王 強，趙 鑫，王繼野

(1. 東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；2. 東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3. 中鐵十九局集團礦業(yè)投資有限公司，北京 100161)

隨著地下工程(礦山硐室、水電站、地下隧道)的不斷發(fā)展，含有結構面的巖體工程會出現片幫及垮落等實際工程問題[1-5]，為此針對不同角度結構面試件進行巖石力學研究非常必要。目前，國內外學者采用含天然結構面試件試驗[6-8]和數值模擬[9-11]等方法進行相關研究，還有一些學者對含預制結構面試件進行了不同方案實驗研究，蒲成志等[12]研究得到依據裂隙傾角和巖橋傾角的不同，將會出現不同的三種破壞形態(tài)，且破壞面摩擦情況不同；李銀平等[13]通過預制裂紋試驗分析，預制試件加載后裂紋產生和裂紋搭接等研究，而且原生裂紋角度對裂隙產生影響顯著；沙寧等[14]對不同預制單裂紋角度對實驗試件破壞情況的研究分析；楊圣奇等[15]研究斷續(xù)預制裂隙大理巖試件不同斷續(xù)參數對實驗結果影響，與完整試件相比力學參數變情況分析。對含天然結構面輝綠巖取樣，不易形成含各個角度結構面巖體，而且有無結構面貫通情況不統(tǒng)一。為此，基于聲發(fā)射條件下進行含不同角度預制非貫通結構面實驗研究，分析不同傾角下的非貫通結構面試件力學各向異性。

1 實驗概況

1.1 實驗巖樣制作

如圖1所示，單軸加載實驗試樣尺寸為50 mm×50 mm×100 mm標準長方體試件。使用實驗室金剛石線切割機對完整試件進行切割，切割深度為前后對稱12.5 mm，切割成0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，共7個符合實驗條件試件進行單軸聲發(fā)射實驗研究，對不同傾角輝綠巖試件進行高強度石膏進行充填，此輝綠巖單軸抗壓強度為220 MPa，高強度石膏抗壓強度為20 MPa，符合預制結構面的強度條件，將石膏完全充填在預制裂隙內，最后形成如圖2所示，含不同傾角預制非貫通結構面的輝綠巖試件。

圖1 預制30°結構面試件Fig.1 Structure specimen with refabricated 30°

圖2 含不同傾角非貫通結構面試件Fig.2 Non through structure specimen with different dip angles

1.2 實驗設備

如圖3所示，為試件單軸加載過程中8個聲發(fā)射傳感器布置圖。設計實驗方案為：加載初始力達到5 kN，再以500 N/s的加載速率進行加載，直至試件達到破壞，實驗整個過程伴隨聲發(fā)射信號監(jiān)測。

圖3 45°試樣加載聲發(fā)射實驗Fig.3 Acoustic emission test under 45° loading

2 各向異性輝綠巖力學特性研究

選取具有代表性的完整試件進行單軸實驗研究，再分別對預制含有不同傾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)的非貫通結構面輝綠巖試件進行實驗研究，實驗應用聲發(fā)射監(jiān)測設備進行聲發(fā)射信號監(jiān)測，最后進行實驗結果分析比較。

2.1 完整輝綠巖單軸實驗研究

圖4為完整試件單軸壓縮試驗典型應力-應變曲線。為了與含不同傾角預制結構面試件進行強度與變形對比，先進行完整試件單軸實驗研究，通過應力-應變曲線可以掌握巖石試件的力學特性變化情況，通過實驗可以得到輝綠巖單軸抗壓強度為228 MPa，輝綠巖試件的彈性模量為82.5 GPa，泊松比為0.24。圖5為完整試件實驗前后對比圖，為方便與含預制結構面試件破壞形態(tài)進行對比分析，首先進行了完整試件實驗，完整試件抗壓后形成脆性劈裂破壞。

圖4 完整輝綠巖應力-應變曲線Fig.4 Complete diabase stress-strain curve

圖5 試件實驗前后對比Fig.5 Comparison of specimen before andafter experiment

2.2 含不同角度結構面試件強度及破壞模式

對完整輝綠巖試件進行不同角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)預制結構面試件，此輝綠巖單軸抗壓強度為220 MPa，高強度石膏抗壓強度為20 MPa，符合預制結構面的強度條件，對不同角度輝綠巖試件進行高強度石膏進行充填，將石膏完全充填在預制裂隙內，然后進行實驗分析。

圖6為含不同角度結構面試件對應強度情況。由圖6可知，完整輝綠巖試件強度要比含有預制結構面試件強度高，當試件角度為0°～45°時，含結構面輝綠巖試件單軸抗壓強度隨預制結構面傾角增大而減??；當結構面角度達到45°時，含預制結構面試件承受的抗壓強度最??；當試件角度為45°～90°時，含結構面試件所受抗壓強度隨角度增大而增大。

