干湿循环节理砂岩单轴压缩声发射演化特征

杨证钦张 亮孙 帆

(1.重庆大学 土木工程学院，重庆 400045；
2.重庆大学 库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心，重庆 400045；
3.西安科技大学 建筑与土木工程学院，西安 710054)

三峡库区水的调度与运用，以及地下水位的变化、降雨和水位升降，将导致岩体长期处于干湿交替的环境中，从而加剧岩体细观尺度上的累积损伤[1-3]，使得岩体参数发生劣化[4-6]。同时，实际工程岩体中通常又含有节理等软弱结构面，促使破坏模式极为复杂。反复的干湿循环也会改变岩体原有的裂隙分布规律和破坏机制，降低岩体的承载力和稳定性，对相关工程的建设和安全运营造成影响[7-9]。因此，对干湿循环后岩体的力学、声学等性质研究就显得格外重要。

目前，学者们的研究主要集中在干湿循环后完整岩样的物理力学参数劣化规律、声发射(Acoustic Emission，简称AE)特征以及破裂机理。刘小红等[10]、王子娟等[11]对干湿循环作用下岩体力学参数的劣化、质量及其劣化规律进行了研究，发现干湿循环次数越多，其力学参数劣化程度就越高，砂岩的单轴压缩强度就越低。邓华锋等[12]选取三峡库区典型库岸边坡变幅带区域砂岩为研究对象，进行了饱水-风干循环作用试验，结果表明饱水-风干循环次数越多，砂岩试样的抗压强度、黏聚力和内摩擦角劣化、损伤效应越明显。姚强岭等[13-15]通过单轴压缩声发射试验、无损浸水试验，研究了不同含水率和水循环次数下煤岩体试样的力学特性和声发射特征。吴宝杨等[16-17]采用无损浸水试验装置和声发射技术研究了砂岩在浸水下力学性能的劣化规律、强度损伤及声发射变化规律。Gutenberg和Richter(G-R)[18]在分析世界各地地震的基础上建立了一个经验公式，用来获得地震频率与振幅之间的关系，此后在描述地震震级分布和分析岩石稳定性方面得到了广泛的应用[19-21]，而在声发射应用中，G-R关系则经常用来揭示混凝土和岩石的破裂机理[22]。

由上述参考文献不难发现，在干湿循环作用下节理砂岩破裂机理的声发射参数变化特征方面的研究较少。基于此，本文先对完整、单节理、双节理砂岩岩样进行0、1、5、10、15、20次的干湿循环作用，而后采用AG-IS精密电子万能电子材料试验机对干湿循环后的岩样进行了单轴压缩试验，并采用PCI-2声发射系统监测岩样在单轴压缩下整个变形破裂过程中的振铃计数和累计振铃计数，以此研究不同干湿循环次数作用下节理砂岩破裂过程中的声发射特征演化规律。

2.1 节理岩样制备

试验砂岩试样取自三峡库区消落带某岩质边坡，然后将试样加工成长宽高分别为35、30、12 cm的长方形体，利用SC-300型自动取芯机从单个长方形体中取芯，之后然后利用M250打磨机和Kemet平面研磨抛光机将试样加工成50 mm×100 mm的标准圆柱试件。节理几何参数为：长度10 mm，厚度1 mm，间隔20 mm，倾角45°。最终加工成的节理岩样如图1所示。

图1 节理岩样Fig.1 Jointed rock specimens

2.2 试验方案与设备

本文选取三峡库区水样进行干湿循环试验。基于已有的干湿循环试验方案[23-24]，为加快干湿循环产生的损伤劣化效果，选用智能混凝土真空饱水仪与DHG-1000A电热恒温鼓风干燥箱(图2(a)和图2(b))，对砂岩试样的“吸水-干燥”循环采用真空饱和法和烘箱干燥法(105 ℃)实施。具体做法如下：将岩样放入饱水缸，并抽真空至缸内压力为-80 kPa，持续保持负压6 h；
待饱水仪负压升至为0 kPa时，将砂岩试样取出，并立即放入装有三峡库区水样的容器中继续浸泡18 h。称取质量后直接放入干燥箱中，在105 ℃进行烘干24 h，此过程定义为1次干湿循环。干湿循环次数分别为0、1、5、10、15、20次。再采用AG-IS精密电子万能电子材料试验机(图3)进行单轴压缩试验，加载速率为0.1 mm/min，竖向荷载直接施加于节理岩样上表面直至试件最终破坏。在整个单轴压缩试验过程中，利用PCI-2声发射系统(图4)对岩样的变形破坏过程进行实时监测，声发射系统中的参数设置见表1。此外，为了较好地捕捉到声发射信号，选用医用凡士林作为耦合剂，将砂岩试样和声发射探头之间进行有效黏合，并用白色皮筋对声发射探头加以固定。试验的方案流程如图5所示。

