朱子輝，郭佳奇，孫飛躍，張恒源

（1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院, 河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué)應(yīng)急管理學(xué)院, 河南 焦作 454000）

裂隙巖體是地下工程建設(shè)過程中不可避免的復(fù)雜非均質(zhì)性介質(zhì)，在水利、交通隧道、礦山巷道施工過程中十分常見，受人為或自然因素造成的應(yīng)力擾動影響，巖體內(nèi)部原生裂隙萌生擴展并相互貫通，從而降低巖體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性[1]。水的滲入加劇了裂隙巖體的劣化，在水和裂隙的共同作用下，工程巖體的穩(wěn)定性進一步降低，對地下工程安全建設(shè)造成嚴(yán)重威脅[2-4]。因此，開展裂隙巖體在不同含水狀態(tài)下的裂紋演化規(guī)律及破壞特征研究，對于地下工程穩(wěn)定性評估與防災(zāi)減災(zāi)具有重要的工程意義。

近年來，學(xué)者們針對上述問題從不同角度開展了一系列水對巖石力學(xué)特性及破壞特征影響的研究。Zhao 等[5]研究了不同含水率下紅砂巖的微裂紋演化過程及破壞模式，發(fā)現(xiàn)巖樣在飽水狀態(tài)下形成了明顯的宏觀剪切破裂面，而在自然狀態(tài)下表現(xiàn)出剪切與劈裂共存的破壞模式。姚強嶺等[6]的研究表明，含水率的增加可使巖樣的抗剪強度、黏聚力及內(nèi)摩擦角減小，且破壞后主裂隙的平整度降低。滕騰等[7]從能量演化角度分析了干燥與飽水狀態(tài)對巖石拉壓破壞過程的影響，發(fā)現(xiàn)干燥巖樣破壞時的輸入能和耗散能均大于飽水巖樣。馮國瑞等[8]結(jié)合分形理論與聲發(fā)射（acoustic emission，AE）特征，研究了水對煤樣力學(xué)特性與破壞特征的影響，發(fā)現(xiàn)水會削弱煤樣脆性，且破壞形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為張拉破壞。上述研究均是在完整巖樣的基礎(chǔ)上進行的，然而在工程巖體內(nèi)部往往存在大量裂隙，原始裂隙的存在對巖石破壞機制及裂紋演化的影響與完整巖石存在明顯差異[9]，部分學(xué)者也結(jié)合聲發(fā)射等多種分析方法對水作用下的裂隙巖石開展了相關(guān)研究。Li 等[10]從聲發(fā)射的時域和頻域、聲發(fā)射源以及時變多重分形特征方面，對干燥和飽水狀態(tài)裂隙砂巖開展了聲發(fā)射多參數(shù)分析。Qian 等[11]研究了水與裂隙傾角對煤樣力學(xué)特性和開裂行為的影響，發(fā)現(xiàn)水對煤樣裂紋類型的影響不明顯，但會加劇裂紋擴展程度，隨著裂隙傾角的增大，裂紋類型更加簡單?？迪驖萚12]研究了含水裂隙煤樣的能耗變化規(guī)律，結(jié)果表明，煤樣的總能量、彈性能和耗散能隨含水率的增加而減小。關(guān)于裂隙巖石的裂紋萌生、擴展及貫通過程，一般的攝像設(shè)備需要通過肉眼定性地識別裂紋的宏觀擴展過程。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐漸將數(shù)字圖像相關(guān)（digital image correlation, DIC）方法應(yīng)用于裂隙巖石力學(xué)試驗，能夠呈現(xiàn)巖石變形破壞過程中的變形場演化，定量反映裂紋發(fā)育程度，有效監(jiān)測巖樣在荷載作用下的裂紋起裂位置及斷裂過程[13-15]。以上研究大多采用DIC 或聲發(fā)射等分析方法，從裂隙巖石表面或內(nèi)部單方面開展，將二者結(jié)合從宏觀到細(xì)觀多層次分析裂隙巖石在不同含水狀態(tài)下的裂紋萌生、擴展與貫通過程等研究較少。

