不同試驗(yàn)條件和含水狀態(tài)下花崗巖的聲發(fā)射與破裂演化特征

張恒源，郭佳奇，孫飛躍，石曉燕，朱子輝

（1. 河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院, 河南 焦作 454000；2. 軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院, 河南 洛陽(yáng) 471023）

隨著地下工程逐步向地球深部進(jìn)軍，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。工程實(shí)踐表明，地下工程失穩(wěn)破壞是巖體由破裂損傷到整體破壞的發(fā)展過(guò)程，與巖體裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展及貫通等活動(dòng)密切相關(guān)[1-4]。深地下富水地層中的工程巖體長(zhǎng)期遭受水分侵蝕作用，導(dǎo)致其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和組分發(fā)生緩慢變化，在受到外荷載的作用時(shí)，將加速裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展及貫通[5-6]等。因此，研究不同含水狀態(tài)花崗巖在荷載作用下的破裂特征，對(duì)控制地下工程圍巖失穩(wěn)和預(yù)測(cè)預(yù)警工程災(zāi)害具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

巖石內(nèi)部裂隙的滑移、擴(kuò)展和貫通等活動(dòng)將以彈性波的形式釋放應(yīng)變能，聲發(fā)射技術(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)分析所釋放的彈性波來(lái)反映巖石內(nèi)部破裂演化過(guò)程。作為一種無(wú)損監(jiān)測(cè)材料破裂的有效手段，聲發(fā)射技術(shù)已廣泛應(yīng)用于巖石破裂的相關(guān)研究中[7]。例如：張安斌等[8]基于聲發(fā)射事件數(shù)和能量等特征參數(shù)，揭示了不同含水率泥質(zhì)粉砂巖的單軸壓縮破裂全過(guò)程；趙奎等[9]基于聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)，提出了不同含水率紅砂巖的損傷系數(shù)，并驗(yàn)證了其與巖體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)演化的響應(yīng)關(guān)系；鄧朝福等[10]揭示了不同含水狀態(tài)花崗巖內(nèi)部裂隙擴(kuò)展演化規(guī)律；Liu 等[11]通過(guò)不同吸水時(shí)間頁(yè)巖的單軸壓縮試驗(yàn)，研究了軟化頁(yè)巖的聲發(fā)射特征；Huang 等[12]通過(guò)一系列含水砂巖試驗(yàn)，揭示了含水量對(duì)紅砂巖的力學(xué)和變形性質(zhì)的影響，分析了壓縮過(guò)程中不同變形階段的聲發(fā)射特征。除了對(duì)巖石破裂演化過(guò)程開展研究以外，利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)巖石裂紋類型的研究也已取得豐富的成果，自2003 年日本混凝土材料協(xié)會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)（JCMS-Ⅲ B5706）中定義特征參數(shù)RA（上升時(shí)間與幅值的比值）和平均頻率AF（振鈴計(jì)數(shù)與持續(xù)時(shí)間的比值）并提出利用RA-AF 對(duì)裂紋進(jìn)行分類的方法[13]以來(lái)，眾多學(xué)者基于參數(shù)RA-AF 評(píng)估了不同含水狀態(tài)巖石破裂類型的分布特征。例如：何滿潮等[14]結(jié)合聲發(fā)射參數(shù)RA 和AF 特征值密度得到了自然狀態(tài)花崗巖巖爆發(fā)生時(shí)不同類型裂紋的分布特征；Liu 等[7]研究了單軸壓縮下干燥和飽水輝長(zhǎng)巖在不同變形階段兩種類型裂紋的分布特征；Du 等[15]開展了一系列巖石加載試驗(yàn)并定義了自然狀態(tài)花崗巖和大理巖劃分裂紋類型的RA 和AF 參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)；劉沂琳等[16]研究了水巖作用下砂巖裂紋發(fā)育規(guī)律，結(jié)果表明，飽水試樣以張拉裂紋發(fā)育為主，天然與干燥試樣以剪切裂紋發(fā)育為主；Wang 等[17]揭示了水對(duì)單軸壓縮下砂巖破裂類型的影響，認(rèn)為水增加了拉伸裂紋，減少了剪切裂紋；Yao 等[18]結(jié)合水侵入對(duì)裂紋類型和宏觀破壞模式的影響，提出了裂紋類型與破壞模式之間的新關(guān)系。

