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 995· 20 20m (a) ISO component (b) 16 IS component CLVD component 8 8 4 0 -100 -50 0 50 00 -100 -50 0 50 100 Distribution range of component/ Distribution range of component/ 图8矩张量成分占比.(a)线荷载：(b)非线荷载 Fig.8 Percentage of component of moment tensor components for the linear load:(a)linear load;(b)non-linear load 55%、-100%~100%和100%~100%之间依据0htsu 孔隙率砂岩圆盘试样的起裂位置位于圆盘中心上 的破裂类型的判断方法，张拉破裂、剪切破裂及混 方15mm左右，而非线荷载条件下，起裂位置在圆 合型破裂占比分别为48.92%、23.09%及28.03%. 盘中心下方12mm左右，两者不同阶段声发射事 为进一步揭露震源机制，采用沙滩球表示单 件发生在不同的位置.线/非线性条件下，巴西圆 个震源破裂方位，以便直观地展示三维坐标系下 盘试样的起裂位置均不在圆盘中心，与二维理论 岩石破裂方位（走向、倾角）等震源机制解2别从 假定存在较大出入.巴西破裂试验圆盘假定的二 线荷载条件下巴西劈裂试验的有效声发射定位事 维受力条件实际是三维的，并且荷载条件对圆盘 件选取震级最大的5个事件进行矩张量分解，计 起裂位置影响显著，随着荷载接触面积的增大巴 算的破裂方位用沙滩球表示，如图9(a)所示.DC 西圆盘起裂位置向圆心位置靠近，这与Garcia- 成分对于理解试样断裂过程起着重要的作用，DC Fernandez等的研究结论一致. 成分百分比最小为-55.8%，最大为45%.其中2个 线荷载条件下巴西劈裂试验的破裂峰值荷载 的震源机制为剪切破坏(Majority DC),其余3个为 为11.10kN,非线荷载条件下为15.02kN.此外，还 非剪切破坏(Majority non-DC).非线荷载条件下巴 分别进行了3组无声发射监测的线荷载条件下的 西劈裂试验的最大的5个有效定位事件的分解结 巴西劈裂试验，其峰值荷载的均值为9.96kN:非线 果如图9(b)所示.DC成分百分比最小为-87.3%， 荷载条件下的巴西劈裂试验，其峰值荷载的均值 最大为46.5%.其中，3个的震源机制为剪切破坏 为14.67kN两者的峰值荷载存在差异，非线荷 (Majority DC),其余2个为非剪切破坏(Majority 载条件下，巴西劈裂峰值荷载大于线荷载条件，这 non-DC) 与Komurlu和Kesimall34及Erarslan等B的研究结 表2展示了线/啡线荷载条件下巴西圆盘的震 论一致.本研究中，声发射事件均分布在圆盘非中 源机制结果，通过对比分析可以得出如下结论，线/ 心位置，也从声发射角度表明两种加载装置的荷 非线荷载条件下巴西劈裂试验微裂纹破裂主要由 载条件并不能保证巴西圆盘中心起裂，荷载接触 张拉及剪切两种破裂形式.值得注意的是，其张拉 面积应比ISRM建议的标准巴西破裂试验大，以进 破裂、剪切破裂所占比例接近，这是前人所没有揭 一步减弱圆盘与加载装置接触部位的应力集中现 示的.破裂的机制均可以解释为近似平行于荷载 象，这与前人8的试验观察和数值分析结果一致 方向上的张拉裂纹的萌生、扩展及贯通 因此，由于巴西圆盘非中心起裂，可以推测其峰值 荷载计算得到的抗拉强度可能要比真实值低 3起裂位置及评估抗拉强度的讨论 许多研究学者⑧山，边-训报道了岩石或类岩石 4结论 材料巴西劈裂试验起裂位置偏离中心的现象，即 本文采用声发射监测系统，监测低孔隙率砂 便对平面加载装置进行了很多改进，如弧形加载 岩巴西圆盘在线/俳线荷载条件下破坏过程中的声 夹、垫条加载等，但巴西圆盘起裂位置偏离中心的 发射事件数量、能量特征、破裂机制等，从声波信 现象仍然常常发生.本研究中，线荷载条件下，低 号上探索相同加载速率下不同荷载条件试样三维55%、−100%～100% 和−100%～100% 之间. 依据Ohtsu 的破裂类型的判断方法，张拉破裂、剪切破裂及混 合型破裂占比分别为 48.92%、23.09% 及 28.03%. 