本研究采用工程實踐中較為常見的砂巖制備陡傾裂隙巖樣，分別對其進行干燥、自然與飽水狀態(tài)處理，結(jié)合聲發(fā)射與DIC 技術(shù)開展不同含水狀態(tài)下陡傾裂隙砂巖的單軸壓縮試驗，分析不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的力學(xué)特性、應(yīng)變場演化及聲發(fā)射特征，再現(xiàn)巖石裂紋萌生、擴展與貫通全過程，探討單軸加載過程中不同含水狀態(tài)下聲發(fā)射信號的演化差異以及水對裂紋擴展特征的影響，以期為水作用下裂隙巖體的穩(wěn)定性評估與監(jiān)測以及裂紋擴展規(guī)律等研究提供相關(guān)依據(jù)，解決地下工程施工中受水影響存在的風(fēng)險問題。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

試驗所采用的砂巖取自四川省內(nèi)江市資中縣，自然狀態(tài)下呈灰白色，平均密度為2.398 g/cm3。為滿足單軸壓縮試驗的要求并減少試驗結(jié)果的離散性，依據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)，將采集到的巖芯統(tǒng)一加工成直徑為50 mm、長徑比為2 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣[16]。于試樣幾何中心鉆孔，采用金剛砂線切割法制備貫通型裂隙，設(shè)計裂隙長度a=20 mm，裂隙寬度t=1 mm。根據(jù)工程實況，發(fā)現(xiàn)陡傾結(jié)構(gòu)面在施工過程中均有揭露，易誘發(fā)風(fēng)險災(zāi)害，因此設(shè)計預(yù)制裂隙傾角β=60°，代表陡傾結(jié)構(gòu)面。不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖加工成品及裂隙布置如圖1 所示，其中D、S、N 分別代表干燥、自然與飽水狀態(tài)，60 為裂隙傾角數(shù)值。

將加工后的裂隙砂巖分別進行干燥、自然以及飽水狀態(tài)處理，處理方法如下。(1) 干燥狀態(tài)：將加工后的裂隙巖樣置于干燥箱內(nèi)，將箱內(nèi)溫度設(shè)置為105 ℃，加熱24 h，待巖樣冷卻至室溫后取出，并用保鮮膜緊密包裹，防止空氣中的水分進入巖樣，待質(zhì)量恒定后稱重。(2) 自然狀態(tài)：將試樣靜置于自然環(huán)境中24 h 即可得到。(3) 飽水狀態(tài)：采用強制飽和方法對加工后的巖樣進行飽水狀態(tài)處理，將裂隙巖樣置入真空飽和儀中，加壓至100 kPa，并靜置2 h，隨后向儀器中注水以浸沒巖樣，繼續(xù)加壓至100 kPa并靜置24 h，取出巖樣并擦拭其表面水分即可得到飽水巖樣。分別記錄3 種含水狀態(tài)下裂隙巖樣的質(zhì)量及尺寸，計算出不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的含水率，結(jié)果如表1 所示，其中w為含水率。

