凍融環(huán)境下基于聲發(fā)射的砂巖各向異性劣化機(jī)理分析

劉 兵，鄭 坤，王超林，畢 靖，連帥龍

（貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，季節(jié)性寒區(qū)面積在我國(guó)國(guó)土面積中占比為75%，而在自然界中具有層狀構(gòu)造的巖石約占陸地面積的三分之二，在中國(guó)更是占到77%以上[1]，說(shuō)明在寒區(qū)工程中面臨更多的層狀巖石凍融破壞問(wèn)題，在凍融環(huán)境下，溫度下降使巖石內(nèi)部孔隙水凍結(jié)，體積膨脹，而固體介質(zhì)遇冷收縮，致使凍脹力的產(chǎn)生，導(dǎo)致巖石內(nèi)部原生孔隙和裂隙發(fā)展，同時(shí)產(chǎn)生新的孔隙，并破壞巖石內(nèi)的膠結(jié)物；溫度上升使巖石內(nèi)部冰融化成水，并在巖石內(nèi)部滲流遷移，形成裂隙通道并帶走破壞后的膠結(jié)物質(zhì)與顆粒，使巖石孔隙率進(jìn)一步增大，進(jìn)而導(dǎo)致巖石的損傷[2]。而對(duì)于層狀巖石的層理面更易于發(fā)生凍融損傷，這對(duì)寒區(qū)工程穩(wěn)定性存在一定的威脅，容易發(fā)生工程事故[3]。所以研究層狀巖石受凍融作用后的力學(xué)特征，對(duì)寒區(qū)工程具有一定的指導(dǎo)意義。

層狀巖石是指具有一組占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)面（層理面或者片理面）的巖體，與普通巖石相比具有一些特殊的特征。一些沉積巖（如砂巖、石灰石和頁(yè)巖）和變質(zhì)巖（如花崗巖、玄武巖和麻粒巖）具有明顯的層理結(jié)構(gòu)，聲發(fā)射（acoustic emission，AE）技術(shù)可以有效、連續(xù)地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脆性材料中細(xì)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，并實(shí)現(xiàn)裂紋的定位，已成為巖石變形和破壞的重要監(jiān)測(cè)方法。Jia 等[4]在不同次數(shù)的凍融循環(huán)后，測(cè)試了不同層理砂巖的P 波速度、單軸抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。通過(guò)上述參數(shù)定義了幾個(gè)各向異性指數(shù)，并分析了它們隨凍融循環(huán)的變化；常森等[5]研究了沖擊作用下凍融循環(huán)層理砂巖的強(qiáng)度、變形性質(zhì)，針對(duì)性地對(duì)巖石的層理動(dòng)荷載關(guān)系進(jìn)行了力學(xué)響應(yīng)的試驗(yàn)研究；張東明等[6]、Wang 等[7]研究了含層理巖石在單軸壓縮下?lián)p傷破壞聲發(fā)射參數(shù)及能量耗散規(guī)律；姜德義等[8]、劉慧等[9]、宋彥琦等[10]、楊更社等[11]開(kāi)展了不同凍融循環(huán)次數(shù)巖石單軸聲發(fā)射試驗(yàn)，獲得相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，并分析聲發(fā)射信號(hào)與凍融灰?guī)r內(nèi)部微裂紋活動(dòng)的相關(guān)性；Qiao 等[12]研究了凍融壓縮荷載作用下非永久性節(jié)理巖石的斷裂和聲發(fā)射特征,結(jié)果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，材料的物理力學(xué)參數(shù)有不同程度的劣化；鄭坤等[13-14]、付斌等[15]、王桂林等[16]、張艷博等[17]、蔣利松等[18]開(kāi)展了巖石的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，獲取了巖石的聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)能量計(jì)數(shù)等參數(shù)演化特征；趙娜等[19]、陳東升等[20]、何建華等[21]分析了巖石變形破壞過(guò)程中巖石損傷與聲發(fā)射特征參數(shù)的變化情況。

綜上，雖然學(xué)者對(duì)層狀巖石的研究較多，但是對(duì)在凍融循環(huán)下層狀巖石聲發(fā)射特征研究還是相對(duì)較少。本文對(duì)層理砂巖進(jìn)行了單軸壓縮和聲發(fā)射試驗(yàn)，研究了聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、振鈴累計(jì)數(shù)、RA-AF值以及b值的演化特征。

