单轴压缩条件下层状软岩破坏过程声发射特征研究

袁兆廷

(中铁二十四局集团南昌铁路工程有限公司 江西南昌 330002)

1 引言

岩石层状特征是由于地质作用导致岩体呈现非均一性排布，部分岩体层状特性呈现倾角分布，因此力学性质也会产生巨大差异。对于层状岩石的研究，McLamore[1]开展了岩石在不同层状与围压下的三轴压缩试验，提出一种用来描述层状岩石强度性质的新准则；JAEGER[2]在研究中提出单弱面理论并发现带有层状倾角岩石的单轴抗压强度总小于完整岩石。随着后续研究的深入，TIEN等[3-4]基于前人的研究准则预制了不同倾角的层理岩石，分析倾角对岩石强度的影响，并提出相应的破坏准则。国内学者张东明等[5]基于X射线衍射技术对层理岩石进行断层扫描测试，分析了在单轴压缩下岩石能量耗散演化规律；陈子全等[6]通过常规单、三轴压缩试验，研究层理方向及含水率对千枚岩储能和释能机制的影响；王晓雷等[7]通过片麻岩进行不同层理性质研究，探究不同倾角对岩石破坏的影响；曾立兵[8]利用MTS landmark动态电液伺服测试系统进行石灰岩单轴循环荷载作用下疲劳试验。

声发射是指材料中局部受到里的作用后快速释放能量产生瞬态弹性波的现象[9]。声发射技术可为岩石破坏损伤过程中提供试验与数值分析提供不了的重要信息[10]。王林均[11]等通过对砂岩和花岗岩进行单轴压缩试验，发现岩石颗粒胶结强度等微观性能对声发射能量和计数有很大影响；孟令超[12]等开展单轴压缩及声发射测试试验，获取了两种岩石的强度及变形特性，并对其脆性大小进行定量评价。因此，利用声发射技术可有效揭示层状层理对千枚岩力学性质的影响。但目前关于不同层状千枚岩破坏过程的声发射特征研究鲜有报道。

为探究层状结构对千枚岩破坏过程中力学性质的影响，本文制备了水平、45°、竖直三种典型层状千枚岩试样，开展单轴压缩条件下不同层状千枚岩破坏过程的声发射试验，分析不同层状千枚岩破坏过程中破坏特征和声发射数量及能量演化规律，研究结果可为层状千枚岩岩体破坏机制提供参考依据。

2 不同层状千枚岩声发射试验

2.1 岩样制备

为探究层状千枚岩破坏过程的声发射特征，制备三种典型层状千枚岩，如图1所示。岩样制备过程严格遵照国际岩石力学规范要求:高100 mm、直径50 mm的标准圆柱体。

图1 三种层状结构千枚岩

2.2 试验过程

试验采用长春市展拓试验仪器有限公司生产的ZTRE-210微机控制岩石三轴测试系统和美国物理声学公司(PAC)所生产的PCI-2型声发射监测设备，声发射传感器为NANO-30型(信号频率范围为100～400 kHz)。

首先在声发射系统中建立一个与试样同等大小的模型，然后根据模型将声发射探头用胶带固定在试样对应点上，再通过电脑端调整试样参数，最后对试样进行加载。先对试样进行预压加载(2 kN)，然后通过荷载控制以500 N/S的加载速率加载试样至弹性变形阶段时，再以变形方式来控制加载(加载速率为0.02 mm/min)直至试样破坏。试验过程中，为保证结果的可靠性，每种层状千枚岩至少进行三次加载试验。试样模型及加载装置如图2所示。

图2 试样模型及加载装置

3 试验结果分析

3.1 不同层状千枚岩强度及变形特征分析

不同层状千枚岩应力-应变曲线如图3所示。黑色、红色和蓝色线分别为轴向应变、环向应变和体积应变与应力的关系。应变大于零和小于零分别代表应变收缩和膨胀。

图3 不同层状结构千枚岩应力-应变曲线

在加载初期，水平层状千枚岩表现出明显线弹性特征，弹模约为1.31×104MPa。在屈服阶段，岩石开始逐渐破坏，但仍具有一定的承载力，其抗压强度到达低点后受持续施加的荷载作用反而呈现上升态势。在持续加载后，岩石被压密后裂纹逐渐扩展后失稳，此时抗压强度小于完整岩石的峰值强度。

