DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.06.020
预制节理岩体卸荷损伤破坏机理及声发射特征试验研究
曹吉胜1, 2, 3，戴前伟1, 2，马德鹏4
(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；
2. 中南大学 有色金属成矿预测教育部重点实验室，湖南 长沙，410083；
3. 中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司，重庆，400037；
4. 山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安， 271018)
摘要：基于节理岩体在卸荷作用下的力学状态能更真实地反映实际工程中岩体的力学行为，对含预制节理岩体进行三轴压缩及卸荷破坏声发射试验研究。研究结果表明：与完整岩样相比，节理岩样的破坏并不是一次性的，存在明显的应力降现象，其脆性特征与完整岩样相比不够明显；在卸荷试验中，节理岩样极限强度明显比完整岩样的小，与常规三轴强度相比，完整岩样和节理岩样卸围压试验的峰值强度平均降幅分别9.13%和18.81%，表明在卸荷试验中节理岩样更易发生破坏；节理岩样在破裂过程中发生多次应力降，每次应力降发生时，声发射振铃计数率突增，此外，节理岩样在卸荷试验中的破坏程度与完整岩样相比较弱。
关键词：节理岩体；卸荷；应力-应变；声发射；力学试验
中图分类号：TD322 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2018)06-1465-07
Experiment research on damage mechanism and acoustic emission characteristics of rock mass with prefabricated joints under unloading condition
CAO Jisheng1, 2, 3, DAI Qianwei1, 2, MA Depeng4
(1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals,
Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China;
3. Chongqing Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corporation, Chongqing 400037, China;
4. School of Water Conservancy and Civil Engineering, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China)
Abstract: Considering that the unloading experiment can truely reflect the mechanical behavior of rock mass, the triaxial loading and unloading test of rock mass containing precast jointed was carried out. The results show that the destruction of the jointed rock mass is not a one-off damage compared with intact rock specimens, there is an obvious stress drop phenomenon in the process of test, and its brittle characteristic is not obvious. The ultimate strength of jointed rock is significantly less than that of the intact rock specimens, the average decrease of peak intensity of the intact rock and jointed rock in unloading test are 9.13% and 18.81%, respectively, compared with