1 試樣準(zhǔn)備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣準(zhǔn)備

砂巖試樣取自四川省某露天礦區(qū)，該地氣候寒冷，冬季寒冷漫長(zhǎng)，晝夜溫差大。試樣表面呈黃色，層理發(fā)育明顯。取樣后經(jīng)過(guò)切割、打磨等加工工序，根據(jù)ISRM標(biāo)準(zhǔn)，將試件制成50×100 mm、表面平行度小于0.02 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件。由于層狀巖石的力學(xué)特性在同一層面內(nèi)大致相同，但在平行和垂直方向上差異較大。因此，僅選用平行和垂直于層理面的兩種試樣，平行層理試樣和垂直層理試樣分別簡(jiǎn)稱(chēng)為P 試樣和V 試樣，兩種試樣用聲波測(cè)速儀篩選出波速相近，剔除波速離散度較高的試件，減小試驗(yàn)的離散程度。選出層理均勻、結(jié)構(gòu)完整的試樣后，將其分為8 組試樣，每組平行、垂直層理試樣各一個(gè)，如圖1 所示。

圖1 平行、垂直層理試樣Fig.1 Parallel and vertical bedding samples

1.2 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)設(shè)備

將試樣在模擬環(huán)境試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行凍融循環(huán)，在試驗(yàn)機(jī)里-20 °C 凍結(jié)6 h，然后在20 °C 下融化6 h，如圖2所示，循環(huán)次數(shù)分別為0，20，40，60 次，每個(gè)循環(huán)次數(shù)設(shè)置兩個(gè)平行組。先將所有試樣在105 °C 烘箱中干燥24 h后，留下兩組（0 次凍融循環(huán)）試樣，直接進(jìn)行單軸聲發(fā)射試驗(yàn)，然后將剩下的試樣真空飽水24 h 后，放入環(huán)境模擬試驗(yàn)機(jī)分別進(jìn)行凍融循環(huán)20，40，60 次，其中將需要進(jìn)行60 次凍融循環(huán)的兩組試樣每隔20 次凍融循環(huán)取出并烘干，同時(shí)對(duì)試樣的波速、質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后進(jìn)行單軸聲發(fā)射試驗(yàn)。

圖2 凍融流程曲線示意Fig.2 Schematic diagram of freeze-thaw flow curve

加載系統(tǒng)采用DSZ-1000 型應(yīng)力應(yīng)變?nèi)S剪切滲透試驗(yàn)儀。加載試驗(yàn)設(shè)備由加載系統(tǒng)、聲發(fā)射系統(tǒng)和觀測(cè)系統(tǒng)組成。該設(shè)備由伺服液壓動(dòng)力系統(tǒng)、伺服介質(zhì)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)組成，針對(duì)巖石和混凝土材料，該設(shè)備可以進(jìn)行單軸、三軸應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)，剪切試驗(yàn)，巖石力學(xué)流變?cè)囼?yàn)，巖石力學(xué)滲透試驗(yàn)，溫度條件下的巖石力學(xué)試驗(yàn)等。試驗(yàn)設(shè)備最大軸向力1 000 kN，最大切向力300 kN，試驗(yàn)力測(cè)量精度小于±0.5%；聲發(fā)射系統(tǒng)采用PIC-Express 型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1 臺(tái)計(jì)算機(jī)、1 個(gè)軟件、8 個(gè)波形通道、8 個(gè)放大器和探頭組成；該系統(tǒng)支持多通道聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)，穩(wěn)定性好，靈敏度高，傳輸高速。單軸軸向壓縮試驗(yàn)加載采用位移控制方式，加載速率為0.05 mm/min，試樣失去承載能力時(shí)停止加載。AE 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主放大器設(shè)置為40 dB，閾值為40 dB。試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Test equipment

