工程科学学报，第38卷，第12期：1667-1673,2016年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.12:1667-1673,December 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.002:http://journals.ustb.edu.cn 含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射 特征 魏翔区，杨春和2》 1)重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400044 2)中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉430071 区通信作者，E-mail:903153423@4.com 摘要利用MTS815.03岩石试验机对试件进行三轴压缩试验，采用DISP声发射测试系统进行声发射数据收集，并对含陡 倾角软弱结构面的岩体试件和岩石试件进行试验对比.两种试件随围压的增加强度逐渐增加，破坏由脆性向延性转变：岩体 试件总是沿结构面滑移破坏，岩石试件为剪切破坏.随着围压的增加，两种试件的弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度 增加：岩体试件弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石试件，而峰值应变高于岩石试件.岩体试件内摩擦角小于岩石试 件，而黏聚力大于岩石试件.随围压的增加，两种试件在峰值应力阶段声发射事件远高于其他阶段，而岩体试件声发射事件 集聚量远远高于岩石试件.研究结果表明软弱结构面的存在降低了岩体的力学性质，因此在高放废物地质处置库选址时结 构面发育特征是需要考虑的关键因素。 关键词花岗岩：力学性质：声发射；压缩试验 分类号TU45 Mechanical features and acoustic emission characteristics of granite having a weak structure plane with steep dip angle WEI Xiang,YANG Chun-he) 1)StateKey Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,China 2)State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071.China Corresponding author,E-mail:903153423@qq.com ABSTRACT Triaxial compression testing was performed on an MTS 815.03 rock testing machine and acoustic emission data were collected by using a DISP acoustic emission test system.An experimental comparison was done between rock mass specimens having a weak structure plane with steep dip angle and rock specimens.The strength of the two kinds of specimens gradually increases with the increase of confining pressure,and the failure mode changes from brittle to ductile.Sliding failure along the structural plane occurs in the rock mass,while shear failure in the rock.With the increase of confining pressure,the elasticity modulus,deformation modulus, peak strain and peak strength of the two kinds of specimens increase.Moreover,the elasticity modulus,deformation modulus,and peak strength of the rock mass are lower than those of the rock,but the peak strain is higher.The internal friction angle of the rock mass is lower than that of the rock,but the cohesive force is higher.With the increase of confining pressure,acoustic emission events in the peak stress stage are far more than those in the other stages,and the acoustic emission events of the rock mass are more than those of the rock.The results of study show that the weak structure surface results in the lower mechanical properties of the rock mass, so it is a key factor in site selection for a high-evel radioactive waste geological disposal repository. 收稿日期：2016-02-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51104144,51574218)
