗(yàn)過(guò)程中獲得的聲發(fā)射數(shù)據(jù)擬合計(jì)算出b。b值不僅可以表示聲發(fā)射振幅、能量大小，而且也能反映裂紋擴(kuò)展的尺度分布。

曾正文等[17]對(duì)b值的研究發(fā)現(xiàn)：(1)b值增大意味著小事件所占比例增加，以小尺度破裂為主；(2)b值不變說(shuō)明AE事件的大小分布比例不變，微破裂尺度分布比較恒定；(3)b值減小意味著大事件比例增多，大尺度微破裂增多。

為了在同一坐標(biāo)系下比較2組試件b值對(duì)時(shí)間的歸一化，繪制圖10。從圖10可以看出，平行組試樣初始破裂尺度較大，在發(fā)生第一次應(yīng)力跌落后，試樣內(nèi)部出現(xiàn)大尺度裂隙，同時(shí)高振幅事件不斷產(chǎn)生，巖石進(jìn)入裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段導(dǎo)致大量裂隙萌生，表現(xiàn)為巖石內(nèi)出現(xiàn)大尺度裂隙后，b值逐漸下降至最低點(diǎn)，破裂的尺度變化相較垂直組更為劇烈，呈現(xiàn)出一種突發(fā)式失穩(wěn)破壞。垂直組試樣起裂應(yīng)力水平較低，更早地出現(xiàn)聲發(fā)射事件。加載前期由于裂紋開(kāi)裂尺度較小，b值較高。伴隨著應(yīng)力水平提高，巖石內(nèi)部微裂隙逐漸匯集、貫通，在局部形成大尺度的裂隙，導(dǎo)致巖石損傷不斷積累，出現(xiàn)損傷局部化區(qū)域，對(duì)應(yīng)地巖石發(fā)生多次應(yīng)力跌落，同時(shí)伴隨著高能量、高振幅事件大量產(chǎn)生，b值曲線出現(xiàn)多次下跌，最終試樣內(nèi)部宏觀大尺度裂隙相互貫通，巖石徹底失穩(wěn)破壞，此時(shí)b值最低。b值曲線多級(jí)下跌表明，軸向垂直層理試件的破裂過(guò)程具有漸進(jìn)性。進(jìn)一步證明不同層理方向的試樣破裂方式不同，這與前文分析的結(jié)果一致。

圖10 不同層理方向巖石b值變化曲線

4 結(jié) 論

(1)不同層理方向的片麻狀構(gòu)造對(duì)巖石宏觀破壞影響顯著。平行組試樣裂紋首先在層理面萌生，破裂時(shí)沿層理面產(chǎn)生貫通上下端面的主裂隙或沿層理剝離形成垮落區(qū)，呈典型的張拉破壞特征；垂直組試樣破裂時(shí)，出現(xiàn)多種破裂模式，以剪切滑移破裂為主，沿層理橫向裂紋、豎向張拉裂紋為輔。

(2)從聲發(fā)射時(shí)序、空間演化特征看，平行組試樣由于豎向硬質(zhì)礦物延遲了裂紋起裂，進(jìn)入劇烈期后聲發(fā)射事件率和能率開(kāi)始迅速上升，空間定位點(diǎn)逐漸由離散無(wú)序分布轉(zhuǎn)向沿層理聚集，試樣沿層理發(fā)生張拉破裂；垂直組試樣起裂應(yīng)力水平較低，相較平行組更晚進(jìn)入損傷積聚狀態(tài)。劇烈期內(nèi)裂紋大量產(chǎn)生，伴隨著應(yīng)力多次跌落，導(dǎo)致聲發(fā)射波動(dòng)相較平行組更為劇烈，最終在試樣中部產(chǎn)生條帶狀剪切裂紋成核區(qū)。

(3)從聲發(fā)射曲線、b值曲線波動(dòng)可以看出，聲發(fā)射特征參數(shù)和破裂模式一致性良好，平行組試樣在第一次應(yīng)力跌落后b值達(dá)到最小值，破裂呈突發(fā)式的破壞特征，垂直組b值曲線發(fā)生多次下跌，破裂呈漸進(jìn)式破壞。在工程失穩(wěn)中監(jiān)測(cè)軸向平行層理巖石更為重要。

本文研究成果一定程度上反映了層理方向?qū)r石聲發(fā)射特征的影響，可對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)巖石穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)提供一定的理論參考。另外，文中僅對(duì)軸向平行、軸向垂直于層理的片麻巖進(jìn)行了加載試驗(yàn)研究，并未展開(kāi)其他層理角度的試驗(yàn)，需進(jìn)一步研究。