单轴压缩下不同层理方向对片麻岩声发射特征影响的试验研究

王晓雷，詹思博，闫顺玺，蒋鹏程，周宁

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063200)

0 引 言

由于层状岩石存在着明显的层理结构，其岩石强度和变形特征会随着层理方向变化而变化，具有显著的各向异性。因此，开展不同层理方向的岩石力学特性研究，对探究岩石变形特征与层理方向之间的作用关系具有重要的应用价值。

由于层理方向对岩石变形破坏特征影响显著，近年来，国内外学者对此展开了大量研究。CHEN C S等[1]研究了巴西盘劈裂试验条件下层状岩石抗拉强度的各向异性特征，从理论和试验进行了系统分析，发现抗拉强度与层理和加载方向之间的夹角密切相关；A.Tavallali等[2]针对砂岩材料进行了巴西盘劈裂试验，层理方位对砂岩的破坏应力和破裂模式影响显著，贯通裂纹长度越长，岩石强度越高，外界施加的能量越大；C.Jung-Woo等[3]对不同层理角度的页岩进行巴西劈裂试验，当层理角小于60°时沿着层理面破坏，角度介于75°～90°时裂纹沿着加载方向扩展；P.L.P.Wasantha等[4]从能量转化机制角度发现，随着层理角度增加声能量的释放量逐渐减少，这归因于不同层理方向岩石的破坏机制不同;王晓雷[5]研究发现,泥岩及煤单轴抗压强度随层理倾角增加呈先减小后增大趋势，提出用结构效应系数S(θ)概念表征单轴抗压强度层理结构效应，试验结果表明,60°时最明显，0°时最小;尤明庆等[6]研究发现，平行于层理方向岩石黏结力较小，内摩擦角偏大，试样中层理面的倾向不同是岩石强度变形特征和破坏形式差异显著的原因；赵迪斐等[7]研究发现，渝东南地区龙马溪组所蕴含的水平层理等沉积构造增强了储层的渗透性、改善了岩石压裂力学特性；姚光华等[8]对渝东南下志留统龙马溪组页岩进行单轴加载试验，发现随页岩层理倾角增大，其单轴抗压强度线性增大，抗张和硬度特性都表现出较强的离散性；苏承东等[9]发现含层理大煤样在加载变形破裂过程中，煤样所受的应力状态、声发射特征与瓦斯渗透特征具有很好的对应性；陈晓祥等[10]针对煤巷倾斜层状顶板的结构特点，建立煤巷倾斜顶板的简支梁力学模型，对层状顶板变形的影响因素和变形规律进行了探究；LIU J等[11]建立了不同层理煤层的损伤模型，提取声发射突变点作为前兆信息，用来估计煤层的损伤强度；张东明等[12-13]通过单轴压缩声发射试验，分析了含层理岩石破坏特征以及损伤演化过程中声发射参数特征，并建立了基于声发射和能量耗散参数的单轴损伤破坏模型。

综上，国内外学者对岩石层理效应进行了深入研究，也获得了丰富的成果，但是对不同层理方向岩体的损伤演化规律和变形破坏中的声发射特征对比分析较少。因此，本试验选用水平和垂直2种层理方向的片麻岩进行单轴压缩声发射试验，旨在探讨层理方向对岩石的压缩破坏过程中力学特征和声发射特性的影响。在分析探讨不同层理方向对宏观破裂模式影响的基础上，探讨层理方向与声发射事件率、能率和岩石载荷曲线之间的关系，同时结合三维定位技术对岩石内部微裂隙产生、发展、孕育破裂过程进行表征，为深入研究岩石材料声发射特性与其层理方向之间的关系提供理论基础。

1 不同层理方向单轴压缩试验

1.1 试样制备

片麻岩试样采自唐山市某矿区，为矿区内极具代表性的层状岩石材料，胶结良好，层理结构明显。岩石试样呈青灰色，表面分布有不同宽度、深浅不一的条带状矿物，浅色的粒状变晶矿物以石英、长石等矿物为主，深色条带以角闪石、黑云母等矿物为主，如图1所示。深色、浅色矿物分布相对集中，试样整体呈现明显的深浅条带相间排列的片麻状构造，条带宽度2～30 mm。取样后经过切割、打磨等加工工序，根据ISRM标准，将试件制成50 mm×50 mm×100 mm、表面不平行度小于0.02的标准长方体试件。由于层状岩石的力学特性在同一层面内大致相同，但在平行和垂直方向上差异较大。因此，仅选用与轴向加载方向平行和垂直于层理面的2组试样，为叙述方便，简称为平行组试样和垂直组试样。

