張恒源，郭佳奇，孫飛躍，石曉燕，朱子輝

（1. 河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院, 河南 焦作 454000；2. 軍事科學(xué)院國防工程研究院, 河南 洛陽 471023）

隨著地下工程逐步向地球深部進軍，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。工程實踐表明，地下工程失穩(wěn)破壞是巖體由破裂損傷到整體破壞的發(fā)展過程，與巖體裂隙產(chǎn)生、擴展及貫通等活動密切相關(guān)[1-4]。深地下富水地層中的工程巖體長期遭受水分侵蝕作用，導(dǎo)致其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和組分發(fā)生緩慢變化，在受到外荷載的作用時，將加速裂隙的產(chǎn)生、擴展及貫通[5-6]等。因此，研究不同含水狀態(tài)花崗巖在荷載作用下的破裂特征，對控制地下工程圍巖失穩(wěn)和預(yù)測預(yù)警工程災(zāi)害具有重要的理論意義和工程價值。

巖石內(nèi)部裂隙的滑移、擴展和貫通等活動將以彈性波的形式釋放應(yīng)變能，聲發(fā)射技術(shù)通過監(jiān)測分析所釋放的彈性波來反映巖石內(nèi)部破裂演化過程。作為一種無損監(jiān)測材料破裂的有效手段，聲發(fā)射技術(shù)已廣泛應(yīng)用于巖石破裂的相關(guān)研究中[7]。例如：張安斌等[8]基于聲發(fā)射事件數(shù)和能量等特征參數(shù)，揭示了不同含水率泥質(zhì)粉砂巖的單軸壓縮破裂全過程；趙奎等[9]基于聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)，提出了不同含水率紅砂巖的損傷系數(shù)，并驗證了其與巖體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)演化的響應(yīng)關(guān)系；鄧朝福等[10]揭示了不同含水狀態(tài)花崗巖內(nèi)部裂隙擴展演化規(guī)律；Liu 等[11]通過不同吸水時間頁巖的單軸壓縮試驗，研究了軟化頁巖的聲發(fā)射特征；Huang 等[12]通過一系列含水砂巖試驗，揭示了含水量對紅砂巖的力學(xué)和變形性質(zhì)的影響，分析了壓縮過程中不同變形階段的聲發(fā)射特征。除了對巖石破裂演化過程開展研究以外，利用聲發(fā)射技術(shù)對巖石裂紋類型的研究也已取得豐富的成果，自2003 年日本混凝土材料協(xié)會在標準（JCMS-Ⅲ B5706）中定義特征參數(shù)RA（上升時間與幅值的比值）和平均頻率AF（振鈴計數(shù)與持續(xù)時間的比值）并提出利用RA-AF 對裂紋進行分類的方法[13]以來，眾多學(xué)者基于參數(shù)RA-AF 評估了不同含水狀態(tài)巖石破裂類型的分布特征。例如：何滿潮等[14]結(jié)合聲發(fā)射參數(shù)RA 和AF 特征值密度得到了自然狀態(tài)花崗巖巖爆發(fā)生時不同類型裂紋的分布特征；Liu 等[7]研究了單軸壓縮下干燥和飽水輝長巖在不同變形階段兩種類型裂紋的分布特征；Du 等[15]開展了一系列巖石加載試驗并定義了自然狀態(tài)花崗巖和大理巖劃分裂紋類型的RA 和AF 參數(shù)標準；劉沂琳等[16]研究了水巖作用下砂巖裂紋發(fā)育規(guī)律，結(jié)果表明，飽水試樣以張拉裂紋發(fā)育為主，天然與干燥試樣以剪切裂紋發(fā)育為主；Wang 等[17]揭示了水對單軸壓縮下砂巖破裂類型的影響，認為水增加了拉伸裂紋，減少了剪切裂紋；Yao 等[18]結(jié)合水侵入對裂紋類型和宏觀破壞模式的影響，提出了裂紋類型與破壞模式之間的新關(guān)系。

