吴顺川等：不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性 989· recorded waveform signals from eight channels from load application to brittle failure.Under the linear/non-linear load conditions,1131 and 931 AE events were successfully located by a P-wave automatic picking and collapsing grid search algorithm.Under the linear/non- linear load condition,the crack initiation points were both away from the disc center.For non-central crack initiation,the tensile strength test may underestimate the true value.A pole density analysis of the planes under nonlinear load conditions shows that the local distortion of the fracture is greater than that under linear load.The evolution of the 3D damage to the disc shows that the load area of the disc significantly affects the cumulative time of damage,amount of energy liberation and stability of the crack propagation.The moment tensor decomposition was performed on the effective AE events,and the isotropic (ISO)component,the pure double-coupled(DC)and the compensated linear vector dipole(CLVD)component frequency percentage were obtained.The classification method was applied to quantitatively analyze the focal mechanism.The results show that the Brazilian test is not sensitive to the load contact conditions,and the focal mechanism of both cases can be interpreted as the initiation,propagation,and penetration of the tensile and shear microcracks approximately along the load direction. KEY WORDS Brazilian test;load contact condition;brittle failure;acoustic emission;moment tensor 利用巴西圆盘劈裂试验间接测定脆性材料抗 心起裂应该增大接触角度的结论.通过上述研究 拉强度自提出以来，得益于试样制备简单，采用常 可以发现，巴西劈裂试验结果容易受到试样的不 规压缩试验加载装置，已被广泛地应用-)即使 均质性、加载速率、加载方式、试样尺寸等多种因 在今天，在提出测试方法后的七十多年里，巴西劈 素的影响，导致圆盘应力分布和起裂位置与理论 裂试验还没有统一明确的标准方法.ASTM建议 设想存在较大差别 采用平面与圆盘接触，ISRM建议采用非线荷 1989年以来，声发射监测技术被用于速度场演 载弧形夹与试样接触，中国的国家标准和行业标 化、震源位置反演、震源机制等方面，证明了其具 准s-采用与加载板间放有直径为1mm钢丝为垫 有可行性-1]Falls和Zhang等采用分布在圆 条的线荷载与试样接触.这三种不同的建议方法 盘前后表面或圆周的声发射传感器收集连续信号， 可以归为两大类：ISRM、ASTM建议方法属于非 用于确定巴西劈裂试验试样的声发射事件时空演 线荷载（抛物线荷载、正弦荷载等），中国的国家标 化及震源机制，用于评估试验的合理性.任会兰等20 准和行业标准建议方法属于线荷载.显然后两者 和Zhang!四等基于声发射技术及矩张量理论研究 加载装置与试样的接触荷载方式存在很大不同. 了混凝土和页岩宏观抗拉破坏的细观裂纹扩展机 尽管采用了不同的试验装置，但建议的抗拉强度 制.目前，采用声发射技术研究巴西劈裂试验破裂 计算公式却是一致的.Fairhurst首次提出荷载条 机制的研究依然很少，基于此，本研究采用声发射 件对试验结果有影响，在Hondros解的假定下采 监测技术研究低孔隙率砂岩在线/非线荷载条件下 用Griffith准则分析加载板边缘对解析解的影响， 的圆盘试样损伤三维演化及震源机制，并评估不同 发现增加接触角度，起裂位置会偏离圆盘中心，并 荷载条件对巴西劈裂试验抗拉强度的影响，以试图 提出一个最优接触角度为2 arctan(l/8).Erarslan和 定量描述荷载接触条件对巴西劈裂试验的影响 Williams!图的研究表明加载装置与试样的接触方 1试验方法 式影响峰值荷载、起裂位置、应力分布及I型断裂 韧度.一些学者9o报道了在试验中观察到巴西 1.1试样制备 劈裂试验试样起裂位置经常偏离中心，得出裂纹 为保证试样的一致性，本研究所用的低孔隙 起裂和扩展的应力区域不同于连续、均质、各向 率砂岩来自四川自贡地区，巴西圆盘试样均取自 同性材料的结论.Markides和Kourkoulis研究了 同一岩块，所用试样沿同一方向钻取.主要由长 不同的加载方式，包括线荷载、均布荷载、抛物线 石、石英、氧化镁和黏土矿物组成，平均颗粒半径 荷载及正弦荷载下的巴西破裂数值模型，指出上 约为0.1mm,孔隙率约为6.5%，有关自贡砂岩的物 述不同荷载条件对圆盘主要区域应力分布并不敏 理性质描述见系列试验922-2试样尺寸满足ISRM 感，但在荷载与圆盘接触附近存在差异.Garcia-- 建议的试验标准，即圆盘直径等于50mm,厚度为 Fernandez等2]的研究指出加载板与圆盘接触角 25mm,直径与平均晶粒尺寸之比大于10：1，此 度扮演着重要角色，不同的接触角度对应着不同 外，选用的试样保证两端面不平整度误差及直径 的荷载直径方向上的起裂位置，并得出为确保中 的误差控制在±0.02mm以内.recorded waveform signals from eight channels from load application to brittle failure. Under the linear/non-linear load conditions, 1131 and 931 AE events were successfully located by a P-wave automatic picking and collapsing grid search algorithm. Under the linear/non￾linear load condition, the crack initiation points were both away from the disc center. For non-central crack initiation, the tensile strength test  may  underestimate  the  true  value.  