3.1 不同干湿循环次数作用下单轴压缩岩样应力-应变特征分析

为了解干湿循环后岩样的破裂机理，对单轴压缩下不同干湿循环次数后的完整岩样和节理岩样的应力-应变曲线进行了相关分析。

图2 智能真空饱水仪与DHG-1000A型干燥箱Fig.2 Intelligent vacuum water saturation instrument and DHG series drying oven

图3 AG-IS精密电子万能电子材料试验机Fig.3 Shimadzu AG-IS material testing machine

图4 PCI-2声发射系统Fig.4 PCI-2 AE system

图6 完整岩样与节理岩样的单轴压缩应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of intact rock specimens and jointed rock specimens under uniaxial compression

图6为不同干湿循环次数(N)作用下岩样的单轴压缩应力-应变曲线。

表1 声发射系统中的参数设置

图5 方案流程Fig.5 Program flow

由图6可知，不同试样的应力-应变曲线均出现峰值，且峰值随着干湿循环次数的增加显著降低，峰值过后应力又显著降低，即表现出了明显的脆性特征，而且节理岩样的脆性特征比完整岩样更为明显。此外，不同干湿循环次数后岩样的应力-应变曲线也存在着明显差异，对于完整岩样，不同干湿循环作用下的峰值应力后均表现出明显的塑性特征(图6(a))，而对于节理岩样，则是随着干湿循环次数的增加峰后塑性特征逐渐增强(图6(b)和图6(c))。

3.2 节理砂岩变形破裂过程声发射事件分析

干湿循环对岩石造成不可逆的累积损伤，在不同干湿循环次数后，岩样的声发射波在变形和破裂过程中表现出明显的特征差异。因此，分析岩石变形破裂过程中的声发射波形特征，有助于深入评价干湿循环后节理砂岩的变形破裂机理。

3.2.1 不同循环次数下岩样破裂过程中声发射参数变化规律

先重点分析0、10、20次干湿循环下砂岩单轴压缩试验。图7给出了0、10、20次干湿循环下砂岩试样在变形过程中的应力和声发射参数(振铃计数及累计振铃计数)随时间的变化曲线。

图7 不同干湿循环次数的岩样振铃计数、累计振铃计数随时间变化曲线Fig.7 Variations of AE ring count and accumulated AE ring count of intact rock specimen with time under different dry-wet cycles

由图7可看出，完整岩样和节理岩样的声发射事件在干湿循环作用后大都经历微弱、增强、陡增、剧烈4个阶段。在微弱阶段即OA阶段，声发射活动较低。进入增强阶段即AB段后，声发射活动有所增强，以很小的速率增加，声发射振铃计数微小。到了陡增阶段即BC阶段后，声发射振铃计数开始变得活跃呈陡增趋势，声发射累计振铃计数曲线随时间近似呈指数形式增长。到达剧烈阶段即CD阶段后，声发射事件变得异常剧烈。

此外，由图7也可看出，不同岩样随着干湿循环次数的增加，声发射振铃计数和累计声发射振铃计数均减小，声发射剧烈活动阶段的持续时间均在增加。在10次干湿循环作用后，声发射累计振铃计数下降约22%，声发射剧烈活动阶段的持续时间增加约25%；
在20次干湿循环作用后，声发射累计振铃计数下降约45%，声发射剧烈活动阶段的持续时间增加约67%。这是因为随着干湿循环次数的增加，岩样的强度发生了弱化，岩石晶体间的黏结作用降低，导致岩样的塑性变形增加[25]。

图8 声发射累计振铃计数与干湿循环次数之间的关系Fig.8 Curves of cumulative AE ring count versus number of dry-wet cycles