可見，相關(guān)學(xué)者在水對巖石內(nèi)部破裂特征影響方面開展了大量研究，得到了水影響巖石破裂的基本規(guī)律。然而工程巖體發(fā)生破裂反應(yīng)過程是由復(fù)雜應(yīng)力引起的，不同應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致巖石發(fā)生不同的破裂響應(yīng)，目前關(guān)于含水巖石破裂的試驗研究大多集中在單一試驗條件下，對于含水巖石在不同試驗條件下的特征尚未開展相關(guān)研究。鑒于此，本工作擬對不同含水狀態(tài)的花崗巖進行單軸壓縮試驗、巴西劈裂試驗和直剪試驗下的聲發(fā)射信號研究，通過對巖石破裂的聲發(fā)射特征參數(shù)進行深入分析，揭示不同試驗條件下含水花崗巖的破裂擴展演化過程及裂紋類型分布特征，以期深入理解受水影響的工程巖體在復(fù)雜應(yīng)力下的破裂演化。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

花崗巖樣品取自山東省五蓮縣，屬粗?；◢弾r，呈灰白色并帶有黑色斑紋，經(jīng)X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）測得其礦物成分為低鈉長石（39%）、斜長石（35%）、云母（22%）、石英（4%），常溫下試樣的密度為2.703 g/cm3，結(jié)構(gòu)致密。按照國際巖石力學(xué)學(xué)會建議，將巖石加工成直徑50 mm、高100 mm和直徑50 mm、高30 mm 兩種尺寸的標準圓柱體，以分別進行不同條件下的力學(xué)試驗。

對試樣進行不同含水狀態(tài)的處理，處理方式為：飽水狀態(tài)，將試樣置于真空飽水機內(nèi)，抽氣至0.1 MPa 后靜置2 h，向真空飽水機內(nèi)注水至淹沒試樣，繼續(xù)抽氣至0.1 MPa 并保持1 h，然后打開放氣閥門靜置24 h，之后取出并沾去表面水分后稱量；干燥狀態(tài)，將試樣放置在干燥箱內(nèi)于105 ℃靜置24 h，待冷卻至室溫后稱重。經(jīng)計算，干燥、自然、飽水試樣的平均含水率分別為0%、0.091 9%、0.287 0%。試樣分組方案如表1 所示。

表1 試驗分組方案Table 1 Test grouping scheme

1.2 試驗設(shè)備及方法

對不同含水狀態(tài)花崗巖分別開展單軸壓縮試驗、巴西劈裂試驗和直剪試驗，試驗系統(tǒng)包含巖石力學(xué)加載系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)兩部分。巖石力學(xué)加載系統(tǒng)包括RMT-150B 巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)和KYZW-100 巖石弱面直剪儀。利用RMT-150B 巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)進行單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，單軸壓縮試驗采用位移加載控制，速率為0.002 mm/s，巴西劈裂試驗采用力加載控制，速率為0.20 kN/s；利用KYZW-100 巖石弱面直剪儀進行剪切試驗，設(shè)置法向荷載為20 MPa，由力控制加載，加載速率為1 kN/s，切向加載為位移控制，加載速率為1 mm/s。試驗均采用DS-5 型8 通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)同步采集巖石變形破壞過程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)主要由聲發(fā)射探頭、信號放大器以及采集主機等構(gòu)成，采樣頻率為5 MHz，波形門檻閾值設(shè)置為40 dB。

試驗開始前，將聲發(fā)射傳感器對稱布置在花崗巖試樣中心，以接收來自巖石內(nèi)部不同方位的盡可能多的聲發(fā)射信號。并在傳感器與試樣接觸點涂抹適量凡士林作為耦合劑，以增加兩者間的耦合性。為了保證加載信息與聲發(fā)射信號時間對應(yīng)，加載系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)同步開始計時。不同試驗條件如圖1 所示。

2 不同試驗條件和含水狀態(tài)下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變特征與力學(xué)參數(shù)弱化

