片理结构软岩变形破坏声发射特征

图1为具体试验布设图。岩样来自鄂北水资源配置工程，为典型的带片理结构的绿泥石软岩，采用切割方法将岩样切割成1∶2的50 mm×50 mm×100 mm长方体试样，加工角度θ为0°、45°、90° 3个片理角度（见图1（a）），岩样的平均密度为2 980 kg/m³，试样两端上下表面平整度误差为±0.3 mm，表面平整度为±0.05 mm，端面垂直于试件轴线，允许偏差为±0.25°，试件加工精度按《水利水电岩石试验规程》（SL264–2001）执行。

图1  单轴压缩试验试样

Fig. 1  Uniaxial compression test

试验动力采用中国科学院武汉岩土力学研究所自行研制的RMT-150C多功能岩石实验伺服机，其垂直最大出力1 000.0 kN，水平最大出力500.0 kN，最大围压50.0 MPa，该系统可以同时记录荷载和位移等参数；声发射采用NANO30的探头，对应的频带宽度为125~750 kHz，采用PCL-2声发射测试分析系统，声波采样频率为1 MHz，根据试验环境声发射的采集门槛值设为45 dB。横向微应变采用TST3826F-L（W）静态信号测试系统捕捉试样上应变片的信号，其最高采样频率5 Hz，系统示值误差不大于0.5%±3 με；根据试验要求侧向微应变系统采用1/4桥（120 Ω三线制自补偿）的静态应力应变的巡回检测方式。

在试验过程中试样采用沿竖向施加0.002 mm/s的应变位移控制荷载的单轴压缩加载方式，获取绿泥石的强度、变形参数。测试过程中同步对侧向微应变和声发射信号进行全波形记录，获取绿泥石试样在加载过程中的侧向微应变和声发射信号数据，以研究试样破坏过程中侧向微应变变化趋势和裂纹扩展规律。

侧向微应变在立方体试样上相邻垂直面中间位置倒T型布置4个应变片；声发射测试采用2个探头在试样1/3处相对面布置（见图1（b）），探头的检测面抹上一层耦合剂紧贴在试件表面，采用胶带固定，以减少声发射信号的衰减，表1为具体试验方案。

如图2（a）所示，随着片理角度的增加鄂北工程绿泥石的抗压强度呈“V”形布置，呈现典型的片理效应。其中，0°片理角度，抗压强度为55.45 MPa；45°片理角度，抗压强度为40.95 MPa；90°片理角度，抗压强度为46.17 MPa。图2（b）为不同片理岩石试样应力-应变过程曲线，可以看出不同片理岩石应力值随着应变的增加都先经历微裂隙闭合阶段、弹性变形阶段，再进入裂纹扩展阶段、破坏阶段，最后是峰后破坏阶段。表2为各片理角度岩石试样的力学参数。

图2  片理效应分析曲线

Fig. 2  Analysis curve of schistose effect

声发射信号是岩石自身破裂产生的一种弹性应力波，可以被粘附在岩样周围的声发射探头探测并接收。岩样在荷载作用下，微裂纹的闭合、扩张以及沿壁面的摩擦和滑动都能引起弹性波的辐射，能够定量地描述岩石在受荷变形过程中内部晶格错位或微裂纹演化规律，在一定程度上代表其破坏过程中的能量释放和损伤程度^{［10，11］}。大量研究表明声发射振铃计数与能量是反映材料性能变化的特征参数，声发射的能量变化趋势与振铃计数基本一致，并且可以作为岩样破坏前的预兆^{［12，13］}。本文对单轴试验中采集的声发射数据进行参数和波形分析，揭示绿泥石损伤过程，确定其声发射特征与片理角度的关系，从声发射角度分析单轴压缩试验中片理角度效应问题。

3.1　裂纹扩展演化规律

选取AE能量和振铃计数作为声发射参数，分析其随时间的变化规律来研究声发射参数特征与片理角度之间的关系。图3给出了立方体单轴压缩试验过程中应力-累积振铃计数和能量的变化趋势，从图中可以看出，声发射能量随着加载的进行经历了3个阶段，分别为静默阶段、活跃阶段和峰后平缓阶段。其静默阶段对应着应力-时间状态中的裂隙闭合阶段，此过程中绿泥石片岩岩样处于裂隙闭合阶段，新生裂纹产生的数量小，产生的声发射事件较少，能量释放慢，累积振铃计数从0开始，曲线呈水平凹趋势增长；随着加载的进行，当声发射能量值局部出现第1个峰值的时候，此时声发射能量静默阶段结束进入声发射活跃期，在声发射活跃期中，可以看出声发射能量值在不同的局部范围内出现小峰值，分别对应着其应力-时间曲线进入弹性变形阶段、裂纹扩展阶段和破坏阶段，在应力达到最大值时，声发射能量也相应达到峰值，在此过程中声发射累积振铃计数逐步稳定增长并达到峰值，并且其增长变化趋势与应力-时间曲线变化一致（平行），说明声发射信号是随着应力的加载岩石内部之间微裂纹的闭合、萌生和扩展的发展而产生的，反映岩石的受力状态和破损机理。在峰后阶段，累积振铃计数曲线的斜率发生了稍微的变化，此时声发射信号减弱，但累积振铃总计数呈增长趋势直至不再发生变化而呈水平状态。由图3对比分析可以得出结论：45°片理岩样静默期较长，声发射能量大，抗压强度低；0°和90°片理岩样静默期短，活跃期长，声发射能量低，抗压强度大。

