1、收稿日期:2021 12 20作者简介:康玉梅(1973 )，女，辽宁灯塔人，东北大学副教授第44卷第3期2023 年 3 月东北 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Northeastern University(Natural Science)Vo l 44，No 3Mar2 0 2 3doi:1012068/j issn 1005 3026 2023 03 013不同加载速率下软硬互层类岩石力学及声发射特性康玉梅，谷今，魏梦琦(东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819)摘要:基于三峡库区砂泥岩互层岩体实测数据，制作软硬互层类岩石试样，在单轴压缩条件下，探
2、究不同静态加载速率对不同厚度比、不同岩层组合方式岩样的力学及声发射特性的影响 研究结果表明:加载速率和硬软岩体积比是影响峰值强度的主要因素，而加载速率和硬软岩岩层厚度比是影响最终破坏特征的主要因素 一方面，随着加载速率的增大，软硬互层类岩石峰值强度先减小后增大;硬岩占比与岩样抗压强度呈正相关;另一方面，低加载速率下岩样最终破坏模式为材料充分破坏，较高加载速率下岩样最终形成 1 2 条贯穿软硬岩层的主破裂面;软岩体积占比越少，软岩受到的破坏程度越剧烈;此外，可以把 AF 值突增、b 值骤降作为软硬互层岩体大面积破坏的预警信号关键词:软硬互层类岩石;声发射特征;力学特性;破坏特征;相似材料中图分类
3、号:TU 45文献标志码:A文章编号:1005 3026(2023)03 0399 09Mechanical Properties and Acoustic Emission Characteristics ofSoft-Hard Interbedded ocks Under Different Loading atesKANG Yu-mei，GU Jin，WEI Meng-qi(School of esources Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China Correspondingauthor:KANG
4、Yu-mei，E-mail:kangyumei mail neu edu cn)Abstract:Based on the measured data of sandstone mudstone interbedded rock mass in the ThreeGorges eservoir area，the soft-hard interbedded rock samples were madeUnder uniaxialcompression，the effects of different static loading rates on the mechanical and acous
5、tic emissioncharacteristics of rock samples with different thickness ratios and different rock formationcombinations were explored The results show that the loading rate and the volume ratio of hardand soft rock are the main factors affecting the peak strength，while the loading rate and thethickness
6、 ratio of hard and soft rock are the main factors affecting the final failure characteristicsOn the one hand，with the increase of loading rate，the peak strength of the soft-hard interbeddedrocks decreases first and then increases;The proportion of hard rock is positively correlated withthe compressi
7、ve strength of rock samples On the other hand，the ultimate failure mode of rocksamples at low loading rate is complete failure of materials，and at high loading rate，1 2 mainfracture surfaces penetrating soft and hard rock layers are finally formed The less the volumeproportion of soft rock，the more
8、severe the damage to soft rock In addition，the sudden increaseof AF value and the sudden decrease of b value can be taken as early warning signals of large-scale damage of the soft-hard interbedded rock massKeywords:soft-hardinterbeddedrocks;acousticemissioncharacteristics;mechanicalproperties;failu