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變特征

圖2 分別為單軸壓縮試驗、巴西劈裂試驗和直剪試驗下不同含水狀態(tài)花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖2(a)可知：在單軸壓縮試驗條件下，花崗巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值應(yīng)力點前呈現(xiàn)出塑性-彈性-塑性的“S”形增長趨勢，隨著含水率的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的增長速率減緩，臨近峰值點的塑性階段更明顯；在峰應(yīng)力點后，干燥試樣和自然試樣出現(xiàn)應(yīng)力跌落現(xiàn)象，表現(xiàn)出脆性破壞的特點，而飽水狀態(tài)試樣表現(xiàn)出延性破壞的特點，表明隨著含水率的增加，花崗巖破壞模式由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變。由圖2(b)可知，巴西劈裂條件下花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線在加載過程中整體呈現(xiàn)上凹形增長，在達到峰值應(yīng)力點后發(fā)生突降，試樣發(fā)生劈裂，破壞時的脆性特征明顯。由圖2(c)可知，剪切試驗條件下花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上凹形上升，但相比于單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，剪切試驗條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的波動更明顯，在峰值應(yīng)力點前出現(xiàn)部分應(yīng)力跌落現(xiàn)象，可能是試樣局部發(fā)生破裂引起的，隨著加載的進行，軸向應(yīng)力逐漸增加直至破壞。

圖2 不同試驗條件下花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress-strain curves of granite under different test conditions

Bieniawski[19-20]將巖石破裂過程分為：裂隙壓密階段Ⅰ、彈性變形階段Ⅱ、裂紋穩(wěn)定擴展階段Ⅲ、裂紋非穩(wěn)定擴展階段Ⅳ和峰后破壞階段Ⅴ。國內(nèi)外專家學(xué)者基于此對特征應(yīng)力階段的確定開展了廣泛的研究，提出了移動點回歸法、聲發(fā)射法、裂隙體積應(yīng)變法等計算方法。裂隙體積應(yīng)變法因計算簡便而被廣泛應(yīng)用，計算方法如下。

巖石體積應(yīng)變εV可以表示為

式中：ε1、ε3分別為軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。

巖石總體積應(yīng)變包含彈性體積應(yīng)變和裂隙體積應(yīng)變。裂隙體積應(yīng)變計算公式為

式中：εVc、εVe分別為裂隙體積應(yīng)變和彈性體積應(yīng)變。單軸壓縮下， σ2=σ3=0，彈性體積應(yīng)變εVe可表示為

式中：σ1為軸向應(yīng)力，E為彈性模量， ν為泊松比。

通過裂隙體積應(yīng)變法得到巖石特征應(yīng)力并對加載過程進行階段劃分，示意圖如圖3 所示。

圖3 裂隙體積應(yīng)變法確定巖石特征應(yīng)力示意圖Fig. 3 Diagram of determining rock characteristic stress by fracture volume strain method

采用裂隙體積應(yīng)變法計算得到的單軸壓縮條件下不同含水狀態(tài)花崗巖的特征應(yīng)力如表2 所示。由表2可知，不同含水狀態(tài)花崗巖的σcc/σucs在15%左右，σci/σucs在40%左右，σcd/σucs在70%左右，隨著含水率的增加，特征應(yīng)力逐漸降低，但花崗巖的特征應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值逐漸增加。

表2 單軸壓縮試驗條件下不同含水狀態(tài)花崗巖的特征應(yīng)力Table 2 Characteristic stress of granite with different water-bearing states under uniaxial compression

2.2 力學(xué)參數(shù)弱化效應(yīng)

由圖4 可知：水的存在使得3 種試驗條件下的單軸抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度均有不同程度的弱化，且3 種強度都隨著含水率的增加呈現(xiàn)良好的線性降低的變化規(guī)律，對其進行線性擬合，獲得強度與含水率的線性關(guān)系

圖4 不同試驗條件下水對強度的影響Fig. 4 Influence of water on strength under different test conditions

式中：σc、σt、τ 分別為單軸抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度，MPa；ω 為含水率，%；R2為擬合優(yōu)度。

以自然狀態(tài)花崗巖強度作為單位1，探討水對花崗巖抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度的弱化程度。干燥狀態(tài)下，抗壓、抗拉、抗剪強度比為1.258、1.236、1.165，分別增加了25.8%、23.6%、16.5%；飽水狀態(tài)下，抗壓、抗拉、抗剪強度比為0.840、0.877、0.806，分別降低了16.0%、12.3%、19.4%。

