巖體原位直剪試驗(yàn)聲發(fā)射特征及破壞機(jī)理研究*

趙志強(qiáng) 吳順川 張小強(qiáng) 賈 帥 賀鵬彬

(①昆明理工大學(xué),國(guó)土資源與工程學(xué)院,昆明 650093,中國(guó))(②中勘冶金勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,保定 071000,中國(guó))

0 引 言

巖體是由巖塊及各種結(jié)構(gòu)面組成的具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性和各向異性的地質(zhì)體。巖體內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展是造成巖體破裂失穩(wěn)的直接因素(范雷等,2012; Xi et al.,2020; Fan et al.,2021; Qiao et al.,2021)。巖體的失穩(wěn)變形破壞問題一直是巖體力學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題和亟待解決的問題之一。

聲發(fā)射技術(shù)是研究巖石材料損傷演化的有力工具。它可以連續(xù)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展情況。近年來(lái),聲發(fā)射技術(shù)被廣泛用于探索巖體的損傷和破壞過程研究中(Moradian et al.,2012; Du et al.,2020; 甘一雄,2020; Guo et al.,2020)。吳順川等(2020)比較了上升時(shí)間/振幅比值(RA)和平均頻率(AF)在不同傳播距離下的分布規(guī)律并研究了RA/RF的比值r以及r的變異系數(shù)CV(r)在巖石破裂過程中的發(fā)展演化規(guī)律,研究表明r值變異系數(shù)可以對(duì)巖體的破裂發(fā)展過程進(jìn)行描述。周輝等(2015)針對(duì)結(jié)構(gòu)面的不同高度、法向壓力、剪切速率下聲發(fā)射的相關(guān)參數(shù)的變化,研究了結(jié)構(gòu)面巖體在壓剪荷載下的聲發(fā)射特征及規(guī)律,分析了切向荷載是影響聲發(fā)射參數(shù)的變化的主要原因。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面剪切時(shí)理想的聲發(fā)射累積撞擊曲線的3個(gè)不同階段并且發(fā)現(xiàn)了能量率、撞擊率與剪切速率的關(guān)聯(lián)。對(duì)于非貫通節(jié)理巖體的擴(kuò)展貫通過程,劉遠(yuǎn)明等(2014)將其分為4個(gè)階段,并研究了不同階段的強(qiáng)度特性并且發(fā)現(xiàn)法向應(yīng)力相同情況下其強(qiáng)度特征的大小與節(jié)理表面的粗糙度相關(guān)。Kharghani et al.(2021)引入Kaiser效應(yīng)在巖石應(yīng)力的聲發(fā)射測(cè)試中,可以高效地計(jì)算出地應(yīng)力的大小。同時(shí)研究了不同角度的巖體各向異性對(duì)Kaiser效應(yīng)的影響。Liu et al.(2020)在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,開展了基于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的巖體內(nèi)部應(yīng)力和位移演化研究。同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,研究了深部采場(chǎng)垮落前應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)分布及演化特征的差異。研究發(fā)現(xiàn),巖體內(nèi)部微裂紋、應(yīng)力和變形的分布規(guī)律高度一致,能夠反映巖石內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)的時(shí)空演化特征。對(duì)于脆性巖石進(jìn)行單軸壓縮及聲發(fā)射試驗(yàn),孟令超等(2020)得出了巖石的環(huán)向變形量、聲發(fā)射信號(hào)的能級(jí)與巖石脆性程度成正比關(guān)系。王林均等(2019)同樣針對(duì)脆性巖石進(jìn)行了試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在巖體接近破壞時(shí)主導(dǎo)因素仍然是微裂紋擴(kuò)展,同時(shí)聲發(fā)射參數(shù)與巖體內(nèi)部顆粒的膠結(jié)強(qiáng)度相關(guān)的結(jié)論。Pisconti et al.(2019)研究了高頻聲發(fā)射事件的P尾波。Kim et al.(2019)提出了一種新的方法來(lái)量化原位巖體損傷。Patricia et al.(2018)在徑向壓縮試驗(yàn)中使用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)來(lái)評(píng)估兩種巖體的斷裂過程。Zhang et al.(2020)發(fā)現(xiàn)了不同尺寸巖體損傷演化的聲發(fā)射特征。不同應(yīng)力路徑下巖石破壞前兆規(guī)律與聲發(fā)射b值有關(guān),聲發(fā)射b值的快速下降對(duì)應(yīng)著巖石試樣在峰值強(qiáng)度后的應(yīng)力快速釋放降低,這可以作為破壞前兆的特征。除了上述這些巖體破裂過程的聲發(fā)射研究,巖體破裂行為特征、裂紋動(dòng)態(tài)演化等問題也被大量學(xué)者研究(Liu et al.,2021; Shang et al.,2021; Wang et al.,2021; Zhao et al.,2021)。