A  pole  density  analysis  of  the  planes  under  nonlinear  load  conditions  shows  that  the  local distortion of the fracture is greater than that under linear load. The evolution of the 3D damage to the disc shows that the load area of the disc significantly affects the cumulative time of damage, amount of energy liberation and stability of the crack propagation. The moment tensor decomposition was performed on the effective AE events, and the isotropic (ISO) component, the pure double-coupled (DC) and the compensated linear vector dipole (CLVD) component frequency percentage were obtained. The classification method was applied to quantitatively analyze the focal mechanism. The results show that the Brazilian test is not sensitive to the load contact conditions, and the focal  mechanism  of  both  cases  can  be  interpreted  as  the  initiation,  propagation,  and  penetration  of  the  tensile  and  shear  microcracks approximately along the load direction. KEY WORDS    Brazilian test；load contact condition；brittle failure；acoustic emission；moment tensor 利用巴西圆盘劈裂试验间接测定脆性材料抗 拉强度自提出以来，得益于试样制备简单，采用常 规压缩试验加载装置，已被广泛地应用[1−2] . 即使 在今天，在提出测试方法后的七十多年里，巴西劈 裂试验还没有统一明确的标准方法. ASTM[3] 建议 采用平面与圆盘接触， ISRM[4] 建议采用非线荷 载弧形夹与试样接触，中国的国家标准和行业标 准[5−6] 采用与加载板间放有直径为 1 mm 钢丝为垫 条的线荷载与试样接触. 这三种不同的建议方法 可以归为两大类：ISRM、ASTM 建议方法属于非 线荷载（抛物线荷载、正弦荷载等），中国的国家标 准和行业标准建议方法属于线荷载. 显然后两者 加载装置与试样的接触荷载方式存在很大不同. 尽管采用了不同的试验装置，但建议的抗拉强度 计算公式却是一致的. Fairhurst[7] 首次提出荷载条 件对试验结果有影响，在 Hondros 解的假定下采 用 Griffith 准则分析加载板边缘对解析解的影响， 发现增加接触角度，起裂位置会偏离圆盘中心，并 提出一个最优接触角度为 2arctan(1/8). Erarslan 和 Williams[8] 的研究表明加载装置与试样的接触方 式影响峰值荷载、起裂位置、应力分布及 I 型断裂 韧度. 一些学者[9−10] 报道了在试验中观察到巴西 劈裂试验试样起裂位置经常偏离中心，得出裂纹 起裂和扩展的应力区域不同于连续、均质、各向 同性材料的结论. Markides 和 Kourkoulis[11] 研究了 不同的加载方式，包括线荷载、均布荷载、抛物线 荷载及正弦荷载下的巴西破裂数值模型，指出上 述不同荷载条件对圆盘主要区域应力分布并不敏 感，但在荷载与圆盘接触附近存在差异. Garcia￾Fernandez 等[12] 的研究指出加载板与圆盘接触角 度扮演着重要角色，不同的接触角度对应着不同 的荷载直径方向上的起裂位置，并得出为确保中 心起裂应该增大接触角度的结论. 通过上述研究 可以发现，巴西劈裂试验结果容易受到试样的不 均质性、加载速率、加载方式、试样尺寸等多种因 素的影响，导致圆盘应力分布和起裂位置与理论 设想存在较大差别. 1989 年以来，声发射监测技术被用于速度场演 化、震源位置反演、震源机制等方面，证明了其具 有可行性[13−18] . Falls[18] 和 Zhang 等[19] 采用分布在圆 盘前后表面或圆周的声发射传感器收集连续信号， 用于确定巴西劈裂试验试样的声发射事件时空演 化及震源机制，用于评估试验的合理性. 任会兰等[20] 和 Zhang[21] 等基于声发射技术及矩张量理论研究 了混凝土和页岩宏观抗拉破坏的细观裂纹扩展机 制. 目前，采用声发射技术研究巴西劈裂试验破裂 机制的研究依然很少. 基于此，本研究采用声发射 监测技术研究低孔隙率砂岩在线/非线荷载条件下 的圆盘试样损伤三维演化及震源机制，并评估不同 荷载条件对巴西劈裂试验抗拉强度的影响，以试图 定量描述荷载接触条件对巴西劈裂试验的影响. 1    试验方法 1.1    试样制备 为保证试样的一致性，本研究所用的低孔隙 率砂岩来自四川自贡地区，巴西圆盘试样均取自 同一岩块，所用试样沿同一方向钻取. 主要由长 石、石英、氧化镁和黏土矿物组成，平均颗粒半径 约为 0.1 mm，孔隙率约为 6.5%，有关自贡砂岩的物 理性质描述见系列试验[19, 22−23] . 试样尺寸满足 ISRM 建议的试验标准，即圆盘直径等于 50 mm，厚度为 25 mm，直径与平均晶粒尺寸之比大于 10∶1. 此 外，选用的试样保证两端面不平整度误差及直径 的误差控制在±0.02 mm 以内. 吴顺川等： 不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性 · 989 ·