可見，相關(guān)學(xué)者在水對(duì)巖石內(nèi)部破裂特征影響方面開展了大量研究，得到了水影響巖石破裂的基本規(guī)律。然而工程巖體發(fā)生破裂反應(yīng)過(guò)程是由復(fù)雜應(yīng)力引起的，不同應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致巖石發(fā)生不同的破裂響應(yīng)，目前關(guān)于含水巖石破裂的試驗(yàn)研究大多集中在單一試驗(yàn)條件下，對(duì)于含水巖石在不同試驗(yàn)條件下的特征尚未開展相關(guān)研究。鑒于此，本工作擬對(duì)不同含水狀態(tài)的花崗巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)下的聲發(fā)射信號(hào)研究，通過(guò)對(duì)巖石破裂的聲發(fā)射特征參數(shù)進(jìn)行深入分析，揭示不同試驗(yàn)條件下含水花崗巖的破裂擴(kuò)展演化過(guò)程及裂紋類型分布特征，以期深入理解受水影響的工程巖體在復(fù)雜應(yīng)力下的破裂演化。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

花崗巖樣品取自山東省五蓮縣，屬粗?；◢弾r，呈灰白色并帶有黑色斑紋，經(jīng)X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）測(cè)得其礦物成分為低鈉長(zhǎng)石（39%）、斜長(zhǎng)石（35%）、云母（22%）、石英（4%），常溫下試樣的密度為2.703 g/cm3，結(jié)構(gòu)致密。按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議，將巖石加工成直徑50 mm、高100 mm和直徑50 mm、高30 mm 兩種尺寸的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，以分別進(jìn)行不同條件下的力學(xué)試驗(yàn)。

對(duì)試樣進(jìn)行不同含水狀態(tài)的處理，處理方式為：飽水狀態(tài)，將試樣置于真空飽水機(jī)內(nèi)，抽氣至0.1 MPa 后靜置2 h，向真空飽水機(jī)內(nèi)注水至淹沒試樣，繼續(xù)抽氣至0.1 MPa 并保持1 h，然后打開放氣閥門靜置24 h，之后取出并沾去表面水分后稱量；干燥狀態(tài)，將試樣放置在干燥箱內(nèi)于105 ℃靜置24 h，待冷卻至室溫后稱重。經(jīng)計(jì)算，干燥、自然、飽水試樣的平均含水率分別為0%、0.091 9%、0.287 0%。試樣分組方案如表1 所示。

表1 試驗(yàn)分組方案Table 1 Test grouping scheme

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

對(duì)不同含水狀態(tài)花崗巖分別開展單軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)包含巖石力學(xué)加載系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分。巖石力學(xué)加載系統(tǒng)包括RMT-150B 巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)和KYZW-100 巖石弱面直剪儀。利用RMT-150B 巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)，單軸壓縮試驗(yàn)采用位移加載控制，速率為0.002 mm/s，巴西劈裂試驗(yàn)采用力加載控制，速率為0.20 kN/s；利用KYZW-100 巖石弱面直剪儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)，設(shè)置法向荷載為20 MPa，由力控制加載，加載速率為1 kN/s，切向加載為位移控制，加載速率為1 mm/s。試驗(yàn)均采用DS-5 型8 通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步采集巖石變形破壞過(guò)程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由聲發(fā)射探頭、信號(hào)放大器以及采集主機(jī)等構(gòu)成，采樣頻率為5 MHz，波形門檻閾值設(shè)置為40 dB。

試驗(yàn)開始前，將聲發(fā)射傳感器對(duì)稱布置在花崗巖試樣中心，以接收來(lái)自巖石內(nèi)部不同方位的盡可能多的聲發(fā)射信號(hào)。并在傳感器與試樣接觸點(diǎn)涂抹適量凡士林作為耦合劑，以增加兩者間的耦合性。為了保證加載信息與聲發(fā)射信號(hào)時(shí)間對(duì)應(yīng)，加載系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步開始計(jì)時(shí)。不同試驗(yàn)條件如圖1 所示。

2 不同試驗(yàn)條件和含水狀態(tài)下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變特征與力學(xué)參數(shù)弱化

