遍布節(jié)理試樣壓剪加載下的力學(xué)特性及聲發(fā)射特征研究*

郝 記 王 飛②③ 曹 平 劉智振 董 濤

(①中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083，中國)

(②長沙理工大學(xué)，湖南省公路先進(jìn)建養(yǎng)技術(shù)國際科技創(chuàng)新合作基地，長沙 410114，中國)

(③深圳大學(xué)，深地科學(xué)與綠色能源研究院，土木與交通工程學(xué)院，深圳 518060，中國)

0 引 言

現(xiàn)實工程中巖質(zhì)邊坡、巷道拱角等都會受到壓剪荷載作用，因而確保壓剪作用下工程的穩(wěn)定性具有重要意義。但天然巖體的穩(wěn)定性在其內(nèi)部發(fā)育的節(jié)理、斷層等不連續(xù)面的影響下而受到極大削弱(韓剛等， 2016)。巖石節(jié)理是最常見的一類不連續(xù)面，也是分布最廣泛的一種斷裂構(gòu)造。現(xiàn)實中巖體的破壞主要以節(jié)理在荷載的作用下剪切貫通而導(dǎo)致工程巖體滑動為主，節(jié)理的剪切行為控制裂隙巖體的變形與破壞(Zhang et al.，2015)。因此，在節(jié)理巖體中開展力學(xué)特性研究顯得尤為重要。

由于現(xiàn)場大型原位試驗成本高、難度大，現(xiàn)場節(jié)理巖體試件采集困難及節(jié)理分布的無序性等原因，對現(xiàn)場節(jié)理巖體進(jìn)行有效的力學(xué)研究是極其困難的(蒲成志等， 2010； 王佩新等， 2017)。因此，節(jié)理巖體的室內(nèi)試驗研究以類巖石材料預(yù)制人工節(jié)理和加工制作巖石節(jié)理為主(范文臣等， 2015)。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者采用人工節(jié)理室內(nèi)試驗對節(jié)理巖體力學(xué)性質(zhì)及破壞機制進(jìn)行了大量研究，揭示了不同應(yīng)力狀態(tài)下節(jié)理對巖體強度、變形及破壞模式的影響。

在壓縮應(yīng)力作用下，節(jié)理巖體破壞受到節(jié)理連通率、位置、傾角、密度等因素影響。Yang et al. (2013， 2016)對含2條、3條節(jié)理的砂巖試件進(jìn)行單軸壓縮試驗以研究不同節(jié)理參數(shù)試樣的力學(xué)性質(zhì)； 在單軸壓縮條件下，陳新等(2011)，Chen et al. (2014)通過預(yù)制張開裂隙節(jié)理組研究節(jié)理產(chǎn)狀和連通率對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響； Wong et al. (2009)對大理巖和石膏單裂隙試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗，提出不同裂紋尖端的起裂和擴(kuò)展模式。Cao et al. (2016)采用類巖材料預(yù)制遍布節(jié)理試樣并進(jìn)行單軸加載以研究遍布節(jié)理參數(shù)對試樣力學(xué)性質(zhì)的影響。節(jié)理巖體不僅在壓縮應(yīng)力下得到了大量力學(xué)研究，其在剪切應(yīng)力下亦得到了大量學(xué)者的關(guān)注、研究。在剪切作用下，節(jié)理試樣的破壞受到表面粗糙度、法向荷載、充填物成分、含水率等因素的影響。Gehle et al. (2003)進(jìn)行直剪試驗以研究節(jié)理試樣的破壞過程并將其分為節(jié)理面擴(kuò)展、巖橋滑動和節(jié)理面的滑動3個階段； 陳國慶等(2017)采用直剪試驗結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)分析不同連通率巖橋和法向應(yīng)力對斷續(xù)節(jié)理巖體破壞特征的影響； 胡波等(2008)采用理論計算與試驗相結(jié)合推導(dǎo)了共面閉合斷續(xù)節(jié)理巖體的直剪強度公式； 唐志成等(2011)采用不同軸向荷載下的直剪試驗分析法向荷載對節(jié)理試樣抗剪強度的影響，并基于試驗結(jié)果對剪切變形本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)。范文臣等(2015)通過對充填節(jié)理類巖樣進(jìn)行變角度壓剪試驗，探究不同壓剪應(yīng)力比下傾角對破壞模式的影響。