工程科学学报，第 38 卷，第 12 期: 1667--1673，2016 年 12 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 12: 1667--1673，December 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 12． 002; http: / /journals． ustb． edu． cn 含陡倾角软弱结构面的花岗 岩力学特性及声发射 特征 魏 翔1) ，杨春和1，2) 1) 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044 2) 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071 通信作者，E-mail: 903153423@ qq． com 摘 要 利用 MTS 815． 03 岩石试验机对试件进行三轴压缩试验，采用 DISP 声发射测试系统进行声发射数据收集，并对含陡 倾角软弱结构面的岩体试件和岩石试件进行试验对比． 两种试件随围压的增加强度逐渐增加，破坏由脆性向延性转变; 岩体 试件总是沿结构面滑移破坏，岩石试件为剪切破坏． 随着围压的增加，两种试件的弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度 增加; 岩体试件弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石试件，而峰值应变高于岩石试件． 岩体试件内摩擦角小于岩石试 件，而黏聚力大于岩石试件． 随围压的增加，两种试件在峰值应力阶段声发射事件远高于其他阶段，而岩体试件声发射事件 集聚量远远高于岩石试件． 研究结果表明软弱结构面的存在降低了岩体的力学性质，因此在高放废物地质处置库选址时结 构面发育特征是需要考虑的关键因素． 关键词 花岗岩; 力学性质; 声发射; 压缩试验 分类号 TU45 收稿日期: 2016--02--29 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51104144，51574218) Mechanical features and acoustic emission characteristics of granite having a weak structure plane with steep dip angle WEI Xiang1) ，YANG Chun-he 1，2) 1) StateKey Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control，Chongqing University，Chongqing 400044，China 2) State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Ｒock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China Corresponding author，E-mail: 903153423@ qq． com ABSTＲACT Triaxial compression testing was performed on an MTS 815． 03 rock testing machine and acoustic emission data were collected by using a DISP acoustic emission test system． An experimental comparison was done between rock mass specimens having a weak structure plane with steep dip angle and rock specimens． The strength of the two kinds of specimens gradually increases with the increase of confining pressure，and the failure mode changes from brittle to ductile． Sliding failure along the structural plane occurs in the rock mass，while shear failure in the rock． With the increase of confining pressure，the elasticity modulus，deformation modulus， peak strain and peak strength of the two kinds of specimens increase． Moreover，the elasticity modulus，deformation modulus，and peak strength of the rock mass are lower than those of the rock，but the peak strain is higher． The internal friction angle of the rock mass is lower than that of the rock，but the cohesive force is higher． With the increase of confining pressure，acoustic emission events in the peak stress stage are far more than those in the other stages，and the acoustic emission events of the rock mass are more than those of the rock． The results of study show that the weak structure surface results in the lower mechanical properties of the rock mass， so it is a key factor in site selection for a high-level radioactive waste geological disposal repository．