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變特征

圖2 分別為單軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)下不同含水狀態(tài)花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖2(a)可知：在單軸壓縮試驗(yàn)條件下，花崗巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值應(yīng)力點(diǎn)前呈現(xiàn)出塑性-彈性-塑性的“S”形增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨著含水率的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的增長(zhǎng)速率減緩，臨近峰值點(diǎn)的塑性階段更明顯；在峰應(yīng)力點(diǎn)后，干燥試樣和自然試樣出現(xiàn)應(yīng)力跌落現(xiàn)象，表現(xiàn)出脆性破壞的特點(diǎn)，而飽水狀態(tài)試樣表現(xiàn)出延性破壞的特點(diǎn)，表明隨著含水率的增加，花崗巖破壞模式由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變。由圖2(b)可知，巴西劈裂條件下花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線在加載過(guò)程中整體呈現(xiàn)上凹形增長(zhǎng)，在達(dá)到峰值應(yīng)力點(diǎn)后發(fā)生突降，試樣發(fā)生劈裂，破壞時(shí)的脆性特征明顯。由圖2(c)可知，剪切試驗(yàn)條件下花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上凹形上升，但相比于單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)，剪切試驗(yàn)條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的波動(dòng)更明顯，在峰值應(yīng)力點(diǎn)前出現(xiàn)部分應(yīng)力跌落現(xiàn)象，可能是試樣局部發(fā)生破裂引起的，隨著加載的進(jìn)行，軸向應(yīng)力逐漸增加直至破壞。

圖2 不同試驗(yàn)條件下花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress-strain curves of granite under different test conditions

Bieniawski[19-20]將巖石破裂過(guò)程分為：裂隙壓密階段Ⅰ、彈性變形階段Ⅱ、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段Ⅲ、裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段Ⅳ和峰后破壞階段Ⅴ。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者基于此對(duì)特征應(yīng)力階段的確定開展了廣泛的研究，提出了移動(dòng)點(diǎn)回歸法、聲發(fā)射法、裂隙體積應(yīng)變法等計(jì)算方法。裂隙體積應(yīng)變法因計(jì)算簡(jiǎn)便而被廣泛應(yīng)用，計(jì)算方法如下。

巖石體積應(yīng)變?chǔ)臯可以表示為

式中：ε1、ε3分別為軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。

巖石總體積應(yīng)變包含彈性體積應(yīng)變和裂隙體積應(yīng)變。裂隙體積應(yīng)變計(jì)算公式為

式中：εVc、εVe分別為裂隙體積應(yīng)變和彈性體積應(yīng)變。單軸壓縮下， σ2=σ3=0，彈性體積應(yīng)變?chǔ)臯e可表示為

式中：σ1為軸向應(yīng)力，E為彈性模量， ν為泊松比。

通過(guò)裂隙體積應(yīng)變法得到巖石特征應(yīng)力并對(duì)加載過(guò)程進(jìn)行階段劃分，示意圖如圖3 所示。

圖3 裂隙體積應(yīng)變法確定巖石特征應(yīng)力示意圖Fig. 3 Diagram of determining rock characteristic stress by fracture volume strain method

采用裂隙體積應(yīng)變法計(jì)算得到的單軸壓縮條件下不同含水狀態(tài)花崗巖的特征應(yīng)力如表2 所示。由表2可知，不同含水狀態(tài)花崗巖的σcc/σucs在15%左右，σci/σucs在40%左右，σcd/σucs在70%左右，隨著含水率的增加，特征應(yīng)力逐漸降低，但花崗巖的特征應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值逐漸增加。

表2 單軸壓縮試驗(yàn)條件下不同含水狀態(tài)花崗巖的特征應(yīng)力Table 2 Characteristic stress of granite with different water-bearing states under uniaxial compression

2.2 力學(xué)參數(shù)弱化效應(yīng)

由圖4 可知：水的存在使得3 種試驗(yàn)條件下的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度均有不同程度的弱化，且3 種強(qiáng)度都隨著含水率的增加呈現(xiàn)良好的線性降低的變化規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行線性擬合，獲得強(qiáng)度與含水率的線性關(guān)系

圖4 不同試驗(yàn)條件下水對(duì)強(qiáng)度的影響Fig. 4 Influence of water on strength under different test conditions

式中：σc、σt、τ 分別為單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，MPa；ω 為含水率，%；R2為擬合優(yōu)度。

以自然狀態(tài)花崗巖強(qiáng)度作為單位1，探討水對(duì)花崗巖抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的弱化程度。干燥狀態(tài)下，抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度比為1.258、1.236、1.165，分別增加了25.8%、23.6%、16.5%；飽水狀態(tài)下，抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度比為0.840、0.877、0.806，分別降低了16.0%、12.3%、19.4%。

通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)計(jì)算得到花崗巖的彈性模量E隨含水率的變化曲線，如圖5 所示。