雖然應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)巖體破裂過程的研究取得了大量的成果,但由于客觀的觀測(cè)場(chǎng)地、條件和聲發(fā)射設(shè)備性能的局限,對(duì)大尺度原位巖體破裂過程的研究較少。巖體中含有節(jié)理、裂隙等缺陷,小尺度試驗(yàn)巖體往往會(huì)避免這種情況,這樣獲得的試驗(yàn)結(jié)果是否為自然環(huán)境的情況還有待商榷。而采用大尺度原位試驗(yàn)時(shí),原位巖體會(huì)包含各種真實(shí)的巖石破裂狀態(tài),這樣試驗(yàn)出的結(jié)果更符合工程實(shí)際。大尺度巖體相較于小尺度巖體可以提供更準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù)值,有利于研究巖石物理力學(xué)效應(yīng)的局部變化現(xiàn)象與巖石破裂前兆的區(qū)域性。本文為了研究巖體原位直剪試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射特征和破壞機(jī)理。選擇內(nèi)蒙古白云鄂博某礦山作為試驗(yàn)場(chǎng)地。采用美國(guó)PAC-2聲發(fā)射系統(tǒng)記錄現(xiàn)場(chǎng)直剪過程中節(jié)理巖體的聲發(fā)射參數(shù)特征。通過后續(xù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理,分析現(xiàn)場(chǎng)巖體直剪試驗(yàn)中節(jié)理巖體的裂隙分布和破壞機(jī)理。該研究可為探索大尺度巖體現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)的聲發(fā)射特征提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)并分析巖體結(jié)構(gòu)面剪切破壞行為,對(duì)保障礦山邊坡安全具有重要作用。

1 工程概況

本次試驗(yàn)場(chǎng)位于中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市白云鄂博礦區(qū),具體位置如圖1所示。該礦區(qū)占有世界稀土礦產(chǎn)總探明儲(chǔ)量的41%以上,以及鐵、鈮、錳、磷、螢石等175種礦產(chǎn)資源。它被稱為世界“稀土之都”。本次試驗(yàn)巖體屬于碳質(zhì)黑云母片巖具有明顯板狀結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)軟弱碳質(zhì)黑云母片巖構(gòu)造圖

2 原位直剪試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)剪切盒設(shè)計(jì)

由于聲發(fā)射信號(hào)采集與直剪試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行,為了便于試驗(yàn)時(shí)采集信號(hào),故對(duì)試驗(yàn)剪切盒重新設(shè)計(jì)。剪切盒尺寸為70cm×70cm×35cm,板1、板2和板3上有4個(gè)φ=3.5cm的圓孔,用于放置聲發(fā)射探頭,并且在圓孔外側(cè)位置覆蓋卡扣,卡扣上有可調(diào)節(jié)松緊的螺絲?？酃财饍煞N作用:(1)防止試驗(yàn)過程碎石堵塞探頭孔; (2)固定聲發(fā)射探頭使其緊貼試驗(yàn)巖樣,使試驗(yàn)結(jié)果更為精準(zhǔn)。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確和科學(xué)性,每板開孔位置設(shè)計(jì)在不同方位,具體開孔位置及卡扣規(guī)格如圖2所示。

圖2 原位直剪試驗(yàn)剪切盒設(shè)計(jì)圖(單位:cm)