·1668 工程科学学报，第38卷，第12期 KEY WORDS granite;mechanical features:acoustic emissions:compression testing 在高放废物地质处置中，研究核素迁移是整个工 角结构面大部分是成岩过程形成的，即原生结构面，其 程的关键问题.花岗岩作为处置库建设的理想岩体， 对岩体力学性质影响较小. 其岩体中存在的结构面是核素伴随地下水扩散到生物 在高放废物地质工程中，目前国内外对处置库的 圈的主要通道.因此，研究含结构面的花岗岩物理力 埋深要求基本一致即-500~-700m.按照岩体所处 学性质显得尤为重要习 构造应力场情况和结构面形成的力学成因可知，在此 花岗岩岩体中存在的软弱结构面具有高压缩、低 区段岩体内垂直应力为最大主应力，故其容易形成陡 强度等特征，其往往决定岩体的变形破坏和稳定性并 倾角结构面.根据室内岩石三轴力学试验结果也可以 对工程的稳定性和安全性具有极大影响。有关完 得出在该应力状态下岩石破坏面倾角在55°以上，即 整花岗岩岩石试件的力学性质及声发射特征已开展了 破坏面倾角属于陡倾角.岩体内结构面主要承载地下 大量的研究.在国外，Mansurov因研究受压岩石峰值强 水流动，由于地下水携带泥土或其他杂质导致结构面 度前的应力、应变与声发射参数之间的关系：大量的研 隙宽逐渐减小直至完全堵塞而形成陡倾角软弱结构 究通过常规单轴、三轴压缩试验获得的应力应变曲线 面.鉴于陡倾角软弱结构面在高放废物地质处置库围 分析岩石应力特征及其对应的变形特性已网.国内 岩中广泛存在和对工程稳定性的影响，本文研究含陡 学者赵兴东等网研究花岗岩试件在常规单轴压缩条 倾角软弱结构面岩体的变形和强度特征，并对含软弱 件下微裂纹初始产生、扩展到岩石试件破坏过程的空 结构面花岗岩试件进行常规三轴压缩试验，并在加载 间演化模式：张茹等研究单轴压缩过程中花岗岩试 过程中对声发射事件数进行记录 件破坏全过程的声发射特征研究，得到应力应变曲 1.1试样制备和试验设备 线、声发射参数以及应力和时间的关系；蒋海昆等☒ 岩芯取自高放废物地质处置新疆预选区天湖岩体 研究不同围压条件下花岗岩压缩破坏全过程的声发射 TH01号钻孔-500~-600m区段，现场取回的钻孔岩 特征研究，并分析声发射的时序特征：陈亮等3研 芯直径为63mm,需要采用岩石取芯机、切割机和磨平 究在不同应力状态下花岗岩的变形、强度与声发射特 机等设备进行精细加工，制备满足试验标准的岩石试 征的关系和北山花岗岩在压应力作用下的力学行为特 件.根据GB/T5026699《工程岩体试验方法标准》和 征：万志军等的研究高温及三轴应力下花岗岩体力学 SL264一2001《水利水电工程岩石试验规程》，试件为 特性. 圆柱体，直径宜为48~54mm,高径比为2.0~2.5，高 目前国内外研究花岗岩力学性质及声发射特征都 度和直径的允许偏差为±0.3mm;试件两端面的不平 是通过完整岩石试件进行的，而对含软弱结构面的试 整允许偏差为±0.05mm,断面应垂直于试件轴线，允 件研究较少.基于此，本文对含陡倾角软弱结构面的 许偏差为±0.25°.选取细粒二长花岗岩试样（图1） 试样进行不同围压的三轴压缩试验，研究含软弱结构 进行试验，试样含单条陡倾角软弱结构面，结构面紧密 面花岗岩的变形和强度特性和声发射特征，为高放废 闭合且填充物为石英 物地质处置工程岩体稳定性分析提供必要的力学 参数 1试验设备和方案 通过钻孔电视对高放废物地质处置新疆预选区天 湖岩体内-500~-600m区段进行结构面调查统计， 利用节理倾向玫瑰花图和施密特极点投影图得出岩体 内主要发育三组结构面，倾向/倾角分别为236.31°/ 61.31°、278.13°/60.00°和328.20°/64.77°，其中 236.31°/61.31°最发育.由此可以看出结构面倾角基 图1含陡倾角软弱结构面的岩体 本大于60°，按照矿床倾角分类(0°~30°为缓倾角和 Fig.I Rock mass having a weak structure plane with steep dip angle 55°~90°为陡倾角)可以认为岩体主要发育陡倾角结 试样采用中科院武汉岩土力学研究所研制的 构面.按照结构面成因来说，陡倾角结构面大多属于 RSM-SY5智能声波检测仪（声波换能器主频为 构造结构面，即在区域或局部构造应力场作用下形成 650kHz)进行岩样的纵波波速测量，使用游标卡尺（量 的，其大大降低了岩石力学性质和岩体稳定性：而缓倾 程125mm,精度0.02mm)和电子天平（称量2000g,感
工程科学学报，第 38 卷，第 12 期 KEY WOＲDS granite; mechanical features; acoustic emissions; compression testing 在高放废物地质处置中，研究核素迁移是整个工 程的关键问题． 花岗岩作为处置库建设的理想岩体， 其岩体中存在的结构面是核素伴随地下水扩散到生物 圈的主要通道． 因此，研究含结构面的花岗岩物理力 学性质显得尤为重要［1--3］． 花岗岩岩体中存在的软弱结构面具有高压缩、低 强度等特征，其往往决定岩体的变形破坏和稳定性并 对工程的稳定性和安全性具有极大影响［4--5］． 有关完 整花岗岩岩石试件的力学性质及声发射特征已开展了 大量的研究． 在国外，Mansurov ［6］研究受压岩石峰值强 度前的应力、应变与声发射参数之间的关系; 大量的研 究通过常规单轴、三轴压缩试验获得的应力!应变曲线 分析岩石应力特征及其对应的变形特性已［7--9］． 国内 学者赵兴东等［10］研究花岗岩试件在常规单轴压缩条 件下微裂纹初始产生、扩展到岩石试件破坏过程的空 间演化模式; 张茹等［11］研究单轴压缩过程中花岗岩试 件破坏全过程的声发射特征研究，得到应力!应变曲 线、声发射参数以及应力和时间的关系; 蒋海昆等［12］ 研究不同围压条件下花岗岩压缩破坏全过程的声发射 特征研究，并分析声发射的时序特征; 陈亮等［13--14］研 究在不同应力状态下花岗岩的变形、强度与声发射特 征的关系和北山花岗岩在压应力作用下的力学行为特 征; 万志军等［15］研究高温及三轴应力下花岗岩体力学 特性． 目前国内外研究花岗岩力学性质及声发射特征都 是通过完整岩石试件进行的，而对含软弱结构面的试 件研究较少． 基于此，本文对含陡倾角软弱结构面的 试样进行不同围压的三轴压缩试验，研究含软弱结构 面花岗岩的变形和强度特性和声发射特征，为高放废 物地质处置工程岩体稳定性分析提供必要的力学 参数． 1 试验设备和方案 通过钻孔电视对高放废物地质处置新疆预选区天 湖岩体内 － 500 ～ － 600 m 区段进行结构面调查统计， 利用节理倾向玫瑰花图和施密特极点投影图得出岩体 内主要发育三组结构面，倾向/倾角分别为 236. 31°/ 61. 31°、278. 13°/60. 00° 和 328. 20°/64. 77°，其 中 236. 31°/61. 31°最发育． 由此可以看出结构面倾角基 本大于 60°，按照矿床倾角分类( 0° ～ 30°为缓倾角和 55° ～ 90°为陡倾角) 可以认为岩体主要发育陡倾角结 构面． 按照结构面成因来说，陡倾角结构面大多属于 构造结构面，即在区域或局部构造应力场作用下形成 的，其大大降低了岩石力学性质和岩体稳定性; 而缓倾 角结构面大部分是成岩过程形成的，即原生结构面，其 对岩体力学性质影响较小． 在高放废物地质工程中，目前国内外对处置库的 埋深要求基本一致即 － 500 ～ － 700 m． 按照岩体所处 构造应力场情况和结构面形成的力学成因可知，在此 区段岩体内垂直应力为最大主应力，故其容易形成陡 倾角结构面． 