學(xué)者針對遍布節(jié)理研究以模型為主，多運用遍布節(jié)理模型分析巖體的穩(wěn)定性。朱澤奇等(2009)針對層狀巖體建立了考慮其橫觀各向同性變形特性的遍布節(jié)理模型，并用該模型分析了層狀巖體圍巖變形及破裂特征。冷先倫等(2009)在硐室群圍巖穩(wěn)定性分析中引入遍布節(jié)理模型，研究遍布節(jié)理弱面的走向和傾向?qū)鷰r變形的影響。吳順川等(2006)提出了基于遍布節(jié)理模型的強度折減法來分析邊坡的穩(wěn)定性。目前，節(jié)理參數(shù)對遍布節(jié)理試樣力學(xué)性質(zhì)的影響研究相對較少。熊心廣等(2016)采用單軸壓縮試驗研究節(jié)理傾角和節(jié)理夾角參數(shù)對非貫通遍布節(jié)理試樣破碎規(guī)律的影響。

前人的研究針對壓縮荷載下節(jié)理試樣的力學(xué)性質(zhì)相對較多，直剪荷載下節(jié)理試樣的力學(xué)性質(zhì)也進(jìn)行了部分研究，而壓剪綜合應(yīng)力環(huán)境在現(xiàn)實邊坡工程和基坑工程中是常常出現(xiàn)的。同時，遍布節(jié)理巖體內(nèi)部的節(jié)理參數(shù)(如間距、傾角、長度等)將極大影響試樣的力學(xué)性質(zhì)。因此，針對壓剪荷載下受節(jié)理傾角、間距組合參數(shù)影響的遍布節(jié)理試樣的力學(xué)行為進(jìn)行研究將對邊坡工程的設(shè)計、施工具有重要意義。目前，現(xiàn)有研究中尚未出現(xiàn)壓剪下組合遍布節(jié)理參數(shù)影響的巖體的破壞力學(xué)行為研究。為此，本文對遍布節(jié)理巖體進(jìn)行壓剪試驗，研究節(jié)理傾角和間距組合參數(shù)對巖體強度、破壞規(guī)律等力學(xué)性質(zhì)的綜合影響，同時采用聲發(fā)射設(shè)備監(jiān)測試樣的微觀破裂行為。

1 試驗概況

1.1 試樣制備

采用18目(1mm)粒徑以下的細(xì)砂作為骨料，采用C42.5號的白色水泥為膠結(jié)材料。水泥砂漿中白水泥、細(xì)砂、水按體積比2︰1︰1配置。澆筑好的水泥砂漿在室溫下養(yǎng)護(hù)24h后拆模，再在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行試驗。通過制作不同類型標(biāo)準(zhǔn)試樣并進(jìn)行測試，得到類巖材料的基本力學(xué)參數(shù)如表1所示，其與脆性巖石試樣力學(xué)參數(shù)類似，因而可用于節(jié)理巖石力學(xué)性質(zhì)的研究。由于現(xiàn)實節(jié)理巖石試樣存在制作困難、內(nèi)部均質(zhì)性等問題，采用類巖材料進(jìn)行試驗研究更易操作、結(jié)果規(guī)律更可靠。

表1 類巖材料的基本力學(xué)參數(shù)