2 力學(xué)特性

2.1 凍融循環(huán)后試樣孔隙發(fā)育

巖石在經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，巖石內(nèi)部孔隙得到較好的發(fā)育，孔隙率和波速都能定量地反映出巖石內(nèi)部孔隙的發(fā)育情況以及巖石質(zhì)量的優(yōu)劣程度[22]。在本次試驗(yàn)中將試樣分別在0，20，40，60 次凍融循環(huán)后取出烘干后測(cè)波速和稱(chēng)重，測(cè)完后將試樣進(jìn)行飽水24 h 稱(chēng)重繼續(xù)進(jìn)行凍融循環(huán)直到60 次，采用稱(chēng)重法計(jì)算試樣的孔隙率[23]，如式（1）：

式中：n——巖石孔隙率/%；

ms——巖樣飽和后的質(zhì)量/g；

md——干燥巖樣的質(zhì)量/g；

ρW——水的密度/（g·cm-3）；

V——巖樣塊體體積/cm3。

根據(jù)60 次凍融循環(huán)過(guò)程中所測(cè)得孔隙率和波速，對(duì)結(jié)果取平均值得到圖4。如圖所示平行、垂直層理巖石的孔隙率都隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，平行層理試樣從14.99%增大到15.47%，垂直層理試樣從14.34%增大到15.07%；而縱波波速隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而變小，平行層理試樣從2.785 km/h 下降到2.555 km/h，垂直層理試樣3.125 km/h 下降到2.850 km/h。平行、垂直層理試樣縱波波速巖石孔隙度增加、縱波波速降低可集中反應(yīng)結(jié)構(gòu)體密度的降低，進(jìn)一步表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部孔隙等微觀缺陷數(shù)量也在增加，巖石本身存在孔隙，在凍融循環(huán)過(guò)程中，孔隙中的水凍結(jié)成冰，產(chǎn)生凍脹力，擴(kuò)大了孔隙體積；在融化過(guò)程中，孔隙里面的冰消融，液態(tài)水在新增微孔隙的虹吸作用下不斷補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，在這樣的凍融循環(huán)過(guò)程中，試樣的孔隙率逐漸變大，縱波波速逐漸變小。由于層理角度的不同，相同條件下，在圖中可以看出，垂直組試樣的縱波波速比水平組試樣的縱波波速大，這是由于層理弱面角度不同而導(dǎo)致的，垂直組試樣具有的層理弱面更利于縱波傳播，這說(shuō)明不同層理角度的試樣具有各向異性。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)孔隙率及縱波波速的變化Fig.4 Variation of porosity and P-wave velocity in different freezethaw cycles

2.2 力學(xué)性質(zhì)及參數(shù)變化

圖5 為不同凍融循環(huán)次數(shù)下兩組層理砂巖的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在圖中可以看出兩組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，整體變化趨勢(shì)相近，可分為OA 孔隙壓密階段，AB 線彈性階段，BC 非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，CD 峰后失穩(wěn)破壞階段，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，可以看出兩組試樣的應(yīng)力峰值降低，曲線都有向下壓縮，向右拉伸的趨勢(shì)。

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)平行、垂直層理試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of parallel and vertical bedding samples at different freeze-thaw cycles

圖6 為不同凍融循環(huán)次數(shù)試樣應(yīng)力峰值及最大軸向應(yīng)變的變化趨勢(shì)，在對(duì)比0 到60 次凍融循環(huán)后，平行組試樣的抗壓強(qiáng)度下降比例和應(yīng)變?cè)龃蟊壤即笥诖怪苯M試樣，說(shuō)明平行組試樣的劣化程度高于垂直組試樣。

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)試樣應(yīng)力峰值及最大軸向應(yīng)變的變化Fig.6 Variation of stress peak and maximum axial strain of samples with different freeze-thaw cycles