圖6 含不同角度結構面試件對應強度值Fig.6 Including the corresponding strength valuesof structure specimen from different angles

如圖7所示為不同傾角結構面試件破壞圖。標注在試件上的白色線條為預制結構面，試件上的黑色線條為試件破壞面，黑色虛線條為劈裂破壞面，黑色加粗虛線條為剪切破壞面，可以看出含不同傾角結構面試件破壞模式不同。當0°≤α<45°時，含結構面試件破壞面垂直結構面方向形成脆性劈裂破壞，破壞面會連著結構面形成局部破壞；當45°≤α≤60°時，試件破壞面垂直結構面方向形成脆性劈裂破壞，同時試件也沿著結構面形成剪切破壞，兩個破壞面形成交叉模式，交叉破壞面使試件強度達到最低值；當60°<α≤90°時，試件破壞面沿著加載力方向直接脆性劈裂破壞，試件破壞開始與結構面連接較少，含90°結構面試件破壞模式和試件變形強度與完整試件基本相同。

圖7 不同角度試件破壞模式Fig.7 Failure modes of specimens with different angles

2.3 含不同角度結構面試件應力-應變曲線

如圖8所示，為含45°結構面試件應力-應變曲線。通過上述實驗分析，含45°結構面輝綠巖試件為臨界轉變點，45°結構面試件應力應變曲線與完整試件明顯不同。在初始加載過程到彈性階段，軸向應變φ1一直隨著主應力增大而增大，而且變化較大，但環(huán)向應變φ2變化較小，直到含結構面試件達到彈性階段時，環(huán)向應變才隨應力開始逐步增大，并且保持線性增加，而軸向應變由于結構面存在，彈性階段并不明顯，說明45°結構面起到了作用，使試件本身應力-應變曲線發(fā)生了明顯變化。

圖8 含45°結構面試件應力-應變曲線Fig.8 Stress-strain curve of 45° structure specimen

如圖9所示為含預制不同傾角結構面試件與完整試件應力-應變曲線對比圖。對于含75°結構面試件的加載過程，在相同應力條件下，由于含75°結構面試件在受壓縮時沿結構面拉伸破壞，因此試件的橫向應變變化不斷增大，試件的軸向應變會比完整試件應變變化??；對于含15°結構面試件受到壓縮時，在相同應力條件下，含15°結構面試件的軸向應變會比完整試件的應變變化要大，與完整輝綠巖試件相比，含15°結構面試樣的縱向應變變化不突出，所以軸向角度與橫向角度的應變變化趨勢完全不同。

圖9 完整試件和含不同傾角結構面試件應力-應變曲線對比Fig.9 Comparison of stress-strain curves betweenintact specimens and structure specimenswith different dip angles

2.4 含不同角度結構面試件破壞聲發(fā)射信號及空間關系

圖10為完整試件加載應力-應變及聲發(fā)射曲線，該曲線是經過后期測到的加載力與應變變化數據與聲發(fā)射信號數據統(tǒng)一對應時間處理繪制出的曲線圖。由圖10可知，聲發(fā)信號隨應力變化明顯，黑色虛線為聲發(fā)射累積能量曲線，通過曲線變化情況，可以捕捉到試件加載過程中能量變化情況。高低不一的豎條狀為聲發(fā)射撞擊率變化，通過聲發(fā)射撞擊率高低判斷試件加載過程試件內部活躍度，通過對應加載階段，可以判斷試件破壞過程聲發(fā)射采集信號變化規(guī)律。

圖10 完整輝綠巖應力及聲發(fā)射隨時間變化曲線Fig.10 Complete diabase stress and AE curve with time

針對含0°結構面、45°結構面和75°結構面實驗試件進行實驗對比，分析不同傾角下實驗得到的不同現象。由圖11(a)可知，在加載應力初期，聲發(fā)射撞擊率信號非?；钴S，這說明含0°結構面試件在壓密階段內部撞擊活躍，并且含0°結構面初始階段即受抗壓作用，當加載一定應力水平，聲發(fā)射信號才趨于下降且平穩(wěn)，持續(xù)進行應力加載，試件強度達到峰值，聲發(fā)射信號也同時達到峰值；由圖11(b)可知，試件在應力加載過程中，聲發(fā)射撞擊率持續(xù)波動且非?；钴S，說明整個加載階段，含45°結構面試件在加載過程中不斷參與應力加載，當聲發(fā)射撞擊率達到局部階段峰值時結構面受到抗壓作用，持續(xù)進行應力加載，試件強度達到峰值，聲發(fā)射信號也同時達到峰值；由圖11(c)可知，含75°結構面試件壓密階段加載幾乎無信號產生，當達到試件彈性階段，含75°預制結構面聲發(fā)射仍然較少，持續(xù)增長應力，聲發(fā)射信號會急劇增長，直至試件破壞，聲發(fā)射信號也同時達到峰值。