the normal triaxial strength, which suggests that the damage of jointed rock occurs more often under unloading test. Jointed rock has many times of stress drop phenomenon in the rupture process, acoustic emission ringing count rate would abruptly increase in every time that stress drop occurs. In addition, the damage degree of jointed rock is weak compared with intact rock in unloading tests.
Key words: jointed rock mass; unloading; stress-strain; acoustic emission; mechanical test
我国煤矿分布范围广，井田地质条件多种多样，地质构造复杂，导致矿井底板突水的因素较多，特别是在深部开采中，矿井突水灾害很严重，对底板水害治理、采动岩体破坏机理和深井水害致灾机理等需进行深入研究。煤层底板在复杂、漫长的地质作用下，其岩层中含有许多不同类别的节理、弱面等，使岩体的强度发生弱化。存在节理的岩体与完整岩体相比，性质明显不同，特别是在卸荷作用下，节理岩体内部不仅存在原生裂隙的扩展、贯通，而且包括新裂隙的形成，造成岩体渗透性增强，连通性变大，强度减小，发生裂化、破裂等现象。在实际工程特别是在煤炭深部开采中，煤层顶底板岩体均存在含有大量裂隙的节理岩体，因此，分析节理岩体的力学状态特别是在卸荷作用下的性质，更能真实地反映实际工程中岩体的力学行为。国内外学者对有关节理、弱面等对岩体力学性质产生的影响进行了大量研究，包括数值分析、理论分析、模型试验等，取得了很多成果[1-7]。 LAJTAI等[8]分析了单轴压缩下含预制裂纹的石膏试件破坏机制及裂纹演化过程；BRACE等[9]对单裂纹光弹性材料和玻璃进行了单轴压缩试验；SHEN[10]提出了石膏试件产生Ⅰ型、Ⅱ型裂纹的判据；BOBET[11]分析了单轴、双轴压缩下预制裂隙石膏试件破坏特征；李宏哲等[12]对含有节理的大理岩进行了不同围压下的三轴压缩试验，发现含有节理的大理岩在不同围压下具有不同的破坏方式；杨圣奇等[13]通过不同围压的三轴压缩试验分析了预制裂纹大理岩的强度、变形特征；高艳华等[14]在节理岩体室内试验的基础上，结合数值模拟方法分析了节理岩体直剪条件下的力学特征；王飞等[15]对节理岩体进行了三轴卸荷数值模拟试验，发现卸荷速率、节理的形式对岩体的卸荷特征有明显影响；李建林等[16]则对不同形式结构面的相似材料模型进行了真三轴试验，分析了节理岩体的加载及卸载特征；金爱兵等[17]应用FPC软件分析了节理岩体双轴试验下的力学特征。此外，许多学者还应用FPC软件分析节理岩体在不同条件下的力学特征[17-22]。现有研究针对节理岩体破坏特征的试验大都为单轴、双轴或常规三轴试验，对节理岩体在卸荷条件下的力学性质研究不多，此外，试验对象大部分基于相似材料，采用真实节理岩石试件很少，而对节理岩体在卸荷条件下的声发射特征的研究更少。为此，本文作者对真实节理岩石试件进行三轴卸荷声发射试验，分析节理岩体在卸荷条件下的强度特征、变形破坏机理及声发射特征。
1 试验方案
1.1 试件制备
试验所用岩块为山东济宁矿区的砂岩，岩石无可见的裂隙、节理，质地较均匀，在煤矿井下挑选出大块岩石后密封包装，运抵实验室之后进行取样加工，按照岩石力学实验要求，用取芯机钻取岩芯，经过切割、打磨制备成直径×高度为50 mm×100 mm的圆柱型试件。而后采用机械加工法制备岩样的节理。首先，在试件表面钻取直径为2 mm的贯通圆孔；而后，采用钢丝锯穿过圆孔进行切割，形成长度为22 mm、倾角为45°、宽度为1 mm左右的节理。节理切割后用石膏进行填充，制备的试验试件如图1所示。
图1 岩样示意图
Fig. 1 Sketche of rock sample
1.2 试验方案
试验采用MTS815.02 型电液伺服岩石力学试验系统及AE21C声发射试验系统，试验系统可以满足多种复杂路径下的试验需求，具体的试验方案见表1。
1) 常规三轴试验。采用应力控制的方式增加围压，即按静水压力条件逐步施加围压至设定值10 MPa；保持围压恒定，采用位移控制的方式提高轴压至岩样破坏，轴向位移加载速率为2 μm/s。
