花岗岩压剪破裂扩展及声发射b值的法向力影响特征

刘祥鑫，吴立新，吕 欣，毛文飞，张艳博

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210；3.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；>4.华北理工大学现代技术教育中心，河北 唐山 063210)

0 引 言

在研究脆性岩石的破坏机理及破裂演化方面，应力边界条件的影响很大[1-3]。捕捉岩石破裂过程中微裂隙的萌生、扩展及最终失稳破坏的特征，是维护地下工程中岩体安全性的重要问题之一[4-5]。通过分析岩石破裂过程中的声发射特征，可反映岩石损伤的发展过程，这与岩石内部缺陷的演化与繁衍直接相关[6]。分析声发射与岩石破裂本身的关系，有助于获得岩石失稳破裂特征，为依靠声发射技术建立识别岩石破裂前兆体系提供理论和技术依据[7]。

在对岩石剪切破坏的裂隙分布状态的研究方面，众多学者采用声发射监测手段进行剪切机制的探讨，而低水平的岩体剪切峰值与残余剪切强度也与高水平的情况不大相同。在恒定正应力状态下开展“煤-岩”体的平面剪切实验，发现煤岩界面的剪切行为受两个材料的差异性影响，而不仅由煤岩界面的表面粗糙度控制[8]。岩石微裂隙的存在对其剪切强度具有重要影响，通过Ashby、Mohr-Coulomb等破坏准则和裂纹-应变关系，建立了微裂纹和宏观剪切强度的相关性[9]。李元辉等[10]提出将分维数和震级-频度系数b值相结合，可提高工程现场岩体稳定性监测的准确性。

由于大多数结构工程都是在岩体中建立，岩体中广泛存在着不同尺度的裂隙，而裂隙的状态对岩石的应力状态影响较大[11]。以往的研究主要集中在岩石的剪切破坏特征方面，对于裂隙的存在状态却研究较少，剪切破坏预警信息的有效性也探讨不够。为此，迫切需要从空间尺度和时间尺度等方面对裂隙的存在状态进行研究和探讨。

1 岩石剪切实验

1.1 岩石试样制备及边界条件设置

花岗岩试样(150 mm×150 mm×150 mm，图1(a))采自山东省莱州市，莱州地区是中国重要的黄金生产基地，也是世界上罕见的黄金富集区域。根据《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—99)制备试样，样品标记为“GS-R1”～“GS-R4”，其中“GS”代表花岗岩样品。

本实验中岩石样品的边界条件如图1(b)所示。固定边界是指岩石的这些端部不能产生变形，剪切力边界是施加剪切力的一端，法向力边界是正应力的施加端。

图1 岩石试样及边界条件Fig.1 Rock sample and its boundary conditions

1.2 实验设备及其设置

实验系统由加载系统、声发射监测系统和CCD摄像机组成。为保证不同岩石试件实验数据可对比性及一致性，实验设备设置应保持一致[12]。实验系统的各个设备设置如下：①加载系统：法向力边界分别设定为300 kN(GS-R1)、250 kN(GS-R2)、200 kN(GS-R3)、150 kN(GS-R4)，在剪切力边界处施加0.2 mm/min的加载速率直至岩石发生剪切破裂；②AE系统：采样时间设置为0.2 μs，存储长度为2 k，记录时间段设置为0.4 ms(0.2 μs×2 048)，预触发设置为1 k，采样率设置为1 MHz；③CCD：采样速度设定为16 fps，分辨率设定为2 048×2 048。

1.3 实验结果

1) 岩石剪切过程的阶段性。为了表征岩石剪切破坏过程，剪切力、声发射能量、声发射累积能量与加载时间的关系如图2所示，整个加载过程可划分为三个阶段。Ⅰ初始阶段，声发射活动主要是岩石内部微裂隙的闭合所致。声发射能量处于较低水平，而且随着剪切力的提高，声发射累积能量曲线也随之提高。新裂纹萌生、扩展及相互贯通将提高声发射的活动性。Ⅱ裂隙稳定扩张阶段，声发射活动性要高于Ⅰ初始阶段，此时岩石处于裂隙的稳定扩展阶段，声发射活动由裂隙的稳定扩展引起。岩石试样的剪切力曲线也呈线性增加，岩石试样弯曲剪切能力不受影响。Ⅲ裂隙不稳定扩展阶段，声发射活动性要高于前面两个阶段；声发射能量曲线波动性较大，累积能量曲线呈直线上升。此时，弱化的岩石不能蕴含如此大量的剪切应变能，这时期所有的破坏都由剪切方式引起。