图1 不同层理方向岩石试样

1.2 试验设备和加载方案

试验设备由加载系统、声发射系统和观测系统组成。加载系统采用TAW-3000型刚性伺服试验机，进行试验加载和应力、变形数据收集工作，此型号加载机轴向荷载压力为3 000 kN，侧压荷载为1 000 kN，加载精度误差不超过1%。声发射系统采用北京软岛时代科技有限公司开发的DS5-16B型声发射测试系统，该系统支持全波形采集、多通道声发射信号检测，稳定性好，灵敏度高，传输高速。试验观测系统由高清视频监控和数字摄像机组成，可以观测岩石破裂过程，并对整个试验过程进行视频监控、记录。

单轴轴向压缩试验加载采用位移控制方式，加载速率为0.002 mm/s，试样失去承载能力时停止加载。声发射设置采样门槛值40 dB，前置放大器增益40 dB，发射采样间隔1 s，频率为1～500 kHz，声发射传感器的频率为75～750 kHz。试样除观测面外，每侧均布置3个AE探头，试验加载示意图和声发射探头布置方式如图2～3所示。在试样和声发射传感器之间涂上适量耦合剂以增加二者耦合性，减少声发射信号衰减和畸变。试验前，选择层理均匀、结构完整的试件，并通过断铅试验对试样进行声速标定，剔除波速离散度较高的试件，减小试验的离散程度。试验开始时，同时开启加载设备和声发射监测系统，保证相关力学参数和声发射参数实时记录的时间单位统一，并使用摄像机记录岩石失稳破裂过程。

图2 试样加载方式

图3 声发射探头布置示意图

1.3 试验结果和分析

由图4可知，不同层理方向岩石应力-应变曲线存在一定差异，平行组试样抗压强度、弹性模量高于垂直组试样的，达到峰值前塑性不明显，破裂时出现明显的应力跌落，一声脆响后岩石瞬间失去承载力，呈现典型的脆性破坏特征。垂直组试样在达到峰值应力后，岩石内部开始产生局部破裂，应力出现阶段性下跌并伴随有小碎块弹射，岩石逐渐丧失承载能力，破裂过程呈多段式破坏。

试验结束后，各试样的破坏形式差异性显著。平行组试样呈现较明显的贯穿上下端面张拉破坏裂缝，见图5，裂缝大多沿矿物分界面发育，裂纹扩展路径较平直；部分贯通裂纹没有扩展至试样表面，进而出现大块试样剥落，形成垮落区域，见图5。这是因为试样压缩时加载方向平行于层理方向，其中层理间薄弱区域存在一定的原生裂隙，裂纹容易沿层理面扩展，而层理内蕴含的变晶矿物胶结强度很高，裂纹扩展阻力相对较大，即层间矿物分界面黏聚作用远小于层内矿物颗粒之间的结合力。随着荷载持续增大，裂纹首先在层理交界处中萌生，并沿层理面扩展、连结形成一条或多条贯通主裂纹，最终导致岩石失稳破坏。

图4 不同层理方向试样的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of rocks in different bedding directions

图5 平行组试件破裂模式

垂直组试样以斜面剪切滑移破坏为主，伴随部分纵向次生发展的微裂隙，如图6所示。分析认为试样受压变形因泊松效应使试件出现环向扩容现象，裂纹首先从层理间薄弱处起裂并沿层理面方向发展产生横向张拉裂纹，见图6。随着加载持续进行，裂纹扩展受载荷影响逐渐向平行最大主应力的方向发生偏折，裂纹不得不穿过硬质矿物夹层发育，在层理间摩擦力和轴向压应力的共同作用下产生剪切裂纹，微裂纹不断发育、汇聚、贯通，进而形成斜向的剪切滑移面。由于裂纹总是绕过硬质颗粒优先向薄弱区域发展，扩展过程中伴随着矿物颗粒弹射和小碎块剥落，因此相较平行组试样，垂直组试样表面裂纹扩展路径更为复杂、曲折，同时裂纹在加载端部集结产生大量碎块，从而形成破碎区域。

