基于聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)層狀砂巖力學(xué)特性及破壞機(jī)理

劉運(yùn)思，王世鳴，顏世軍，傅鶴林，陳琛，史越，岳健

(1.湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭，411201；2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭，411201；3.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075)

層狀砂巖廣泛存在于礦業(yè)、水利、交通和建筑工程之中，砂巖因?qū)永砻鏋檐浫踅Y(jié)構(gòu)面，其強(qiáng)度往往比完整巖塊的低。JAEGER[1]提出了單弱面理論，解釋了當(dāng)層理角度β滿足β1＜β＜β2時(shí)(β1和β2均為層理角度，范圍為0°～90°)，巖體單軸壓縮強(qiáng)度比完整巖塊的低。此后，RAMAMURTHY等[2]通過大量試驗(yàn)得出抗壓強(qiáng)度與層理角度分布的力學(xué)曲線為3 種，分別為U 型、波動(dòng)型和釬肩型。黃春等[3]通過研究發(fā)現(xiàn)層狀巖體強(qiáng)度基本呈現(xiàn)U 型分布。劉運(yùn)思等[4]結(jié)合單弱面理論研究了板巖劈裂拉伸強(qiáng)度分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)劈裂拉伸強(qiáng)度沿層理面破壞的強(qiáng)度往往較低。實(shí)際上，層狀巖體強(qiáng)度分布規(guī)律與破壞機(jī)理密不可分，在單軸壓縮破壞過程中[5-6]，當(dāng)層理角度β1＜β＜β2時(shí)，破壞往往是沿著層理面的剪切破壞，其抗壓強(qiáng)度較低；而當(dāng)層理角度β＜β1或β2＜β時(shí)，破壞往往是壓縮破壞，其抗壓強(qiáng)度較高。而在劈裂拉伸破壞過程中[7-8]，當(dāng)0°＜β＜β1或β2＜β＜90°時(shí)，破壞屬于純拉伸破壞；當(dāng)β1＜β＜β2時(shí)，破壞屬于沿層面剪切破壞。層狀巖體受結(jié)構(gòu)面的影響破壞形式不一，而不同的破壞形式在一定程度上反映了巖體的強(qiáng)度。巖體在破壞過程中，內(nèi)部產(chǎn)生的微破裂可產(chǎn)生不同頻率、不同能量的聲波，巖體聲發(fā)射與巖體力學(xué)參數(shù)、巖體損傷破壞之間存在一定內(nèi)在關(guān)聯(lián)[9]。目前，聲發(fā)射技術(shù)在巖石力學(xué)室內(nèi)的試驗(yàn)應(yīng)用主要在以下2 個(gè)方面：

1)對(duì)巖石破裂過程微裂紋開展全過程監(jiān)測(cè)與定位，如XIE等[10-11]利用聲發(fā)射系統(tǒng)定位技術(shù)，對(duì)單軸和劈裂試驗(yàn)下微裂紋從開展至破裂全過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2)研究不同試驗(yàn)條件下巖石破裂與聲發(fā)射能量之間的關(guān)系，如WASANTHA等[12]發(fā)現(xiàn)不同層理角度下聲發(fā)射能量和軸向應(yīng)變率之間的關(guān)系反映了層理角度對(duì)初始裂紋開展、耗散能和應(yīng)變能的影響規(guī)律；ZHANG等[13]對(duì)巖鹽、石膏單軸循環(huán)加載下進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)循環(huán)加載下聲發(fā)射能量是單次加載下的1.28 倍；謝凱楠等[14]研究了聲發(fā)射下頁巖在拉伸破壞下整體破壞能量分布與局部應(yīng)力下的能量統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律；姜德義等[15]通過試驗(yàn)前期的聲發(fā)射情況了解頁巖破裂和破裂中能量釋放的狀態(tài)；陳珂等[16]發(fā)現(xiàn)在砂巖劈裂實(shí)驗(yàn)下，隨著加載速率增大，AE(acoustic emission)振鈴率和AE 能量率都隨之增大，峰值處釋放的AE能量率最大值呈遞增趨勢(shì)。