45°层状千枚岩在竖向变形时与一般岩石相一致，弹性模量约为1.61×104MPa。体积应变及环向应变呈现先收缩后膨胀的特性，剪切裂纹从试样中间薄弱面开始扩展。试样在加载过程中由于剪切力的原因，产生了薄弱部位内部空隙的收缩现象。而在部分学者看来[13]，岩石受到剪切作用时，斜向45°层状试样受影响最大。

与水平层状试样类同，在初始加载阶段竖直层状试样呈现线弹性特征，弹模约为5.56x104MPa。塑性阶段，试样表面裂纹慢慢出现，环向应变逐渐增大，体积应变表现为先收缩后膨胀特征。由于该类岩石竖向刚度较小，受压后内部孔隙不断被压密导致体积收缩。当岩石内部出去压密状态时，轴向应变发展受到抑制，这也就导致了环向应变的突增。

3.2 不同层状千枚岩破坏过程声发射特征分析

3.2.1 声发射RA值特征

从图4a可以看出，RA值在第一次破坏后更为活跃，可能是因为在加载初期，岩石内部结构较完整，处于较稳定状态。随着荷载的持续增加，岩石内部裂纹开始发育。这也导致了声发射RA值的逐渐活跃。由于经历过一次破坏，且荷载仍在增加，因此内部裂纹的扩展和发育达到顶峰，此时RA值的活跃程度也明显提高不少直至最终破坏。

从图4b曲线中可以看出，45°层状千枚岩声发射RA值在试样加载全过程均保持了较低水平的波动。相较于水平层状千枚岩，45°层状岩石 RA值在前期较为活跃，可能是由于岩石层理构造所导致。

图4 不同层状千枚岩RA值及应力与时间关系曲线

3.2.2 声发射振铃计数特征

声发射振铃计数是指越过门槛信号的振荡次数，它能反映岩石内部裂纹孕育发展情况的时序变化。从图5a可发现，该试样与大部分学者探究过的硬岩破坏形式不同，它并没有呈现分阶段进行特征。RA值的出现比较平均，在试样加载全过程均有产生。

从图5b中可看出，在加载时间171 s，试样抗压强度达到峰值后逐渐减小，此时试样仍有一定的承载能力，表现出明显的塑性特征。可认为声发射振铃计数的突增对于试样的塑性阶段预警有着不错的效果。45°岩石瞬时振铃计数的最大值在峰值强度之后，因此推测该类岩石最大裂纹的发生可能出现在抗压极值之后。

图5 不同层状千枚岩振铃计数-应力-时间关系曲线

竖直层状千枚岩在初始时刻较为平静，声发射振铃计数几乎不产生。在临近破坏阶段时，振铃计数逐渐变得活跃，在破坏时AE信号再次恢复平静。在破坏后的塑性区振铃计数再次活跃直至峰值。可以看出声发射信号的活跃区为该类岩石的塑性阶段。可认为其具有延时破坏的特征。

3.2.3 声发射能量特征

声发射能量特征可以用来反映应岩石在受力过程中内部能量释放的强度。由图6可知，水平层状岩石累计能量在三种岩石中最高，且发射能量在岩样受压过程中均匀释放。45°层状试样在加载全过程的能量释放和振铃计数增长规律保持一致，可分为线性增长、缓慢增长和快速增长三个阶段。竖直层状岩石在初始弹性阶段保持平静状态，几乎无能量释放。随着荷载持续施加，该岩样能量开始释放至极值。

图6 声发射累计能量、能量及应力-时间关系曲线

4 结论

(1)层状倾角不同对于千枚岩的抗压强度及变形特性影响较大。45°层状千枚岩在加载过程中其轴向变形、环向变形和体积应变分别呈现收缩、先收缩后扩张和先收缩后膨胀的特征。而水平层状和竖直层状试样表现为收缩、扩张和先收缩后膨胀的特征。

(2)三种不同层状岩石的能量释放均有所不同，该现象的出现均与千枚岩层状结构相关。且三种千枚岩在破坏前期都出现了不同程度声发射累计能量的高位释放现象。

(3)水平层状和45°层状千枚岩在加载全过程振铃计数持续释放，在临近破坏阶段时才突增。对于竖直层状岩石其振铃计数的产生主要发生在塑性及破坏阶段，由于存在塑性区间作为缓冲区，因此声发射振铃计数对竖直层状软岩的破坏有不错的预警效果。