根据上述分析可知，不同层理方向岩石的承载能力和失稳破坏形式差异显著，层理平行轴向加载方向试样宏观上表现为典型的张拉破坏，垂直加载方向试样则呈现出剪切滑移破坏特征。垂

图6 垂直组试样破裂模式

直组试样在加载试验过程中，虽然产生了碎块剥落并形成剪切滑移破裂带，且试样端部裂纹大量发育破裂形态更加复杂，但是岩石经历多次应力调整后仍保留一定的承载能力。相较而言，平行组试样破裂面较为平整、光滑，贯通裂纹数量较少，但在峰后阶段产生了沿层理的贯通裂隙或发生大块垮落导致岩石瞬间失稳。由于平行组试样破坏更具突发性，破裂程度更高，在层状构造的岩石内加固工程更应充分考虑平行层理，增加层理间黏结力，防止出现片帮等地质灾害。

2 不同层理方向声发射特征分析

2.1 声发射参数分析

声发射探头每接收到一个信号的波形即对应一次事件，声发射事件率为单位时间段内的计数总和，可以反映该时段岩石材料内部声发射活跃程度。通过声发射累积事件曲线确定岩石起裂应力σci和损伤应力σcd[14-16]。声发射能率是反映声发射信号脉冲能量的特征参数，指单位时间内声发射探头接收到的全部事件的绝对能量总和。

通过接收到的声发射信号参数绘制不同层理方向下岩石载荷-AE事件率、能率-时间关系曲线，如图7～8所示，限于篇幅，2种层理仅列出结果较为典型的试件。不同层理方向的两类岩石试件的AE参数-时间与载荷曲线具有较好的一致性，通过AE参数阶段关键特征，可以将岩石破坏过程分为平静期、上升期、剧烈期3个阶段。不同阶段声发射具有以下特征:

图7 平行组声发射参数演化曲线

图8 垂直组声发射参数演化曲线

平静期OA段(P-1:0～171 s；V-3：0～140 s)：由于岩石结构致密，加载过程中裂隙压密阶段持续较短，但垂直组试样载荷上升曲线较平行组试样明显更为平缓。试样在加载前期内部没有裂纹萌生或者裂纹开裂尺度较小，声发射探头无法接受，因此从开始加载至很长一段时间内，平行组与垂直组试样均没有声发射事件产生，声发射处于平静期。垂直组试样加载至峰值载荷21%开始出现声发射事件，而平行组试样加载至峰值载荷的35%才开始产生声发射事件。

上升期AB段(P-1:171～289 s；V-3：140～300 s)：岩石经历压密阶段后至峰前处于弹性阶段，当载荷达到A点后岩石内部开始出现零星的声发射事件，表明随着载荷增加，在外力作用下试件内部产生应力集中，裂纹开始萌生、扩展，由文献[14-16]可知，此阶段对应的起始应力即为该试样的起裂应力σci。两组试件在上升期内一直有小尺度裂纹产生，声发射事件频度和能量均维持在低水平，但垂直组试件更早进入裂纹扩展阶段，导致上升期持续时间更长，岩石在峰前积蓄的弹性应变能更多。

剧烈期BC段(P-1：289～345 s；V-3：300～401 s)：随着载荷不断增加，载荷曲线达到B点，产生一次小幅度的应力跌落(B点载荷水平：平行组82%；垂直组78%)，声发射事件率开始显著增加，高能事件瞬间陡增，同时累积事件曲线发生转折，迅速攀升，累积能量曲线也呈台阶状上升，表明新裂隙不断产生，此时岩石内部裂纹进入非稳定扩展阶段，B点即为损伤应力点σcd。剧烈期内2组试件内积蓄的弹性能不断释放，大量微裂纹发生连通、扩展，岩石声发射活动十分剧烈，内部损伤不断积累。随着加载进行，平行组试件内裂纹在达到岩石峰值载荷后瞬间贯通，形成贯通主裂隙，岩石失稳破坏，高能信号的释放AE能率出现跳跃式增长上升至峰值。垂直组试件发生多次大尺度破裂，但裂纹并未贯通整个试件，岩石仍具有一定承载力，在多次应力跌落后，岩石终于发生失稳破裂。