可見，層狀巖體力學(xué)特性和破壞具有明顯的各向異性特征，采用聲發(fā)射這一無損監(jiān)測(cè)技術(shù)能有效獲得巖體破裂過程中力學(xué)特性與聲發(fā)射能之間的關(guān)系，聲發(fā)射能也能反映巖體裂紋開展規(guī)律。因此，將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于層狀砂巖的力學(xué)特性和破壞機(jī)理研究，通過研究聲發(fā)射能、力學(xué)特性和破壞形式三者之間的關(guān)系，可揭示砂巖受層理面影響時(shí)變形和破壞機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)試樣選自于云南楚雄，采用完整性和均質(zhì)性較好的砂巖加工、切割、打磨至高徑比為2.0：1.0和0.5：1.0(高徑比為2.0：1.0的巖樣用于單軸壓縮試驗(yàn)，高徑比為0.5：1.0的巖樣用于巴西劈裂試驗(yàn))，巖樣直徑均為(49±1)mm，巖石試樣表面光滑，上、下表面的平行度控制在0.5 mm，表面的平面度控制在0.1 mm。層狀砂巖試樣見圖1。

圖1 層狀砂巖試樣Fig.1 Sample of layered sandstone

1.2 測(cè)試方法

本次單軸試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)均在RMT-150C巖石試驗(yàn)機(jī)上完成。單軸試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)方案是將巖樣層理面與荷載之間的夾角β分別取0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°進(jìn)行加載，巖樣層理面與荷載之間的夾角β的關(guān)系如圖2所示。單軸試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)加載速率均控制在0.01 mm/s，加載至巖樣完全破裂為止。

圖2 巖樣加載示意圖Fig.2 Loading schematics of rock sample

1.3 聲發(fā)射

試樣前后兩端采用聲發(fā)射探頭耦合在試樣表面，2個(gè)探頭耦合面相互平行，且2 個(gè)探頭中心點(diǎn)在同一條軸線上，軸線與探頭耦合面垂直。探頭與巖樣耦合面之前先用細(xì)砂紙打磨平整，再涂抹黃油使得探頭與巖樣耦合完全。發(fā)射信號(hào)采用雙通道進(jìn)行采集，聲發(fā)射探頭感應(yīng)頻率為10～103kHz。在試樣與傳感器貼合附近進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn)，檢查是否耦合良好。

2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與強(qiáng)度分布

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖3所示為不同層理角度下砂巖單軸壓縮試驗(yàn)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3可見：7 個(gè)層理角度下砂巖單軸破壞過程具有明顯的壓密階段、彈性階段、裂紋開展階段、裂紋貫通階段和破壞階段；在壓密階段過程中，巖體內(nèi)部孔隙、空隙密實(shí)，7 個(gè)層理角度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線重合，層理效應(yīng)不明顯，無明顯的各向異性特征；在彈性階段，隨著層理角度從0°遞增至90°，視彈性模量分別為8.14，7.65，6.92，7.41，7.62，7.29和8.45 GPa，應(yīng)力-應(yīng)變斜率呈現(xiàn)出兩端大、中間小的U 型分布，巖體的力學(xué)性能顯示出明顯的各向異性；當(dāng)巖體經(jīng)歷裂紋開展階段、裂紋貫通階段達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)，峰值應(yīng)力在不同層理角度下不同，此時(shí)，受層理面效應(yīng)影響較大，層理角度不同導(dǎo)致巖體破壞模式各異，其強(qiáng)度分布也不同。

圖3 不同層理角度下單軸試驗(yàn)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Relationship between stress and strain in uniaxial test under different bedding angles