根据室内岩石三轴力学试验结果也可以 得出在该应力状态下岩石破坏面倾角在 55°以上，即 破坏面倾角属于陡倾角． 岩体内结构面主要承载地下 水流动，由于地下水携带泥土或其他杂质导致结构面 隙宽逐渐减小直至完全堵塞而形成陡倾角软弱结构 面． 鉴于陡倾角软弱结构面在高放废物地质处置库围 岩中广泛存在和对工程稳定性的影响，本文研究含陡 倾角软弱结构面岩体的变形和强度特征，并对含软弱 结构面花岗岩试件进行常规三轴压缩试验，并在加载 过程中对声发射事件数进行记录． 1. 1 试样制备和试验设备 岩芯取自高放废物地质处置新疆预选区天湖岩体 TH01 号钻孔 － 500 ～ － 600 m 区段，现场取回的钻孔岩 芯直径为 63 mm，需要采用岩石取芯机、切割机和磨平 机等设备进行精细加工，制备满足试验标准的岩石试 件． 根据 GB/T50266—99《工程岩体试验方法标准》和 SL264—2001《水利水电工程岩石试验规程》，试件为 圆柱体，直径宜为 48 ～ 54 mm，高径比为 2. 0 ～ 2. 5，高 度和直径的允许偏差为 ± 0. 3 mm; 试件两端面的不平 整允许偏差为 ± 0. 05 mm，断面应垂直于试件轴线，允 许偏差为 ± 0. 25°． 选取细粒二长花岗岩试样( 图 1) 进行试验，试样含单条陡倾角软弱结构面，结构面紧密 闭合且填充物为石英． 图 1 含陡倾角软弱结构面的岩体 Fig． 1 Ｒock mass having a weak structure plane with steep dip angle 试样采用中科院武汉岩土 力 学 研 究 所 研 制 的 ＲSM-SY5 智 能 声 波 检 测 仪 ( 声 波 换 能 器 主 频 为 650 kHz) 进行岩样的纵波波速测量，使用游标卡尺( 量 程 125 mm，精度 0. 02 mm) 和电子天平( 称量 2000 g，感 ·1668·
魏翔等：含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征 ·1669· 量0.01g)测量直径、长度和质量.岩体的三轴压缩试 15和20MPa围压，试样的信息见表1.纵波波速试 验在武汉岩土所MTS815.03岩石试验机上完成，同时 验方法为直透法（直达波法），即将纵声波换能器置 采用美国物理声学公司(PAC)研制的DISP声发射测 于试样的轴向两端，并用夹具夹紧.换能器与岩样 试系统进行声发射数据收集.本次试验中，轴压加载 间的耦合材料用凡士林.三轴压缩试验采用应力 采用位移控制，加载速率为1×10-3mms,围压采用 控制，即先增加围压至预定值，再施加轴压进行试 载荷控制，加载速率为0.5MPa·s1.在试验过程中， 验.在三轴压缩试验过程中，同时监测试件破坏过 声发射监测系统可对声发射事件、能量等特征参数进 程声发射参数特征.通过试验，研究含软弱结构面 行实时监测. 岩体压缩变形直至破坏的全过程以及破坏过程中 1.2试验方案 声发射参数特性. 试验进行两组，每组八个试样分别施加5、10、 表1试样的物理参数 Table 1 Physical parameters of samples 试件描述 围压/MPa 试件编号 直径/mm 高度/mm 纵波波速/(m·s) 密度/(gcm3) 1-1-1 49.04 100.41 3535.56 2.48 5 1-1-2 49.42 99.68 3547.33 2.46 1-2-1 49.14 99.73 3269.84 2.48 10 1-2-2 48.64 99.96 3173.33 2.53 含软弱结构面 1-3-1 49.53 99.41 3270.07 2.45 15 1-3-2 49.58 99.87 3362.63 2.44 1-4-1 49.95 99.53 3385.37 2.41 20 14-2 49.37 99.69 3257.84 2.46 2-1-1 49.74 99.32 3925.69 2.55 2-1-2 49.68 99.38 3975.20 2.54 2-2-1 49.41 99.43 3853.88 2.57 10 2-2-2 49.53 99.08 3963.20 2.58 完整 2-3-1 49.84 99.39 4559.17 2.60 15 2-3-2 49.74 99.87 4581.19 2.59 24-1 49.73 99.34 4685.85 2.62 20 2-4-2 49.94 99.74 4660.75 2.62 2试验结果及分析 压)一轴向应变（ε，）曲线，试件共分为四级围压，依次 为5、10、15和20MPa 2.1试验结果 表2试验结果 试验结果见表2.表2给出每组两个试件峰值应 Table 2 Test results 力平均值和声发射事件数平均值.在试验过程中，试 围压/ 平均峰值平均声发射 破坏 件发生破坏时都会发出“砰”的声响，完整试件声响比 试件 MPa 强度/MPa 事件数 方向 较清脆，说明含结构面试件由于沿裂隙面破坏，并且承 5 234.53 2209 沿结构面 受的荷载也比较低，在压缩过程中积聚弹性能少，发出 10 250.74 3000 沿结构面 声响比较弱.试件最终的破坏形式都是剪切破坏，岩 含软弱结构面 石（完整试件）为剪切滑移，岩体（含陡倾角软弱结构 公 267.57 7641 沿结构面 面试件)为沿结构面破坏，如图2所示 20 295.80 26427 沿结构面 2.2轴向应力一轴向应变全过程曲线 5 250.04 109 剪切面 307.82 737 利用试验机获得不同围压下试件的应力一应变曲 10 剪切面 完整 线.图3分别给出岩体试件和完整岩石试件三轴压缩 15 374.62 1886 剪切面 过程的偏应力（σ1-σ3，其中σ，为轴向应力，03为围 20 415.27 2192 剪切面
魏 翔等: 含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征 量 0. 01 g) 测量直径、长度和质量． 岩体的三轴压缩试 验在武汉岩土所 MTS 815. 03 岩石试验机上完成，同时 采用美国物理声学公司( PAC) 研制的 DISP 声发射测 试系统进行声发射数据收集． 本次试验中，轴压加载 采用位移控制，加载速率为 1 × 10 － 3 mm·s － 1 ，围压采用 载荷控制，加载速率为 0. 5 MPa·s － 1 ． 在试验过程中， 声发射监测系统可对声发射事件、能量等特征参数进 行实时监测． 1. 2 试验方案 试验进行两组，每 组 八 个 试 样 分 别 施 加 5、10、 15 和 20 MPa 围压，试样的信息见表 1． 纵波波速试 验方法为直透法( 直达波法) ，即将纵声波换能器置 于试样的轴向两端，并用夹具夹紧． 换能器 与 岩 样 间的耦合 材 料 用 凡 士 林． 三 轴 压 缩 试 验 采 用 应 力 控制，即先增 加 围 压 至 预 定 值，再 施 加 轴 压 进 行 试 验． 