通過單軸壓縮試驗計算得到花崗巖的彈性模量E隨含水率的變化曲線，如圖5 所示。

由圖5 可知，彈性模量隨著含水率的增加而呈線性降低趨勢，進行線性擬合獲得彈性模量E與含水率的線性關(guān)系

圖5 彈性模量隨含水率的變化Fig. 5 Variations of elastic modulus with water content

以自然狀態(tài)花崗巖彈性模量作為1，探討水對花崗巖變形參數(shù)的弱化程度。干燥狀態(tài)試樣和飽水狀態(tài)試樣的彈性模量與自然狀態(tài)試樣的彈性模量的比值分別為1.146、0.759，干燥狀態(tài)增加了14.6%，飽水狀態(tài)降低了24.1%。

3 不同試驗條件下花崗巖聲發(fā)射特征及破裂演化過程

巖石等材料在受到荷載作用時會產(chǎn)生變形和斷裂，并以彈性波的形式釋放出能量，通過對彈性波的監(jiān)測和分析能夠得到巖石內(nèi)部微裂紋的發(fā)育、擴展以及貫通等微觀行為的演化過程。目前對于聲發(fā)射信號的研究主要使用特征參數(shù)法，即通過對彈性波波形中的特征參數(shù)進行分析得到巖石內(nèi)部破裂特征，常見的參數(shù)有振鈴計數(shù)、幅值、RA 和AF 等，對應(yīng)的特征參數(shù)定義如圖6 所示。

圖6 聲發(fā)射波形特征參數(shù)Fig. 6 Characteristic parameters of acoustic emission waveform

3.1 單軸壓縮下聲發(fā)射特征及破裂演化過程

振鈴計數(shù)是指一次撞擊信號越過門檻值的振蕩次數(shù)，能夠粗略反映聲發(fā)射信號的強度和頻度。單軸壓縮下聲發(fā)射振鈴計數(shù)、應(yīng)力隨時間的變化曲線如圖7 所示。

2016年8月，國家能源局正式復(fù)函《關(guān)于四川省創(chuàng)建國家清潔能源示范省有關(guān)事項的復(fù)函》[10]，對四川省進行的清潔能源示范省創(chuàng)建工作給予了大力支持，并把四川省清潔能源示范省創(chuàng)建工作加入到我國的“十三五”能源創(chuàng)建規(guī)劃當中，而且在清潔能源等重要項目、產(chǎn)業(yè)政策、體系體制改革等層面都進行大力的支持?！端拇ㄊ?chuàng)建國家清潔能源示范省實施方案》[11]提出在經(jīng)濟發(fā)達、能源品質(zhì)要求較高的地區(qū)或天然氣資源地，鼓勵發(fā)展工業(yè)園區(qū)、樓宇式、生態(tài)園區(qū)天然氣分布式能源項目。建設(shè)示范工程，不斷積累經(jīng)驗，打造四川模式。

從圖7 可以看出，單軸壓縮下聲發(fā)射振鈴計數(shù)分布具有明顯的階段性，不同變形階段振鈴計數(shù)的具體特征如下：(1) 壓密階段，巖石原生裂隙在荷載作用下不斷被壓密，由于裂隙閉合以及摩擦作用釋放彈性應(yīng)變能從而產(chǎn)生少量聲發(fā)射信號；(2) 彈性階段，巖石發(fā)生可恢復(fù)的彈性變形，但試樣裂縫之間相互滑移會產(chǎn)生極少量的聲發(fā)射事件；(3) 裂隙穩(wěn)定擴展階段，此時荷載應(yīng)力超過巖石的起裂應(yīng)力，除了原有裂隙的擴展外，試樣還逐漸產(chǎn)生新生微小裂紋，導(dǎo)致聲發(fā)射振鈴計數(shù)出現(xiàn)明顯的增加趨勢，但振鈴計數(shù)數(shù)值和增長速率仍然很低；(4) 裂隙非穩(wěn)定擴展階段，巖石內(nèi)部破裂發(fā)展加劇，裂隙之間相互作用明顯并開始貫通，在臨近峰值應(yīng)力點時高強度的聲發(fā)射信號迅速增加，振鈴計數(shù)峰值多出現(xiàn)在此階段；(5) 破壞階段，破裂加劇，沿宏觀破壞面發(fā)生較大程度的斷裂，產(chǎn)生大量高強度的聲發(fā)射信號。比較3 種含水狀態(tài)下花崗巖聲發(fā)射振鈴計數(shù)發(fā)現(xiàn)，其整體趨勢相同且數(shù)值差距較小。

