含不同角度预制结构面试件声发射信号特征与规律

王 强，赵 鑫，王继野

(1. 东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2. 东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3. 中铁十九局集团矿业投资有限公司，北京 100161)

随着地下工程(矿山硐室、水电站、地下隧道)的不断发展，含有结构面的岩体工程会出现片帮及垮落等实际工程问题[1-5]，为此针对不同角度结构面试件进行岩石力学研究非常必要。目前，国内外学者采用含天然结构面试件试验[6-8]和数值模拟[9-11]等方法进行相关研究，还有一些学者对含预制结构面试件进行了不同方案实验研究，蒲成志等[12]研究得到依据裂隙倾角和岩桥倾角的不同，将会出现不同的三种破坏形态，且破坏面摩擦情况不同；李银平等[13]通过预制裂纹试验分析，预制试件加载后裂纹产生和裂纹搭接等研究，而且原生裂纹角度对裂隙产生影响显著；沙宁等[14]对不同预制单裂纹角度对实验试件破坏情况的研究分析；杨圣奇等[15]研究断续预制裂隙大理岩试件不同断续参数对实验结果影响，与完整试件相比力学参数变情况分析。对含天然结构面辉绿岩取样，不易形成含各个角度结构面岩体，而且有无结构面贯通情况不统一。为此，基于声发射条件下进行含不同角度预制非贯通结构面实验研究，分析不同倾角下的非贯通结构面试件力学各向异性。

1 实验概况

1.1 实验岩样制作

如图1所示，单轴加载实验试样尺寸为50 mm×50 mm×100 mm标准长方体试件。使用实验室金刚石线切割机对完整试件进行切割，切割深度为前后对称12.5 mm，切割成0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，共7个符合实验条件试件进行单轴声发射实验研究，对不同倾角辉绿岩试件进行高强度石膏进行充填，此辉绿岩单轴抗压强度为220 MPa，高强度石膏抗压强度为20 MPa，符合预制结构面的强度条件，将石膏完全充填在预制裂隙内，最后形成如图2所示，含不同倾角预制非贯通结构面的辉绿岩试件。

图1 预制30°结构面试件Fig.1 Structure specimen with refabricated 30°

图2 含不同倾角非贯通结构面试件Fig.2 Non through structure specimen with different dip angles

1.2 实验设备

如图3所示，为试件单轴加载过程中8个声发射传感器布置图。设计实验方案为：加载初始力达到5 kN，再以500 N/s的加载速率进行加载，直至试件达到破坏，实验整个过程伴随声发射信号监测。

图3 45°试样加载声发射实验Fig.3 Acoustic emission test under 45° loading

2 各向异性辉绿岩力学特性研究

选取具有代表性的完整试件进行单轴实验研究，再分别对预制含有不同倾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)的非贯通结构面辉绿岩试件进行实验研究，实验应用声发射监测设备进行声发射信号监测，最后进行实验结果分析比较。

2.1 完整辉绿岩单轴实验研究

图4为完整试件单轴压缩试验典型应力-应变曲线。为了与含不同倾角预制结构面试件进行强度与变形对比，先进行完整试件单轴实验研究，通过应力-应变曲线可以掌握岩石试件的力学特性变化情况，通过实验可以得到辉绿岩单轴抗压强度为228 MPa，辉绿岩试件的弹性模量为82.5 GPa，泊松比为0.24。图5为完整试件实验前后对比图，为方便与含预制结构面试件破坏形态进行对比分析，首先进行了完整试件实验，完整试件抗压后形成脆性劈裂破坏。

图4 完整辉绿岩应力-应变曲线Fig.4 Complete diabase stress-strain curve

图5 试件实验前后对比Fig.5 Comparison of specimen before andafter experiment

2.2 含不同角度结构面试件强度及破坏模式

对完整辉绿岩试件进行不同角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)预制结构面试件，此辉绿岩单轴抗压强度为220 MPa，高强度石膏抗压强度为20 MPa，符合预制结构面的强度条件，对不同角度辉绿岩试件进行高强度石膏进行充填，将石膏完全充填在预制裂隙内，然后进行实验分析。