圖4所示為不同層理角度下砂巖劈裂拉伸試驗(yàn)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4可見：7 個(gè)層理角度下砂巖劈裂破壞過程具有明顯的彈性階段、裂紋開展階段、裂紋貫通階段和破壞階段；在砂巖劈裂破壞過程中，未出現(xiàn)明顯的壓密階段，這與砂巖單軸壓縮破壞經(jīng)歷5個(gè)階段不同。從巖體內(nèi)部單元體應(yīng)力分析，單軸壓縮為1 對(duì)主應(yīng)力作用于單元體，單元體變形主要是沿主應(yīng)力方向壓縮，巖體內(nèi)部孔隙受應(yīng)力作用擠密，單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯壓密階段。而劈裂破壞為2對(duì)主應(yīng)力作用于單元體，分別是指向單元體的壓主應(yīng) 力和背離單元體拉主應(yīng)力，此時(shí)，巖體內(nèi)部孔隙在拉主應(yīng)力作用下不易于擠密壓實(shí)，砂巖在劈理破壞過程中未出現(xiàn)明顯的壓密階段。在劈裂過程前期，應(yīng)力增大較快，表現(xiàn)出明顯的彈性變形，巖體隨著層理角度從0°遞增至90°，視彈性模量分別為11.43，10.71，8.94，7.36，8.01，7.59和9.34 GPa，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率呈現(xiàn)出兩端大、中間小的U 型分布，巖體的力學(xué)性能顯示出明顯的各向異性。在劈裂過程后期，應(yīng)力增大速度減慢，受層理面效應(yīng)影響，在0°，15°和30°這3 個(gè)層理角度下，應(yīng)力增大緩慢或不增大，應(yīng)變?cè)龃竺黠@；在45°，60°，75°和90°這4 個(gè)層理角度下，應(yīng)力仍緩慢提高，應(yīng)變?cè)龃笏俣雀哂趹?yīng)力增大速度。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是：當(dāng)層理角度為0°，15°和30°時(shí)，層理面與加載方向呈小角度，在劈裂拉伸過程中主要是沿層理面拉伸破壞，層理面間的強(qiáng)度較低；當(dāng)層理面應(yīng)力快達(dá)到峰值時(shí)，應(yīng)力增大緩慢或不增大，主要為應(yīng)變?cè)龃?，?yīng)力-應(yīng)變曲線平緩，巖樣破壞時(shí)應(yīng)變較小，其值在0.5%～0.8%之間；當(dāng)層理面角度為45°，60°，75°和90°時(shí)，層理面與加載方向呈大角度，在劈裂拉伸過程中主要是巖塊拉伸破壞；當(dāng)巖塊應(yīng)力進(jìn)入塑性階段后，巖塊強(qiáng)度高于層理面強(qiáng)度，應(yīng)力繼續(xù)增大，巖樣破壞時(shí)應(yīng)變較大，其值在1.1%～1.3%之間，但應(yīng)變?cè)龃笏俣雀哂趹?yīng)力增大速度，表現(xiàn)出明顯的塑形變形。

圖4 不同層理角度下劈裂試驗(yàn)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Relationship between stress and strain in splitting test under different bedding angles

2.2 強(qiáng)度分布

單軸試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度cσ計(jì)算公式如下：

式中：P為荷載，kN；D為加載圓柱試樣直徑，mm。圖5所示為21個(gè)單軸試樣在不同層理角度下的抗壓強(qiáng)度。由圖5可見：砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度在52.67～64.68 MPa 之間，強(qiáng)度最大值和最小值的相對(duì)差為25%左右，強(qiáng)度分布具有明顯的各向異性；隨著層理角度從0°遞增至90°，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先減小后增大的U 形分布趨勢(shì)，砂巖的抗壓強(qiáng)度受層理面影響較大。結(jié)合砂巖單軸破壞可知：當(dāng)層理角度為0°，15°，75°和90°時(shí)，抗壓強(qiáng)度均大于59 MPa，砂巖為沿加載方向的壓縮破壞，強(qiáng)度略高，并出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度最大值64.68 MPa；當(dāng)層理角度為30°，45°和60°時(shí)，抗壓強(qiáng)度均小于 52.67 MPa，砂巖為沿弱面的剪切破壞，強(qiáng)度略低；當(dāng)層理角度為30°時(shí)，抗壓強(qiáng)度最小，為52.67 MPa。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是層理面屬于弱面，其強(qiáng)度比完整巖塊的低。根據(jù)單一弱面理論，當(dāng)層理角度β1＜β＜β2時(shí)，巖體總是沿著弱面發(fā)生剪切滑移破壞。

圖5 單軸抗壓強(qiáng)度和層理角度的關(guān)系Fig.5 Relationship between uniaxial compressive strength and bedding angle