圖7 單軸壓縮下不同含水狀態(tài)花崗巖的聲發(fā)射特征Fig. 7 Acoustic emission characteristics of granite with different water-bearing states under uniaxial compression

3.2 巴西劈裂試驗下聲發(fā)射特征及破裂演化過程

圖8 為巴西劈裂試驗下聲發(fā)射振鈴計數(shù)、應(yīng)力隨時間變化曲線。由圖8 可知：巴西劈裂試驗條件下，不同含水狀態(tài)花崗巖試樣的階段性變化不明顯；在加載初期（30%σt），由于壓條壓密了加載軸線附近的原生裂隙，因而出現(xiàn)了數(shù)值相對較大的聲發(fā)射振鈴計數(shù)；隨著荷載的增加，不斷出現(xiàn)新生裂隙導(dǎo)致振鈴計數(shù)出現(xiàn)波動現(xiàn)象，臨近破壞時聲發(fā)射事件迅速增加，直至試樣發(fā)生劈裂。

圖8 巴西劈裂試驗下不同含水狀態(tài)花崗巖的聲發(fā)射特征Fig. 8 Acoustic emission characteristics of granite with different water-bearing states under Brazilian splitting test

對比不同含水狀態(tài)花崗巖在巴西劈裂試驗條件下的聲發(fā)射振鈴計數(shù)可知：干燥狀態(tài)花崗巖在加載初期的振鈴計數(shù)均值為60.4，且密度較大，隨著加載的進行，振鈴計數(shù)出現(xiàn)較小的波動但仍保持在較高水平，在臨近破壞時出現(xiàn)最大值3 714；自然狀態(tài)試樣加載初期振鈴計數(shù)的均值為44.9，約為干燥狀態(tài)下的3/4，在整個加載過程波動明顯，部分振鈴計數(shù)過低，導(dǎo)致振鈴計數(shù)分布稀疏，振鈴計數(shù)最大值為1 704，約為干燥狀態(tài)的1/2；飽水試樣的聲發(fā)射振鈴計數(shù)進一步降低，加載初期振鈴計數(shù)均值為26.4，僅為干燥狀態(tài)的1/2，隨著加載的進行，振鈴計數(shù)波動更加明顯，出現(xiàn)多次激增和驟降現(xiàn)象，振鈴計數(shù)最大值為1 588，約為干燥狀態(tài)試樣的2/5。

3.3 直剪試驗下聲發(fā)射特征及破裂演化過程

圖9 給出了剪切試驗下聲發(fā)射振鈴計數(shù)、應(yīng)力隨時間的變化曲線。由圖9 可知：在加載初期，振鈴計數(shù)處于較低水平，隨著荷載的增加，振鈴計數(shù)緩慢上升，當應(yīng)力-應(yīng)變曲線上出現(xiàn)小型應(yīng)力降時，聲發(fā)射振鈴計數(shù)迅速增加，表明試樣發(fā)生脆性破裂，隨后呈階梯狀增長，至試樣被剪斷時聲發(fā)射振鈴計數(shù)達到最大值。

圖9 直剪試驗下不同含水狀態(tài)花崗巖的聲發(fā)射特征Fig. 9 Acoustic emission characteristics of granite with different water-bearing states under direct shear test

直剪試驗下，聲發(fā)射振鈴計數(shù)隨著含水率的增加逐漸降低，第1 次應(yīng)力降出現(xiàn)時，干燥狀態(tài)、自然狀態(tài)、飽水狀態(tài)試樣的振鈴計數(shù)分別為4 655、3 021、784，破壞時的峰值振鈴計數(shù)分別為7 849、4 749、3 531。表明隨著含水率的增加，直剪試驗下花崗巖第1 次發(fā)生較明顯的微破裂以及宏觀剪切破裂時的聲發(fā)射強度都有不同程度的降低。