为进一步揭露震源机制，采用沙滩球表示单 个震源破裂方位，以便直观地展示三维坐标系下 岩石破裂方位（走向、倾角）等震源机制解[29−31] . 从 线荷载条件下巴西劈裂试验的有效声发射定位事 件选取震级最大的 5 个事件进行矩张量分解，计 算的破裂方位用沙滩球表示，如图 9（a）所示. DC 成分对于理解试样断裂过程起着重要的作用，DC 成分百分比最小为−55.8%，最大为 45%. 其中 2 个 的震源机制为剪切破坏（Majority DC），其余 3 个为 非剪切破坏（Majority non-DC）. 非线荷载条件下巴 西劈裂试验的最大的 5 个有效定位事件的分解结 果如图 9（b）所示. DC 成分百分比最小为−87.3%， 最大为 46.5%. 其中，3 个的震源机制为剪切破坏 （Majority DC），其余 2 个为非剪切破坏（Majority non-DC）. 表 2 展示了线/非线荷载条件下巴西圆盘的震 源机制结果，通过对比分析可以得出如下结论，线/ 非线荷载条件下巴西劈裂试验微裂纹破裂主要由 张拉及剪切两种破裂形式. 值得注意的是，其张拉 破裂、剪切破裂所占比例接近，这是前人所没有揭 示的. 破裂的机制均可以解释为近似平行于荷载 方向上的张拉裂纹的萌生、扩展及贯通. 3    起裂位置及评估抗拉强度的讨论 许多研究学者[8, 11, 32−33] 报道了岩石或类岩石 材料巴西劈裂试验起裂位置偏离中心的现象，即 便对平面加载装置进行了很多改进，如弧形加载 夹、垫条加载等，但巴西圆盘起裂位置偏离中心的 现象仍然常常发生. 本研究中，线荷载条件下，低 孔隙率砂岩圆盘试样的起裂位置位于圆盘中心上 方 15 mm 左右，而非线荷载条件下，起裂位置在圆 盘中心下方 12 mm 左右，两者不同阶段声发射事 件发生在不同的位置. 线/非线性条件下，巴西圆 盘试样的起裂位置均不在圆盘中心，与二维理论 假定存在较大出入. 巴西破裂试验圆盘假定的二 维受力条件实际是三维的，并且荷载条件对圆盘 起裂位置影响显著，随着荷载接触面积的增大巴 西圆盘起裂位置向圆心位置靠近 ，这与 Garcia￾Fernandez 等[12] 的研究结论一致. 线荷载条件下巴西劈裂试验的破裂峰值荷载 为 11.10 kN，非线荷载条件下为 15.02 kN. 此外，还 分别进行了 3 组无声发射监测的线荷载条件下的 巴西劈裂试验，其峰值荷载的均值为 9.96 kN；非线 荷载条件下的巴西劈裂试验，其峰值荷载的均值 为 14.67 kN[19] . 两者的峰值荷载存在差异，非线荷 载条件下，巴西劈裂峰值荷载大于线荷载条件，这 与 Komurlu 和 Kesimal[34] 及 Erarslan 等[35] 的研究结 论一致. 本研究中，声发射事件均分布在圆盘非中 心位置，也从声发射角度表明两种加载装置的荷 载条件并不能保证巴西圆盘中心起裂，荷载接触 面积应比 ISRM 建议的标准巴西破裂试验大，以进 一步减弱圆盘与加载装置接触部位的应力集中现 象，这与前人[8, 36] 的试验观察和数值分析结果一致. 因此，由于巴西圆盘非中心起裂，可以推测其峰值 荷载计算得到的抗拉强度可能要比真实值低. 4    结论 本文采用声发射监测系统，监测低孔隙率砂 岩巴西圆盘在线/非线荷载条件下破坏过程中的声 发射事件数量、能量特征、破裂机制等，从声波信 号上探索相同加载速率下不同荷载条件试样三维 20 16 12 8 Percentage of component/ % 4 0 −100 −50 0 50 100 Distribution range of component/% (a) ISO component DC component CLVD component ISO component DC component CLVD component 20 16 12 8 Percentage of component/ % 4 0 −100 −50 0 50 100 Distribution range of component/% (b) 图 8    矩张量成分占比. （a）线荷载；（b）非线荷载 Fig.8    Percentage of component of moment tensor components for the linear load: (a) linear load; (b) non-linear load 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 · 995 ·