由上述分析可知，在岩石工程中对岩石声发射事件发生频度和能量水平的监测显得尤为重要，不同层理方向的片麻岩试样声发射特征规律与试样宏观破裂模式具有良好的一致性。上升期试样在很长一段时间内仅发生小尺度开裂，岩石处于蓄能阶段。随着岩石内微裂隙顺着层理面迅速汇聚、贯通，当产生大尺度裂隙时，岩石进入剧烈期。由于轴向平行试样层理内含有竖向排列的硬质矿物，间接提高了岩石的轴向承载能力，因此储存的弹性应变能更多，试样最终破裂过程短暂、剧烈，表现出更强的脆性和突发性，声发射的演化特征与其试样失稳最终发生张拉破坏的破裂模式相对应。相对而言，垂直组试样剧烈期持续时间较长，产生多次应力跌落，释放了大量能量，裂纹扩展中岩石内部产生了剪切滑移破坏，破裂过程更为缓慢、复杂，呈现出渐进性破坏的特点。分析认为，岩石声发射的参数特征可以对岩石内部裂隙演化发展过程进行刻画，进而对损伤积累和岩石稳定性进行判定。由于整个受力过程中短时间内轴向平行试样产生失稳性破坏，破裂具有突发性，因此，在工程中应将层理方向平行于轴向应力的工作区域作为岩石稳定性监测的重点对象。

2.2 声发射定位分析

声发射是材料中局域源快速释放能量产生的瞬态弹性波，因而一个声发射事件信号可以被多个探头接收，根据监测设备接收到的参数信息对声发射事件进行空间定位。对声发射定位图分析，可以得到声发射事件的空间分布特性，进而直观反映岩石变形破裂过程中内部损伤情况和裂纹的萌生、发育和聚集的演化过程。

图9为单轴压缩下声发射三维定位的结果，选用2组试样反映不同层理方向岩石内部各定位点分布情况，同时采用不同颜色和大小的定位点刻画试样时空演化和能量积聚过程。通过接收设备记录的声发射事件到达时间区分事件的先后顺序，颜色偏蓝为先接收的定位点，颜色偏红为后接收到的事件。为了更好地描述不同阶段内能量相对较高的信号分布情况，采用截取阶段内能量的最大值和最小值按照一定比例对定位点大小进行缩放，单轴压缩试验时空演化过程如下：

图9 不同层理方向岩石声发射定位图

平行组：加载前期，事件点在试样内部呈离散状分布，由于平行层理方向矿物排列一致，裂纹首先在矿物组分层间萌生发育。随着加载进行，岩石应力水平不断提高，不同尺度的微观缺陷在试样内部大规模积聚并沿层理面方向转移，形成裂纹成核区；岩石临近失稳破坏阶段，内部裂纹成核区基本成形，试样内部大量裂纹迅速扩展、相互贯通形成宏观裂隙，岩石积累的能量迅速释放，产生的高能事件沿层理分布，最终发生明显的张拉破坏。

垂直组：初期阶段，AE事件点分布相对平行组试样更为离散，随着加载进行，定位点由随机分布逐渐向试样中部集中，形成成核区域，声发射事件频度较高但多为小能量事件。在非均质性和轴向应力共同影响下层理面产生剪切裂纹，微裂纹逐渐贯穿层理扩展、汇聚形成带状裂纹成核区。试样达到峰值载荷后，高能事件频繁出现，内部大尺度裂纹不断向上下两端或两侧扩展连通，岩石承载力迅速下降。岩石临近破裂前夕底部出现多条宏观裂隙，阻挡了弹性波的传播，导致声发射探头信号接收受阻，从而影响定位效果，最终底部事件点数量比真实情况要少。

试样最终破裂形态与声发射定位结果十分吻合，表明通过声发射定位技术对试样内声发射事件进行探测，可以很好地刻画岩石内微裂纹聚集、成核，最终贯通形成贯通主裂纹这一过程演化发展规律。