圖11 含不同角度結構面試件應力及聲發(fā)射隨時間變化曲線Fig.11 Stress and AE time curves of weak sampleswith different angles

為研究應力作用下含預制結構面輝綠巖內部微裂紋開裂到試件貫通破壞的變化規(guī)律，以含75°預制非貫通結構面輝綠巖試件為典型研究對象，進行含預制非貫通結構面輝綠巖單軸加載聲發(fā)射試驗研究。為了清晰地了解巖石力學實驗試件破壞過程，使用AE win軟件進行試件模型建立，模型與實際巖石試件形狀和尺寸一致。在進行加載實驗時，至少布置4個傳感器才可以對聲發(fā)射事件數進行定位，本次實驗4個面上下各布置一個聲發(fā)射傳感器，共8個聲發(fā)射傳感器保證信號采集及定位正常。

如圖12所示，通過模型和傳感器定位，得到不同加載階段的事件數增長圖。在0～30 kN受力區(qū)間內，事件數量較少，說明試件受到加載力影響較小，隨著加載力不斷增加；在30～130 kN受力區(qū)間，聲發(fā)射事件數開始逐步緩慢增長；在130～170 kN加載區(qū)間，產生的聲發(fā)射事件數開始沿著剪切面不斷變多；在170～205 kN受力區(qū)間，試樣上部聲發(fā)射事件急劇增多，并且沿著剪切破壞面方向聲發(fā)射事件開始不斷擴張，直到應力達到206 kN，最后含結構面試樣破壞，此時聲發(fā)射事件主要集中在試樣結構面角度方向和破壞剪切面上。如圖12(e)所示，在試件破壞形態(tài)上看，試件為脆性剪切破壞，產生脆性剪切破壞面，巖石試件宏觀破壞形態(tài)與聲發(fā)射定位空間關系基本一致。因此，聲發(fā)射定位能夠較好地反映巖石內部破壞過程和破壞面位置。

圖12 不同加載時間段聲發(fā)射事件空間分布及破壞試件對比Fig.12 Spatial distribution of AE events and comparison of failure specimens in different loading periods

通過聲發(fā)射定位，獲得相應時間與空間聲發(fā)射事件數。根據時間節(jié)點統(tǒng)計，在單軸聲發(fā)射加載實驗統(tǒng)計的時間節(jié)點140 s、750 s、950 s、1 050 s和1 150 s，可以捕捉到相應聲發(fā)射事件個數，如圖13所示。由圖13可知，剛開始聲發(fā)射個數隨著時間增長比較平緩，加載后期，聲發(fā)射事件個數在短時間內呈指數增長，與前面聲發(fā)射信號撞擊率和能量累積基本一致，說明聲發(fā)射事件數捕捉及定位準確。

圖13 聲發(fā)射事件數隨時間變化情況Fig.13 Changes of acoustic emission events with time

3 結 論

1) 通過實驗分析，完整輝綠巖試件強度比含預制結構面試件強度高，當含結構面試件角度為0°～45°時，含結構面輝綠巖試件所受抗壓強度隨角度增大而減小；當含結構面試件角度達到45°時，含預制結構面試件承受的抗壓強度最低；當含結構面試件角度為45°～90°時，含結構面試件所受抗壓強度隨角度增大而增大。

2) 在相同應力狀態(tài)下，α小于45°結構面試件軸向應變φ1比α大于60°結構面試件軸向應變變化大，而α小于60°結構面試件環(huán)向應變φ2比α大于60°結構面試件環(huán)向應變變化小，說明對含不同角度結構面試件進行加載試件變形特性變化不同。

3) 從試件破壞形態(tài)，當0°≤α<45°時，試件破壞面沿著加載力方向脆性劈裂破壞；當45°≤α≤60°時，試件破壞面垂直結構面方向形成脆性剪切破壞，并且試件也沿著結構面破壞，兩個破壞面形成交叉模式；當60°<α≤90°時，試件沿著結構面方向直接滑移破壞。

4) 通過聲發(fā)射信號監(jiān)測，含結構面試件在加載過程中比完整試件聲發(fā)射信號活躍，通過對含結構面試件聲發(fā)射定位與宏觀試件破壞模式對比，很好地反映巖石內部結構面受壓破壞模式變化規(guī)律。