第11期 宿辉等：不同围压条件下花岗岩压缩破坏声发射特征细观数值模拟 ·1315· 图2.三组试验的应力一应变曲线具有相似的特征， 基本可以分为初始压密、弹性、塑性和峰后破坏四个 阶段，见图3.初始压密阶段（图3(a))主要是压密 岩石中的微裂隙，没有或仅有少量声发射出现，微破 裂在岩样中呈弥散状分布：在弹性阶段（图3(b), 应力一应变曲线保持线性关系，岩石中原有裂隙继 续被压密，声发射活动相对平静，继续呈弥散分布， 但有在小范围内有集中，岩石处于初始裂纹出现阶 )初始压密阶段)弹性阶段()塑性阶段 d峰后阶段 段：进入塑性阶段（图3(c)),声发射集中现象明 图3岩石破坏过程微裂隙分布图（围压：20MP) 显，微裂隙分布开始集中，大量的微裂纹开始成核、 Fig.3 Micro-fissure spatial profile during rock failure (the confining 伸展和融合，最后生成宏观裂缝，随荷载的增加，接 pressure is 20 MPa) 近峰值应力时，裂纹进入不稳定扩展阶段：峰后阶段 在岩石破裂过程中声发射活动在时间序列上有 (图3())，应力随变形的增加而急剧减小，声发射 较强的规律性，基本可以分为五个区间（图4(b)): 活动急刷增多，出现贯通裂缝，形成剪切破裂带，最 初始区(I),上升区（Ⅱ），平静区（Ⅲ），爆发区 终导致岩石的完全破坏 (V)和爆后区(V).从图4看出，AE事件的时间 350r -5 MPa 分布特征和岩样的应力时间特征并不完全对应，岩 300 20 MPa ··-50MP 样在临近峰值荷载时声发射频度增高，强度也有大 幅上升，声发射爆发的峰值与应力峰值相比稍有滞 后，分别出现在峰后的94.8%（图4(a),88.7% 0 (图4(b))和86.5%（图4(c))峰值荷载处，在以前 0.1 02030.4 0.50.6 的研究中也观察到了相似的情况s一 轴向应变% 完整的花岗岩是一种脆性材料，其强度很大程 图2不同围压下的花岗岩偏应力和应变关系 度上取决于内部存在的缺陷和微裂隙，在压缩荷载 Fig.2 Relations between deviatoric stress and strain for granite 超过比例极限后，微裂隙会首先从缺陷处产生和发 samples under different confining pressures 展，在裂纹尖端会出现应力集中，导致微裂隙伸展和 250 1120 300 140 b 200 100 250 120 150) 应力曲线 80 应力曲线 100 60 150 0 10 Y 40 100 20 40 50 0 20 0 30 6090120150180218 时间/（时步×10例 时间/（时步×10的 350r 160 300c 140 120￥ 应力曲战 100 60 50 8 40 80 120160 200 时间/（时步×10的 图4岩石破裂过程应力和AE频度与时间的关系.(a)围压5MPa:(b)围压20MPa:(c)围压50MPa Fig.4 Relationships of strain and AE frequency with time during period of rock failure:(a)confining pressure is5MPa:(b)confining pressure is 20 MPa:(c)confining pressure is 50 MPa 汇合，产生宏观裂纹.由于篇幅限制，以下以围压 内部会出现多处微裂隙的丛集，微裂隙扩展趋势 20MPa试验为例进行对声发射滞后的现象进行分 变得更加剧烈，由于岩样内部不均匀性特性，应力 析.如图5(a)所示，在达到峰值应力时，整个岩样 分布不均匀，在裂纹尖端更容易出现应力集中，从第 11 期 宿 辉 等: 不同围压条件下花岗岩压缩破坏声发射特征细观数值模拟 图 2． 三组试验的应力--应变曲线具有相似的特征， 基本可以分为初始压密、弹性、塑性和峰后破坏四个 阶段，见图 3． 初始压密阶段( 图 3( a) ) 主要是压密 岩石中的微裂隙，没有或仅有少量声发射出现，微破 裂在岩样中呈弥散状分布; 在弹性阶段( 图 3( b) ) ， 应力--应变曲线保持线性关系，岩石中原有裂隙继 续被压密，声发射活动相对平静，继续呈弥散分布， 但有在小范围内有集中，岩石处于初始裂纹出现阶 段; 进入塑性阶段( 图 3 ( c) ) ，声发射集中现象明 显，微裂隙分布开始集中，大量的微裂纹开始成核、 伸展和融合，最后生成宏观裂缝，随荷载的增加，接 近峰值应力时，裂纹进入不稳定扩展阶段; 峰后阶段 ( 图 3( d) ) ，应力随变形的增加而急剧减小，声发射 活动急剧增多，出现贯通裂缝，形成剪切破裂带，最 终导致岩石的完全破坏． 图 2 不同围压下的花岗岩偏应力和应变关系 Fig． 2 Relations between deviatoric stress and strain for granite samples under different confining pressures 图 3 岩石破坏过程微裂隙分布图( 围压: 20 MPa) Fig． 3 Micro-fissure spatial profile during rock failure ( the confining pressure is 20 MPa) 在岩石破裂过程中声发射活动在时间序列上有 较强的规律性，基本可以分为五个区间( 图 4( b) ) : 初始区( Ⅰ) ，上升区( Ⅱ) ，平 静 区 ( Ⅲ) ，爆 发 区 ( Ⅳ) 和爆后区( Ⅴ) ． 从图 4 看出，AE 事件的时间 分布特征和岩样的应力时间特征并不完全对应，岩 样在临近峰值荷载时声发射频度增高，强度也有大 幅上升，声发射爆发的峰值与应力峰值相比稍有滞 后，分别出现在峰后的 94. 8% ( 图 4 ( a) ) ，88. 7% ( 图 4( b) ) 和 86. 5% ( 图 4( c) ) 峰值荷载处，在以前 的研究中也观察到了相似的情况［15--16］． 完整的花岗岩是一种脆性材料，其强度很大程 度上取决于内部存在的缺陷和微裂隙，在压缩荷载 超过比例极限后，微裂隙会首先从缺陷处产生和发 展，在裂纹尖端会出现应力集中，导致微裂隙伸展和 图 4 岩石破裂过程应力和 AE 频度与时间的关系． ( a) 围压 5 MPa; ( b) 围压 20 MPa; ( c) 围压 50 MPa Fig． 4 Relationships of strain and AE frequency with time during period of rock failure: ( a) confining pressure is 5 MPa; ( b) confining pressure is 20 MPa; ( c) confining pressure is 50 MPa 汇合，产生宏观裂纹． 由于篇幅限制，以下以围压 20 MPa试验为例进行对声发射滞后的现象进行分 析． 如图 5( a) 所示，在达到峰值应力时，整个岩样 内部会出现多处微裂隙的丛集，微裂隙扩展趋势 变得更加剧烈，由于岩样内部不均匀性特性，应力 分布不均匀，在裂纹尖端更容易出现应力集中，从 ·1315·