在三轴压缩试验过程中，同时监测试件 破 坏 过 程声发射参数特征． 通过试验，研究含软弱 结 构 面 岩体压缩变形直至破坏的全过程以及破坏过程中 声发射参数特性． 表 1 试样的物理参数 Table 1 Physical parameters of samples 试件描述 围压/MPa 试件编号 直径/mm 高度/mm 纵波波速/( m·s － 1 ) 密度/( g·cm － 3 ) 含软弱结构面 5 1--1--1 49. 04 100. 41 3535. 56 2. 48 1--1--2 49. 42 99. 68 3547. 33 2. 46 10 1--2--1 49. 14 99. 73 3269. 84 2. 48 1--2--2 48. 64 99. 96 3173. 33 2. 53 15 1--3--1 49. 53 99. 41 3270. 07 2. 45 1--3--2 49. 58 99. 87 3362. 63 2. 44 20 1--4--1 49. 95 99. 53 3385. 37 2. 41 1--4--2 49. 37 99. 69 3257. 84 2. 46 完整 5 2--1--1 49. 74 99. 32 3925. 69 2. 55 2--1--2 49. 68 99. 38 3975. 20 2. 54 10 2--2--1 49. 41 99. 43 3853. 88 2. 57 2--2--2 49. 53 99. 08 3963. 20 2. 58 15 2--3--1 49. 84 99. 39 4559. 17 2. 60 2--3--2 49. 74 99. 87 4581. 19 2. 59 20 2--4--1 49. 73 99. 34 4685. 85 2. 62 2--4--2 49. 94 99. 74 4660. 75 2. 62 2 试验结果及分析 2. 1 试验结果 试验结果见表 2． 表 2 给出每组两个试件峰值应 力平均值和声发射事件数平均值． 在试验过程中，试 件发生破坏时都会发出“砰”的声响，完整试件声响比 较清脆，说明含结构面试件由于沿裂隙面破坏，并且承 受的荷载也比较低，在压缩过程中积聚弹性能少，发出 声响比较弱． 试件最终的破坏形式都是剪切破坏，岩 石( 完整试件) 为剪切滑移，岩体( 含陡倾角软弱结构 面试件) 为沿结构面破坏，如图 2 所示． 2. 2 轴向应力--轴向应变全过程曲线 利用试验机获得不同围压下试件的应力--应变曲 线． 图 3 分别给出岩体试件和完整岩石试件三轴压缩 过程的偏应力( σ1 － σ3，其中 σ1 为轴向应力，σ3 为围 压) --轴向应变( ε1 ) 曲线，试件共分为四级围压，依次 为 5、10、15 和 20 MPa． 表 2 试验结果 Table 2 Test results 试件 围压/ MPa 平均峰值 强度/MPa 平均声发射 事件数 破坏 方向 含软弱结构面 5 234. 53 2209 沿结构面 10 250. 74 3000 沿结构面 15 267. 57 7641 沿结构面 20 295. 80 26427 沿结构面 完整 5 250. 04 109 剪切面 10 307. 82 737 剪切面 15 374. 62 1886 剪切面 20 415. 27 2192 剪切面 ·1669·
·1670· 工程科学学报，第38卷，第12期 (a) 图2试件破裂.(a)岩石试件：(b)岩体试件 Fig.2 Failure of specimens:(a)rock;(b)rock mass 350T间 450间 o,=20 MPa 300 0,=20MPa 400 350 15 MPa 250 o,=I5 MRa 0,=10 MPa 200 250 G,=5a 150 0,=5 MPa 100 9150 I00 50 6 8 10 12 6 1 103 e/103 图3偏应力一轴向应变曲线.(a)岩体：(b)岩石 Fig.3 Deviatoric stress-strain curves:(a)rock mass:(b)rock 由图可见：两种试件压密阶段都不明显：岩石试件 下，岩体结构面充填物颗粒间的摩擦和岩石晶粒间的 进入弹性阶段后，应力应变呈线性增加直到岩石达到 摩擦不能承载更高的轴向荷载，在试件达到峰值强度 峰值强度，未经过屈服阶段，进入延性阶段，最终到达 后发生脆性破坏，强度很快跌落。相反，在高围压下， 残余强度：岩体试件随着围压的增加屈服阶段变明显， 岩体结构面充填物颗粒间的摩擦和岩石晶粒间的摩擦 且在峰值强度后延性阶段逐渐变明显：破坏后岩石和 能承载更高的轴向荷载，试件达到峰值强度后变形趋 岩体仍然具有较高的残余强度，可以进行二次加载. 于均匀化，破坏由脆性转化为延性.岩体沿软弱结构 两种试件都是随着围压的增加其峰值强度增大 面剪切破坏，并发生滑移，而岩石沿剪切面破坏.对于 在相同围压下，岩体试件的峰值强度小于岩石试件，同 岩石试件，剪切面晶粒间的摩擦力远小于软弱结构面， 时随着围压的增加，岩石试件的峰值强度增加幅度远 故其残余强度较高 远大于岩体试件.从图(3b)可以看出岩石达到峰值强 2.3变性特征 度时轴向变形为0.63mm,与岩石相比，岩体达到峰值 岩石的变性特征主要通过弹性模量、变形模量、峰 强度的轴向变形随围压增加而增加.两种试件的残余 值应变等指标来表征.弹性模量是指轴向应力与轴向 强度都是随着围压的增加而增大，相比于岩石，岩体残 应变之比，用E,表示；变形模量是指正应力与总应变 余强度比较小而且变化不大，但是强度还是在100MPa 之比，用E表示.在应力一应变曲线上，E,为岩石轴向 左右. 应力一轴向应变曲线近似直线部分的斜率，E为岩石 由试验结果可得，与岩石相比，岩体的变形和强度 50%轴向应力处与原点连线的斜率.本文先来探究围 随着围压的增加明显发生变化.岩体由于矿物晶粒之 压对两种试件的杨氏模量的影响规律.图4分别给出 间接触程度的随机分布，各组成成分本身的变形和对 岩体和岩石的弹性和变形模量一围压的变化图.由拟 力的作用不同，从而引起内部应力场的变化.岩体在 合曲线可以得出岩石的弹性和变形模量模量随着围压 软弱结构面颗粒间距比较大，在荷载作用下颗粒压密， 的增加而增大，岩石的杨氏模量高于岩体的杨氏模量. 达到破坏强度时变形量大.对岩石和岩体试件而言， 岩体变形模量对围压的敏感度高于弹性模量，岩石变 在应力作用下，岩体结构面发生闭合，结构面充填物颗 形模量和弹性模量对围压的敏感度基本一样.这主要 粒间的摩擦决定了岩体的强度特征，而岩石是由剪切 是由于岩体变形模量受压缩初期的非线性变形影响较 面晶粒间的摩擦决定了岩石的强度特征.在低围压 大，岩石材料裂隙的存在使得在压缩初期滑移量增加