图6为含不同角度结构面试件对应强度情况。由图6可知，完整辉绿岩试件强度要比含有预制结构面试件强度高，当试件角度为0°～45°时，含结构面辉绿岩试件单轴抗压强度随预制结构面倾角增大而减小；当结构面角度达到45°时，含预制结构面试件承受的抗压强度最小；当试件角度为45°～90°时，含结构面试件所受抗压强度随角度增大而增大。

图6 含不同角度结构面试件对应强度值Fig.6 Including the corresponding strength valuesof structure specimen from different angles

如图7所示为不同倾角结构面试件破坏图。标注在试件上的白色线条为预制结构面，试件上的黑色线条为试件破坏面，黑色虚线条为劈裂破坏面，黑色加粗虚线条为剪切破坏面，可以看出含不同倾角结构面试件破坏模式不同。当0°≤α<45°时，含结构面试件破坏面垂直结构面方向形成脆性劈裂破坏，破坏面会连着结构面形成局部破坏；当45°≤α≤60°时，试件破坏面垂直结构面方向形成脆性劈裂破坏，同时试件也沿着结构面形成剪切破坏，两个破坏面形成交叉模式，交叉破坏面使试件强度达到最低值；当60°<α≤90°时，试件破坏面沿着加载力方向直接脆性劈裂破坏，试件破坏开始与结构面连接较少，含90°结构面试件破坏模式和试件变形强度与完整试件基本相同。

图7 不同角度试件破坏模式Fig.7 Failure modes of specimens with different angles

2.3 含不同角度结构面试件应力-应变曲线

如图8所示，为含45°结构面试件应力-应变曲线。通过上述实验分析，含45°结构面辉绿岩试件为临界转变点，45°结构面试件应力应变曲线与完整试件明显不同。在初始加载过程到弹性阶段，轴向应变φ1一直随着主应力增大而增大，而且变化较大，但环向应变φ2变化较小，直到含结构面试件达到弹性阶段时，环向应变才随应力开始逐步增大，并且保持线性增加，而轴向应变由于结构面存在，弹性阶段并不明显，说明45°结构面起到了作用，使试件本身应力-应变曲线发生了明显变化。

图8 含45°结构面试件应力-应变曲线Fig.8 Stress-strain curve of 45° structure specimen

如图9所示为含预制不同倾角结构面试件与完整试件应力-应变曲线对比图。对于含75°结构面试件的加载过程，在相同应力条件下，由于含75°结构面试件在受压缩时沿结构面拉伸破坏，因此试件的横向应变变化不断增大，试件的轴向应变会比完整试件应变变化小；对于含15°结构面试件受到压缩时，在相同应力条件下，含15°结构面试件的轴向应变会比完整试件的应变变化要大，与完整辉绿岩试件相比，含15°结构面试样的纵向应变变化不突出，所以轴向角度与横向角度的应变变化趋势完全不同。

图9 完整试件和含不同倾角结构面试件应力-应变曲线对比Fig.9 Comparison of stress-strain curves betweenintact specimens and structure specimenswith different dip angles

2.4 含不同角度结构面试件破坏声发射信号及空间关系

图10为完整试件加载应力-应变及声发射曲线，该曲线是经过后期测到的加载力与应变变化数据与声发射信号数据统一对应时间处理绘制出的曲线图。由图10可知，声发信号随应力变化明显，黑色虚线为声发射累积能量曲线，通过曲线变化情况，可以捕捉到试件加载过程中能量变化情况。高低不一的竖条状为声发射撞击率变化，通过声发射撞击率高低判断试件加载过程试件内部活跃度，通过对应加载阶段，可以判断试件破坏过程声发射采集信号变化规律。

图10 完整辉绿岩应力及声发射随时间变化曲线Fig.10 Complete diabase stress and AE curve with time

针对含0°结构面、45°结构面和75°结构面实验试件进行实验对比，分析不同倾角下实验得到的不同现象。由图11(a)可知，在加载应力初期，声发射撞击率信号非常活跃，这说明含0°结构面试件在压密阶段内部撞击活跃，并且含0°结构面初始阶段即受抗压作用，当加载一定应力水平，声发射信号才趋于下降且平稳，持续进行应力加载，试件强度达到峰值，声发射信号也同时达到峰值；由图11(b)可知，试件在应力加载过程中，声发射撞击率持续波动且非常活跃，说明整个加载阶段，含45°结构面试件在加载过程中不断参与应力加载，当声发射撞击率达到局部阶段峰值时结构面受到抗压作用，持续进行应力加载，试件强度达到峰值，声发射信号也同时达到峰值；由图11(c)可知，含75°结构面试件压密阶段加载几乎无信号产生，当达到试件弹性阶段，含75°预制结构面声发射仍然较少，持续增长应力，声发射信号会急剧增长，直至试件破坏，声发射信号也同时达到峰值。