試驗研究的節(jié)理試樣尺寸(高×寬×厚)為100mm×100mm×30mm，試樣內(nèi)節(jié)理采用插入0.6mm厚度的云母片的方法制作以模擬現(xiàn)實巖體中由泥土或碎屑充填的閉節(jié)理，云母片長為15mm，節(jié)理巖橋長為20mm，試件尺寸及節(jié)理參數(shù)分布如圖1。采用云母片制作閉節(jié)理的方法適用于整體研究節(jié)理參數(shù)(如傾角、長度)對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響，其簡化了節(jié)理的內(nèi)在力學(xué)參數(shù)，存在未考慮節(jié)理面之間摩擦性的局限性。結(jié)合現(xiàn)實巖體節(jié)理間距與巖體尺寸比，試樣設(shè)置4種不同節(jié)理間距(d為15mm、22mm、29mm、36mm 4種)，每種節(jié)理間距下含6種不同傾角(0°、30°、45°、60°、75°和90°)。為確保節(jié)理制作位置的精確性，先打印按節(jié)理布置與試樣大小相等的紙張，裁剪后拓在磨具上進(jìn)行節(jié)理制作。節(jié)理試樣以S-a-b來命名，“S”指試樣，“a”指試樣的節(jié)理間距d，“b”指試樣的節(jié)理傾角α。

圖1 試件尺寸及節(jié)理參數(shù)分布

1.2 試驗過程

本次試驗采用新三思軸向加載試驗機，加載方式以0.1mm·min-1的位移控加載。將巖石力學(xué)常規(guī)試驗中所用變角度壓剪盒固定于儀器壓頭上，固定壓剪角為45°，從而形成壓剪系統(tǒng)(圖2)。為研究試樣的破壞過程，采用高清攝像儀對試驗過程進(jìn)行記錄。與加載過程同步，采用聲發(fā)射設(shè)備監(jiān)測加載過程中試樣的聲發(fā)射活動?，F(xiàn)場整體試驗裝置及示意如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場試驗裝置及示意圖

2 遍布節(jié)理試樣的力學(xué)特性

2.1 壓剪荷載下遍布節(jié)理試樣的破壞模式

單裂隙試樣在軸向荷載作用下沿著裂隙會發(fā)育拉伸裂紋(翼裂紋)和次生裂紋兩種裂隙(王飛等， 2018)。根據(jù)裂隙沿節(jié)理面不同方向，次生裂紋可分為類平面次生裂紋和斜次生裂紋(圖3)。根據(jù)試驗結(jié)果中不同類型裂隙主導(dǎo)試樣破壞，將遍布節(jié)理類巖試樣的破壞模式劃分為3種：平面剪切破壞、類完整性剪切破壞和斜剪切破壞。

圖3 原有裂隙在荷載作用下發(fā)育裂隙類型

2.1.1 節(jié)理傾角對試樣破壞模式的影響

S-22-0試樣(圖4a)在壓剪加載初期上部節(jié)理先產(chǎn)生拉伸翼裂紋，翼裂紋隨著荷載的增大而擴(kuò)展。但隨著荷載不斷增大，裂隙擴(kuò)展沒有得到延續(xù)且呈現(xiàn)出緩慢閉合的趨勢。剪切面兩端開始形成類平面次生裂紋，在荷載作用下不斷擴(kuò)展、貫通巖橋，最終沿著試樣中部節(jié)理面形成平面剪切破壞。這種由類平面次生裂紋占主導(dǎo)作用形成的剪切破壞定義為平面剪切破壞(Ⅰ破壞模式)。

S-22-45試樣(圖4c)在加載初期試樣節(jié)理裂紋發(fā)育較少。隨荷載增強，試樣兩端先產(chǎn)生裂隙，試樣左上部沿節(jié)理面方向類平面剪切裂紋不斷發(fā)育，進(jìn)而節(jié)理裂隙間不斷搭接。但局部的損傷沒有完全破壞節(jié)理試樣，而是由試樣中上部附近形成由斜次生裂紋、類平面次生裂紋相互搭接構(gòu)成的剪切面導(dǎo)致試樣破壞。這種由2類裂紋相互貫通形成的破壞現(xiàn)象定義為類完整性剪切破壞(Ⅱ破壞模式)。節(jié)理傾角30°試樣(圖4b)與45°試樣裂隙發(fā)育形成的貫通路徑不同，但其均由類平面剪切裂紋、斜次生裂紋相互搭接貫通形成破壞面，也為類完整性剪切破壞。