工程科学学报，第 38 卷，第 12 期 图 2 试件破裂． ( a) 岩石试件; ( b) 岩体试件 Fig． 2 Failure of specimens: ( a) rock; ( b) rock mass 图 3 偏应力--轴向应变曲线． ( a) 岩体; ( b) 岩石 Fig． 3 Deviatoric stress--strain curves: ( a) rock mass; ( b) rock 由图可见: 两种试件压密阶段都不明显; 岩石试件 进入弹性阶段后，应力应变呈线性增加直到岩石达到 峰值强度，未经过屈服阶段，进入延性阶段，最终到达 残余强度; 岩体试件随着围压的增加屈服阶段变明显， 且在峰值强度后延性阶段逐渐变明显; 破坏后岩石和 岩体仍然具有较高的残余强度，可以进行二次加载． 两种试件都是随着围压的增加其峰值强度增大． 在相同围压下，岩体试件的峰值强度小于岩石试件，同 时随着围压的增加，岩石试件的峰值强度增加幅度远 远大于岩体试件． 从图( 3b) 可以看出岩石达到峰值强 度时轴向变形为 0. 63 mm，与岩石相比，岩体达到峰值 强度的轴向变形随围压增加而增加． 两种试件的残余 强度都是随着围压的增加而增大，相比于岩石，岩体残 余强度比较小而且变化不大，但是强度还是在100 MPa 左右． 由试验结果可得，与岩石相比，岩体的变形和强度 随着围压的增加明显发生变化． 岩体由于矿物晶粒之 间接触程度的随机分布，各组成成分本身的变形和对 力的作用不同，从而引起内部应力场的变化． 岩体在 软弱结构面颗粒间距比较大，在荷载作用下颗粒压密， 达到破坏强度时变形量大． 对岩石和岩体试件而言， 在应力作用下，岩体结构面发生闭合，结构面充填物颗 粒间的摩擦决定了岩体的强度特征，而岩石是由剪切 面晶粒间的摩擦决定了岩石的强度特征． 在低围压 下，岩体结构面充填物颗粒间的摩擦和岩石晶粒间的 摩擦不能承载更高的轴向荷载，在试件达到峰值强度 后发生脆性破坏，强度很快跌落． 相反，在高围压下， 岩体结构面充填物颗粒间的摩擦和岩石晶粒间的摩擦 能承载更高的轴向荷载，试件达到峰值强度后变形趋 于均匀化，破坏由脆性转化为延性． 岩体沿软弱结构 面剪切破坏，并发生滑移，而岩石沿剪切面破坏． 对于 岩石试件，剪切面晶粒间的摩擦力远小于软弱结构面， 故其残余强度较高． 2. 3 变性特征 岩石的变性特征主要通过弹性模量、变形模量、峰 值应变等指标来表征． 弹性模量是指轴向应力与轴向 应变之比，用 Es表示; 变形模量是指正应力与总应变 之比，用 E50表示． 在应力--应变曲线上，Es为岩石轴向 应力--轴向应变曲线近似直线部分的斜率，E50为岩石 50% 轴向应力处与原点连线的斜率． 本文先来探究围 压对两种试件的杨氏模量的影响规律． 图 4 分别给出 岩体和岩石的弹性和变形模量--围压的变化图． 由拟 合曲线可以得出岩石的弹性和变形模量模量随着围压 的增加而增大，岩石的杨氏模量高于岩体的杨氏模量． 岩体变形模量对围压的敏感度高于弹性模量，岩石变 形模量和弹性模量对围压的敏感度基本一样． 这主要 是由于岩体变形模量受压缩初期的非线性变形影响较 大，岩石材料裂隙的存在使得在压缩初期滑移量增加， ·1670·
魏翔等：含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征 1671 55[ 65间 y=1.2961r+26.959 50 R2=0.9655 60 y=1.1561x+37.728 =0.9535 5 =1.3801x+24.236 50 “6 R2-0.9823 35 )=1.131lx+35.719 。变形模量 R2=0.9785 变形模量 ·弹性模量 ▲弹性模量 20 25 10 15 25 o/MPa o/MPa 图4弹性模量-围压和变形模量-围压的关系.(a)岩体：(b)岩石 Fig.4 Relations of elasticity and deformation moduli with confining pressure:(a)rock mass:(b)rock 完整花岗岩岩样由于颗粒之间联接力大，接触紧密，在 式中，r为剪应力，σ为正应力，p为内摩擦角，c为黏 压缩初期变形小，压密阶段不明显. 聚力.本文采用第二种表达式. 对于岩体，随着围压的增大，弹性模量和变形模量 图6给出岩石和岩体围压与峰值强度关系.显然 差异逐渐减小，而岩石随着围压的变化，二者的差异基 岩石的峰值强度随着围压的增加而增，其峰值强度对 本不变.这主要是由于结构面在高围压下逐渐闭合， 围压的敏感度更高.由拟合直线可以求得岩石的P和 岩石在初期压缩时变形量减小. c分别为56.79°和29.27MPa,岩体的p和c分别为 图5给出两种试件围压与峰值应变（ε)的关系. 36.94°和52.92MPa.由此可得，结构面的存在使得岩 峰值应变指岩石达到峰值强度时的轴向应变.与岩石 体的内摩擦角φ减小而黏聚力c增大，对峰值强度有 相比，岩体达到峰值强度的轴向变形大于岩石，在低围 一定的影响.这主要是由于软弱结构面的存在使结构 压下差异比较小，随着围压的增加差异逐渐变大.这 面先于岩石材料达到破坏强度，岩体沿结构面滑移 主要是由于岩体在高围压下峰值强度附近出现屈服平 破裂 台，由脆性向延性转化 450 8.0r 3=11.25x+196.32 400 R2=0.9915 y=0.0949x45.8165 7.5 R2=0.9929 350 =4.0128r4212 300 R2-0.9796 250 。岩体 6.5 y=0.0348x+6.19 ▲岩石 R2-0.9836 ▲岩体 20 0 10 15 20 25 ·岩石 围压MPa 606 10 15 20 235 o/MPa 图6岩石与岩体的围压-峰值强度关系 Fig.6 Relationship between peak strength and confining pressure of 图5岩石和岩体的围压一峰值应变的关系 the rock and rock mass Fig.5 Relationship between peak strain and confining pressure of the rock and rock mass 2.5声发射特征 图7分别给出岩石和岩体在20MPa下的振铃累 2.4强度特征 岩石的强度指岩石在荷载作用下达到破坏时所能 计数（声发射事件）和轴向应力与轴向应变的关系.由 承受的最大应力即峰值强度.本文主要分析结构面和 图可知，声发射事件与轴向应变的曲线图与应力一应 围压对岩石的峰值强度影响规律. 变全过程曲线图具有一定的对应关系.岩石的应 岩石强度通常用强度准则理论来解释.Coulomb 力一应变曲线图可分为压密阶段、弹性阶段、破坏阶段 准则是最常用的最广泛的强度理论之一.Coulomb准 和破坏后四个阶段、由图可以看出：在初始压密阶段， 则有两种表达形式： 声发射事件较少，这主要是由于加载初期岩石内部空 T=otano +c, (1) 隙被压密以及裂隙逐渐闭合导致：在弹性变形阶段，岩 1 =1+sing 2e·cosp 石在端面或内部有微裂隙产生，声发射事件数缓慢增 1-sino 3+ 1 sinc (2) 加，而岩体还处在裂隙压密状态，声发射事件接近于