图3  天然弱风化状态单轴压缩过程中不同片理角度的声发射能量-应力-累积振铃计数演化规律

Fig. 3  Evolution law of acoustic emission energy-stress- cumulative ringing count at different slice angles during uniaxial compression in natural weakly weathered state

累积振铃计数曲线斜率的变化可以作为声发射信号增长速率来表征活跃期声发射的强烈程度^［14］，进而反映试样内部破坏的强烈程度。如图4各状态片理累积振铃计数对比可以看出，同条件下45°片理结构声发射的信号增长速率小于0°片理和90°片理，饱和状态的累积振铃斜率小于天然状态，说明同条件下45°片理结构绿泥石片岩岩样在单轴压缩状态下内部损伤程度大于0°和90°片理角度绿泥石片理岩样，饱和状态下绿泥石片理角度岩样在单轴压缩条件下内部损伤程度高于天然状态绿泥石片岩岩样。内部损伤程度越小，强度越高。

图4  各状态片理结构累积振铃计数对比图

Fig. 4  Cumulative ringing count comparison diagram of schistose structures in different states

3.2　声发射b值特征

岩石试样加载过程中，声发射事件接收到的应力弹性波事件被认为是一种微震活动，通过Gutenberg等^［15］提出著名的地震震级与频度之间统计G-R关系式，得到相关参数b值，分析岩石变形破坏特征：

lgN=a−b(AdB/20)$$$$

（1）

式中：AdB为以分贝为单位表示的声发射事件最大振幅；N为累计声发射事件数；a,b为常数；对于岩石声发射而言，b值表示裂纹扩展尺度的函数；设计每1 000个AE事件数为1个计算段，以5 dB为步距对岩石声发射幅值数进行统计，采用最小二乘法进行计算^［6］。图5为不同状态片理角度b值与时间的变化曲线。

图5  天然弱风化状态各角度b值与应力变化曲线

Fig. 5  Variation curve of b value and stress at various angles in natural weakly weathered state

由图5可以看出声发射b值随着应力的加载一直处于上下波动的状态中，在加载初期，岩石试样处于裂隙闭合阶段，声发射b值维持在一个较高的水平；随着加载的进行，进入弹性阶段的声发射b值呈现整体下降的持续波动状态，在某段小范围的时间里，处于相对稳定的变化，说明此时岩石内部新生裂纹发展缓慢，声发射大小事件所占的比例变化很小，原生裂纹和新生裂纹的发展较为稳定；进入塑性阶段后，声发射b值减小速率开始增加，与弹性阶段相比，此阶段能量高的声发射事件发生比例增加，新生裂纹事件增多；应力继续增大，声发射事件持续降低，破坏前，在应力跌落时声发射b值出现骤降，说明岩石试样内部裂纹发展形势发生变化，是裂纹突发式扩张的表现。

从图5可以看出，片理结构45°时，声发射b值与其他片理相比整体状态较高，处于一种从初期较高的状态平稳降低的趋势，降低幅度较小，波动较小，裂纹发展受到限制，能量较低，事件稳定；片理结构0°和90°时，声发射b值变化幅度整体较低，变化幅度和波动幅度也较小，裂纹扩展比较活跃，声发射能量较高。

针对鄂北工程围岩稳定性差、无自稳能力易坍塌现象，开展了绿泥石室内单轴压缩试验，重点研究了其片理效应及其损伤机制，取得的具体结论如下：

1）鄂北水资源配置工程绿泥石片岩的层理效应显著，随着片理角度的增加其抗压强度和波速呈“V”形布置；0°和90°片理力学参数大于45°片理结构。

2）从AE特征参数分析层状岩石片理效应，发现片理角度之间的损伤特征存在差异。其中，45°片理岩样静默期较长，声发射能量大，抗压强度低；0°和90°片理岩样静默期段，活跃期长，声发射能量低，抗压强度大。

3）片理结构45°时，声发射b值与其他片理相比整体状态较高，处于从初期较高的状态平稳降低的趋势，降低幅度较小，b值波动较小，裂纹发展受到限制，能量较低，事件稳定；片理结构0°和90°时，b值变化幅度整体较低，变化幅度和波动幅度也较小，裂纹扩展比较活跃，声发射能量较高。