對比不同試驗條件下含水花崗巖振鈴計數(shù)分布特征可得到以下結(jié)果。(1) 與干燥試樣相比，含水試樣的聲發(fā)射振鈴計數(shù)明顯更低，這是由于含水試樣內(nèi)部裂隙中填充了水分，聲波信號在液體介質(zhì)中的衰減速率大于固體介質(zhì)，導(dǎo)致飽水狀態(tài)下產(chǎn)生的聲發(fā)射信號強度減小，因此飽水試樣的聲發(fā)射信號低于干燥試樣。(2) 不同試驗條件下花崗巖試樣聲發(fā)射振鈴計數(shù)分布特征差異明顯：單軸壓縮下峰值應(yīng)力點前聲發(fā)射振鈴計數(shù)相對較少，聲發(fā)射振鈴計數(shù)主要出現(xiàn)在峰值應(yīng)力點后，在峰值應(yīng)力點后出現(xiàn)陡增；巴西劈裂條件下花崗巖聲發(fā)射振鈴計數(shù)最大值和平均值相差較小，整個加載過程中聲發(fā)射振鈴計數(shù)都保持在相同的數(shù)量級；剪切作用下花崗巖聲發(fā)射振鈴計數(shù)分布與單軸壓縮下類似，但剪切作用下振鈴計數(shù)在第1 次應(yīng)力降時就顯著增加，隨后呈階梯狀逐步增加，而單軸壓縮下試樣的振鈴計數(shù)在臨近破壞時才出現(xiàn)驟增現(xiàn)象，且增加的程度遠比直剪試驗高。

4 基于聲發(fā)射特征的花崗巖微觀破裂類型分析

聲發(fā)射特征參數(shù)中的RA 和平均頻率AF 可以表征巖石內(nèi)部微裂紋類型，RA 由上升時間除以幅值得到，AF 由振鈴計數(shù)除以持續(xù)時間得到。經(jīng)計算后得到聲發(fā)射信號RA-AF 的散點圖，如圖10(a)所示。由于散點數(shù)量眾多且分布密集，無法準確獲得聲發(fā)射信號分布特征，因此利用MATLAB 對信號散點圖進行處理，得到散點分布密度，如圖10(b)所示，其中黃色區(qū)域表示聲發(fā)射信號密度較大，藍色區(qū)域表示信號密度較小。

圖10 RA-AF 信號分布散點圖和密度圖Fig. 10 Distribution and density of RA-AF signals

4.1 確定不同裂紋類型的分界線

高RA、低AF 的信號分布特點代表著剪切裂紋的發(fā)育、擴展，而高AF、低RA 代表著張拉裂紋的發(fā)育、擴展，但不同的材料狀態(tài)及傳感器類型等因素都會導(dǎo)致裂紋類型劃分標準產(chǎn)生較大的差異[21]。例如：日本JCMS-Ⅲ B5706 規(guī)范[13]的分類方法中將分界線斜率（AF 與RA 的比值）定義為k，在分界線以上為張拉裂紋，分界線以下為剪切裂紋；何滿潮等[14]采用k=1 作為分界線區(qū)分裂紋類型；Niu 等[22]以k=2 為分界線區(qū)分裂紋類型。

本研究根據(jù)Du[15]和日本JCMS-Ⅲ B5706 規(guī)范[13]的分類方法，利用直剪試驗和巴西劈裂試驗計算裂紋類型的分界線，通過假定一條斜率為k的分界線，以直剪試驗中分界線以下的信號百分比與巴西劈裂試驗中分界線以上的信號百分比基本相同（相差小于0.5%）時作為區(qū)分裂紋類型的標準，如圖11所示。經(jīng)計算，飽水狀態(tài)、自然狀態(tài)、干燥狀態(tài)下的分界線斜率k分別為1.943、2.112 和3.261。