S-22-90試樣(圖4d)加載初期與剪切面相交的中部節(jié)理位置發(fā)育翼裂紋、試樣兩端局部開裂。隨后，與剪切面相交節(jié)理逐步發(fā)育斜次生裂紋。斜次生裂紋在相鄰節(jié)理之間不斷搭接，進(jìn)而形成與剪切面類似平行的貫通節(jié)理的剪切面。由斜次生裂紋主導(dǎo)試樣貫通剪切破壞的模式定義為斜剪切破壞(Ⅲ破壞模式)。

圖4 不同節(jié)理傾角試樣的破壞模式

觀察不同節(jié)理傾角試樣的破壞模式(表2)可以發(fā)現(xiàn)節(jié)理傾角在影響試樣破壞模式上起主導(dǎo)作用：節(jié)理傾角較小時(0°)試樣破壞模式均為Ⅰ破壞模式； 隨著傾角的增大(30°～60°)為Ⅱ破壞模式； 75°～90°傾角試樣的破壞模式為Ⅲ或Ⅱ破壞模式。

表2 不同節(jié)理傾角、間距試樣的破壞模式

2.1.2 節(jié)理間距對破壞模式的影響

當(dāng)節(jié)理傾角α=0°時，不同節(jié)理間距的試樣破壞模式均為Ⅰ破壞模式(表2)。節(jié)理間距的改變會引發(fā)節(jié)理尖端翼裂紋的發(fā)育、搭接位置的改變，但整體上試樣內(nèi)部都在中部剪切應(yīng)力面上形成由類平面剪切裂紋貫通的剪切破壞面。節(jié)理間距只影響節(jié)理試樣上翼裂紋的發(fā)育情況。

當(dāng)節(jié)理傾角α=45°時，不同節(jié)理間距的試樣破壞模式均為Ⅱ破壞模式(表2)。不同節(jié)理間距試樣的破壞路徑存在一定的差異，節(jié)理間距的增大會導(dǎo)致試樣表面的裂紋數(shù)量減小。節(jié)理傾角為30°、60°的試樣與節(jié)理傾角45°試樣的裂紋發(fā)育規(guī)律類似。

當(dāng)節(jié)理傾角α=75°時，節(jié)理間距為15mm的試樣為Ⅲ破壞模式，其余節(jié)理試樣為Ⅱ破壞模式(表2)。試樣中不同節(jié)理間距會導(dǎo)致破壞模式發(fā)生改變。即使相同破壞模式的試樣其破壞路徑也各有差異。節(jié)理間距越小節(jié)理尖端斜次生裂紋發(fā)育越多，越有利于裂紋搭接、貫通形成斜剪切破壞。

當(dāng)節(jié)理傾角α=90°時，節(jié)理間距15mm、22mm為Ⅲ破壞模式，節(jié)理間距29mm、36mm為Ⅱ破壞模式(表2)。圖5顯示了90°節(jié)理傾角下不同節(jié)理間距試樣的破壞模式。90°傾角下試樣的剪切應(yīng)力方向與節(jié)理垂直，易引起斜次生裂紋的發(fā)育且節(jié)理間巖橋較小易引起裂紋的搭接、貫通，因而90°試樣斜剪切破壞數(shù)量相較75°試樣數(shù)量增加。節(jié)理間距較大時(圖5a和圖5b)，斜次生裂紋起裂后的擴(kuò)展極其困難，會與拉伸裂紋相互搭接、貫通，因而節(jié)理間距29mm、36mm試樣均為類完整性剪切破壞。而節(jié)理間距為15mm和22mm時(圖5c和圖4d)，相鄰節(jié)理在剪切荷載的作用下易相互搭接形成斜次生裂紋，最終斜次生裂紋以節(jié)理端點為接點相互貫通破壞試樣，其破壞模式為斜剪切破壞。