表1 試樣信息Table 1 Information of the specimens

1.2 試驗設(shè)備與方法

試驗設(shè)備主要包括巖石力學(xué)加載系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)及DIC 系統(tǒng)。采用RMT-150B 巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)開展不同含水狀態(tài)下陡傾裂隙砂巖的單軸壓縮試驗，該試驗系統(tǒng)的最大軸向荷載為1 MN，通過位移控制加載，加載速率設(shè)置為0.002 mm/s，沿巖樣軸向加載直至裂隙巖樣發(fā)生破壞，可以得到不同含水狀態(tài)下裂隙巖樣的力學(xué)相關(guān)信息。采用DS5-8B 型全信息聲發(fā)射分析儀實時監(jiān)測加載條件下裂隙巖樣內(nèi)部因損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，將聲發(fā)射傳感器對稱布置在裂隙砂巖幾何中心兩側(cè)，設(shè)置采樣頻率為5 MHz，聲發(fā)射信號采集閾值設(shè)置為40 dB。使用CCD 相機對裂隙巖樣表面裂紋擴展過程進行實時記錄，在試樣附近放置光源以保證圖像的采集質(zhì)量，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)軟件Ncorr 對采集圖像進行后處理[17]，計算得到裂隙巖樣加載過程中的變形場信息，為后續(xù)巖樣的裂紋擴展分析提供依據(jù)。為確保試驗過程中力學(xué)加載信息、圖像信息及聲發(fā)射信息采集同步，加載前調(diào)試設(shè)備，設(shè)置力學(xué)加載系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)與DIC 系統(tǒng)同時開啟。試驗完成后，分別對上述數(shù)據(jù)進行后處理。試驗設(shè)備如圖2 所示。

2 力學(xué)特性分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變特性

圖3(a)為不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3(a)可知，各含水狀態(tài)下裂隙砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律近似。以自然巖樣為例，加載初期，砂巖內(nèi)部裂隙及微裂紋逐漸被壓實，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出明顯的下凹非線性增長趨勢，且下凹現(xiàn)象隨含水率的增加越來越明顯，這是因為水的存在導(dǎo)致試樣內(nèi)部預(yù)制裂隙發(fā)生剪切滑移，進而造成軸向應(yīng)變快速增大；隨著荷載增加，曲線逐漸呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，隨著含水率增加，曲線斜率逐漸減小，表明水作用下巖樣的抗變形能力逐漸減??；隨著加載進行，巖樣進入屈服變形階段，不同含水狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)上凹趨勢，應(yīng)力持續(xù)增加直至試樣發(fā)生失穩(wěn)破壞，峰后階段含水率的增加使得曲線跌落更加迅速，含水狀態(tài)對裂隙巖石的應(yīng)力-應(yīng)變行為具有明顯影響。進一步分析不同含水狀態(tài)對裂隙砂巖宏觀力學(xué)參數(shù)的影響，對3 種含水狀態(tài)下裂隙砂巖的單軸抗壓強度、彈性模量以及峰值應(yīng)變進行對比分析，如圖3(b)所示。由圖3(b)可知，隨著含水率的增加，裂隙砂巖的抗壓強度、彈性模量及峰值應(yīng)變均呈現(xiàn)近線性減小的變化趨勢，自然與飽水狀態(tài)下的砂巖與干燥狀態(tài)下的砂巖相比，抗壓強度分別降低了16%和36%，彈性模量分別降低了9.8%和23.9%，峰值應(yīng)變分別降低了5.1%和11.5%。這表明飽水作用削弱了裂隙砂巖的強度與變形等力學(xué)性能，水的存在對裂隙砂巖的強度與剛度具有明顯的劣化影響。

2.2 破壞模式

進一步分析不同含水狀態(tài)下陡傾裂隙砂巖的宏觀破壞形態(tài)，采用CCD 高清攝像機捕捉裂隙砂巖在單軸壓縮條件下的裂紋擴展形式，觀察發(fā)現(xiàn)3 種不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的宏觀裂紋擴展過程近似，均從巖樣預(yù)制裂隙尖端處的應(yīng)力集中區(qū)域開始萌生起裂，之后沿試樣上下端面延伸擴展，直至試樣發(fā)生失穩(wěn)破壞。依據(jù) Wong 等[18]、Yang 等[19]對裂紋類型的分類，對巖樣加載破壞后的裂紋擴展類型進行識別，本研究將巖樣的裂紋擴展模式分為3 類：張拉裂紋、剪切裂紋及拉剪混合裂紋。圖4 為不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的宏觀破壞模式與裂紋素描形態(tài)，其中T 與S 分別代表張拉裂紋與剪切裂紋。觀察圖4 可知，不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖均表現(xiàn)出近似H 形張拉-剪切混合破壞，且隨著含水率的增加，沿加載方向逐漸出現(xiàn)典型的張拉裂紋，次生裂紋也隨之逐漸增加，以張拉裂紋的形式在新生裂紋的基礎(chǔ)上進一步擴展。含水率的增加使得裂隙砂巖變形破壞時的裂紋類型更為復(fù)雜，干燥與自然巖樣破壞后呈現(xiàn)出明顯的表面巖塊剝落現(xiàn)象，而飽水巖樣的破壞程度相對較輕微，這是因為水的存在削弱了巖石內(nèi)部的黏聚力，減緩了巖石受壓破壞時內(nèi)部能量的釋放。