巖石在低溫凍結(jié)下，水凝結(jié)成冰，體積會(huì)膨脹9%，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生凍脹力，使試樣內(nèi)部孔隙發(fā)育，微裂紋開(kāi)始產(chǎn)生；當(dāng)溫度升高時(shí)，冰融化，水在孔隙之間連通，形成水流通道，充滿微裂紋空間。隨著凍融循環(huán)作用的增強(qiáng)，試樣內(nèi)部微裂紋發(fā)育逐漸增強(qiáng)，直至微裂紋互相連接貫通。試樣內(nèi)部由于凍融損傷的累積，微觀孔隙缺陷數(shù)量增多并造成了壓密階段增大，導(dǎo)致應(yīng)力峰值降低，應(yīng)變?cè)黾印Ｋ詢(xún)山M試樣的OA 段孔隙壓密階段和CD 段峰后破壞階段明顯變長(zhǎng)，巖石從脆性破壞變?yōu)檠有云茐牡奶卣黠@著。但對(duì)比兩組試樣，平行組試樣的峰后破壞階段更加平緩，時(shí)間更長(zhǎng)，這是由于層理方向不同。對(duì)于平行組試樣，當(dāng)軸向壓力與層理面垂直時(shí)，在應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，平行層理弱面相對(duì)于垂直層理弱面能更充分發(fā)揮抵抗軸向壓力的作用（表1）。

表1 試樣凍融前后應(yīng)力、應(yīng)變峰值變化情況Table 1 Peak stress and strain changes of samples before and after freeze-thaw

3 聲發(fā)射特征參數(shù)研究

3.1 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)特征

聲發(fā)射信號(hào)如果越過(guò)門(mén)檻值，就被定義為一次撞擊，一個(gè)或若干個(gè)撞擊構(gòu)成一個(gè)AE 事件，其主要作用是反映AE 源（材料內(nèi)部缺陷）的活躍度。事件率是單位時(shí)間內(nèi)AE 事件發(fā)生的次數(shù)，累計(jì)事件數(shù)則是單位時(shí)間內(nèi)AE 事件的累計(jì)疊加。因巖石在損傷破裂過(guò)程中1 s 內(nèi)對(duì)應(yīng)若干個(gè)AE 事件，故以1 s 時(shí)間為單位，統(tǒng)計(jì)砂巖在單軸壓縮試驗(yàn)全過(guò)程中AE 事件率及其累計(jì)事件數(shù)，對(duì)比分析其演化特征[24-25]。

如圖7、圖8 所示，兩組不同層理砂巖在不同凍融循環(huán)作用下的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)演化曲線趨勢(shì)變化一致，所以可整體分析將其分為三個(gè)階段，平靜階段、階梯式增長(zhǎng)階段、驟增階段。

圖7 平行層理試樣振鈴計(jì)數(shù)、振鈴累計(jì)數(shù)變化特征Fig.7 Variation characteristics of ringing counts and cumulative ringing counts of parallel bedding samples

圖8 垂直層理試樣振鈴計(jì)數(shù)、振鈴累計(jì)數(shù)變化特征Fig.8 Variation characteristics of ringing counts and cumulative ringing counts of vertical bedding samples

（1）平靜階段振鈴計(jì)數(shù)和振鈴累計(jì)數(shù)增長(zhǎng)緩慢，聲發(fā)射事件較少，原生缺陷漸進(jìn)壓密使得巖樣內(nèi)部整體趨于完整，不具備發(fā)生明顯聲發(fā)射活動(dòng)條件。

（2）階梯式增長(zhǎng)階段處在砂巖的彈性階段及非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段振鈴計(jì)數(shù)及振鈴累計(jì)數(shù)顯著增長(zhǎng)，其中振鈴累計(jì)數(shù)多呈階段式增長(zhǎng)。這是隨著應(yīng)力的增加，巖石內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生微裂紋，更利于聲發(fā)射事件的發(fā)生。

（3）驟增階段聲發(fā)射信號(hào)顯著增強(qiáng)。此時(shí)應(yīng)力達(dá)到峰值，試樣內(nèi)部微裂紋連接貫通，同時(shí)試樣外部出現(xiàn)宏觀裂紋，試樣破壞前聲發(fā)射的信號(hào)多且間隔時(shí)間短，聲發(fā)射接收信號(hào)燈此時(shí)長(zhǎng)亮，是試樣破壞的前兆特征。