巴西劈裂試驗(yàn)計(jì)算巖石抗拉強(qiáng)度tσ為

式中：P為荷載，kN；D為加載圓盤直徑，mm；L為圓盤厚度。

圖6所示為21個(gè)單軸試樣在不同層理角度下的抗拉強(qiáng)度。由圖6可以看出：砂巖的劈裂抗拉強(qiáng)度為1.29～3.43 MPa，強(qiáng)度最大值和最小值相差62.40%左右，強(qiáng)度分布具有明顯的各向異性；隨著層理角度從0°遞增至90°，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)，砂巖的抗拉強(qiáng)度受層理面影響較大；當(dāng)層理角度為0°，15°和30°時(shí)，砂巖拉伸強(qiáng)度為1.29～1.73 MPa，強(qiáng)度接近且較低；當(dāng)層理面與加載方向呈小角度時(shí)(層理角度小)，圓盤中心起裂時(shí)主要受拉應(yīng)力控制，又因砂巖屬于沉積成層的巖性，層理面間的黏聚力比完整巖體的低，其抵抗拉應(yīng)力能力弱，導(dǎo)致試件破壞時(shí)強(qiáng)度低；當(dāng)層理角度為45°，60°，75°和90°時(shí)，砂巖拉伸強(qiáng)度 從1.92 MPa 遞增至3.43 MPa，強(qiáng)度較高；當(dāng)層理面與加載方向呈大角度時(shí)(層理角度大)，圓盤中心起裂時(shí)拉應(yīng)力方向逐漸與層理面方向一致，層理面對(duì)抗拉強(qiáng)度影響逐漸減弱。

圖6 劈裂抗拉強(qiáng)度與層理角度的關(guān)系Fig.6 Relationship between splitting tensile strength and bedding angle

3 破壞形式

圖7所示為砂巖試件單軸壓縮破壞圖。由圖7可見：當(dāng)層理角度為0°，15°，75°和90°時(shí)，砂巖破裂 面方向與加載方向平行，表現(xiàn)出明顯的拉伸破壞。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是巖體在受壓過程中因泊松效應(yīng)，在試件橫向方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)橫向拉應(yīng)力超過巖石抗拉極限時(shí)，巖石產(chǎn)生破壞；當(dāng)層理角度為30°，45°和60°時(shí)，砂巖破裂面方向與加載方向呈一定角度，且沿著層理面破壞，表現(xiàn)出明顯的剪切滑移破壞。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是砂巖層理面強(qiáng)度較低，巖體拉應(yīng)力未達(dá)到極限應(yīng)力狀態(tài)，層理面切應(yīng)力已達(dá)到極限應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致巖體沿著層理面滑動(dòng)，產(chǎn)生破壞。

圖7 不同層理角度單軸壓縮破壞形式Fig.7 Uniaxial compression damages under different bedding angles

圖8所示為砂巖試件劈裂拉伸破壞圖。由圖8可見：7 個(gè)不同層理角度下砂巖均沿著中心起裂拉伸破壞，且破裂面方向與加載方向一致，未出現(xiàn)剪切破壞和混合破壞形式[17]。結(jié)合圖6可知：砂巖抗拉強(qiáng)度分布表現(xiàn)出一定的各向異性，沿層理面拉伸破壞強(qiáng)度低；而隨著加載方向與層理面夾角增大，抗拉強(qiáng)度增大，且并未出現(xiàn)剪切破壞和混合破壞形式，證明在圓盤劈裂試驗(yàn)中心點(diǎn)拉應(yīng)力先達(dá)到極限應(yīng)力狀態(tài)，層理面切應(yīng)力未達(dá)到切應(yīng)力極限狀態(tài)，同時(shí)，反映該類砂巖成層性好，層理面強(qiáng)度較高，這也與砂巖成層特點(diǎn)有關(guān)，膠結(jié)物的成分主要是硅質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)，其強(qiáng)度比泥質(zhì)的高。

圖8 不同層理角度圓盤劈裂破壞形式Fig.8 Disc splitting damages under different bedding angles

4 聲發(fā)射

為了探究層狀巖體破壞過程、破壞強(qiáng)度以及破壞形式，獲得層狀巖體破壞機(jī)理，本次單軸和劈裂試驗(yàn)采用聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，將應(yīng)變和軸向應(yīng)變率與應(yīng)力和聲發(fā)射單點(diǎn)采集的能量一一對(duì)應(yīng)。監(jiān)控得到不同層理角度的應(yīng)力-應(yīng)變-AE 能量率關(guān)系曲線如圖9和圖10所示，其中，軸向應(yīng)變率為加載方向某時(shí)刻的應(yīng)變占總應(yīng)變的百分比，以反映該點(diǎn)應(yīng)變以及總應(yīng)變與能量的關(guān)系。