圖4 不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的宏觀破壞模式Fig.4 Macroscopic failure modes of fissured sandstone with different moisture states

3 聲發(fā)射特性及裂紋演化分析

3.1 基于聲發(fā)射能量的裂隙砂巖裂紋擴展規(guī)律

巖石變形破壞過程實質(zhì)上是能量吸收和釋放的轉(zhuǎn)化過程，而裂紋擴展過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射波形與所釋放的能量密切相關(guān)，一定程度上能夠定性識別巖石內(nèi)部損傷。聲發(fā)射能量是衡量宏微觀裂紋聲發(fā)射強度的重要參數(shù)之一，通常指信號檢波線下包圍的面積，能夠反映聲發(fā)射源的強度，聲發(fā)射信號強度越大，信號包含的能量信息越多，裂紋擴展越劇烈。因此，從聲發(fā)射能量的角度分析裂隙砂巖變形破壞過程中的損傷演化更具代表性[20]。

為系統(tǒng)對比分析不同含水狀態(tài)對裂隙砂巖裂紋擴展特征的影響規(guī)律，采用Ncorr 數(shù)字圖像相關(guān)軟件獲取巖樣加載過程中的應(yīng)變場，該軟件的計算結(jié)果穩(wěn)定可靠，已廣泛應(yīng)用于巖石力學(xué)相關(guān)試驗研究[21-22]?；诼暟l(fā)射能量及累計能量演化特征，根據(jù)聲發(fā)射法，將裂紋擴展過程劃分為5 個階段[23]，結(jié)合各關(guān)鍵應(yīng)力點對應(yīng)的宏觀裂紋擴展過程，計算出干燥、自然和飽水狀態(tài)下巖樣的橫向應(yīng)變（εxx）云圖。圖5 給出了不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的應(yīng)力、聲發(fā)射能量、累計能量隨時間的變化曲線以及宏觀裂紋演化過程及應(yīng)變場云圖，其中應(yīng)力-時間曲線中的A～E分別代表加載過程中各階段對應(yīng)的特征應(yīng)力點，與右側(cè)宏觀裂紋擴展圖像及應(yīng)變場云圖一一對應(yīng)。

圖5 不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的聲發(fā)射能量與累計能量隨時間變化曲線以及裂紋擴展過程Fig.5 Curve of acoustic emission energy and cumulative energy with time and crack propagation process of fissured sandstone with different mositure states

觀察圖5 可知，不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的聲發(fā)射累計能量曲線總體呈下凹階梯形變化趨勢：低應(yīng)力水平時，曲線斜率較小，隨著軸向應(yīng)力的增大，曲線的增長速率逐漸增大，隨著加載進行，曲線總體呈平穩(wěn)-緩增-突增的變化趨勢。依據(jù)聲發(fā)射演化規(guī)律，可將曲線大致分為5 個階段：裂紋壓密閉合階段Ⅰ、線彈性階段Ⅱ、裂紋穩(wěn)定擴展階段Ⅲ、裂紋非穩(wěn)定擴展階段Ⅳ以及峰后破壞階段Ⅴ，以下將詳細(xì)分析各階段的聲發(fā)射演化和裂紋擴展特征。