2) 三轴卸围压试验。按照静水压力条件逐步施加围压σ3至10 MPa；保持围压σ3不变，通过应力控制的方式提高轴压σ1至岩样常规三轴压缩峰值应力的80%；采用位移控制方式继续增加轴压σ1，同时围压σ3以0.05 MPa/s的速率卸除直至岩样破坏；破坏后，立即停止卸围压，沿轴向继续加载至岩样的残余强度。
表1 试验方案
Table 1 Experimental scheme
在进行力学试验的同时，应用声发射监测系统全过程监控采集岩样在试验过程中的声发射信息。声发射参数如下：采样频率为10 MHz，增益为30 dB，门槛值为35 dB。
2 试验结果分析
2.1 应力-应变曲线分析
图 2所示为完整岩样和节理岩样在围压10 MPa下的常规三轴压缩及三轴卸荷条件下应力-应变曲线。从图2可以看出：不同岩样在常规三轴压缩及三轴卸荷试验条件下，应力-应变曲线的变化趋势大致相同，包括压密阶段、弹性阶段、破坏阶段及残余阶段，轴向变形曲线表现出较明显的线性段；与完整岩样相比，节理岩样极限强度明显减小，岩样在发生破坏过程中，并不是一次性破坏，存在明显的应力降现象。每一次应力降的产生都是裂纹扩展的体现。
试验中，节理岩体的脆性特征与完整岩样的脆性特征相比不够明显，表明节理岩样在荷载作用下，节理面位置处产生应力集中，裂纹扩展、贯通，局部破坏首先产生；岩体局部发生破坏后，荷载由其他未破坏的部分继续承担，当施加的载荷再次增大时，应力集中的位置又会产生破坏。如此反复进行，直到岩样失去承载能力而发生整体破坏为止。
图2 不同试验条件下试样应力-轴向应变曲线
Fig. 2 Stress-strain curves under different triaxial compressions and unloading failures
与节理岩样相比，完整岩样在加载过程中，岩体内部受力较均匀，整体上达到极限强度的时间大致相同，应力-应变曲线在岩样整体破坏后急剧下降，呈现出明显的脆性跌落特征。
2.2 变形特征分析
不论是完整岩样还是节理岩样，与常规三轴压缩试验相比，在卸荷试验中岩样的脆性特征较明显。在实验过程中发生较脆的破坏声音，轴向应变-应力曲线在峰值后呈现出明显的突降趋势。
在轴向加载阶段，随着轴压的增加应力-应变曲线呈近直线型，轴向应变的斜率小于环向应变斜率，环向应变增加速度变小，与常规三轴压缩结果相似，此时，体积应变的变化主要受轴向应变的影响。不同类型岩样的环向应变变化情况有一定差异，节理岩样内部裂隙发育，岩样环向应变斜率较小，环向变形较明显。
卸围压开始后，环向应变的增加速度则明显加大，特别是节理岩样，体积应变与环向应变的变化规律基本相同，也开始左拐，并且增加速度越来越快，岩样开始膨胀。
随着围压继续降低，岩样的承载能力开始下降，岩样发生破裂失稳。在三轴卸围压试验中，随着围压降低，围压对岩样表面的约束作用减弱，使得岩样卸围压破坏程度与常规三轴压缩试验结果相比更剧烈，特别是节理岩样，其应力-应变曲线的变化趋势与常规三轴压缩试验结果相比明显不同。
2.3 强度特征分析
不同试验条件下的试验结果如表2所示。从表2可以看出：不同类型岩样常规三轴压缩试验的强度都高于三轴卸围压试验的强度，如完整岩样在常规三轴压缩作用下平均强度为147 MPa，而其在三轴卸围压作用下的平均强度为133 MPa；含有预制节理的岩样常规三轴压缩作用下的平均强度为102 MPa，而在三轴卸围压作用下其平均强度为83 MPa，上述试验结果表明卸围压条件下岩样更容易产生破裂。
根据试验结果，计算完整岩样、含有预制节理岩样在常规三轴试验与三轴卸围压试验下的强度之差，可得完整岩样及节理岩样常规三轴强度与三轴卸围压强度之差的平均值分别为13.43 MPa和19.26 MPa。与常规三轴压缩试验相比，完整岩样、含有预制节理岩样在三轴卸围压试验下岩样峰值强度的平均降幅分别为9.13%和18.81%，可以看出不同类型岩样受试验路径的影响程度不同，节理岩样受应力路径的影响最明显，表明节理岩石试件在卸围压试验时较完整岩石更易发生破坏。
表2 三轴压缩及卸荷试验破坏试验结果
Table 2 Test results of unloading and triaxial compression failure
3 节理岩体卸荷破坏声发射特征分析
不同岩样声发射振铃计数率曲线、振幅分布曲线分别如图3和图4所示。从图3可见：不同类型岩样在卸荷损伤破裂各个阶段的规律性大致相似，可分为压密阶段、弹塑性阶段、卸围压及破裂阶段、宏观破裂阶段。