由圖9可見巖石單軸壓縮破壞過程經(jīng)歷的5 個(gè)階段與聲發(fā)射具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1)壓密階段(AB)。應(yīng)力約為峰值應(yīng)力的15%，聲發(fā)射能量率波動(dòng)明顯且具有一定增幅，反映出巖體內(nèi)部微小裂隙閉合或節(jié)里面閉合。

2)彈性階段(BC)。聲發(fā)射能量率穩(wěn)定，未出現(xiàn)明 顯的波動(dòng)和增幅，巖體處于彈性階段，無新裂紋產(chǎn)生。

圖9 壓縮應(yīng)力-應(yīng)變-AE 能量關(guān)系曲線Fig.9 Compressive stress-strain-AE energy curves

3)初始裂紋開展階段(CD)。應(yīng)力水平超過峰值應(yīng)力的50%，聲發(fā)射能量率較穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)和增幅，巖體內(nèi)部微裂紋開展，巖體處于塑性階段。

4)裂紋貫通階段(DE)。聲發(fā)射能量率波動(dòng)明顯，具有明顯增幅，巖體內(nèi)部裂紋貫通擴(kuò)展。當(dāng)層理角度為15°，45°，75°和90°時(shí)，軸向應(yīng)變率分別達(dá)到90%，85%，60%和53%，裂紋開始貫通，層理面與加載方向越一致，裂紋沿層理面貫通，裂紋貫通速度快，試件迅速形成破裂面，立即發(fā)生破壞。反之，層理面與加載方向夾角越大，裂紋局部貫通發(fā)生越早，但整體破裂面難以形成，巖體仍有承載能力，變形持續(xù)增加。

5)破壞階段(EF)。應(yīng)力水平超過峰值應(yīng)力的90%，聲發(fā)射能量率急劇增大，突然達(dá)到峰值，試件內(nèi)儲(chǔ)存的能量瞬間釋放，內(nèi)部裂紋迅速擴(kuò)張，試件瞬間破裂，聲發(fā)射信號(hào)突然消失。

圖10所示為砂巖試件劈裂拉伸破壞圖。由圖10可見：砂巖劈裂拉伸破壞過程經(jīng)歷的4 個(gè)階段與聲發(fā)射具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖10 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變-AE 能量關(guān)系曲線Fig.10 Tensile stress-strain-AE energy curves

1)彈性階段(AB)。應(yīng)力水平小于0.5 MPa，聲發(fā)射能量率不明顯，未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)和增幅，巖體處于彈性階段，無新裂紋產(chǎn)生。

2)初始裂紋開展階段(BC)和裂紋貫通階段(CD)。應(yīng)力超過0.5 MPa，聲發(fā)射能量率輕微波動(dòng)，未出現(xiàn)明顯增幅，巖體內(nèi)部微裂紋開展和貫通，巖體處于塑性階段。當(dāng)層理角度為0°，45°，75°和90°時(shí)，軸向應(yīng)變率分別達(dá)到11%，6%，4%和3%，初始裂紋形成，彈性階段結(jié)束。當(dāng)層理面方向與加載方向一致時(shí)，裂紋沿層理面開展并迅速貫通，塑性變形占總應(yīng)變比率小，彈性階段后巖體破壞速度快。反之，層理面與加載方向夾角越大，沿中心裂紋難以快速貫通，塑性變形占總應(yīng)變比率大，試件經(jīng)過大量塑性變形后發(fā)生 破壞。

3)破壞階段(DE)。應(yīng)力超過峰值應(yīng)力的90%，聲發(fā)射能量率急劇增大，突然達(dá)到峰值，試件內(nèi)儲(chǔ)存的能量瞬間釋放，內(nèi)部裂紋迅速擴(kuò)張，試件瞬間破裂，聲發(fā)射信號(hào)突然消失。

