刘希灵等：劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 1423 three micro-morphologies,including laminated,stepwise,and smooth planar patterns.Marble is mostly smooth polyhedrals.The signals at 400-499 kHz may be inferred to be mainly generated by fractures in the k-feldspar and marble minerals,while those at 100-199 kHz are mainly produced by discontinuous separation among quartz mineral particles and slipping among mineral particles in the compaction stage. KEY WORDS Brazilian splitting tests;scanning electron microscope;RA values;frequency characteristic;micro morphology 在采矿和矿山地下开采实践中，下向胶结充 学性质等全部信息，更能全面地揭示岩石破坏机 填法是一种常用的金属利矿山采矿方法，充填顶板 制及破坏前兆叫，Bucheim!121指出岩石试样在剪切 的稳定性至关重要，而研究表明，充填顶板的稳定 斜面上破坏产生的AE信号具有频谱宽的特征，而 性很大程度上是受张拉破坏影响山，而且在实际地 在拉伸破坏下产生的信号则具有频谱窄的特征； 下工程中，大多数隧道、矿井巷道及酮室由于结构 张艳博等阿在煤矸石试验中发现AE信号始终有 本身局部损伤或整体承受较大的拉应力致使发生 两个主频带，在岩石破坏前主频值会发生突变.而 破坏或失稳.因此分析岩石的抗拉特性对实际工 在频谱分析中，峰值频率最为典型，更能评判岩石 程应用具有指导意义四 破裂特性间据此，Rodriguez和Celestino!!]结合 岩石受力破坏是其内部微观裂纹破裂萌生、 AE参数和时频特性分析对花岗岩和大理岩展开 扩展和贯通，直至最终发生宏观断裂的过程，由于 研究，进一步表明RA值能较好评判岩石裂纹扩展 其多晶、各向异性特征，内部含有天然的结构面 特性，相应的频率特性也具有显著差异，其中以大 (节理、夹层等)，当岩石内部或外部应力达到一定 理岩最为典型 程度时，会发生矿物颗粒、结构面的滑移和分离. 上述研究成果增进了人们对岩石破坏过程中 这些微观层面上的位错、晶体孪生、晶界面移动 AE信号特征的认识，但对张拉破坏下岩石声发射 以及宏观层面上的矿物颗粒、结构面的滑移和分 特性的研究较少，且一般采用同一岩性的试样，囊 离，都会以弹性波的形式向外辐射能量，伴随其破 括性较差，而岩石AE信号特征很大程度上受其内 坏过程中会产生声发射(AE)信号，其信号特征与 部结构影响，同时还与其所处的应力状态有关，不 岩石破裂机制具有密切关系).不同的力学响应 同岩性的岩石由于结构的差异性，在同种加载 特性，释放的AE信号理应具有显著差异，其中振 条件下，声发射特性也应具有一定区别.正是由于 铃计数、持续时间、上升时间、能量、幅值等作为 岩石结构的复杂性，受力后岩石最终宏观破裂 AE特征参数被广泛用于揭示岩石破裂机制.然 往往与其内部的微观结构及其微观裂纹扩展紧 而，研究已表明岩石加载前期AE活动较低，事 密相关，不同结构的破裂就会产生不同类型的 件率和累积能量都处于较低水平，随着载荷的增 声发射信号，从而在破裂断口处留下的微观形貌 加，由于裂纹聚集、成核，甚至贯通，AE事件大量 也就不尽相同，而对断口处形貌分析须结合扫描 增加，接近峰值时，事件率和累积能量瞬间突升， 电镜(SEM)来实现，如梁昌玉等以及Zhang和 不同岩性的岩石所表现出来的参数特征均比较相 Zhao利用扫描电镜研究了单轴压缩下岩石的 似，给岩石的破裂预测带来了困难，也无法揭示岩 微观破裂特性，均发现岩石的破裂机制取决于 石内部裂纹扩展特性.基于此，Shiotani等m引进 加载速率和岩石的微观结构.另外Manthei和 了新的参数RA值（上升时间与幅值的比值），通过 Alkan等7也认为岩石受压后其破裂模式主要是 此参数可以衡量岩石破坏模式，高RA值对应剪切 I型张拉破坏，90%的AE事件来自这种张拉作用 破坏，低RA值对应拉伸破坏；而在混凝土材料中， 下沿晶界的破坏，主要是因为岩石内部由不同的 往往结合AF值（平均频率）一起衡量其破裂模式， 矿物颗粒组成，矿物颗粒又是由无数晶体聚集而 AF值的降低说明破裂模式由拉伸模式转变为剪 成，一般来说，单个完整晶体的强度最高，晶体之 切模式，也可能与大裂纹张拉破坏有关圆后来肖 间耦合的强度次之，而矿物颗粒之间耦合的强度 福坤等9和Wang等Io利用RA值和AF值对砂 和结构面的强度最小.而且在压缩荷载下，由于岩 岩在拉伸和剪切荷载下破裂模式进行了分析，均 石的不均质性和内部缺陷，应力集中也会导致拉 得出剪切破坏对应高RA值、低AF值；拉伸破坏 伸裂纹的产生，由此研究拉应力作用下岩石内 对应低RA值、高AF值.