圖5 不同節(jié)理間距巖體破壞模式

觀察不同節(jié)理間距試樣破壞模式(表2)可發(fā)現(xiàn)：隨著節(jié)理間距的增大，平面剪切破壞數(shù)量不變，類完整性剪切破壞數(shù)量不斷增加，斜剪切破壞不斷減小。因而，節(jié)理間距改變會引起試樣破壞模式的改變，影響程度與節(jié)理傾角有關(guān)。

2.2 節(jié)理傾角、間距對試樣峰值剪切強度的影響

在壓模端面與壓力機承壓板間放置滾柱板，因而滾動摩擦系數(shù)為0。試驗研究中，固定壓剪角為45°，剪切面上的正應(yīng)力等于剪應(yīng)力。對于相同節(jié)理布置的試件，進(jìn)行完全相同的3次重復(fù)試驗，選取平均值作為該試件試驗結(jié)果。節(jié)理試樣的峰值剪切強度試驗結(jié)果列在表3。

表3 節(jié)理試樣的抗剪強度

削弱度定義為節(jié)理對試件抗剪承載力的削弱值與無節(jié)理試件抗剪承載力的比值。45°壓剪角下的完整試樣的峰值剪切強度為9.59MPa。計算不同節(jié)理試樣的削弱度列在表3中。從表3中可以發(fā)現(xiàn)：節(jié)理試樣弱化程度范圍為15.95%～56.62%； 相同節(jié)理間距傾角0°的試樣削弱度最大， 45°削弱度最??； 相同節(jié)理傾角，削弱度隨著節(jié)理間距減小不斷增大； S-36-45節(jié)理試樣削弱度最小為15.95%，S-15-0節(jié)理試樣削弱度最大為56.62%。

2.2.1 節(jié)理傾角對試樣峰值剪切強度的影響

節(jié)理試樣的峰值剪切強度隨節(jié)理傾角變化如圖6所示。從圖中可以看出：試樣的峰值剪切應(yīng)力隨傾角呈現(xiàn)先增加后減小，其中45°節(jié)理試樣的峰值強度最大。在0°節(jié)理傾角下試樣沿剪切面的裂隙最長、巖橋最小，在該剪切面上易引發(fā)平面剪切裂紋進(jìn)而貫通試樣，因此0°節(jié)理試樣的剪切強度最小。節(jié)理傾角30°～45°，隨著節(jié)理傾角的增大，剪切應(yīng)力面上節(jié)理之間的巖橋增大，試樣在45°節(jié)理之間巖橋長度最大，節(jié)理試樣均發(fā)生類完整性剪切破壞，因而峰值剪切強度增大。節(jié)理傾角在60°～90°，節(jié)理方向與剪切面逐漸趨向垂直，剪切應(yīng)力面上節(jié)理之間巖橋長度不斷減小，節(jié)理兩端斜剪切裂紋發(fā)育增強，試樣的破壞模式也由類完整性破壞向斜剪切破壞轉(zhuǎn)變，因而試樣的峰值剪切強度不斷減小。

圖6 不同節(jié)理傾角試樣的峰值剪切強度

2.2.2 節(jié)理間距對試樣峰值剪切強度的影響

圖7為試樣的峰值剪切強度隨節(jié)理間距變化圖。從圖中可以看出：相同節(jié)理傾角下試樣的峰值剪切應(yīng)力隨著節(jié)理間距的增加不斷增大，節(jié)理間距29mm與節(jié)理間距36mm的試樣峰值剪切強度大致相等。節(jié)理間距的增加導(dǎo)致預(yù)制節(jié)理之間的巖橋長度增加，貫通難度加大，從而峰值剪切強度增大?，F(xiàn)實巖體中節(jié)理間距的增大會導(dǎo)致節(jié)理密度的減小，而本次試驗中由于試樣尺寸的恒定， 29mm和36mm節(jié)理間距的改變沒有引起試樣內(nèi)節(jié)理密度的增加，因而，節(jié)理間距29mm與36mm的試樣峰值剪切強度近似相同。