魏 翔等: 含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征 图 4 弹性模量--围压和变形模量--围压的关系． ( a) 岩体; ( b) 岩石 Fig． 4 Ｒelations of elasticity and deformation moduli with confining pressure: ( a) rock mass; ( b) rock 完整花岗岩岩样由于颗粒之间联接力大，接触紧密，在 压缩初期变形小，压密阶段不明显． 对于岩体，随着围压的增大，弹性模量和变形模量 差异逐渐减小，而岩石随着围压的变化，二者的差异基 本不变． 这主要是由于结构面在高围压下逐渐闭合， 岩石在初期压缩时变形量减小． 图 5 给出两种试件围压与峰值应变( ε) 的关系． 峰值应变指岩石达到峰值强度时的轴向应变． 与岩石 相比，岩体达到峰值强度的轴向变形大于岩石，在低围 压下差异比较小，随着围压的增加差异逐渐变大． 这 主要是由于岩体在高围压下峰值强度附近出现屈服平 台，由脆性向延性转化． 图 5 岩石和岩体的围压--峰值应变的关系 Fig． 5 Ｒelationship between peak strain and confining pressure of the rock and rock mass 2. 4 强度特征 岩石的强度指岩石在荷载作用下达到破坏时所能 承受的最大应力即峰值强度． 本文主要分析结构面和 围压对岩石的峰值强度影响规律． 岩石强度通常用强度准则理论来解释． Coulomb 准则是最常用的最广泛的强度理论之一． Coulomb 准 则有两种表达形式: τ = σtanφ + c， ( 1) σ1 = 1 + sinφ 1 － sinφ σ3 + 2c·cosφ 1 － sinφ ． ( 2) 式中，τ 为剪应力，σ 为正应力，φ 为内摩擦角，c 为黏 聚力． 本文采用第二种表达式． 图 6 给出岩石和岩体围压与峰值强度关系． 显然 岩石的峰值强度随着围压的增加而增，其峰值强度对 围压的敏感度更高． 由拟合直线可以求得岩石的 φ 和 c 分别为 56. 79°和 29. 27 MPa，岩体的 φ 和 c 分别为 36. 94°和 52. 92 MPa． 由此可得，结构面的存在使得岩 体的内摩擦角 φ 减小而黏聚力 c 增大，对峰值强度有 一定的影响． 这主要是由于软弱结构面的存在使结构 面先于岩石材料达到破坏强度，岩体沿结构面滑移 破裂． 图 6 岩石与岩体的围压--峰值强度关系 Fig． 6 Ｒelationship between peak strength and confining pressure of the rock and rock mass 2. 5 声发射特征 图 7 分别给出岩石和岩体在 20 MPa 下的振铃累 计数( 声发射事件) 和轴向应力与轴向应变的关系． 由 图可知，声发射事件与轴向应变的曲线图与应力--应 变全过程曲 线 图 具 有 一 定 的 对 应 关 系． 岩 石 的 应 力--应变曲线图可分为压密阶段、弹性阶段、破坏阶段 和破坏后四个阶段． 由图可以看出: 在初始压密阶段， 声发射事件较少，这主要是由于加载初期岩石内部空 隙被压密以及裂隙逐渐闭合导致; 在弹性变形阶段，岩 石在端面或内部有微裂隙产生，声发射事件数缓慢增 加，而岩体还处在裂隙压密状态，声发射事件接近于 ·1671·
·1672 工程科学学报，第38卷，第12期 零：在破坏阶段，岩石达到峰值强度瞬间发生破坏，裂 破坏，没有新裂隙产生：岩石的破坏过程实际上就是 隙大量产生，声发射事件数集聚增加，岩体弹性阶段后 在载荷作用下岩石内部微裂纹产生和发展直至最后宏 出现屈服阶段，岩体发生延性变形，裂隙间歇性产生， 观裂纹产生及试件破坏.由此可见，声发射现象不仅 声发射事件数呈阶段性增加：在峰值应力之后仍有声 能反映岩石的宏观破坏机理，也揭示岩石破坏后应力 发射事件产生，但是个数很少，说明试件已经达到宏观 重新达到新平衡过程 50 ((a) 2400 350 30000 300 360 2000 25000 1600 250 20000 270 edW/o- 200 1200 15000 180 150 800 100 10000 400 5000 、) 4 6 0 10 e,/103 e,/103 图720MPa下振铃累计数和偏应力与应变曲线的关系.(a)岩石：(b)岩体 Fig.7 Relations of ringing accumulative counts and deviatoric stress with strain under 20 MPa:(a)rock:(b)rock mass 图8给出岩石和岩体的声发射事件和围压关系 弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度增加.岩体 图.由图可以看出，随着围压的增加，岩石破坏过程中 弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石，峰值应变 声发射事件数增加.这是由于随围压增加岩石的破坏 高于岩石.岩体变形模量对围压的敏感度高于弹性模 形式从单一剪切面的脆性破坏向多个破裂面的延性破 量，岩石变形模量和弹性模量对围压的敏感度基本相 坏发展，导致产生的裂隙数增加.相对岩石来说，岩体 同.岩石中裂隙的存在导致强度降低，内摩擦角φ减 在破坏阶段沿裂隙面滑移产生新的裂纹，故岩体声发 小而黏聚力c增大. 射事件数远远大于岩石.因此，可以通过声发射事件 (3)在压缩应力状态下，岩石内部由微裂纹扩展 数来预测岩石内部是否存在裂隙 为宏观裂隙直至发生破坏，声发射事件数在逐渐增加. 30000 在达到峰值应力时内部裂隙大量产生，声发射事件数 ■岩石 25000 4岩体 急剧增加，破坏后声发射事件增加缓慢.岩体由于在 鼓20000 高围压下岩石的破坏形式逐渐从脆性破坏向延性破坏 转变，同时在破坏前后的裂隙扩展具有一定连续性，声 15000 发射事件数也是连续增加，在达到峰值强度时声发射 10000 事件数远远大于岩石 4 5000 参考文献 0 0 10 15 20 25 围压MPa [Wang J.High-evel radioactive waste disposal in China:update 2010.J Rock Mech Geotech Eng,2010,2(1)1 图8岩石和岩体声发射事件数一围压的关系 PanZQ.Qian Q H.Strategic Research for Deep Geological Dispos- Fig.8 Relationship between acoustic emission events and confining al of High Level Radioactive Waste.Beijing:Atomic Energy Press, pressure of the rock and rock mass 2009 (潘自强，钱七虎.