在压密阶段中，与常规三轴压缩试验相似，岩样内部原生裂隙闭合，出现零星的声发射现象，振铃计数率一般在10次/s以内，其频度和能量都很小。随后，岩样进入弹塑性阶段。在该阶段前期，声发射活动也很微弱，随着轴向应力增加，内部能量积聚，岩样内部原生裂隙扩展，出现声发射现象，但总体上仍然微弱，振铃计数率为200次/s左右；在弹塑性阶段后期即岩样卸围压前，裂纹萌生、扩展数量较多，声发射事件数量明显增多，与弹塑性阶段前期相比，振铃计数率增大数倍，声发射活动进入活跃期。
卸围压开始后，围压逐渐减小而轴向载荷继续增加，岩样内部出现尺度较大、数目较多的裂纹，声发射活动进一步增强；随着载荷继续增加和围压持续降低，声发射事件开始减少，与活跃期相比，声发射事件数量大幅度降低，出现一段时间的“相对沉寂”；相对沉寂期过后，岩样达到峰值应力点，而后进入破裂阶段，此时，岩样内部裂纹开始迅速扩展、汇合、贯通，声发射事件迅速增多，直至岩样突然破坏，声发射振铃计数、能量都达到最大值，声发射活动极度活跃。与完整岩样不同的是：节理岩样在破裂阶段并不是一次性破裂的，节理岩样在破裂过程中发生多次应力降，每次应力降发生时声发射振铃计数率都产生突增，但除最后一次外，每次应力降对应的声发射振铃计数率都比前一次有所降低。此外，节理岩样产生的声发射振铃强度与完整岩样相比其强度有所减弱，表明完整岩样卸荷破坏程度更强烈。
图3 岩石三轴压缩及卸荷破坏声发射振铃计数率曲线
Fig. 3 AE CNT curves of rock samples under triaxial compression and unloading failure
图4 岩石三轴压缩及卸荷破坏声发射振幅分布曲线
Fig. 4 AE amplitude distribution of rock samples under triaxial compression and unloading failure
宏观破裂发生后，形成宏观破裂面，岩样进入残余破碎过程，振铃计数大幅度降低。在残余阶段后期，部分岩样的声发射事件甚至消失。与常规三轴声发射试验相似，三轴卸围压时岩样声发射振铃计数及能量出现最大值的时间均稍滞后于其峰值应力出现的时间。
对比分析完整岩样、节理岩样振幅幅值分布可知：由于节理岩样裂纹较发育，因此，在常规三轴压缩声发射试验中，其声发射振幅在整个试验中的分布范围要比完整岩样的大；但在三轴卸荷试验中，常规三轴压缩试验与卸荷试验的振幅分布规律基本相似。
在三轴卸荷试验中，不同岩样的声发射幅值总体分布范围为40~90 dB。在试验开始阶段，岩样幅值的分布区间逐渐增大，幅值也逐渐增大，但变化范围不大；卸围压开始后，随着岩样裂纹扩展，声发射幅值分布区间开始增大，幅值峰值也逐渐达到最大；岩样破坏后，幅值分布区间与破裂阶段的分布区间基本相同，但低幅值区域明显变密，说明此阶段除了有许多大的破裂出现外，还存在一些小的破裂，使得幅值分布呈现强度大、范围广的规律。
4 结论
1) 与完整岩样相比，节理岩样的破坏并不是一次性的，存在明显的应力降现象。每一次产生应力降时，其脆性特征与完整岩样相比不够明显。
2) 在卸荷试验中，节理岩样与完整岩样的环向应变变化规律不同。由于节理岩样内部裂隙发育，其环向应变斜率较小，环向变形较明显。
3) 在卸荷试验中，节理岩样极限强度明显比完整岩样的小，两者强度之差的平均值分别为13.43 MPa和19.26 MPa；与常规三轴压缩试验相比，不同类型岩样卸围压试验下岩样峰值强度的平均降幅分别为9.13%和18.81%。节理岩样受应力路径的影响明显，表明在卸荷试验中节理岩样更易发生破坏。
4) 节理岩样在破裂过程中发生多次应力降，每次应力降发生时声发射振铃计数率都突增；此外，节理岩样在卸荷试验中的破坏程度与完整岩样的破坏程度相比较弱。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2017-07-12；修回日期：2017-09-22
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41374118)；重庆市教委科技计划项目(KJ1732439)(Project(41374118) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(KJ1732439) supported by the Chongqing City Board of Education Committee)
通信作者：马德鹏，博士，讲师，从事岩石力学试验及深部岩土工程研究；E-mail：mdp123@163.com