圖7 不同節(jié)理間距試件的峰值剪切強度

2.3 節(jié)理試樣的剪切應(yīng)力-位移曲線

根據(jù)試驗機記錄的軸向荷載和軸向位移曲線得到試樣的剪切應(yīng)力-位移曲線。不同傾角下節(jié)理試樣的剪切應(yīng)力-位移曲線(圖8a)隨傾角變化其曲線在微裂隙閉合階段有一定的重合性，而其他階段體現(xiàn)出明顯的差異(峰后階段尤其明顯)。節(jié)理間距為15mm的試樣， 45°節(jié)理傾角試樣的應(yīng)力-位移曲線在峰后階段產(chǎn)生應(yīng)力突降，其他試樣的應(yīng)力-位移曲線則緩慢下降。節(jié)理試樣的應(yīng)力-位移曲線在峰后階段的應(yīng)力曲線斜率與破壞模式有一定相關(guān)性： 45°、60°、30°節(jié)理傾角試樣破壞模式為類完整性剪切破壞， 45°節(jié)理傾角試樣曲線產(chǎn)生應(yīng)力突降現(xiàn)象， 60°和30°節(jié)理試樣應(yīng)力曲線斜率也較大； 75°和90°節(jié)理試樣在峰后階段應(yīng)力曲線斜率較小，由于試樣的破壞模式為斜剪切破壞導(dǎo)致試樣峰值剪切強度較小進(jìn)而下降較慢； 0°節(jié)理試樣的峰后曲線斜率最小，由于其破壞模式為平面剪切破壞導(dǎo)致其峰值剪切強度較低進(jìn)而峰后曲線相對平緩。節(jié)理間距為36mm的試樣其峰后曲線出現(xiàn)應(yīng)力突降或多級應(yīng)力突降現(xiàn)象。與節(jié)理間距15mm的試樣相比，節(jié)理間距為36mm的試樣破壞后曲線易產(chǎn)生應(yīng)力突降。

不同節(jié)理間距試樣的剪切應(yīng)力-位移曲線(圖8b)呈現(xiàn)出以下特點：節(jié)理間距越大的試樣其峰值剪切強度越大； 不同節(jié)理間距試樣曲線變化形態(tài)大致相似，但曲線斜率與節(jié)理間距具有相關(guān)性。對于0°節(jié)理傾角試樣，不同間距其峰后曲線均呈平緩下降趨勢，節(jié)理間距越大則試樣的峰后曲線斜率相對越大。節(jié)理傾角為60°的試樣，破裂后階段具有明顯的應(yīng)力突降，節(jié)理間距越大應(yīng)力突降值相對越大。