圖11 RA-AF 信號裂紋類型分類標準Fig. 11 Classification standard of RA-AF signal crack types

4.2 單軸壓縮下微觀破裂類型分析

圖12 為花崗巖在單軸壓縮試驗條件下聲發(fā)射信號的RA-AF 散點密度分布。

圖12 單軸壓縮下的RA-AF 分布Fig. 12 RA-AF distribution under uniaxial compression

由圖12 可知，單軸壓縮下RA-AF 信號在張拉裂紋區(qū)域和剪切裂紋區(qū)域均有分布，但剪切裂紋區(qū)域信號更多，意味著試樣內(nèi)部張拉裂紋和剪切裂紋同時發(fā)育，但剪切裂紋占主導(dǎo)作用。對比不同含水狀態(tài)的試樣信號可知：干燥狀態(tài)試樣信號主要分布在剪切裂紋區(qū)域，在張拉裂紋區(qū)域數(shù)量相對較少，而自然和飽水狀態(tài)試樣的信號分布相似，均集中在剪切裂紋區(qū)域，但數(shù)量明顯減少，張拉裂紋區(qū)域的信號有所增加，表明單軸壓縮下干燥狀態(tài)試樣的破壞過程以剪切裂紋為主，自然和飽水試樣的剪切裂紋減少，張拉裂紋變化不明顯。

為了揭示花崗巖在破壞過程中的破裂類型及擴展發(fā)育特征，根據(jù)表2 中利用裂紋體積應(yīng)變法計算出的特征應(yīng)力繪制出不同試樣在峰前各個變形階段的RA-AF 信號密度分布，如圖13 所示。由圖13 可知各個變形階段聲發(fā)射信號分布特征如下。

圖13 單軸壓縮下各個變形階段的RA-AF 分布Fig. 13 RA-AF distribution of each deformation stage under uniaxial compression

(1) 壓密階段，RA-AF 信號在張拉區(qū)域和剪切區(qū)域均有分布，但主要集中在剪切區(qū)域，在張拉區(qū)域分布較少，表明此階段張拉裂紋和剪切裂紋并存且以剪切裂紋為主；隨著含水率的增加，兩種類型裂紋區(qū)域內(nèi)的信號數(shù)量均逐漸減少，RA 范圍變化不大，AF 范圍由干燥狀態(tài)的0～150 kHz 減少至飽水狀態(tài)的100 kHz。

(2) 彈性階段的RA 和AF 相比壓密階段略有減小，信號在兩種類型的裂紋區(qū)域內(nèi)有向原點聚集收縮的趨勢，但仍以剪切裂紋為主。干燥試樣在兩類裂紋區(qū)域的信號均顯著減少，而自然狀態(tài)試樣和飽水狀態(tài)試樣的變化相對較小；隨著含水率的增加，張拉裂紋區(qū)域的信號逐漸增加，而剪切裂紋區(qū)域信號的差距較小。

(3) 在裂隙穩(wěn)定擴展階段，RA 和AF 相比彈性階段持續(xù)減小，聲發(fā)射信號散點繼續(xù)向原點聚集，信號高密度區(qū)域范圍進一步縮小，低密度區(qū)的散點也逐漸變少，此階段剪切裂紋和張拉裂紋減少但變化相對較小。整體上看，此階段水對信號分布的影響較弱。

(4) 在裂隙非穩(wěn)定擴展階段，巖石裂隙逐步貫通致使主破壞面逐漸形成，內(nèi)部破裂加劇，信號出現(xiàn)向外擴散趨勢。相比于裂隙穩(wěn)定擴展階段，干燥試樣在張拉裂紋和剪切裂紋區(qū)域信號均有明顯增加，自然和飽水狀態(tài)試樣在張拉區(qū)域的信號明顯增加，而剪切區(qū)域信號變少。即干燥試樣的張拉裂紋和剪切裂紋均有明顯增加，但剪切裂紋增加得更多，自然和飽水試樣的張拉裂紋增多而剪切裂紋減少。相比于干燥狀態(tài)試樣，自然和飽水試樣的張拉區(qū)域信號顯著增加，剪切區(qū)域信號略有減少，意味著飽水狀態(tài)有利于試樣在此階段產(chǎn)生更多的張拉裂紋，剪切裂紋的比例下降，這與Dong 等[23]的研究結(jié)果一致。

根據(jù)上述分析可知，在加載初期，張拉裂紋和剪切裂紋均有分布但剪切裂紋較多，隨著加載的進行，剪切裂紋基本不變，張拉裂紋逐漸減少，剪切裂紋在裂紋擴展中占據(jù)主導(dǎo)地位，臨近破壞時，張拉裂紋增多。