階段Ⅰ：隨著荷載增加，巖樣內(nèi)部的預(yù)制裂隙和微裂紋逐漸壓密閉合，相較于完整巖樣，其裂紋壓密閉合持續(xù)的時間較長，在加載過程中僅監(jiān)測到少量聲發(fā)射信號，累計能量曲線幾乎無明顯變化，當(dāng)預(yù)制裂隙和微裂紋完全閉合時，聲發(fā)射能量逐漸減小。由于預(yù)制裂隙的存在，聲發(fā)射活動主要是由加載過程中預(yù)制裂隙內(nèi)部閉合摩擦產(chǎn)生的，含水率的增加對壓密階段聲發(fā)射活動的影響較小。當(dāng)應(yīng)力水平達到A點時，干燥巖樣的應(yīng)變場分布較均勻，幾乎無明顯應(yīng)變集中現(xiàn)象，隨著含水率的增加，自然與飽水巖樣在預(yù)制裂隙附近均出現(xiàn)較明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象，說明在低應(yīng)力水平下，含水狀態(tài)的變化對裂隙砂巖的應(yīng)變場分布具有一定的影響。

階段Ⅱ：隨著荷載的增加，巖樣發(fā)生彈性變形并產(chǎn)生少量聲發(fā)射信號，聲發(fā)射能量計數(shù)均勻分布，累計能量曲線無明顯變化，此時由于巖樣內(nèi)部裂紋完全壓密閉合，水的滲入對巖石內(nèi)部損傷具有一定的影響，隨著含水率的增加，聲發(fā)射能量逐漸減小。當(dāng)應(yīng)力水平達到B點時，新生裂紋開始萌生，干燥巖樣在預(yù)制裂隙尖端處出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象，隨著含水率的增加，應(yīng)變集中現(xiàn)象逐漸向預(yù)制裂隙中心轉(zhuǎn)移，飽水狀態(tài)下，巖樣的整個預(yù)制裂隙均出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象，這可能是由于飽水作用使巖石內(nèi)部已閉合的裂隙或部分微裂紋發(fā)生剪切滑移造成的。

階段Ⅲ：當(dāng)軸向荷載達到起裂應(yīng)力時，裂紋開始萌生并穩(wěn)定擴展，相較于前兩個階段，此時的聲發(fā)射能量計數(shù)分布集中且明顯增加，累計能量曲線斜率增大，曲線呈穩(wěn)定上升趨勢。隨著含水率的增加，聲發(fā)射能量計數(shù)和累計能量曲線斜率明顯減小，飽水狀態(tài)下的累計聲發(fā)射能量曲線仍無明顯變化，含水率的增加對裂紋穩(wěn)定擴展階段的內(nèi)部損傷具有明顯弱化作用。當(dāng)應(yīng)力達到C點時，觀察不同含水狀態(tài)下巖樣的宏觀裂紋擴展過程，發(fā)現(xiàn)干燥和自然巖樣仍無明顯宏觀裂紋出現(xiàn)，結(jié)合應(yīng)變云圖可知，在預(yù)制裂隙尖端出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變局部化，能夠大致預(yù)測宏觀裂紋擴展方向。飽水巖樣的預(yù)制裂隙左側(cè)尖端萌生出明顯的翼裂紋與反翼裂紋，右側(cè)裂隙尖端裂紋開始萌生，與應(yīng)變云圖中的應(yīng)變局部化相對應(yīng)。

階段Ⅳ：巖樣內(nèi)部微裂紋快速發(fā)育，裂紋之間相互交叉貫通，形成明顯的宏觀裂紋，并產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號。聲發(fā)射能量計數(shù)迅速增加且分布更為密集，累計能量曲線斜率明顯增大，當(dāng)荷載達到峰值應(yīng)力時，聲發(fā)射能量計數(shù)與累計能量曲線斜率均達到該階段的最大值，含水狀態(tài)對第Ⅳ階段聲發(fā)射活動的影響更明顯。當(dāng)應(yīng)力水平達到D點時，干燥巖樣的預(yù)制裂隙左側(cè)尖端出現(xiàn)明顯的宏觀剪切裂紋，自然巖樣預(yù)制裂隙兩端出現(xiàn)明顯的反翼裂紋，而飽水巖樣的裂紋在C點的基礎(chǔ)上繼續(xù)擴展；3 種含水狀態(tài)巖樣的應(yīng)變局部化帶面積大幅增加，整個應(yīng)變場均近似呈現(xiàn)出H 形變化特征，高應(yīng)變水平主要集中在裂紋擴展貫通區(qū)域。