圖8 壓剪荷載下節(jié)理試樣的剪切應(yīng)力-位移曲線

3 節(jié)理試樣聲發(fā)射特征參數(shù)分析

3.1 不同節(jié)理間距試樣聲發(fā)射活動差異性分析

聲發(fā)射撞擊數(shù)體現(xiàn)了破裂活動的總量和頻度，它是超過聲發(fā)射門檻值并被通道獲取的信號(紀(jì)洪廣等， 2015)。圖9為不同試樣撞擊數(shù)和剪切應(yīng)力隨時間變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：完整試樣(圖9a)在壓密階段最大撞擊數(shù)小于節(jié)理試樣(圖9b～圖9d)的最大撞擊數(shù)，在壓密階段隨著節(jié)理間距減小聲發(fā)射撞擊數(shù)增大； 節(jié)理試樣在壓密階段的聲發(fā)射單位最大撞擊數(shù)大于其在裂紋擴(kuò)展、破壞階段。完整試樣在壓密階段孔隙相對較少，遍布節(jié)理試樣由于內(nèi)置裂紋且量大，其在壓密階段試樣不斷壓縮內(nèi)在裂隙，進(jìn)而產(chǎn)生大量的聲發(fā)射活動，聲發(fā)射撞擊數(shù)遠(yuǎn)大于完整試樣的撞擊數(shù)。節(jié)理試樣S-36-45與試樣S-29-45相比，雖然節(jié)理間距減小，但裂隙密度并未有太大變化，因而其聲發(fā)射活動單位撞擊數(shù)峰值和形態(tài)差異性不大(圖9b～圖9c)。而節(jié)理間距22mm的試樣斷續(xù)節(jié)理增加較多，其在壓密階段單位最大撞擊數(shù)會更大(圖9d)，在荷載的作用下其內(nèi)部裂紋更易相互搭接、貫通形成整體較強的聲發(fā)射活動。節(jié)理試樣在壓密階段的單位最大撞擊數(shù)大于裂隙擴(kuò)展、破壞階段的原因在于節(jié)理試樣內(nèi)置裂隙處于張開狀態(tài)，其在壓密階段荷載作用下全部進(jìn)行壓密、閉合，所有斷續(xù)節(jié)理將同時產(chǎn)生大量聲發(fā)射活動，而試樣在裂紋擴(kuò)展、破壞階段其內(nèi)部是密實的，聲發(fā)射活動來源于沿著主要破壞面的裂紋擴(kuò)展，因而其單位撞擊數(shù)小于壓密階段。

圖9 不同節(jié)理試樣的剪切應(yīng)力-時間曲線及聲發(fā)射特征

撞擊數(shù)反應(yīng)聲發(fā)射的頻度，而聲發(fā)射能量反映信號的強度。針對聲發(fā)射能量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，圖10a為完整試樣(S-WZ)和節(jié)理試樣(S-36-45)能量柱狀圖和能量累積隨時間變化。完整試樣的能量釋放呈現(xiàn)多個峰值而節(jié)理試樣峰值較少，因而節(jié)理試樣的最大峰值(19494)大于完整試樣(7603)； 完整試樣的能量和(92320)大于節(jié)理試樣能量和(85330)。完整試樣在其受載過程中呈現(xiàn)漸進(jìn)式突破，歷經(jīng)蓄能、突破、再蓄能式不斷前進(jìn)的過程，因而能量釋放呈現(xiàn)多個峰值。遍布節(jié)理試樣由于內(nèi)置裂隙的存在，其破壞圍繞斷續(xù)節(jié)理不斷起裂、擴(kuò)展，最終形成貫通破壞面導(dǎo)致能量驟然釋放，因而其峰值數(shù)較少且最大峰值能量大于完整試樣。

圖10 不同節(jié)理間距試樣對聲發(fā)射能量的影響

圖10b展示了節(jié)理間距對試樣聲發(fā)射活動的影響。隨節(jié)理間距的減小，節(jié)理試樣的能量峰值減小，其與試樣強度具有一致性； 但隨著節(jié)理間距的減小，節(jié)理試樣的能量累積值逐漸增大。由于能量累積的大小與時間相關(guān)，為了體現(xiàn)試樣整體聲發(fā)射活動效率，不同節(jié)理間距試樣進(jìn)行了能量均值求解。能量均值隨節(jié)理間距減小而增大。節(jié)理間距越小，斷續(xù)節(jié)理越密集，荷載作用下節(jié)理尖端易產(chǎn)生較多的裂紋。節(jié)理間距越小其內(nèi)部的裂紋量越多，基于損傷理論、能量守恒，其試樣破壞過程需要的能量也越多。