巖石的劣化程度與AE 事件數(shù)有明顯的變化關(guān)系，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，可以看到兩組試樣的平靜階段相對(duì)一個(gè)完整試驗(yàn)過(guò)程逐漸變短，階梯增長(zhǎng)階段逐漸變長(zhǎng)，試樣在凍融循環(huán)作用下，內(nèi)部孔隙之間發(fā)生聯(lián)通，向外擴(kuò)張，使巖石的抗壓強(qiáng)度下降，在軸向應(yīng)力增大時(shí)，AE 事件也更容易發(fā)生；每個(gè)試樣的對(duì)應(yīng)的驟增階段都很明顯，說(shuō)明試樣在破壞時(shí)AE 事件大量發(fā)生，聲發(fā)射信號(hào)顯著增強(qiáng)，是一個(gè)明顯的破壞前兆特征。

3.2 聲發(fā)射b 值演化特征

AE 監(jiān)測(cè)中使用較多的是借鑒于地震學(xué)中的破裂源參數(shù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，主要有b值以及對(duì)該統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析。b值（b-value）起源于地震學(xué)中的 Gutenberg Richter（G-R）關(guān)系，即區(qū)域地震中大于M級(jí)的累計(jì)次數(shù)N的對(duì)數(shù)，與M級(jí)呈線性關(guān)系，如式（2）所示。

式中，a和b是常數(shù)。在分析AE 參數(shù)時(shí)，通?？梢杂谜穹ˋ）除以20 來(lái)表示聲發(fā)射震級(jí)M，即M=A/20。在計(jì)算b值時(shí)，A的單位是dB[26]。

在監(jiān)測(cè)壓縮巖石過(guò)程發(fā)生的小破裂事件和大斷裂事件的相對(duì)數(shù)量可以用b值表示，并且可以代表 AE 事件的規(guī)模分布，因此，在分析和預(yù)測(cè)巖石破裂的前兆中被廣泛利用[27]。聲發(fā)射b值與巖石內(nèi)部裂紋萌生擴(kuò)展過(guò)程密切相關(guān)，b值較大時(shí)對(duì)應(yīng)大量弱聲發(fā)射事件產(chǎn)生，說(shuō)明小破裂占據(jù)主導(dǎo)，而當(dāng)b值迅速降低時(shí)，則說(shuō)明巖石內(nèi)部大破裂開(kāi)始增加或裂紋擴(kuò)展的速度突增。

在圖9 中可以得知兩組不同層理砂巖的聲發(fā)射b值變化有很大的區(qū)別，說(shuō)明不同層理方向的砂巖單軸破壞模式不同。平行組試樣聲發(fā)射b值變化呈倒“V”型，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，b值變化明顯，在經(jīng)過(guò)20，40 次凍融循環(huán)后，b值都隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變大，說(shuō)明這些階段以微破裂或者小破裂為主導(dǎo)，而在60 次凍融循環(huán)后b值又變小，說(shuō)明此時(shí)由微破裂轉(zhuǎn)為大破裂。垂直組試樣聲發(fā)射b值變化與平行組試樣相反呈正“V”型，在經(jīng)過(guò)20，40 次凍融循環(huán)后，b值都隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變小，說(shuō)明在這些階段垂直層理砂巖以大破裂為主，在60 次凍融循環(huán)后，b值開(kāi)始變大，這時(shí)巖石在凍融循環(huán)作用下，內(nèi)部微破裂增多，產(chǎn)生的微裂紋相互連接貫通，巖石整體劣化程度高，以微破裂為主導(dǎo)。

圖9 平行、垂直層理試樣b 值特征Fig.9 Variation characteristics of b value in parallel and vertical bedding samples

對(duì)于平行層理巖石，層理弱面與外界環(huán)境的接觸程度更高，試件側(cè)面平行層理弱面分布更廣，更利于凍融損傷的累積。因此，隨著凍融循環(huán)作用的加強(qiáng)，平行層理弱面劣化程度要高于垂直層理試樣，這與前面兩組試樣的單軸抗壓強(qiáng)度的變化結(jié)果一致。故在0～40 次凍融循環(huán)作用下，由于平行層理試樣的劣化程度高于垂直層理試樣，故更可能發(fā)生大破裂，則b值變小。而在60次凍融循環(huán)后，試樣內(nèi)部得到充分劣化，又因?yàn)閷永矸较蚺c軸向應(yīng)力方向垂直，平行層理弱面相對(duì)于垂直層理弱面更能起到抵抗外力的作用，巖石內(nèi)部以微破裂為主，則b值變大。