階段Ⅴ：峰值應(yīng)力前后累計能量曲線呈現(xiàn)出明顯的階梯型變化趨勢，該階段聲發(fā)射活動相對于階段Ⅳ較為平緩，聲發(fā)射能量計數(shù)逐漸減小，累計能量曲線繼續(xù)上升，曲線斜率略有削減，當(dāng)應(yīng)力-時間曲線快速回落時，巖樣發(fā)生脆性破壞，聲發(fā)射能量計數(shù)達到最大值，累計能量曲線近似呈90°上升。當(dāng)應(yīng)力水平達到E點時，觀察應(yīng)變場演化可知，干燥和自然巖樣在應(yīng)變云圖中出現(xiàn)明顯的局部應(yīng)變集中現(xiàn)象，其原因是加載作用下巖樣表層剝落或破裂面位移較大。各含水狀態(tài)巖樣的部分區(qū)域的應(yīng)變集中程度逐漸減弱，可能是張拉裂紋停止擴展并被逐漸壓密所造成的[14]。

綜上分析，隨著含水率的增加，裂隙砂巖的聲發(fā)射能量計數(shù)逐漸減弱，累計能量曲線呈現(xiàn)出明顯的階段性特征，且不同含水狀態(tài)下的分布特征差異明顯，飽水狀態(tài)時聲發(fā)射能量曲線幾乎只有平穩(wěn)和突增兩個階段。結(jié)合應(yīng)變云圖分析可知，干燥、自然和飽水狀態(tài)下裂隙砂巖的裂紋擴展過程近似，相較于干燥和自然巖樣，飽水巖樣的裂紋出現(xiàn)得更早，而在加載后期，隨含水率增加，裂紋擴展逐漸減緩，這是因為水的軟化作用削弱了裂隙砂巖內(nèi)部的黏聚力，裂隙內(nèi)部摩擦系數(shù)減小，加快了微裂紋的萌生速率，使不穩(wěn)定微裂紋提前起裂，減緩了加載后期裂紋擴展速率，減輕了裂隙砂巖的破壞程度[24]。隨著含水率增加，巖樣的張拉裂紋面積逐漸增大，在峰后破壞階段，張拉裂紋對應(yīng)的應(yīng)變集中程度逐漸減弱。相較于肉眼觀察到的裂紋擴展過程，DIC 技術(shù)可為裂隙砂巖在加載過程中的裂紋擴展演化分析提供有效手段，聲發(fā)射特征與應(yīng)變場分析結(jié)果能夠相互補充，兩種分析方法的結(jié)合有助于從宏細(xì)觀角度揭示不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖在加載過程中的裂紋演化規(guī)律。

3.2 基于聲發(fā)射參數(shù)的微裂紋類型分析

加載過程中，巖石內(nèi)部不同微裂紋形成時，會產(chǎn)生不同特征的聲發(fā)射信號。以往學(xué)者已基于聲發(fā)射參數(shù)RA-AF提出了一種可以確定微裂紋類型的分類方法，并廣泛應(yīng)用于巖石力學(xué)研究[25-27]，其中：RA為上升時間TR與幅度A的比值，單位為ms/V；AF為聲發(fā)射振鈴計數(shù)C與持續(xù)時間TD的比值，單位為kHz。各聲發(fā)射參數(shù)表征如圖6(a)所示。依據(jù)RA與AF的相對大小，可以對巖石內(nèi)部的微裂紋類型進行分類，如圖6(b)所示：高RA值、低AF值代表巖石產(chǎn)生剪切裂紋，低RA值、高AF值則代表巖石產(chǎn)生張拉裂紋，RA和AF分布在邊界線附近則表示巖石內(nèi)部張拉與剪切裂紋共存。