由圖5 可知，彈性模量隨著含水率的增加而呈線性降低趨勢(shì)，進(jìn)行線性擬合獲得彈性模量E與含水率的線性關(guān)系

圖5 彈性模量隨含水率的變化Fig. 5 Variations of elastic modulus with water content

以自然狀態(tài)花崗巖彈性模量作為1，探討水對(duì)花崗巖變形參數(shù)的弱化程度。干燥狀態(tài)試樣和飽水狀態(tài)試樣的彈性模量與自然狀態(tài)試樣的彈性模量的比值分別為1.146、0.759，干燥狀態(tài)增加了14.6%，飽水狀態(tài)降低了24.1%。

3 不同試驗(yàn)條件下花崗巖聲發(fā)射特征及破裂演化過(guò)程

巖石等材料在受到荷載作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形和斷裂，并以彈性波的形式釋放出能量，通過(guò)對(duì)彈性波的監(jiān)測(cè)和分析能夠得到巖石內(nèi)部微裂紋的發(fā)育、擴(kuò)展以及貫通等微觀行為的演化過(guò)程。目前對(duì)于聲發(fā)射信號(hào)的研究主要使用特征參數(shù)法，即通過(guò)對(duì)彈性波波形中的特征參數(shù)進(jìn)行分析得到巖石內(nèi)部破裂特征，常見的參數(shù)有振鈴計(jì)數(shù)、幅值、RA 和AF 等，對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)定義如圖6 所示。

圖6 聲發(fā)射波形特征參數(shù)Fig. 6 Characteristic parameters of acoustic emission waveform

3.1 單軸壓縮下聲發(fā)射特征及破裂演化過(guò)程

振鈴計(jì)數(shù)是指一次撞擊信號(hào)越過(guò)門檻值的振蕩次數(shù)，能夠粗略反映聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度和頻度。單軸壓縮下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖7 所示。

2016年8月，國(guó)家能源局正式復(fù)函《關(guān)于四川省創(chuàng)建國(guó)家清潔能源示范省有關(guān)事項(xiàng)的復(fù)函》[10]，對(duì)四川省進(jìn)行的清潔能源示范省創(chuàng)建工作給予了大力支持，并把四川省清潔能源示范省創(chuàng)建工作加入到我國(guó)的“十三五”能源創(chuàng)建規(guī)劃當(dāng)中，而且在清潔能源等重要項(xiàng)目、產(chǎn)業(yè)政策、體系體制改革等層面都進(jìn)行大力的支持。《四川省創(chuàng)建國(guó)家清潔能源示范省實(shí)施方案》[11]提出在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、能源品質(zhì)要求較高的地區(qū)或天然氣資源地，鼓勵(lì)發(fā)展工業(yè)園區(qū)、樓宇式、生態(tài)園區(qū)天然氣分布式能源項(xiàng)目。建設(shè)示范工程，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，打造四川模式。

從圖7 可以看出，單軸壓縮下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)分布具有明顯的階段性，不同變形階段振鈴計(jì)數(shù)的具體特征如下：(1) 壓密階段，巖石原生裂隙在荷載作用下不斷被壓密，由于裂隙閉合以及摩擦作用釋放彈性應(yīng)變能從而產(chǎn)生少量聲發(fā)射信號(hào)；(2) 彈性階段，巖石發(fā)生可恢復(fù)的彈性變形，但試樣裂縫之間相互滑移會(huì)產(chǎn)生極少量的聲發(fā)射事件；(3) 裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段，此時(shí)荷載應(yīng)力超過(guò)巖石的起裂應(yīng)力，除了原有裂隙的擴(kuò)展外，試樣還逐漸產(chǎn)生新生微小裂紋，導(dǎo)致聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，但振鈴計(jì)數(shù)數(shù)值和增長(zhǎng)速率仍然很低；(4) 裂隙非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，巖石內(nèi)部破裂發(fā)展加劇，裂隙之間相互作用明顯并開始貫通，在臨近峰值應(yīng)力點(diǎn)時(shí)高強(qiáng)度的聲發(fā)射信號(hào)迅速增加，振鈴計(jì)數(shù)峰值多出現(xiàn)在此階段；(5) 破壞階段，破裂加劇，沿宏觀破壞面發(fā)生較大程度的斷裂，產(chǎn)生大量高強(qiáng)度的聲發(fā)射信號(hào)。比較3 種含水狀態(tài)下花崗巖聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)發(fā)現(xiàn)，其整體趨勢(shì)相同且數(shù)值差距較小。