9、re characteristics;similar materials软硬互层岩体广泛分布在我国西部四川盆地侏罗系红层地区、三峡库区、贵州西部等地区，这些地区的互层岩体主要由砂岩和泥岩堆积而成，岩层层厚由几十厘米到上百米不等，具有明显的软硬岩互层结构特征，是隧道开挖、边坡支护、煤矿开采等工程施工过程中经常会遇到的一种特殊岩体1 不同程度的工程扰动、地质构造作用、外部荷载作用等，均会对岩体产生不同的加载速率因此，开展不同加载速率条件下互层岩体力学特性的研究具有重要的工程意义软硬互层岩体构造中岩层之间的性质差异对围岩稳定性有较大影响 由于互层结构的存在，其力学性质比较复杂，通常表现为显著的各向异
10、性2 3，破坏机制与均质岩体有很大的区别，主要受组成各个岩块的岩性以及层间面力的影响Tien 等4 5 利用相似材料模拟复合层状岩石进行单轴和三轴压缩试验，探究了岩层倾角变化对层状岩体强度和变形模量的影响 李昂等6 对锦屏地区的软硬互层岩体进行单轴压缩试验，探究了岩层倾角、软弱夹层数量和分布对其力学特性和破坏特征的影响 Cheng 等7 对软硬互层类岩样开展单轴压缩试验，同步进行声发射监测、DIC 应变场监测，探究了岩层倾角对岩样峰值强度和变形特征的影响 黄锋等8 在单轴和三轴压缩条件下，分析了岩层倾角为 0，30时不同厚度比岩样的力学特性和破坏形态 周辉等9 基于三轴压缩试验，研究了围压对水
11、平软硬互层岩体变形破坏特征的影响综上，现有研究大多针对软硬互层类岩石分别探讨层状倾角、硬软岩层厚度比以及不同围压对其力学性能的影响，而忽略了硬软岩体积比、交界面对岩体产生的影响 另外，涉及加载速率对软硬互层岩样力学特性及破坏特征影响的研究较少，不同的加载条件必定会对软硬互层岩体产生不同的损伤 基于此，本文通过自制不同厚度比、不同岩层组合方式的软硬互层类岩石，探究不同加载速率下岩样的力学及声发射特征，为含软硬互层岩体地区相关工程施工时的开挖位置、路径、施工方式以及进行围岩和边坡支护等提供参考1试验概况1.1相似材料配比方案鉴于三峡库区软硬互层岩体多为缓倾角，故本文主要针对水平状互层岩体开展研究
12、本次试验中类砂、泥岩的抗压强度和弹性模量参考了当地的实测数据，如表 1 所示 在现有研究结果基础上10 12，最终选用一定量的 P O425 普通硅酸盐水泥，粒径小于 1.18 mm 的干燥河砂和水来配置类砂岩 在此基础上另添加石膏粉制作类泥岩 另外，添加减水剂和早强剂，以提高类岩石的早期强度和密度 为了更好地模拟三峡库区软硬互层岩体的力学性质，最终配比的选取应满足如下要求:硬岩峰后应力 应变曲线有明显的应力跌落现象;软岩峰后应力 应变曲线有明显的软化阶段;硬岩与软岩的抗压强度、弹性模量在三峡库区原岩实测数据范围内表 1三峡库区实测原型岩质材料各项力学参数13 Table 1Measured
13、mechanical parameters of prototyperock materials in Three Gorges eservoirarea13 原型岩体峰值强度/MPa弹性模量/GPa砂岩40 456.6 10.5泥岩21 273.1 4.6根据试验前期的多次配比结果，最终选取 6种硬、软岩配比方案，相应的力学参数如表 2 所示，应力 应变曲线如图 1 所示 结合上述 3 个筛选条件，方案 A1，B2 可作为类砂、泥岩的最终配比表 2相似材料配比方案及试验结果Table 2Proportioning scheme and test results ofsimilar mater
14、ials编号材料质量比水泥石膏河砂水灰质量比cMPaEGPaA1110.3146.87.79A2210.2867.310.08A3310.2877.311.37B10.90.120.4429.75.27B20.90.12.50.4725.14.57B30.90.130.5219.33.29图 1类岩石应力 应变曲线Fig.1Stress-strain curves of similar materials1.2软硬互层类岩石的制作选取内径为 300 mm 200 mm 120 mm 的004东北大学学报(自然科学版)第 44 卷塑料模具，采用分层浇筑的方式制备软硬互层类岩块 按照预设软硬岩厚度
15、，分别称取其所需材料的质量，并在模具内部用钢尺在四周量好刻度、做好标记，以便控制浇筑厚度 由前期预实验的结果可知，在下层凝结 2.5 h 后再浇筑上层，分层效果良好 根据预实验测定的间隔时间，依次按照预设的厚度浇筑软、硬岩 浇筑完成后，在模具上表面覆盖一层保护膜，以起到保水作用，更利于水泥的水化反应 试块自然养护 24 h 后脱模，并将其放入水中继续养护 7 d 如图 2 所示，利用内径50 mm 的钻头对成型的试块进行钻芯取样，并对钻芯取得的试样端部进行磨平处理，加工成50 mm 100 mm 的标准试件，在自然环境下干燥并定期进行称质量，直至质量变化在5%以内方可进行试验 利用超声波仪器测
16、试波速，将外观缺陷明显及波速差异较大的试块剔除，并保证每组试块多于三块 软硬互层岩样示意图如图 3所示图 2模具和取芯过程Fig.2Die and coring process(a)岩块模具;(b)钻芯取样图 3软硬互层类岩石示意图(单位:mm)Fig.3Schematic of soft-hard interbedded rocks(unit:mm)(a)Y12;(b)Y21;(c)Y11;(d)Y11;(e)Y21;(f)Y12注:Y 表示硬岩(黑)，表示软岩(白)，Y12 表示硬岩在端部且硬软岩厚度比为 121.3试验装置及加载方式试验装置如图 4 所示 单轴压缩系统采用YAW 2000 型电液伺服试验机，声发射监测系统采用 PAC 公司生产的 PCI 2 型声发射采集系统 根据探头型号和试验环境条件，声发射仪器具体参数设置如下:门槛值为 45 dB，前置放大器增益为 40 dB，采样率为 1 MHz，滤波范围为 100 400 kHz图 4试验装置Fig.4Test device将 4 个 Nano30 型号的探头用宽松紧带固定在距岩样上、下端 25 mm 处 试验采用位移控制
