结构面剪切条件下岩石声发射的三段性 特征

朱泽威 1 江海鸿 1 魏威 1 朱文涛 1 丁佩思 1

兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000

摘要：简要综述岩石破坏试验过程声发射特征的研究，分析了几种岩石破坏全过程的声发射特征。结果表明一些岩石在结构面剪切条件下声发射特征存在一定共性，砂岩、玄武岩的剪应力曲线和累计振铃数、累积能量曲线均呈现“三段性”即：平缓段、增加段、剧增段。

关键词：声发射；斜剪试验；岩石；结构面

1 引言（前言）

岩石声发射的研究起源于美国^[1]，在德国科学家Kaiser的成果下推广发展，目前被应用于岩石内部裂纹发展监测与破坏机理的研究。我国学者对岩石单轴、三轴受压条件下破坏过程中的声发射特征研究较多，吴刚等（1998）、李庶林等（2004）研究了岩石受压破坏过程不同的阶段中声发射事件特征。赵奎等（2019）研究花岗岩在不同应力水平下破坏产生的次声波信号特征，分析了累计振铃次数的变化规律。

研究表明岩体强度受结构面抗剪强度影响。针对剪切荷载条件下岩体声发射事件变化规律尚待完善，周小平和张永兴（2002）总结了岩石在直剪试验下结构面破坏过程声发射事件数和能率呈现三种不同表现的岩样，并判断持续高水平的能率能够作为主破坏的前兆。刘建伟（2014）对花岗岩和砂岩进行了三种剪倾角（45˚、60˚、75˚）下岩石声发射同步剪切实验，研究了岩石加载过程中的声发射时频特性。目前岩石破坏的声发射研究中关注岩石受荷条件下声发射事件所呈现的阶段性、破坏前兆较多，常将声发射事件数、累计振铃值与岩石应力关联，研究在不同应力阶段声发射事件数的变化。剪切引起岩石的剪应力、剪切位移以及声发射事件之间的关系研究较少。

2 剪切条件下声发射事件特征

从周喻等的微观试验数据可以发现剪切位移在0~0.11之前破裂频数（声发射事件数）增加较为缓慢（0.15之前几乎无），在0.11至剪切应力峰值之前快速增长，在峰值应力稍后剧烈增长。因此从微观的破裂事件出发可以将剪切位移、剪应力和声发射特征联系起来，这方面的工作目前较为少见。

许江等^[对三种不同含水量（饱和度0%、50%、100%）砂岩进行剪切试验并分析过程中的声发射特征，同样发现了剪应力峰值之后声发射事件数激增，含水量的增加会减小声发射活动的强度，使声发射事件峰值提前。聂百胜等在对三个不同产地煤岩样品剪切过程中的声发射和电磁辐射变化研究发现，声发射和电磁辐射现象呈现“初期高、中间平、破坏前逐渐增强”与“全程逐渐增强直至破坏”两种类型，可以利用该现象对灾害进行预警。

a. 灰岩 b. 砂岩 c. 玄武岩

图1 不同岩石典型应力-剪切位移-累计振铃计数时间关系曲线

四种典型岩石在结构面剪切条件下应力、剪切位移和累计振铃计数随时间变化情况，以及应力、剪切位移和累计能量随时间变化情况分别如图1所示。

3.结束语

砂岩、玄武岩的剪应力曲线和累计振铃数、累积能量曲线及灰岩的剪应力（与剪切位移的关系）均呈现上文所述的“三段性”即：平缓、增加、剧增，与周喻的0.5MPa法向荷载岩石节理直剪试验模拟结果符合，且振铃计数峰值出现在剪应力峰值之后，与陆丽丰研究的结果一致。

参考文献

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