圖7 單軸壓縮下不同含水狀態(tài)花崗巖的聲發(fā)射特征Fig. 7 Acoustic emission characteristics of granite with different water-bearing states under uniaxial compression

3.2 巴西劈裂試驗(yàn)下聲發(fā)射特征及破裂演化過(guò)程

圖8 為巴西劈裂試驗(yàn)下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。由圖8 可知：巴西劈裂試驗(yàn)條件下，不同含水狀態(tài)花崗巖試樣的階段性變化不明顯；在加載初期（30%σt），由于壓條壓密了加載軸線附近的原生裂隙，因而出現(xiàn)了數(shù)值相對(duì)較大的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)；隨著荷載的增加，不斷出現(xiàn)新生裂隙導(dǎo)致振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，臨近破壞時(shí)聲發(fā)射事件迅速增加，直至試樣發(fā)生劈裂。

圖8 巴西劈裂試驗(yàn)下不同含水狀態(tài)花崗巖的聲發(fā)射特征Fig. 8 Acoustic emission characteristics of granite with different water-bearing states under Brazilian splitting test

對(duì)比不同含水狀態(tài)花崗巖在巴西劈裂試驗(yàn)條件下的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)可知：干燥狀態(tài)花崗巖在加載初期的振鈴計(jì)數(shù)均值為60.4，且密度較大，隨著加載的進(jìn)行，振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)較小的波動(dòng)但仍保持在較高水平，在臨近破壞時(shí)出現(xiàn)最大值3 714；自然狀態(tài)試樣加載初期振鈴計(jì)數(shù)的均值為44.9，約為干燥狀態(tài)下的3/4，在整個(gè)加載過(guò)程波動(dòng)明顯，部分振鈴計(jì)數(shù)過(guò)低，導(dǎo)致振鈴計(jì)數(shù)分布稀疏，振鈴計(jì)數(shù)最大值為1 704，約為干燥狀態(tài)的1/2；飽水試樣的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)進(jìn)一步降低，加載初期振鈴計(jì)數(shù)均值為26.4，僅為干燥狀態(tài)的1/2，隨著加載的進(jìn)行，振鈴計(jì)數(shù)波動(dòng)更加明顯，出現(xiàn)多次激增和驟降現(xiàn)象，振鈴計(jì)數(shù)最大值為1 588，約為干燥狀態(tài)試樣的2/5。

3.3 直剪試驗(yàn)下聲發(fā)射特征及破裂演化過(guò)程

圖9 給出了剪切試驗(yàn)下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線。由圖9 可知：在加載初期，振鈴計(jì)數(shù)處于較低水平，隨著荷載的增加，振鈴計(jì)數(shù)緩慢上升，當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上出現(xiàn)小型應(yīng)力降時(shí)，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)迅速增加，表明試樣發(fā)生脆性破裂，隨后呈階梯狀增長(zhǎng)，至試樣被剪斷時(shí)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)達(dá)到最大值。

圖9 直剪試驗(yàn)下不同含水狀態(tài)花崗巖的聲發(fā)射特征Fig. 9 Acoustic emission characteristics of granite with different water-bearing states under direct shear test

直剪試驗(yàn)下，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)隨著含水率的增加逐漸降低，第1 次應(yīng)力降出現(xiàn)時(shí)，干燥狀態(tài)、自然狀態(tài)、飽水狀態(tài)試樣的振鈴計(jì)數(shù)分別為4 655、3 021、784，破壞時(shí)的峰值振鈴計(jì)數(shù)分別為7 849、4 749、3 531。表明隨著含水率的增加，直剪試驗(yàn)下花崗巖第1 次發(fā)生較明顯的微破裂以及宏觀剪切破裂時(shí)的聲發(fā)射強(qiáng)度都有不同程度的降低。