圖6 聲發(fā)射參數(shù)表征及拉剪裂紋分類方法Fig.6 Acoustic emission parameters characterization and tensile-shear crack classification method

依據(jù)聲發(fā)射參數(shù)RA-AF的計算方法，分別對單軸加載過程中不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進行處理，計算出RA-AF值?？紤]散點較多且分布集中，通過MATLAB 軟件處理RA-AF數(shù)據(jù)并繪制出相應(yīng)的散點密度分布云圖，如圖7 所示，右側(cè)圖例顏色的深淺代表散點分布密度大小，黃色代表散點分布較密集，藍色則代表較稀疏。不同含水狀態(tài)下RA-AF在拉剪裂紋區(qū)域均有分布：裂隙砂巖的AF主要分布在0～1 500 kHz 之間，RA主要分布在0～0.5 ms/V 之間；在剪切裂紋區(qū)域，RA-AF信號的分布范圍更大，在原點附近，散點顏色以黃色為主，散點密度分布最密集；而距離原點越遠，散點顏色越淺，密度分布越稀疏，基本以藍色為主。觀察不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的散點密度分布，由于干燥巖樣內(nèi)部的黏聚力較大，在加載過程中巖石內(nèi)部因損傷產(chǎn)生了大量聲發(fā)射信號，因此其RA-AF分布范圍較廣且數(shù)量較多。隨著含水率增加，RA-AF值分布范圍及數(shù)量逐漸減小，但張拉裂紋區(qū)域的分布及密度逐漸增大，表明含水率增加促進了張拉裂紋的發(fā)育，張拉裂紋對裂隙巖樣的破壞模式發(fā)揮著重要作用。

圖7 不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的RA-AF 散點密度分布Fig.7 RA-AF scatter density distribution of fissured sandstone with different moisture states

為進一步反映裂隙砂巖在加載過程中內(nèi)部張拉與剪切裂紋的演化規(guī)律，以加載時間為橫軸，依據(jù)RA-AF值的相對大小確定不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的微裂紋類型，將每個RA-AF值作為單一裂紋類型，統(tǒng)計拉剪裂紋數(shù)量并累計相加，得到不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖加載過程中的裂紋演化曲線，如圖8所示。在單軸加載過程中，不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的拉剪裂紋增長速率均呈先緩慢增加后迅速上升的變化趨勢，且在應(yīng)力達到峰值后裂紋發(fā)育更加明顯。對于干燥巖樣：加載過程中拉剪裂紋幾乎同時出現(xiàn)，其變化趨勢相似；在第Ⅰ階段和第Ⅱ階段有一個相對較長的平穩(wěn)期，有少量裂紋形成；從第Ⅲ階段開始，拉剪裂紋同時大幅增加，剪切裂紋數(shù)略大于張拉裂紋數(shù)；在第Ⅳ階段，隨加載進行，拉剪裂紋的增長速率增大，張拉裂紋相較于剪切裂紋發(fā)育得較為緩慢。對于自然巖樣：加載過程中，拉剪裂紋在第Ⅰ階段和第Ⅱ階段同樣無明顯變化趨勢，在第Ⅲ階段拉剪裂紋開始緩慢增長，在第Ⅳ階段和第Ⅴ階段拉剪裂紋大量出現(xiàn)，張拉裂紋增長速率遠大于剪切裂紋增長速率，巖樣最終破壞時張拉裂紋數(shù)明顯大于剪切裂紋數(shù)，約為剪切裂紋數(shù)的2.5 倍。對于飽水巖樣：與干燥和自然狀態(tài)相比，其裂紋數(shù)量明顯減小；加載初期，張拉裂紋數(shù)快速增加，剪切裂紋數(shù)較??；在第Ⅱ階段，拉剪裂紋幾乎無明顯變化；在第Ⅲ階段，張拉裂紋開始緩慢增加，而剪切裂紋變化仍不明顯；在第Ⅳ階段和第Ⅴ階段，張拉裂紋數(shù)和剪切裂紋數(shù)呈階梯狀突增，直至加載結(jié)束，此時張拉裂紋數(shù)約為剪切裂紋數(shù)的3 倍。

