·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·