1、收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：王桂林（），男，江西寻乌人，教授，博士，博士生导师，从事岩土工程领域的教学科研工作。：，（）：，干湿循环节理砂岩单轴压缩声发射演化特征王桂林，杨证钦，张 亮，孙 帆（重庆大学 土木工程学院，重庆；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；西安科技大学 建筑与土木工程学院，西安）摘 要：干湿循环对岩石造成不可逆的累积损伤，而岩石的变形破坏过程伴随着明显的声学特征。为探讨干湿循环后节理砂岩变形破裂机理，通过开展节理砂岩室内单轴压缩试验，采用声发射测试技术监测岩样损伤破坏的声学数据，研究历经、次干湿循环作用后的完整
2、、单节理、双节理砂岩岩样在变形破裂过程中声发射参数的演化特征。结果表明：随着干湿循环次数的增加，砂岩岩样峰后塑性特征逐渐增强，声发射活动表现存在微弱、增强、陡增、剧烈 个阶段；随着干湿循环次数的增加，节理岩样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 值均呈逐步增大的趋势；各种干湿循环次数情况下完整岩样的声发射 值均大于节理岩样。研究成果可为干湿循环下节理岩体变形破坏机理研究提供有益的参考。关键词：节理砂岩；干湿循环；单轴压缩；声发射监测；声发射 值中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（.，；.，；.，）：，（），（，），；，
3、：；第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 研究背景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，使得岩体参数发生劣化。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。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（，简称）特征以及破裂机理。刘小红等、王子娟等对干湿循环作用下
4、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。和（）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
5、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，而在声发射应用中，关系则经常用来揭示混凝土和岩石的破裂机理。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、次的干湿循环作用，而后采用 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 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。试验方案 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、的长
6、方形体，利用 型自动取芯机从单个长方形体中取芯，之后然后利用 打磨机和 平面研磨抛光机将试样加工成 的标准圆柱试件。节理几何参数为：长度，厚度，间隔，倾角。最终加工成的节理岩样如图 所示。图 节理岩样 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，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电 热 恒 温 鼓 风 干 燥 箱（图 （）和图（），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（）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，持续保持负压 ；待饱水仪负压升至为 时，将砂岩试样取出，并立即放入装有三峡库区水样的容
7、器中继续浸泡 。称取质量后直接放入干燥箱中，在 进行烘干 ，此过程定义为 次干湿循环。干湿循环次数分别为、次。再采用 精密电子万能电子材料试验机（图）进行单轴压缩试验，加载速率为 ，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 声发射系统（图）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。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 所示。试验结果分析 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，
8、对单轴压 长江科学院院报 年 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。(a)(b)图 智能真空饱水仪与 型干燥箱 砂岩试样声发射探头AG-IS测试系统图 精密电子万能电子材料试验机 图 声发射系统 0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.001 02 03 04 05 06 07 08 0 轴向应力/MP a轴向应力/MP a轴向应力/MP a轴向应变/%(a)(b)(c)n=0n=1n=5 n=1 0n=1 5 n=2 00.20.40.60.81.01.21.41.61.801 02 03 04 05 06 07 0/%0.2 0.4 0.
9、6 0.8 1.0 1.2 1.401 02 03 04 05 0 /%图 完整岩样与节理岩样的单轴压缩应力应变曲线 图 为不同干湿循环次数（）作用下岩样的单轴压缩应力应变曲线。表 声发射系统中的参数设置 前置放大器 阈值 灵敏度 共振频率 频率范围 节理砂岩岩样制备完整岩样单节理岩样双节理岩样循环0 次循环1 次循环5 次循环1 0 次循环1 5 次循环2 0 次单轴压缩试验声发射系统图 方案流程 由图 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
10、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（），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（）和图（）。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。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、次干湿循环下砂岩单轴压缩试验。图 给出了、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
11、累计振铃计数）随时间的变化曲线。第 期王桂林 等 干湿循环节理砂岩单轴压缩声发射演化特征(a)n=0(b)n=1 0(c)n=2 0A E1 05A E1 05A E1 05A E1 03A E1 03A E1 030 2 0 04 0 06 0 08 0 0 1 0 0 0 1 2 0 01 02 03 04 05 06 07 08 0 A E A E/MP aA E1 05A E1 03/MP aA E1 05A E1 03/MP a/s051 01 52 02 5051 01 52 02 5ADCOB02 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 01 0 0 0 1 2 0 01 02
12、03 04 05 06 07 0/MP aA E1 05A E1 03/MP aA E1 05A E1 03/MP a/s0481 21 62 02 40481 21 62 0DCOBA0 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 02 03 04 05 06 0/MP aA E1 05A E1 03/MP aA E1 05A E1 03/MP a/s(d)n=0(e)n=1 0(f)n=2 0/s/s/s(g)n=0(h)n=1 0(i)n=2 0/s/s/s0481 21 62 02 403691 21 51 8DCOBA02 0 0 4 0 0 6 0 0
13、8 0 01 0 0 01 02 03 04 05 06 07 0 051 01 52 02 5024681 01 2DCOBA02 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 01 02 03 04 05 06 0 0481 21 62 02 4024681 0DCOBA02 0 04 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 01 02 03 04 05 06 0图 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 由图 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 个阶段。在微弱阶段即 阶段，声发射活动较低。进入增强阶段即
14、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 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 阶段后，声发射事件变得异常剧烈。此外，由图 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 次干湿循环作用后，声发射累计振铃计数下降约，声发射剧烈活动阶段的持续时间增加约；在 次干湿循环作用后，声发射累计振铃计数下降约，声发射剧烈活动阶段的持续时间增加约。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
15、低，导致岩样的塑性变形增加。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）可以发现，在相同干051 01 52 024681 01 21 41 61 82 02 2A E/1 05 完整岩样 单节理岩样 双节理岩样图 声发射累计振铃计数与干湿循环次数之间的关系 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 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，双节理岩样的声发射累计振铃计数下降幅度约；在 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，双节理岩样的声发射累计振铃计数下降幅度约
16、；在 次干湿循环下，单节理的声发射累计振铃计数下降幅度约 长江科学院院报 年，双节理岩样的声发射累计振铃计数下降幅度约。节理砂岩声发射 值变化规律分析 值的概念源于地震学的研究（见文献），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，因此分析受荷过程中的 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。2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.82.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0 频率l g N振幅范围(Ad B/2 0)/d B2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8振幅范围(Ad B/2 0)/d B2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8振幅范围(Ad B/2 0)/d B2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8振幅范围(Ad B/2 0)/d B2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8振幅范围(Ad B/2 0)/d B2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8振幅范围(Ad B/2 0)/d Bl g N=7.5 6 7-0.5 2 1(Ad