圖8 不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖拉剪裂紋演化規(guī)律Fig.8 Evolution law of tensile-shear cracks in fissured sandstone with different moisture states

綜上分析，干燥巖樣加載過程中拉剪裂紋數(shù)主要在第Ⅲ～Ⅴ階段內(nèi)快速增加；隨著含水率增加，拉剪裂紋在第Ⅲ階段的增長速率逐漸減緩，裂紋發(fā)育逐漸向加載后期第Ⅳ階段和第Ⅴ階段轉(zhuǎn)移，并且裂紋集中分布；飽水巖樣在加載初期的拉剪裂紋數(shù)量有明顯增加。這表明含水率的增加促進了拉剪裂紋萌生起裂，并抑制了拉剪裂紋的發(fā)育，拉剪裂紋的演化趨勢與3.1 節(jié)中基于DIC 分析的裂紋擴展特征近似。含水率的增加同樣影響裂隙砂巖的拉剪裂紋占比，隨著含水率的增加，張拉裂紋占比明顯增大，含水率的增加促進了裂隙砂巖內(nèi)部張拉裂紋的發(fā)育，進而抑制了剪切裂紋的發(fā)育。聲發(fā)射參數(shù)RA-AF能夠反映裂隙砂巖加載過程中拉剪裂紋的演化特征，其分析結(jié)果與宏觀破壞模式也基本一致。

4 結(jié) 論

(1) 水的存在對裂隙砂巖的力學(xué)特性具有明顯的劣化作用。隨著含水率的增加，裂隙砂巖的抗壓強度、彈性模量及峰值應(yīng)變均呈近線性遞減的變化趨勢；不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖的宏觀破壞模式均表現(xiàn)為H 形張拉-剪切混合破壞，且隨含水率增加，裂紋類型更復(fù)雜，張拉裂紋增多，次生裂紋也主要以張拉裂紋的形式擴展。

(2) 隨著含水率的增加，裂隙砂巖的聲發(fā)射能量計數(shù)逐漸減弱，聲發(fā)射累計能量總體呈下凹階梯形變化趨勢，且表現(xiàn)出明顯的階段型特征。干燥狀態(tài)下聲發(fā)射能量曲線表現(xiàn)為平穩(wěn)-緩增-突增3 個階段，隨含水率增加，其分布特征差異明顯，飽水狀態(tài)下聲發(fā)射能量曲線幾乎僅有平穩(wěn)和突增2 個階段，含水率的增加削弱了裂隙砂巖的聲發(fā)射活動。

(3) DIC 技術(shù)能夠為不同含水狀態(tài)下裂隙砂巖變形破壞過程中的微裂紋演化分析提供有效手段，聲發(fā)射特征與DIC 分析相輔相成，兩種分析方法的結(jié)合有助于從宏細(xì)觀角度多層次表征裂隙砂巖的裂紋演化特征，依據(jù)應(yīng)變局部化帶可有效預(yù)測裂紋萌生及擴展方向，含水率的增加加快了裂紋萌生速率，減緩了加載后期裂紋擴展速率。

(4) 聲發(fā)射參數(shù)RA-AF能夠從細(xì)觀角度反映裂隙砂巖加載過程中拉剪微裂紋的演化特征，其分析結(jié)果與宏觀破壞模式基本一致。隨著含水狀態(tài)改變，RA-AF分布范圍和數(shù)量依次遞減，張拉裂紋分布數(shù)量及密度逐漸增加。拉剪裂紋發(fā)育隨含水率增加逐漸向加載后期第Ⅳ階段和第Ⅴ階段轉(zhuǎn)移，水的存在促進了裂隙砂巖內(nèi)部張拉裂紋的發(fā)育，并抑制了剪切裂紋的發(fā)育。