對(duì)比不同試驗(yàn)條件下含水花崗巖振鈴計(jì)數(shù)分布特征可得到以下結(jié)果。(1) 與干燥試樣相比，含水試樣的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)明顯更低，這是由于含水試樣內(nèi)部裂隙中填充了水分，聲波信號(hào)在液體介質(zhì)中的衰減速率大于固體介質(zhì)，導(dǎo)致飽水狀態(tài)下產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度減小，因此飽水試樣的聲發(fā)射信號(hào)低于干燥試樣。(2) 不同試驗(yàn)條件下花崗巖試樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)分布特征差異明顯：?jiǎn)屋S壓縮下峰值應(yīng)力點(diǎn)前聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)相對(duì)較少，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)主要出現(xiàn)在峰值應(yīng)力點(diǎn)后，在峰值應(yīng)力點(diǎn)后出現(xiàn)陡增；巴西劈裂條件下花崗巖聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)最大值和平均值相差較小，整個(gè)加載過(guò)程中聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)都保持在相同的數(shù)量級(jí)；剪切作用下花崗巖聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)分布與單軸壓縮下類似，但剪切作用下振鈴計(jì)數(shù)在第1 次應(yīng)力降時(shí)就顯著增加，隨后呈階梯狀逐步增加，而單軸壓縮下試樣的振鈴計(jì)數(shù)在臨近破壞時(shí)才出現(xiàn)驟增現(xiàn)象，且增加的程度遠(yuǎn)比直剪試驗(yàn)高。

4 基于聲發(fā)射特征的花崗巖微觀破裂類型分析

聲發(fā)射特征參數(shù)中的RA 和平均頻率AF 可以表征巖石內(nèi)部微裂紋類型，RA 由上升時(shí)間除以幅值得到，AF 由振鈴計(jì)數(shù)除以持續(xù)時(shí)間得到。經(jīng)計(jì)算后得到聲發(fā)射信號(hào)RA-AF 的散點(diǎn)圖，如圖10(a)所示。由于散點(diǎn)數(shù)量眾多且分布密集，無(wú)法準(zhǔn)確獲得聲發(fā)射信號(hào)分布特征，因此利用MATLAB 對(duì)信號(hào)散點(diǎn)圖進(jìn)行處理，得到散點(diǎn)分布密度，如圖10(b)所示，其中黃色區(qū)域表示聲發(fā)射信號(hào)密度較大，藍(lán)色區(qū)域表示信號(hào)密度較小。

圖10 RA-AF 信號(hào)分布散點(diǎn)圖和密度圖Fig. 10 Distribution and density of RA-AF signals

4.1 確定不同裂紋類型的分界線

高RA、低AF 的信號(hào)分布特點(diǎn)代表著剪切裂紋的發(fā)育、擴(kuò)展，而高AF、低RA 代表著張拉裂紋的發(fā)育、擴(kuò)展，但不同的材料狀態(tài)及傳感器類型等因素都會(huì)導(dǎo)致裂紋類型劃分標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生較大的差異[21]。例如：日本JCMS-Ⅲ B5706 規(guī)范[13]的分類方法中將分界線斜率（AF 與RA 的比值）定義為k，在分界線以上為張拉裂紋，分界線以下為剪切裂紋；何滿潮等[14]采用k=1 作為分界線區(qū)分裂紋類型；Niu 等[22]以k=2 為分界線區(qū)分裂紋類型。

本研究根據(jù)Du[15]和日本JCMS-Ⅲ B5706 規(guī)范[13]的分類方法，利用直剪試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)計(jì)算裂紋類型的分界線，通過(guò)假定一條斜率為k的分界線，以直剪試驗(yàn)中分界線以下的信號(hào)百分比與巴西劈裂試驗(yàn)中分界線以上的信號(hào)百分比基本相同（相差小于0.5%）時(shí)作為區(qū)分裂紋類型的標(biāo)準(zhǔn)，如圖11所示。經(jīng)計(jì)算，飽水狀態(tài)、自然狀態(tài)、干燥狀態(tài)下的分界線斜率k分別為1.943、2.112 和3.261。

圖11 RA-AF 信號(hào)裂紋類型分類標(biāo)準(zhǔn)Fig. 11 Classification standard of RA-AF signal crack types

4.2 單軸壓縮下微觀破裂類型分析

圖12 為花崗巖在單軸壓縮試驗(yàn)條件下聲發(fā)射信號(hào)的RA-AF 散點(diǎn)密度分布。

圖12 單軸壓縮下的RA-AF 分布Fig. 12 RA-AF distribution under uniaxial compression

由圖12 可知，單軸壓縮下RA-AF 信號(hào)在張拉裂紋區(qū)域和剪切裂紋區(qū)域均有分布，但剪切裂紋區(qū)域信號(hào)更多，意味著試樣內(nèi)部張拉裂紋和剪切裂紋同時(shí)發(fā)育，但剪切裂紋占主導(dǎo)作用。對(duì)比不同含水狀態(tài)的試樣信號(hào)可知：干燥狀態(tài)試樣信號(hào)主要分布在剪切裂紋區(qū)域，在張拉裂紋區(qū)域數(shù)量相對(duì)較少，而自然和飽水狀態(tài)試樣的信號(hào)分布相似，均集中在剪切裂紋區(qū)域，但數(shù)量明顯減少，張拉裂紋區(qū)域的信號(hào)有所增加，表明單軸壓縮下干燥狀態(tài)試樣的破壞過(guò)程以剪切裂紋為主，自然和飽水試樣的剪切裂紋減少，張拉裂紋變化不明顯。