層理角度、聲發(fā)射能量率、軸向應(yīng)變率、破壞形式見表1。由表1可知：

1)在單軸試驗(yàn)下，隨著層理角度從0°增加至90°，巖體總應(yīng)變?cè)絹碓酱?，變形越大；?dāng)巖體的裂紋開始貫通時(shí)，所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變率隨著層理角度的增加而降低；當(dāng)巖體沿著層理面拉伸破壞或者剪切破壞時(shí)(β為0°，15°，30°，45°和60°)，裂紋一旦開始貫通且沿著層理面發(fā)生，裂紋沿著層理面迅速擴(kuò)張，沿層理面形成宏觀裂紋，巖體破壞馬上發(fā)生，強(qiáng)度相對(duì)較低，對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變率大；當(dāng)巖體未沿著層理面拉伸破壞時(shí)(β為75°和90°)，裂紋開始貫通，裂紋擴(kuò)張方向與層理面呈一定夾角，宏觀裂紋不能沿著層理面迅速形成，巖體還有一定的承載能力，巖體不會(huì)馬上被破壞，強(qiáng)度相對(duì)較高，對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變率?。辉谂言囼?yàn)下，隨著層理角度從0°增加至90°，巖體總應(yīng)變?cè)絹碓酱?，變形越大；?dāng)巖體初始裂紋開展時(shí)，所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變率隨著層理角度的增加而降低，初始裂紋出現(xiàn)越來越早，彈性階段區(qū)域越來越窄；當(dāng)層理面與加載方向一致時(shí)，初始裂紋開展時(shí)的軸向應(yīng)變率大，初始微裂紋產(chǎn)生后，微裂紋沿著層理面易發(fā)生貫通形成宏觀裂紋，宏觀裂紋發(fā)展迅速，巖體立即破壞，破壞時(shí)應(yīng)力低。反之，當(dāng)層理面與加載方向夾角越大時(shí)，初始裂紋開展時(shí)的軸向應(yīng)變率小，初始微裂紋產(chǎn)生后不易發(fā)生貫通，巖體變形繼續(xù)發(fā)展，宏觀裂紋難以形成，巖體不會(huì)立即破壞。

2)在單軸試驗(yàn)下，當(dāng)層理角度為0°和15°時(shí)，單軸壓縮破壞形式為拉伸破壞且破裂面與層理面方向一致，其峰值能量率較低；當(dāng)層理角度為30°，45°和60°時(shí)，單軸壓縮破壞形式為剪切滑移破壞且破裂面與層理面方向一致，其峰值能量率較低；當(dāng)層理角度為75°和90°時(shí)，單軸壓縮破壞形式為拉伸破壞，層理面與破裂面呈一定夾角，其峰值能量率較高。在劈裂試驗(yàn)下，隨著層理角度從0°增加至90°(加載方向與層理面夾角越來越大)，峰值能量率呈增大趨勢(shì)，且拉伸強(qiáng)度也呈增大趨勢(shì)，反映了沿層理面膠結(jié)物與巖體內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)破壞相比，其產(chǎn)生聲波能小，這也與峰值應(yīng)力越大對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射能量率越大一致。

表1 聲發(fā)射能量及破壞形式Table 1 Acoustic emission energy and damage form

5 結(jié)論

1)在7 個(gè)層理角度(0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°)下，砂巖的單軸和劈裂試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 顯示出明顯的各向異性，砂巖層理面對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線有較大影響。

2)隨著層理角度的從0°增加至90°，層狀砂巖單軸抗壓強(qiáng)度先減小再增大，呈U 型分布，而劈裂拉伸強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)。

3)在單軸壓縮下，當(dāng)層理角度為0°，15°，75°和90°時(shí)，破壞形式為壓縮破壞；當(dāng)層理角度為30°，45°和60°時(shí)，破壞形式為沿弱面剪切破壞，且破裂面方向基本上與弱面方向一致。在劈裂拉伸下，隨著7個(gè)不同層理角度方向加載，圓盤均沿著中心起裂拉伸破壞。

4)隨著層理角度從0°增加至90°，在單軸試驗(yàn)下，裂紋貫通時(shí)軸向應(yīng)變率降低，裂紋貫通越困難，變形越大，所需破壞的峰值應(yīng)力越高。在劈裂試驗(yàn)下，初始裂紋開展時(shí)的軸向應(yīng)變率逐漸減小，初始裂紋發(fā)生越來越早，巖體不易于形成破裂面。

5)沿砂巖層理面拉伸和剪切破壞峰值能量率低，反之，峰值能量率高。峰值應(yīng)力越大，對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射能量率越大。