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地及試塊制備

本次直剪試驗(yàn)的試坑平面尺寸為5.5m×2.1m,深度為1.0～1.5m,試樣土體周圍保留10cm以上進(jìn)行人工修整。試塊長(zhǎng)寬高為70cm×70cm×35cm。試塊為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)坑內(nèi)原巖,通過人工開挖邊坡臺(tái)階內(nèi)未受工程擾動(dòng)的巖體、修整成合適的試塊大小,如圖3所示。修整后發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)試塊較為脆弱、破碎。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)討論及咨詢有關(guān)專家,決定在試驗(yàn)試塊及剪切盒間填充水泥漿,達(dá)到填充試驗(yàn)剪切盒,并平整聲發(fā)射試驗(yàn)探頭貼合位置的目的。因?yàn)槲磳?duì)試驗(yàn)直剪面造成影響,且填充水泥漿較少,故對(duì)直剪試驗(yàn)及聲發(fā)射試驗(yàn)影響微弱,可忽略不計(jì)。

圖3 原位直剪及聲發(fā)射試驗(yàn)場(chǎng)地及試塊制備

2.3 聲發(fā)射試驗(yàn)探頭布置

本次聲發(fā)射試驗(yàn)共安裝12組傳感器探頭,分列除加載面的其余三面。為了獲得良好的聲學(xué)耦合效果,巖體樣品和聲發(fā)射傳感器之間的界面涂有一薄層超聲波耦合劑。安裝方法及聲發(fā)射探頭布置示意如圖4所示。為了執(zhí)行完整的聲發(fā)射測(cè)試采集過程,使用聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)單元,結(jié)合12個(gè)聲發(fā)射傳感器和12通道聲發(fā)射信號(hào)處理系統(tǒng)(PCI-2),同步監(jiān)測(cè)巖體樣品中的剪切誘發(fā)聲發(fā)射信號(hào)。

圖4 聲發(fā)射探頭安裝及布置示意圖

2.4 直剪試驗(yàn)設(shè)備搭建

直剪試驗(yàn)需在剪切盒測(cè)試面安裝橫置推移千斤頂,豎向在試塊上覆蓋鋼板上覆滾軸及鋼板,在滾軸安裝前先測(cè)定滾軸排的摩擦系數(shù)f。上層鋼板上安置豎向千斤頂,在實(shí)驗(yàn)坑邊緣安置原位直剪試驗(yàn)承壓鋼架,并由腳手架鋼管固定,上覆壓載袋(一袋重約3t),共12袋。在剪切盒的3個(gè)方向放置3組百分表,一組由2塊百分表組成,共6塊。百分表由萬(wàn)向節(jié)固定。采用平推法施加剪應(yīng)力,正應(yīng)力反力由配重提供,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備的安裝如圖5所示。

圖5 原位直剪試驗(yàn)設(shè)備安裝圖

2.5 試驗(yàn)過程和結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)共制作5塊巖石試塊,進(jìn)行5次直剪試驗(yàn),得到5組不同的法向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的切向應(yīng)力讀數(shù)。首先安裝加載裝置和位移計(jì),然后分5個(gè)階段施加法向荷載。在法向變形相對(duì)穩(wěn)定后,施加切向荷載。切向荷載按等差數(shù)列順序分8級(jí)施加,水平荷載連續(xù)、均勻。每分鐘記錄一次壓力表和百分表的讀數(shù)。當(dāng)變形相對(duì)穩(wěn)定時(shí),可施加下一級(jí)荷載,直到剪切破壞。該試驗(yàn)的受力分析如圖6所示,直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表1。

表1 直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

圖6 原位直剪試驗(yàn)試塊受力分析

試驗(yàn)的法向應(yīng)力σ和切向應(yīng)力τ可表示為:

(1)

(2)

式中:σ為法向應(yīng)力(kPa);τ為切向應(yīng)力(kPa);PL為設(shè)備自重(kN);PV為液壓千斤頂施加的法向荷載(kN);P0為試塊自重(kN);F為滾軸的摩擦力(kN);PH為切向荷載,取最大值(kN);A為試塊的剪切面積(m2)。