為了揭示花崗巖在破壞過(guò)程中的破裂類型及擴(kuò)展發(fā)育特征，根據(jù)表2 中利用裂紋體積應(yīng)變法計(jì)算出的特征應(yīng)力繪制出不同試樣在峰前各個(gè)變形階段的RA-AF 信號(hào)密度分布，如圖13 所示。由圖13 可知各個(gè)變形階段聲發(fā)射信號(hào)分布特征如下。

圖13 單軸壓縮下各個(gè)變形階段的RA-AF 分布Fig. 13 RA-AF distribution of each deformation stage under uniaxial compression

(1) 壓密階段，RA-AF 信號(hào)在張拉區(qū)域和剪切區(qū)域均有分布，但主要集中在剪切區(qū)域，在張拉區(qū)域分布較少，表明此階段張拉裂紋和剪切裂紋并存且以剪切裂紋為主；隨著含水率的增加，兩種類型裂紋區(qū)域內(nèi)的信號(hào)數(shù)量均逐漸減少，RA 范圍變化不大，AF 范圍由干燥狀態(tài)的0～150 kHz 減少至飽水狀態(tài)的100 kHz。

(2) 彈性階段的RA 和AF 相比壓密階段略有減小，信號(hào)在兩種類型的裂紋區(qū)域內(nèi)有向原點(diǎn)聚集收縮的趨勢(shì)，但仍以剪切裂紋為主。干燥試樣在兩類裂紋區(qū)域的信號(hào)均顯著減少，而自然狀態(tài)試樣和飽水狀態(tài)試樣的變化相對(duì)較?。浑S著含水率的增加，張拉裂紋區(qū)域的信號(hào)逐漸增加，而剪切裂紋區(qū)域信號(hào)的差距較小。

(3) 在裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段，RA 和AF 相比彈性階段持續(xù)減小，聲發(fā)射信號(hào)散點(diǎn)繼續(xù)向原點(diǎn)聚集，信號(hào)高密度區(qū)域范圍進(jìn)一步縮小，低密度區(qū)的散點(diǎn)也逐漸變少，此階段剪切裂紋和張拉裂紋減少但變化相對(duì)較小。整體上看，此階段水對(duì)信號(hào)分布的影響較弱。

(4) 在裂隙非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，巖石裂隙逐步貫通致使主破壞面逐漸形成，內(nèi)部破裂加劇，信號(hào)出現(xiàn)向外擴(kuò)散趨勢(shì)。相比于裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段，干燥試樣在張拉裂紋和剪切裂紋區(qū)域信號(hào)均有明顯增加，自然和飽水狀態(tài)試樣在張拉區(qū)域的信號(hào)明顯增加，而剪切區(qū)域信號(hào)變少。即干燥試樣的張拉裂紋和剪切裂紋均有明顯增加，但剪切裂紋增加得更多，自然和飽水試樣的張拉裂紋增多而剪切裂紋減少。相比于干燥狀態(tài)試樣，自然和飽水試樣的張拉區(qū)域信號(hào)顯著增加，剪切區(qū)域信號(hào)略有減少，意味著飽水狀態(tài)有利于試樣在此階段產(chǎn)生更多的張拉裂紋，剪切裂紋的比例下降，這與Dong 等[23]的研究結(jié)果一致。

根據(jù)上述分析可知，在加載初期，張拉裂紋和剪切裂紋均有分布但剪切裂紋較多，隨著加載的進(jìn)行，剪切裂紋基本不變，張拉裂紋逐漸減少，剪切裂紋在裂紋擴(kuò)展中占據(jù)主導(dǎo)地位，臨近破壞時(shí)，張拉裂紋增多。