3.3 聲發(fā)射RA-AF 值演化特征

基于聲發(fā)射參數(shù)特征判別法是使用上升時(shí)間與最大振幅的比值（risetime/amplitude，RA）與平均頻率（aver age frequency，AF）來(lái)進(jìn)行破裂類(lèi)型的判斷。一般而言，拉伸破壞對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射事件具有較小的RA值和較大的AF值；與剪切破壞對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射事件具有較大的RA值和較小的AF值。

圖10 顯示了使用RA和AF的聲發(fā)射參數(shù)方法對(duì)拉伸和剪切裂紋進(jìn)行分類(lèi)的方法[28]。對(duì)角線可以用來(lái)作為拉伸裂紋和剪切裂紋的分界直線，直線上側(cè)的裂紋即為拉伸裂紋，直線下側(cè)的裂紋則為剪切裂紋，而直線的斜率AF/RA稱(chēng)之為拉剪裂紋判斷的閾值。

圖10 基于RA/AF 值的裂紋分類(lèi)Fig.10 Crack classification based on RA/AF values

由圖11、圖12 可知，我們可以看到對(duì)于不同凍融循環(huán)次數(shù)的平行層理砂巖的破壞模式主要以拉伸裂紋為主，帶有少量的剪切裂紋或者復(fù)合裂紋，在經(jīng)過(guò)20，40，60 次凍融循環(huán)的試樣同樣是以拉伸裂紋為主，剪切裂紋或者復(fù)合裂紋的變化比較小，但是沒(méi)有經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)處理的試樣對(duì)照經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用的試樣組，它的剪切裂紋或者復(fù)合裂紋較多，與圖13 試樣的宏觀破裂特征與其對(duì)應(yīng)一致。對(duì)于垂直層理砂巖的破壞模式與平行層理砂巖有所區(qū)別，在未經(jīng)過(guò)凍融處理的試樣主要以拉伸裂紋和剪切裂紋為主，但隨著凍融作用的加強(qiáng)，試樣的拉伸裂紋逐漸增多，剪切裂紋逐漸減少，在經(jīng)過(guò)60 次凍融循環(huán)處理后，試樣破壞基本以拉伸裂紋為主，這與圖13 試樣在宏觀上的拉伸破裂特征一致。

圖11 平行層理試樣RA-AF 值變化特征Fig.11 Characteristics of RA-AF value changes in parallel bedding samples

圖12 垂直層理試樣RA-AF 值變化特征Fig.12 Characteristics of RA-AF value changes in vertically layered samples

圖13 試樣宏觀破壞特征Fig.13 Macroscopic failure characteristics of samples

4 結(jié)論

（1）平行、垂直層理巖石的孔隙率都隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，平行層理試樣從14.99% 增大到15.47%，垂直層理試樣從14.34% 增大到15.07%；而縱波波速隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而變小，平行層理試樣從2.785 km/h 下降到2.555 km/h，垂直層理試樣3.125 km/h 下降到2.850 km/h。

（2）在對(duì)比0 到60 次凍融循環(huán)后，水平層理試樣的應(yīng)力峰值下降了57.5%、應(yīng)變?cè)龃?0.7%,而垂直層理砂巖應(yīng)力峰值下降52.8%、應(yīng)變?cè)龃?5.4%，平行組試樣的抗壓強(qiáng)度下降比例和應(yīng)變?cè)龃蟊壤即笥诖怪苯M試樣，說(shuō)明平行組試樣的劣化程度高于垂直組試樣,

（3）兩組不同層理砂巖在凍融循環(huán)作用下的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)演化曲線趨勢(shì)變化一致，可分為三個(gè)階段：平靜階段、階梯式增長(zhǎng)階段、驟增階段。

（4）不同層理方向的砂巖單軸破壞模式不同。平行組試樣聲發(fā)射b值變化呈倒“V”型，而垂直組試樣聲發(fā)射b值變化呈正“V”型，基于RA-AF值變化特征表明平行層理黃砂巖基本以拉伸破壞為主，而垂直層理砂巖在未處理時(shí)以拉伸破壞和剪切破壞為主，在60 次凍融循環(huán)處理后，以拉伸破壞為主。