巖體的內(nèi)摩擦角c和黏聚力φ采用最小二乘法按下式計(jì)算:

(3)

(4)

式中:c為內(nèi)摩擦角;φ為黏聚力;n為樣本數(shù)量;σ為法向應(yīng)力;τ為切向應(yīng)力。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析并計(jì)算得出,試塊的黏聚力c為113.7kPa,內(nèi)摩擦角φ為17.9°。通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和直剪試驗(yàn)結(jié)果分析,得出試驗(yàn)碳質(zhì)黑云母片巖試樣剪切面參差、起伏度小; 剪切破壞方向垂直于薄層節(jié)理面方向; 試樣底層固結(jié)良好。

圖7為切向應(yīng)力-剪切位移曲線,數(shù)據(jù)僅記錄到完全破壞,切向應(yīng)力與加載初始階段的剪切位移成正比。隨著切向應(yīng)力的增加,這種線性關(guān)系被打破,剪切位移突變并達(dá)到峰值,此時(shí)巖體發(fā)生剪切破壞。在圖7中,隨著時(shí)間的增加,位移線性增加,這表明此時(shí)位移是均勻的,巖體的切向應(yīng)力均勻增加,巖體內(nèi)部裂隙不斷增加貫通。當(dāng)切向應(yīng)力到達(dá)峰值時(shí),剪切位移急劇增加,表明巖體應(yīng)力達(dá)到臨界值,剪切面斷裂,巖塊受剪應(yīng)力影響完全破壞。巖塊的位移數(shù)據(jù)由百分表測(cè)量,因此初始位移不是0。由切向應(yīng)力-剪切位移曲線得出該邊坡巖體具有明顯的由彈性變形到塑性變形的特征。

圖7 直剪試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由直剪數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知,該邊坡巖體的抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力提供,內(nèi)摩擦角較小。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原位直剪試驗(yàn)既體現(xiàn)了巖塊本身的強(qiáng)度又同時(shí)兼顧了結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體強(qiáng)度的影響,故原位直剪試驗(yàn)相對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)更能反映出現(xiàn)場(chǎng)巖體的真實(shí)狀況,能提供更準(zhǔn)確的巖體力學(xué)參數(shù)。

3 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)和信號(hào)分析

參考ISRM推薦的實(shí)驗(yàn)室聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法(Ishida et al.,2017)。在試驗(yàn)期間,連續(xù)監(jiān)測(cè)聲發(fā)射參數(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)中施加剪切載荷同時(shí),采集了碳質(zhì)黑云母片巖樣品(2坑2號(hào)樣)的聲發(fā)射信號(hào)。直剪試驗(yàn)約為16.5min。試驗(yàn)過程中聲發(fā)射信號(hào)的撞擊率變化曲線如圖8所示。同時(shí)對(duì)比分析聲發(fā)射信號(hào)的振鈴計(jì)數(shù)率和平均絕對(duì)能量曲線如圖9所示。探索試驗(yàn)過程中反應(yīng)的相似規(guī)律。

圖8 聲發(fā)射信號(hào)的撞擊率變化曲線

圖9 振鈴計(jì)數(shù)率與聲發(fā)射信號(hào)平均絕對(duì)能量對(duì)比曲線

結(jié)合圖8及圖9可知,直剪試驗(yàn)的破壞過程可分為3個(gè)階段:裂紋萌生階段(彈性階段)、裂紋擴(kuò)展階段和破壞階段。裂紋萌生階段(0～600s)的聲發(fā)射信號(hào)微弱無(wú)聲,隨后裂紋擴(kuò)展階段(600～700s)的聲發(fā)射信號(hào)不斷增加。在破壞階段(700～900s),每隔50s會(huì)出現(xiàn)一次突發(fā)信號(hào)。經(jīng)過巖體內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整后,聲發(fā)射信號(hào)逐漸減弱。隨著載荷的增加,切向應(yīng)力增大,逐級(jí)加載后的聲發(fā)射信號(hào)也逐漸增強(qiáng)。當(dāng)試樣達(dá)到剪切強(qiáng)度6.5MPa時(shí),聲發(fā)射信號(hào)的撞擊率達(dá)到峰值。