4.3 巴西劈裂下微觀破裂類型分析

圖14 給出了花崗巖試樣在巴西劈裂試驗(yàn)條件下聲發(fā)射參數(shù)RA-AF 的密度分布。由圖14 可知，巴西劈裂試驗(yàn)下，高密度區(qū)域的RA 分布在0～100 ms/V 區(qū)間內(nèi)，AF 分布在0～600 kHz 區(qū)間內(nèi)，RA-AF 信號(hào)主要集中在張拉裂紋區(qū)域，在剪切裂紋區(qū)域信號(hào)較稀疏，表明巴西劈裂試驗(yàn)條件下試樣內(nèi)部裂紋以張拉裂紋為主。對(duì)比不同含水狀態(tài)試樣可以發(fā)現(xiàn)，干燥狀態(tài)試樣的信號(hào)數(shù)量和密度在張拉裂紋區(qū)域和剪切裂紋區(qū)域的差別相對(duì)較小，自然和飽水狀態(tài)試樣在剪切裂紋區(qū)域的信號(hào)數(shù)量較少，張拉裂紋區(qū)域的信號(hào)數(shù)量明顯較多，表明隨著含水率的增加，巴西劈裂試驗(yàn)下試樣內(nèi)部剪切裂紋逐漸減少，而張拉裂紋逐漸增多。

圖14 巴西劈裂下的RA-AF 分布Fig. 14 RA-AF distribution under Brazilian splitting

4.4 直剪試驗(yàn)下微觀破裂類型分析

花崗巖試樣在直剪試驗(yàn)條件下聲發(fā)射參數(shù)RA-AF 的密度分布如圖15 所示。由圖15 可知，直剪試驗(yàn)下高密度區(qū)域的RA 分布在0～240 ms/V 區(qū)間，AF 分布在0～150 kHz 區(qū)間，RA-AF 信號(hào)主要集中在剪切裂紋區(qū)域，張拉裂紋區(qū)域中的信號(hào)較少，即直剪試驗(yàn)下試樣內(nèi)部裂紋以剪切裂紋為主。對(duì)比不同含水狀態(tài)試樣可以發(fā)現(xiàn)，剪切裂紋區(qū)域信號(hào)在干燥狀態(tài)試樣內(nèi)分布最多，張拉裂紋區(qū)域信號(hào)數(shù)量在不同含水狀態(tài)下的變化不大，隨著含水率的增加，試樣剪切裂紋區(qū)域信號(hào)逐漸減少，表明隨著含水率的增加，直剪試驗(yàn)下張拉裂紋所占比例逐漸增加，而剪切裂紋所占比例逐漸減少。

圖15 直剪試驗(yàn)下的RA-AF 分布Fig. 15 RA-AF distribution under direct shear test

5 結(jié) 論

(1) 水對(duì)花崗巖峰值強(qiáng)度以及變形參數(shù)的弱化作用明顯。隨著含水率的增加，單軸壓縮下花崗巖試件的破壞模式由脆性破壞逐漸向延性破壞轉(zhuǎn)變，花崗巖特征應(yīng)力逐漸降低，但水對(duì)特征應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值的影響較??；隨著含水率的增加，花崗巖的單軸抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度呈線性降低趨勢(shì)，彈性模量隨著含水率的增加而減小。

(2) 隨著含水率的增加，花崗巖試樣的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)逐漸降低；3 種試驗(yàn)條件下花崗巖試樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)分布特征差異明顯，單軸壓縮下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)主要出現(xiàn)在加載后期，在峰值應(yīng)力點(diǎn)處出現(xiàn)陡增現(xiàn)象；巴西劈裂條件下，整個(gè)加載過(guò)程中聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)波動(dòng)相對(duì)較?。患羟袟l件下花崗巖聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)分布和單軸壓縮下類似，但剪切條件下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)在應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)應(yīng)力降時(shí)呈階梯型增長(zhǎng)。

(3) 單軸壓縮下試樣內(nèi)部出現(xiàn)張拉裂紋和剪切裂紋，在加載初期，張拉裂紋和剪切裂紋均有分布但剪切裂紋較多，隨著加載的進(jìn)行，剪切裂紋基本不變，張拉裂紋逐漸減少，臨近破壞時(shí)，張拉裂紋增多；巴西劈裂下試樣內(nèi)部以張拉裂紋為主，剪切裂紋較少；直剪試驗(yàn)下試樣內(nèi)部以剪切裂紋為主，張拉裂紋較少；隨著含水率的增加，3 種試驗(yàn)條件下花崗巖試樣內(nèi)部的張拉裂紋增多，而剪切裂紋減少。