3 声发射b值变化特征

AE的振幅表示单个AE波形信号的最大幅值，高振幅对应高能量事件，即发生大尺度破裂。研究片麻岩试样在破坏过程中的振幅分布规律，可以探究不同层理方向片麻岩在加载过程中裂纹尺度演化规律。

本研究中的声发射振幅分布特征用b描述。b是表征地震的震级-频度关系的参数，震级-频度关系一直被用作地区地震活动水平的一项指标。研究发现，震级与累积频度对数之间呈线性关系，其斜率为b。现在对b值的研究已不限于地震学领域，把岩石受力破坏中的声发射事件当作地震活动(微震)，研究不同条件下岩石变形破坏过程中AE的b值变化规律，可采用式(1)计算：

lgN(A)=C-blgA，

(1)

式中：A为加载过程中AE事件的振幅，dB；N(A)为加载过程中大于(包含)振幅A的AE事件总数。利用式(1)和试验过程中获得的声发射数据拟合计算出b。b值不仅可以表示声发射振幅、能量大小，而且也能反映裂纹扩展的尺度分布。

曾正文等[17]对b值的研究发现：(1)b值增大意味着小事件所占比例增加，以小尺度破裂为主；(2)b值不变说明AE事件的大小分布比例不变，微破裂尺度分布比较恒定；(3)b值减小意味着大事件比例增多，大尺度微破裂增多。

为了在同一坐标系下比较2组试件b值对时间的归一化，绘制图10。从图10可以看出，平行组试样初始破裂尺度较大，在发生第一次应力跌落后，试样内部出现大尺度裂隙，同时高振幅事件不断产生，岩石进入裂纹非稳定扩展阶段导致大量裂隙萌生，表现为岩石内出现大尺度裂隙后，b值逐渐下降至最低点，破裂的尺度变化相较垂直组更为剧烈，呈现出一种突发式失稳破坏。垂直组试样起裂应力水平较低，更早地出现声发射事件。加载前期由于裂纹开裂尺度较小，b值较高。伴随着应力水平提高，岩石内部微裂隙逐渐汇集、贯通，在局部形成大尺度的裂隙，导致岩石损伤不断积累，出现损伤局部化区域，对应地岩石发生多次应力跌落，同时伴随着高能量、高振幅事件大量产生，b值曲线出现多次下跌，最终试样内部宏观大尺度裂隙相互贯通，岩石彻底失稳破坏，此时b值最低。b值曲线多级下跌表明，轴向垂直层理试件的破裂过程具有渐进性。进一步证明不同层理方向的试样破裂方式不同，这与前文分析的结果一致。

图10 不同层理方向岩石b值变化曲线

4 结 论

(1)不同层理方向的片麻状构造对岩石宏观破坏影响显著。平行组试样裂纹首先在层理面萌生，破裂时沿层理面产生贯通上下端面的主裂隙或沿层理剥离形成垮落区，呈典型的张拉破坏特征；垂直组试样破裂时，出现多种破裂模式，以剪切滑移破裂为主，沿层理横向裂纹、竖向张拉裂纹为辅。

(2)从声发射时序、空间演化特征看，平行组试样由于竖向硬质矿物延迟了裂纹起裂，进入剧烈期后声发射事件率和能率开始迅速上升，空间定位点逐渐由离散无序分布转向沿层理聚集，试样沿层理发生张拉破裂；垂直组试样起裂应力水平较低，相较平行组更晚进入损伤积聚状态。剧烈期内裂纹大量产生，伴随着应力多次跌落，导致声发射波动相较平行组更为剧烈，最终在试样中部产生条带状剪切裂纹成核区。

(3)从声发射曲线、b值曲线波动可以看出，声发射特征参数和破裂模式一致性良好，平行组试样在第一次应力跌落后b值达到最小值，破裂呈突发式的破坏特征，垂直组b值曲线发生多次下跌，破裂呈渐进式破坏。在工程失稳中监测轴向平行层理岩石更为重要。

本文研究成果一定程度上反映了层理方向对岩石声发射特征的影响，可对工程现场岩石稳定性监测提供一定的理论参考。另外，文中仅对轴向平行、轴向垂直于层理的片麻岩进行了加载试验研究，并未展开其他层理角度的试验，需进一步研究。