振鈴計(jì)數(shù)率可以描述巖體在直剪試驗(yàn)破壞時(shí),巖體聲發(fā)射狀態(tài)及巖體損傷變形情況。平均絕對(duì)能量值是聲發(fā)射撞擊信號(hào)能量的真實(shí)反映。振鈴計(jì)數(shù)率及平均絕對(duì)能量與聲發(fā)射信號(hào)的撞擊率正相關(guān)。當(dāng)巖樣處于裂紋擴(kuò)展階段時(shí),聲發(fā)射信號(hào)也同時(shí)增加。

因此,聲發(fā)射參數(shù)與完整巖樣的剪切行為之間存在良好的相關(guān)性,這表明聲發(fā)射參數(shù)可用于量化巖樣中損傷的起始和累積。

4 基于聲發(fā)射特征的巖體破壞分析

聲發(fā)射事件定位主要是通過不同位置的傳感器拾取P(S)波到達(dá)時(shí)間差,應(yīng)用蓋格爾算法反演聲發(fā)射源位置來(lái)反演巖石破裂源位置,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射事件的定位(甘一雄等,2020)。

原位直剪試驗(yàn)破壞過程中,不同剪應(yīng)力水平的巖體微破裂的聲發(fā)射定位平面位置如圖10所示,各圖方格為剪切面面積,邊長(zhǎng)單位為mm。試樣從0MPa加載至4.5MPa時(shí),無(wú)聲發(fā)射事件發(fā)生(圖10a); 切向荷載從4.5MPa增加至5.5MPa時(shí)(圖10a～圖10c),巖體處于裂紋擴(kuò)展階段。此時(shí),聲發(fā)射事件較少,內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生量較少,巖體開始出現(xiàn)微破裂,并且微破裂位于剪切面中部偏下,靠近巖體在施加剪切荷載的后端部位。切向荷載從5.5MPa增加到6MPa 時(shí)(圖10c～圖10d),聲發(fā)射事件繼續(xù)增加。隨著剪切載荷的增加,巖體內(nèi)部微裂紋的位置逐漸前移,巖體中間區(qū)域出現(xiàn)密集的聲發(fā)射事件。推測(cè)此處含有節(jié)理、裂隙區(qū),且為剪應(yīng)力的主要作用區(qū)。當(dāng)切向載荷增加到6.5MPa(圖12e)時(shí),微破裂發(fā)生的位置集中于剪切面局部,直至形成宏觀破裂面。在此期間,巖體處于破壞階段,剪應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度6.5MPa。

圖10 直剪試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射定位結(jié)果

巖樣破壞后,剪切面條件如圖10f所示。通過巖樣破壞后的剪切面照片(破壞部位的重點(diǎn)部位用藍(lán)點(diǎn)標(biāo)示)和聲發(fā)射事件位置圖,可以清楚地看到巖體剪切破壞主要發(fā)生在剪切面中部,聲發(fā)射事件也最為集中。

聲發(fā)射試驗(yàn)的常用統(tǒng)計(jì)指標(biāo)r值(上升時(shí)間(RA)/振幅比值(RF)),作為表征巖體破壞程度的指標(biāo)具有一定的實(shí)用性,但監(jiān)測(cè)中測(cè)得的最大值具有一定的偶然性。某一指數(shù)的瞬時(shí)增長(zhǎng),不能客觀反映巖體內(nèi)部破裂的加劇(Pomponi et al.,2013)。