3.2 不同傾角節(jié)理試樣聲發(fā)射活動差異性分析

對不同節(jié)理傾角試樣的聲發(fā)射撞擊數(shù)、能量等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理統(tǒng)計，分析節(jié)理傾角對聲發(fā)射活動的影響。圖11a為22mm節(jié)理間距下不同傾角試樣在壓密階段和裂隙擴(kuò)展破壞階段的最大撞擊數(shù)統(tǒng)計。S-22-0、S-22-45節(jié)理試樣壓密階段最大撞擊數(shù)大于裂隙擴(kuò)展破壞階段，其他傾角試樣壓密階段峰值撞擊數(shù)小于裂隙擴(kuò)展破壞階段峰值撞擊數(shù)。不同傾角節(jié)理試樣聲發(fā)射撞擊數(shù)的差異性與試樣的破壞模式及具體的裂紋擴(kuò)展、破壞路徑有一定的相關(guān)性，因而壓密階段最大撞擊數(shù)與破壞階段最大撞擊數(shù)不具有絕對的對應(yīng)關(guān)系。

圖11 不同節(jié)理傾角試樣對聲發(fā)射活動的影響

圖11b為聲發(fā)射活動隨傾角變化的能量指標(biāo)變化情況(圖中省略了45°能量累積曲線)。將圖中峰值能量進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)：試樣峰值能量隨節(jié)理傾角從0°增加到45°而增大，隨節(jié)理傾角從45°增加到90°而減小。試樣峰值能量變化規(guī)律與峰值剪切強度隨傾角變化規(guī)律相同。分析圖9b中聲發(fā)射能量累積曲線可以發(fā)現(xiàn)：S-22-90試樣達(dá)到破壞的加載時間相對較長，S-22-0試樣達(dá)到破壞的加載時間最短，加載至破壞時間的長短與試樣的破壞模式有一定的相關(guān)性。S-22-0試樣為平面剪切破壞，其破壞路徑已知且較短，沿著剪切面不斷克服巖橋、最終貫通，因而時間相對較快。S-22-90試樣為斜剪切破壞，其以斜次生裂紋擴(kuò)展、貫通破壞試樣，但試樣先產(chǎn)生翼裂紋后產(chǎn)生斜次生裂紋，其產(chǎn)生較慢且試樣內(nèi)部產(chǎn)生大量裂紋，因而加載至破壞時間較長。對能量累積值進(jìn)行單位能量均值求解，能量均值(圖11b)結(jié)果表明：單位時間的能量均值呈現(xiàn)出隨傾角增大先增大后減小的變化趨勢且在45°最大，其能量均值變化規(guī)律與試樣的峰值強度變化規(guī)律一致。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)不同發(fā)育裂隙主導(dǎo)試樣破壞，遍布節(jié)理試樣破壞模式分為3類。節(jié)理傾角在節(jié)理試樣破壞模式上起主導(dǎo)作用：節(jié)理傾角較小時(0°)試樣破壞模式均為平面剪切破壞； 隨著傾角的增大(30°～60°)為類完整性剪切破壞； 75°～90°則為斜剪切破壞或類完整性剪切破壞。隨著節(jié)理間距的增大，部分斜剪切破壞轉(zhuǎn)化為類完整性剪切破壞。

(2)節(jié)理試樣的峰值剪切強度隨著節(jié)理間距的增大逐漸增強； 試樣峰值剪切強度隨傾角增加先增大、在45°取得最大值、而后不斷減小。遍布節(jié)理對巖樣強度有很強的弱化作用，其弱化程度范圍為15.95%～56.62%，S-15-0試樣削弱度最大為56.6%。

(3)完整試樣在壓密階段最大撞擊數(shù)小于節(jié)理試樣的最大撞擊數(shù)，節(jié)理試樣在壓密階段隨著節(jié)理間距減小聲發(fā)射最大撞擊數(shù)增大。節(jié)理試樣聲發(fā)射最大峰值能量與試樣強度呈現(xiàn)正相關(guān)性，聲發(fā)射峰值能量隨節(jié)理間距減小而減小，但均值能量隨節(jié)理間距減小而增大。節(jié)理試樣的峰值能量和均值能量隨節(jié)理傾角增大均呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。