通过对比分析不同节理岩样在单轴压缩过程中的声发射参数变化规律(图8)可以发现，在相同干湿循环次数作用下，随着节理数量的增加，声发射活动降低，而随着干湿循环次数的增加，不同节理岩样的声发射活动降幅均增大。在0次干湿循环下，单节理岩样的声发射累计振铃计数下降幅度约51%，双节理岩样的声发射累计振铃计数下降幅度约71%；
在10次干湿循环下，单节理岩样的声发射累计振铃计数下降幅度约53%，双节理岩样的声发射累计振铃计数下降幅度约74%；
在20次干湿循环下，单节理的声发射累计振铃计数下降幅度约57%，双节理岩样的声发射累计振铃计数下降幅度约78%。

3.2.2 节理砂岩声发射b值变化规律分析

b值的概念源于地震学的研究(见文献[18])，可以用来表征裂纹扩展的尺度，如今已成为岩石声发射特性研究的重要手段之一[26]，因此分析受荷过程中的b值对认识大小声发射事件之间的关系具有重要的物理意义。

图9 不同干湿循环次数下岩样AE事件振幅与频度分布Fig.9 Amplitude-frequency distribution diagram of AE events of jointed rock samples with single under different dry-wet cycles

声发射b值的计算如下(见文献[22])：

(1)

(2)

式中：AdB是声发射事件的振幅(dB)；
Amax是声发射事件的峰值振幅(mV)；
N是震级超过AdB的声发射事件总数；
参数a和b是常数，参数a是平均活动水平，参数b是直线的斜率，表示声发射事件大小之间的关系。

一般b值增大表示小声发射事件的比例逐渐增大，而b值减小则表示大声发射事件的比例在逐渐增大(见文献[26])。图9显示了完整岩样与单节理岩样不同干湿循环次数下声发射击数频率和振幅之间的关系，图10给出了干湿循环次数与声发射b值的关系曲线。

图10 声发射参数b值与干湿循环次数关系Fig.10 Curves of AE b values versus number of dry-wet cycles

由图9并结合式(1)、式(2)可以计算得到不同干湿循环次数下完整岩样声发射b值依次为0.521、0.539、0.555、0.573、0.640和0.687，单节理岩样声发射b值依次为0.421、0.443、0.455、0.486、0.547和0.595，可见声发射b值逐渐增大，表明干湿循环作用后岩样内部产生小声发射事件的占比在逐渐增大，即小尺度破裂所占的比例在增加。这是因为随着干湿循环次数的不断增大，节理岩样内部的颗粒物质和胶结物质均发生了劣化，水对节理岩样造成的累积损伤不断加剧，使得岩样内部的黏聚力不断减小，矿物颗粒发生断裂时释放的能量随之降低，因此，造成干湿循环后节理岩样小声发射事件的比例逐渐增大，岩样内部以小尺度的破裂为主。由图10对比完整岩样和单节理岩样，可以发现，完整岩样和单节理岩样在变形破坏过程中的声发射b值均随着干湿循环次数增加而呈逐步增大趋势，此外，各种干湿循环次数情况下完整岩样的声发射b值均大于节理岩样，说明完整岩样在变形破坏过程中发生的小声发射事件占比要大于节理岩样，而节理岩样存在节理的优势导向作用[27]，使得节理岩样最终的破坏大都沿着节理尖端扩展贯通破坏，因此，在此过程中节理岩样内部所发生的小破裂占比小于完整岩样。

本文利用单轴压缩试验及声发射技术，研究了干湿循环对节理砂岩破裂过程中声发射参数特征的影响，主要结论如下：

(1)干湿循环作用后的单轴压缩下砂岩岩样在实验过程中的声发射活动存在“微弱—增强—陡增—剧烈”阶段性特征。

(2)随着干湿循环次数的增加，不同节理岩样声发射振铃计数和累计声发射振铃计数均减小，而声发射剧烈活动阶段的持续时间、累计振铃计数的降幅以及变形破坏过程中的声发射b值均呈逐步增大的趋势，同时，b值的增加也表明干湿循环作用下岩样内部多发生小尺度的破裂。

(3)各种干湿循环次数情况下完整岩样的声发射b值均大于节理岩样，说明完整岩样在变形破坏过程中发生的小声发射事件占比要大于节理岩样。

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