图11 含不同角度结构面试件应力及声发射随时间变化曲线Fig.11 Stress and AE time curves of weak sampleswith different angles

为研究应力作用下含预制结构面辉绿岩内部微裂纹开裂到试件贯通破坏的变化规律，以含75°预制非贯通结构面辉绿岩试件为典型研究对象，进行含预制非贯通结构面辉绿岩单轴加载声发射试验研究。为了清晰地了解岩石力学实验试件破坏过程，使用AE win软件进行试件模型建立，模型与实际岩石试件形状和尺寸一致。在进行加载实验时，至少布置4个传感器才可以对声发射事件数进行定位，本次实验4个面上下各布置一个声发射传感器，共8个声发射传感器保证信号采集及定位正常。

如图12所示，通过模型和传感器定位，得到不同加载阶段的事件数增长图。在0～30 kN受力区间内，事件数量较少，说明试件受到加载力影响较小，随着加载力不断增加；在30～130 kN受力区间，声发射事件数开始逐步缓慢增长；在130～170 kN加载区间，产生的声发射事件数开始沿着剪切面不断变多；在170～205 kN受力区间，试样上部声发射事件急剧增多，并且沿着剪切破坏面方向声发射事件开始不断扩张，直到应力达到206 kN，最后含结构面试样破坏，此时声发射事件主要集中在试样结构面角度方向和破坏剪切面上。如图12(e)所示，在试件破坏形态上看，试件为脆性剪切破坏，产生脆性剪切破坏面，岩石试件宏观破坏形态与声发射定位空间关系基本一致。因此，声发射定位能够较好地反映岩石内部破坏过程和破坏面位置。

图12 不同加载时间段声发射事件空间分布及破坏试件对比Fig.12 Spatial distribution of AE events and comparison of failure specimens in different loading periods

通过声发射定位，获得相应时间与空间声发射事件数。根据时间节点统计，在单轴声发射加载实验统计的时间节点140 s、750 s、950 s、1 050 s和1 150 s，可以捕捉到相应声发射事件个数，如图13所示。由图13可知，刚开始声发射个数随着时间增长比较平缓，加载后期，声发射事件个数在短时间内呈指数增长，与前面声发射信号撞击率和能量累积基本一致，说明声发射事件数捕捉及定位准确。

图13 声发射事件数随时间变化情况Fig.13 Changes of acoustic emission events with time

3 结 论

1) 通过实验分析，完整辉绿岩试件强度比含预制结构面试件强度高，当含结构面试件角度为0°～45°时，含结构面辉绿岩试件所受抗压强度随角度增大而减小；当含结构面试件角度达到45°时，含预制结构面试件承受的抗压强度最低；当含结构面试件角度为45°～90°时，含结构面试件所受抗压强度随角度增大而增大。

2) 在相同应力状态下，α小于45°结构面试件轴向应变φ1比α大于60°结构面试件轴向应变变化大，而α小于60°结构面试件环向应变φ2比α大于60°结构面试件环向应变变化小，说明对含不同角度结构面试件进行加载试件变形特性变化不同。

3) 从试件破坏形态，当0°≤α<45°时，试件破坏面沿着加载力方向脆性劈裂破坏；当45°≤α≤60°时，试件破坏面垂直结构面方向形成脆性剪切破坏，并且试件也沿着结构面破坏，两个破坏面形成交叉模式；当60°<α≤90°时，试件沿着结构面方向直接滑移破坏。

4) 通过声发射信号监测，含结构面试件在加载过程中比完整试件声发射信号活跃，通过对含结构面试件声发射定位与宏观试件破坏模式对比，很好地反映岩石内部结构面受压破坏模式变化规律。