高放废物地质处置战略研究.北京：原子 3 结论 能出版社，2009) B] Wang J,Chen W M,Su R,et al.Geological disposal of high-ev- (1)通过对花岗岩试件不同围压下应力一应变曲 el radioactive waste and its key scientific issues.Chin Rock Mech 线进行分析，发现岩石和岩体随围压增加强度逐渐增 Eng,2006,25(4):801 加，岩石和岩体的破坏由脆性向延性转变.岩体沿结 (王驹，陈伟明，苏锐，等.高放废物地质处置及其若干关键 科学问题.岩石力学与工程学报，2006,25(4)：801) 构面滑移破坏，当围压值高于15MPa后，岩体达到峰 4]Fairhurst C.Nuclear waste disposal and rock mechanics:contri- 值强度前出现屈服平台 butions of the Underground Research Laboratory (URL),Pinawa, (2)岩体和岩石随围压的变化力学特征变化大致 Manitoba,Canada.Int J Rock Mech Min Sci,2004,41(8):1221 相同，但二者之间存在差别.随着围压的增加，岩石的 [5]Wang J,Liu Y M.High-evel radio waste repository and rock me-
工程科学学报，第 38 卷，第 12 期 零; 在破坏阶段，岩石达到峰值强度瞬间发生破坏，裂 隙大量产生，声发射事件数集聚增加，岩体弹性阶段后 出现屈服阶段，岩体发生延性变形，裂隙间歇性产生， 声发射事件数呈阶段性增加; 在峰值应力之后仍有声 发射事件产生，但是个数很少，说明试件已经达到宏观 破坏，没有新裂隙产生． 岩石的破坏过程实际上就是 在载荷作用下岩石内部微裂纹产生和发展直至最后宏 观裂纹产生及试件破坏． 由此可见，声发射现象不仅 能反映岩石的宏观破坏机理，也揭示岩石破坏后应力 重新达到新平衡过程． 图 7 20 MPa 下振铃累计数和偏应力与应变曲线的关系． ( a) 岩石; ( b) 岩体 Fig． 7 Ｒelations of ringing accumulative counts and deviatoric stress with strain under 20 MPa: ( a) rock; ( b) rock mass 图 8 给出岩石和岩体的声发射事件和围压关系 图． 由图可以看出，随着围压的增加，岩石破坏过程中 声发射事件数增加． 这是由于随围压增加岩石的破坏 形式从单一剪切面的脆性破坏向多个破裂面的延性破 坏发展，导致产生的裂隙数增加． 相对岩石来说，岩体 在破坏阶段沿裂隙面滑移产生新的裂纹，故岩体声发 射事件数远远大于岩石． 因此，可以通过声发射事件 数来预测岩石内部是否存在裂隙． 图 8 岩石和岩体声发射事件数--围压的关系 Fig． 8 Ｒelationship between acoustic emission events and confining pressure of the rock and rock mass 3 结论 ( 1) 通过对花岗岩试件不同围压下应力--应变曲 线进行分析，发现岩石和岩体随围压增加强度逐渐增 加，岩石和岩体的破坏由脆性向延性转变． 岩体沿结 构面滑移破坏，当围压值高于 15 MPa 后，岩体达到峰 值强度前出现屈服平台． ( 2) 岩体和岩石随围压的变化力学特征变化大致 相同，但二者之间存在差别． 随着围压的增加，岩石的 弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度增加． 岩体 弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石，峰值应变 高于岩石． 岩体变形模量对围压的敏感度高于弹性模 量，岩石变形模量和弹性模量对围压的敏感度基本相 同． 岩石中裂隙的存在导致强度降低，内摩擦角 φ 减 小而黏聚力 c 增大． ( 3) 在压缩应力状态下，岩石内部由微裂纹扩展 为宏观裂隙直至发生破坏，声发射事件数在逐渐增加． 在达到峰值应力时内部裂隙大量产生，声发射事件数 急剧增加，破坏后声发射事件增加缓慢． 岩体由于在 高围压下岩石的破坏形式逐渐从脆性破坏向延性破坏 转变，同时在破坏前后的裂隙扩展具有一定连续性，声 发射事件数也是连续增加，在达到峰值强度时声发射 事件数远远大于岩石． 参 考 文 献 ［1］ Wang J． High-level radioactive waste disposal in China: update 2010． J Ｒock Mech Geotech Eng，2010，2( 1) : 1 ［2］ Pan Z Q，Qian Q H． Strategic Ｒesearch for Deep Geological Disposal of High Level Ｒadioactive Waste． Beijing: Atomic Energy Press， 2009 ( 潘自强，钱七虎． 高放废物地质处置战略研究． 北京: 原子 能出版社，2009) ［3］ Wang J，Chen W M，Su Ｒ，et al． Geological disposal of high-level radioactive waste and its key scientific issues． Chin J Ｒock Mech Eng，2006，25( 4) : 801 ( 王驹，陈伟明，苏锐，等． 高放废物地质处置及其若干关键 科学问题． 岩石力学与工程学报，2006，25( 4) : 801) ［4］ Fairhurst C． Nuclear waste disposal and rock mechanics: contributions of the Underground Ｒesearch Laboratory ( UＲL) ，Pinawa， Manitoba，Canada． Int J Ｒock Mech Min Sci，2004，41( 8) : 1221 ［5］ Wang J，Liu Y M． High-level radio waste repository and rock me- ·1672·
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