与上述参数特征相比， 部裂纹扩展特性具有重要意义，不同结构中的张 AE频谱特性携带有岩石受力状态、结构、物理力 拉破裂究竟会释放出何种特征的弹性波信号，如three micro-morphologies, including laminated, stepwise, and smooth planar patterns. Marble is mostly smooth polyhedrals. The signals at 400−499 kHz may be inferred to be mainly generated by fractures in the k-feldspar and marble minerals, while those at 100−199 kHz are mainly produced by discontinuous separation among quartz mineral particles and slipping among mineral particles in the compaction stage. KEY WORDS    Brazilian splitting tests；scanning electron microscope；RA values；frequency characteristic；micro morphology 在采矿和矿山地下开采实践中，下向胶结充 填法是一种常用的金属矿山采矿方法，充填顶板 的稳定性至关重要，而研究表明，充填顶板的稳定 性很大程度上是受张拉破坏影响[1] ，而且在实际地 下工程中，大多数隧道、矿井巷道及硐室由于结构 本身局部损伤或整体承受较大的拉应力致使发生 破坏或失稳. 因此分析岩石的抗拉特性对实际工 程应用具有指导意义[2] . 岩石受力破坏是其内部微观裂纹破裂萌生、 扩展和贯通，直至最终发生宏观断裂的过程，由于 其多晶、各向异性特征，内部含有天然的结构面 （节理、夹层等），当岩石内部或外部应力达到一定 程度时，会发生矿物颗粒、结构面的滑移和分离. 这些微观层面上的位错、晶体孪生、晶界面移动 以及宏观层面上的矿物颗粒、结构面的滑移和分 离，都会以弹性波的形式向外辐射能量，伴随其破 坏过程中会产生声发射（AE）信号，其信号特征与 岩石破裂机制具有密切关系[3−5] . 不同的力学响应 特性，释放的 AE 信号理应具有显著差异，其中振 铃计数、持续时间、上升时间、能量、幅值等作为 AE 特征参数被广泛用于揭示岩石破裂机制. 然 而，研究已表明[6] 岩石加载前期 AE 活动较低，事 件率和累积能量都处于较低水平，随着载荷的增 加，由于裂纹聚集、成核，甚至贯通，AE 事件大量 增加，接近峰值时，事件率和累积能量瞬间突升， 不同岩性的岩石所表现出来的参数特征均比较相 似，给岩石的破裂预测带来了困难，也无法揭示岩 石内部裂纹扩展特性. 基于此，Shiotani 等[7] 引进 了新的参数 RA 值（上升时间与幅值的比值），通过 此参数可以衡量岩石破坏模式，高 RA 值对应剪切 破坏，低 RA 值对应拉伸破坏；而在混凝土材料中， 往往结合 AF 值（平均频率）一起衡量其破裂模式， AF 值的降低说明破裂模式由拉伸模式转变为剪 切模式，也可能与大裂纹张拉破坏有关[8] . 后来肖 福坤等[9] 和 Wang 等 [10] 利用 RA 值和 AF 值对砂 岩在拉伸和剪切荷载下破裂模式进行了分析，均 得出剪切破坏对应高 RA 值、低 AF 值；拉伸破坏 对应低 RA 值、高 AF 值. 与上述参数特征相比， AE 频谱特性携带有岩石受力状态、结构、物理力 学性质等全部信息，更能全面地揭示岩石破坏机 制及破坏前兆[11] ，Bucheim[12] 指出岩石试样在剪切 斜面上破坏产生的 AE 信号具有频谱宽的特征，而 在拉伸破坏下产生的信号则具有频谱窄的特征； 张艳博等[6] 在煤矸石试验中发现 AE 信号始终有 两个主频带，在岩石破坏前主频值会发生突变. 而 在频谱分析中，峰值频率最为典型，更能评判岩石 破裂特性 [5] . 据此 ， Rodríguez 和 Celestino[13] 结 合 AE 参数和时频特性分析对花岗岩和大理岩展开 研究，进一步表明 RA 值能较好评判岩石裂纹扩展 特性，相应的频率特性也具有显著差异，其中以大 理岩最为典型. 上述研究成果增进了人们对岩石破坏过程中 AE 信号特征的认识，但对张拉破坏下岩石声发射 特性的研究较少，且一般采用同一岩性的试样，囊 括性较差，而岩石 AE 信号特征很大程度上受其内 部结构影响，同时还与其所处的应力状态有关，不 同岩性的岩石由于结构的差异性，在同种加载 条件下，声发射特性也应具有一定区别. 正是由于 岩石结构的复杂性，受力后岩石最终宏观破裂 往往与其内部的微观结构及其微观裂纹扩展紧 密相关，不同结构的破裂就会产生不同类型的 声发射信号，从而在破裂断口处留下的微观形貌 也就不尽相同，而对断口处形貌分析须结合扫描 电镜（SEM）来实现，如梁昌玉等[14] 以及 Zhang 和 Zhao[15] 利用扫描电镜研究了单轴压缩下岩石的 微观破裂特性，均发现岩石的破裂机制取决于 加载速率和岩石的微观结构. 另外 Manthei[16] 和 Alkan 等[17] 也认为岩石受压后其破裂模式主要是 I 型张拉破坏，90% 的 AE 事件来自这种张拉作用 下沿晶界的破坏，主要是因为岩石内部由不同的 矿物颗粒组成，矿物颗粒又是由无数晶体聚集而 成，一般来说，单个完整晶体的强度最高，晶体之 间耦合的强度次之，而矿物颗粒之间耦合的强度 和结构面的强度最小. 而且在压缩荷载下，由于岩 石的不均质性和内部缺陷，应力集中也会导致拉 伸裂纹的产生[13] ，由此研究拉应力作用下岩石内 部裂纹扩展特性具有重要意义，不同结构中的张 拉破裂究竟会释放出何种特征的弹性波信号，如 刘希灵等： 劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 · 1423 ·