2) 岩石剪切破坏分析。不同的法向力，雁列倾角α也有一定的区域。其中法向力、剪切力与雁列倾角对应关系如图3所示。GS-R1的α(Fnormal force=300 kN)为31.57°，GS-R2的α(Fnormal force=250 kN)为27.48°，GS-R3的α(Fnormal force=200 kN)为19.63°，GS-R1的α(Fnormal force=150 kN)为8.78°。α与法向力呈正相关性，即法向力增加，雁列倾角越大。除此之外，法向力与剪切面的角度α之间还存在正相关性。整个角度小于45°，裂隙是由剪切力产生的。

图2 剪切力、声发射能量、声发射累积能量与加载时间的关系曲线图Fig.2 Curves of shearing force and AE parameters versus time

图3 法向力与剪切力、雁列倾角统计关系图Fig.3 The statistical relationship diagram of normal force and shearing force,and the angle of echelon

由图3可知，随着法向力的增加，剪切力峰值也随之提高，雁列倾角也呈正相关。在面内剪切条件阵列下包括一个雁列的裂隙与σ1平行，即剪切力保证了岩石的破坏，而法向力则保持了裂隙的方向性，裂纹倾角α受法向力σ1的影响。

2 岩石剪切破坏中b值前兆信息

声发射参数包括了变化率参数和累积参数，其中累积参数反映了声发射事件过程中特征参数的累积值，描述了单次声发射强度和总体声发射强度的关系。众多室内试验和现场监测表明，岩石破裂所引起的声发射特征满足Gutenberg-Richter关系式。通过分析Gutenberg-Richter关系式，可表征不同尺度破坏过程中的声发射活动[13]，其表达式见式(1)。

lgn(M)=a-bM

(1)

式中，a和b为与监测区域相关的未知常数，其中，常数a反映了该区域中声发射活动的总体水平；常数b描述了声发射事件的幅度分布。

图4为剪切试验过程中岩石试件的能量演化过程，在第Ⅰ阶段，岩石试件均表现为随机波动，意味着破裂为随机产生。在第Ⅱ阶段，岩石试件则表现出一定的差异性。在剪切力的峰值后，整体又回到了上下波动的状态。这两种情况下，在第Ⅲ阶段均出现了较高的能量释放情况，这可能说明在剪切面上出现较大规模的裂隙，产生了更多的能量释放。Ⅲ阶段是裂隙不稳定扩展阶段，岩石试件的破裂程度大于前两个阶段，b值表现出持续下降的现象。

图4 岩石破裂声发射参数随时间变化曲线Fig.4 The curves of AE parameters of rock fracturing via time

预警时间的选择也同样重要。在图4中的“L1”线，在L1之后b值保持持续降低的规律，且降低的方式与法向力存在相关性。如GS-R1有序且持续下降，GS-R2和GS-R4在峰值剪切应力前急剧下降，GS-R3表现为近似线性缓慢变化。岩石最终失稳破坏之前，b值略微下降且保持异常的较低水平，这是因为一些较高能量声发射事件的出现提高了平均能量水平。因此，连续且异常的低b值可以被认为是岩石剪切破坏的有效前兆。

3 结 论

1) 随着法向力的增加，剪切力峰值也随之提高，雁列倾角也呈正相关；雁列裂纹与剪切面的夹角α小于45°，裂纹倾角α受法向力σ1的影响；主裂纹扩展主要是剪切破裂所致，而法向力则保持了裂隙的方向性。

2) 四种法向力下岩石剪切破坏过程中的裂纹扩展均由剪切力所致，其中雁列状裂纹由主剪切力产生，羽列裂纹由次生剪切力所致。

3) 在岩石剪切破坏之前，b值持续下降和异常低值的规律可作为岩石剪切破坏前兆特征。