對(duì)于r值,瞬間出現(xiàn)的偶然較大值,難以表明破裂的加劇程度。因此,在本次直剪-聲發(fā)射試驗(yàn)中,選取基于r值的變異系數(shù)CV(r)值(標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值),作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)(coefficient of variation,CV)。并與b值進(jìn)行對(duì)比分析。CV(r)值的分布離散度可以描述巖體破裂情況。當(dāng)CV(r)值離散度增加,說(shuō)明巖體接近破裂或處于失穩(wěn)階段。

b值可以表征聲發(fā)射事件的震級(jí)分布尺度,主要代表壓縮條件下巖體中小震級(jí)和大震級(jí)破裂事件的相對(duì)數(shù)量,廣泛用于巖體破裂的前兆分析和判斷(Carpinteri et al.,2009; Rao et al.,2005)。b值越大,小破裂的比例越大,相反,大破裂是主導(dǎo)因素。基于G-R關(guān)系,b值的計(jì)算公式如下:

lgN=a-bM

(5)

式中:M為地震的震級(jí);N是M+ΔM范圍內(nèi)的地震次數(shù);a,b為常數(shù),其中,b的取值與地震學(xué)一致。

圖11為直剪試驗(yàn)過程中r值變異系數(shù)CV(r)和b值的統(tǒng)計(jì)特征的比較。樣本容量n=200,以時(shí)間為自變量,展示分析結(jié)果。

圖11 直剪試驗(yàn)期間CV(r)值和b值的特征比較

由圖11可知,當(dāng)試樣臨近破壞時(shí),往往趨勢(shì)為b值的陡降及CV(r)的陡增。在裂紋萌生階段(彈性階段)聲發(fā)射事件較少,故本文不研究該階段對(duì)應(yīng)變化。在裂紋擴(kuò)展階段,b值分布在1.25～2.25之間,對(duì)應(yīng)的CV(r)值在該階段分布在0.75和2之間,基本穩(wěn)定在1.5周圍,表明試樣以小破裂為主。而在破壞階段,b值開始急劇下降,分布在1.0～1.5之間。而CV(r)值急劇增加,說(shuō)明此時(shí)巖體以大破裂事件為主,成分是剪切破壞。

從以上結(jié)果可以看出,CV(r)值的分布和變化與b值規(guī)律呈現(xiàn)相反的特征。當(dāng)CV(r)值增大時(shí),b值減小,反之亦然。因此,CV(r)值可以作為巖體斷裂破壞強(qiáng)度的判斷值。分析結(jié)果與其他試驗(yàn)參數(shù)和實(shí)際情況相一致。

上述分析表明,在工程實(shí)踐中,巖體的斷裂和破壞可以通過檢測(cè)到的聲發(fā)射數(shù)據(jù)來(lái)區(qū)分。聲發(fā)射事件的快速增加和聲發(fā)射參數(shù)的突變是預(yù)測(cè)巖體失穩(wěn)和剪切破壞形成的有用指標(biāo)。

5 結(jié) 論

聲發(fā)射試驗(yàn)參數(shù)可與直剪試驗(yàn)參數(shù)相結(jié)合,作為現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證的手段。并可用于監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)巖體的剪切破壞行為特征應(yīng)用于工程實(shí)踐。本次試驗(yàn)主要結(jié)論如下:

(1)大尺度巖體在直剪試驗(yàn)過程中,直剪破壞過程可分為3個(gè)階段:裂紋萌生階段(彈性階段)、裂紋擴(kuò)展階段和破壞階段。聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱可以同步驗(yàn)證這3個(gè)階段的變化情況,且在剪應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)聲發(fā)射信號(hào)最多。

(2)大尺度巖體剪切破壞過程,聲發(fā)射信號(hào)首先出現(xiàn)在剪切荷載處,隨著切向應(yīng)力的增加逐漸擴(kuò)展到整個(gè)巖體,并產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,局部巖體產(chǎn)生大量微裂縫,推測(cè)此處為節(jié)理裂隙區(qū)。

(3)在直剪試驗(yàn)過程中。常規(guī)聲發(fā)射特征參數(shù)具有統(tǒng)一性,在一定程度上可以反映巖體內(nèi)部斷裂的宏觀規(guī)律。變異系數(shù)CV(r)和b值在試驗(yàn)過程中,上升規(guī)律及分布范圍具有相悖性。通過與其他試驗(yàn)參數(shù)及實(shí)際情況對(duì)照,將CV(r)值作為巖體破壞強(qiáng)度的判定值是可行的。