4.3 巴西劈裂下微觀破裂類型分析

圖14 給出了花崗巖試樣在巴西劈裂試驗條件下聲發(fā)射參數(shù)RA-AF 的密度分布。由圖14 可知，巴西劈裂試驗下，高密度區(qū)域的RA 分布在0～100 ms/V 區(qū)間內(nèi)，AF 分布在0～600 kHz 區(qū)間內(nèi)，RA-AF 信號主要集中在張拉裂紋區(qū)域，在剪切裂紋區(qū)域信號較稀疏，表明巴西劈裂試驗條件下試樣內(nèi)部裂紋以張拉裂紋為主。對比不同含水狀態(tài)試樣可以發(fā)現(xiàn)，干燥狀態(tài)試樣的信號數(shù)量和密度在張拉裂紋區(qū)域和剪切裂紋區(qū)域的差別相對較小，自然和飽水狀態(tài)試樣在剪切裂紋區(qū)域的信號數(shù)量較少，張拉裂紋區(qū)域的信號數(shù)量明顯較多，表明隨著含水率的增加，巴西劈裂試驗下試樣內(nèi)部剪切裂紋逐漸減少，而張拉裂紋逐漸增多。

圖14 巴西劈裂下的RA-AF 分布Fig. 14 RA-AF distribution under Brazilian splitting

4.4 直剪試驗下微觀破裂類型分析

花崗巖試樣在直剪試驗條件下聲發(fā)射參數(shù)RA-AF 的密度分布如圖15 所示。由圖15 可知，直剪試驗下高密度區(qū)域的RA 分布在0～240 ms/V 區(qū)間，AF 分布在0～150 kHz 區(qū)間，RA-AF 信號主要集中在剪切裂紋區(qū)域，張拉裂紋區(qū)域中的信號較少，即直剪試驗下試樣內(nèi)部裂紋以剪切裂紋為主。對比不同含水狀態(tài)試樣可以發(fā)現(xiàn)，剪切裂紋區(qū)域信號在干燥狀態(tài)試樣內(nèi)分布最多，張拉裂紋區(qū)域信號數(shù)量在不同含水狀態(tài)下的變化不大，隨著含水率的增加，試樣剪切裂紋區(qū)域信號逐漸減少，表明隨著含水率的增加，直剪試驗下張拉裂紋所占比例逐漸增加，而剪切裂紋所占比例逐漸減少。

圖15 直剪試驗下的RA-AF 分布Fig. 15 RA-AF distribution under direct shear test

5 結(jié) 論

(1) 水對花崗巖峰值強度以及變形參數(shù)的弱化作用明顯。隨著含水率的增加，單軸壓縮下花崗巖試件的破壞模式由脆性破壞逐漸向延性破壞轉(zhuǎn)變，花崗巖特征應(yīng)力逐漸降低，但水對特征應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值的影響較??；隨著含水率的增加，花崗巖的單軸抗壓、抗拉、抗剪強度呈線性降低趨勢，彈性模量隨著含水率的增加而減小。

(2) 隨著含水率的增加，花崗巖試樣的聲發(fā)射振鈴計數(shù)逐漸降低；3 種試驗條件下花崗巖試樣聲發(fā)射振鈴計數(shù)分布特征差異明顯，單軸壓縮下聲發(fā)射振鈴計數(shù)主要出現(xiàn)在加載后期，在峰值應(yīng)力點處出現(xiàn)陡增現(xiàn)象；巴西劈裂條件下，整個加載過程中聲發(fā)射振鈴計數(shù)波動相對較?。患羟袟l件下花崗巖聲發(fā)射振鈴計數(shù)分布和單軸壓縮下類似，但剪切條件下聲發(fā)射振鈴計數(shù)在應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)應(yīng)力降時呈階梯型增長。

(3) 單軸壓縮下試樣內(nèi)部出現(xiàn)張拉裂紋和剪切裂紋，在加載初期，張拉裂紋和剪切裂紋均有分布但剪切裂紋較多，隨著加載的進行，剪切裂紋基本不變，張拉裂紋逐漸減少，臨近破壞時，張拉裂紋增多；巴西劈裂下試樣內(nèi)部以張拉裂紋為主，剪切裂紋較少；直剪試驗下試樣內(nèi)部以剪切裂紋為主，張拉裂紋較少；隨著含水率的增加，3 種試驗條件下花崗巖試樣內(nèi)部的張拉裂紋增多，而剪切裂紋減少。