·1004· 工程科学学报，第41卷，第8期 孔隙结构发育密度较大，初始裂纹较易形成贯通的 好，因此试样4累积产生的声发射能量最小，也就是 主裂纹：相对于孔隙含量较小的试样1，其在破坏过 说在试样破坏过程中产生的累积声发射能量随着试 程中产生较多的初始裂纹和次裂纹.通过试样3的 样内部孔隙率的增大而减小.但是受孔隙结构位 和单元损伤图（其中蓝色代表损伤破坏的单元）可 置、发育密度及孔隙联通性的影响，孔隙率与声发射 以看出，在图中标记位置的三个尺寸较大孔隙处产 累积释放能量不成严格的负相关关系，例如对于孔 生较多的单元损伤（绿色椭圆处）.随着荷载增加最 隙率最高的试样3，其释放的声发射能量和数目并 终在试样的中部位置产生一条不规则的贯通主裂 不是最小的 纹.由试样4的裂纹扩展图可知，由于试样下半部 120000 ■试样1 分孔隙发育密度和联通性较好，因此在该位置产生 100000 。试样2 初始裂纹，并且随着加载步的增加逐渐贯通在试样 巴80000 ■试样3 ■试样4 下部位置形成破坏.由于试样5孔隙尺寸较小且分 60000 。试样5 40000 布呈横向“线状”分布，因此初始损伤单元在试样的 20000 上、中、下部位置均出现且呈现“线状”分布特征.同 1e 2 时由于试样内部孔隙的联通性较好，因此拉伸裂纹 56789101112131415 加载步 随着荷载增加沿原线状分布孔隙进行扩展，最终形 图9声发射数目 成多条平行交错主裂纹 Fig.9 AE counts 3.3声发射结果分析 在RFPA3D软件中，认为岩石的损伤量同破坏单 20- 元数成正比.对试样破坏过程中的声发射结果进行 16 e-试样1 分析，有助于进一步探究试样内部孔隙结构特征对 。试样2 试样3 其破坏的影响机理.图9和图10分别为5组玄武 12 试样4 岩试样破坏过程中每一步的声发射数目和破坏过程 10 。试样5 中产生的声发射数目和累积声发射能量.在单轴拉 8 伸试验过程中，声发射事件表示试样微损伤的产生 6 和演化.由图9与图10可看出，在直接拉伸试验初 期，由于没有压缩试验中的“裂隙压密”阶段，因此 9 11 1315 声发射事件数目和累积产生的声发射能量很少，对 加载步 应着产生初始裂纹和次生裂纹.在试样开始产生拉 图10累积声发射能量 伸破坏时其声发射数目和累积释放能量逐渐增高， Fig.10 Accumulative AE energy values 大于试样未产生破坏时期的声发射数目和能量，表 明此时在试样中产生逐渐贯通的宏观破坏裂纹，并 3.4位移-应力曲线及抗拉强度 且在峰值之后声发射数目也急剧减小.余贤斌 图11为不同孔隙特征的5个玄武岩试样单轴 等[2]利用室内岩石试样进行单轴直接拉伸声发射 拉伸试验的应力-应变全过程曲线.由图11可看 测试，试验结果表明对于单轴拉伸试验下的大多数 出，试样1和试样2在加载初期的拉应力曲线呈现 试样，声发射事件仅在试样破坏时才能观察到：在试 直线增长趋势，这表明在峰值之前试样产生的损伤 样破坏之前产生的声发射较少，与本文所得结论相 较少，破坏单元很少，随着荷载的增加达到峰值之后 一致.对于孔隙率较小的试样1与试样2，其声发射 突然跌落，呈脆性破坏的特征.尽管试样3、试样4 数目和累积释放的声发射能量较高：而试样3和试 和试样5在达到峰值后的跌落趋势相对较缓，但是 样5的累积声发射能量较为接近.试样3的孔隙含 曲线性状仍然呈现延性破坏的特征.同时试样在直 量较高且孔隙发育密度较好，其累积声发射能量随 接拉伸破坏后宏观残余强度很低，几乎失去了承载 着加载步的增加呈现“陡升”的变化趋势.虽然试样 能力. 5的孔隙含量小于试样3，但是试样5内部孔隙结构 图12为试样抗拉强度和孔隙率的关系曲线. 连通性较好，其累积声发射能量随着加载步的增加 通过分析可知，试样1和试样2的孔隙含量较低，试 呈现逐渐上升的趋势，最终与试样3的变化值相接 样的抗拉强度整体较高.虽然试样3的孔隙含量最 近.同时由于试样4的孔隙分布密集且联通性较 大，但是试样内部孔隙分布均匀，且孔隙没有表现出工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 孔隙结构发育密度较大,初始裂纹较易形成贯通的 主裂纹;相对于孔隙含量较小的试样 1,其在破坏过 程中产生较多的初始裂纹和次裂纹. 通过试样 3 的 和单元损伤图(其中蓝色代表损伤破坏的单元) 可 以看出,在图中标记位置的三个尺寸较大孔隙处产 生较多的单元损伤(绿色椭圆处),随着荷载增加最 终在试样的中部位置产生一条不规则的贯通主裂 纹. 由试样 4 的裂纹扩展图可知,由于试样下半部 分孔隙发育密度和联通性较好,因此在该位置产生 初始裂纹,并且随着加载步的增加逐渐贯通在试样 下部位置形成破坏. 由于试样 5 孔隙尺寸较小且分 布呈横向“线状冶分布,因此初始损伤单元在试样的 上、中、下部位置均出现且呈现“线状冶分布特征. 同 时由于试样内部孔隙的联通性较好,因此拉伸裂纹 随着荷载增加沿原线状分布孔隙进行扩展,最终形 成多条平行交错主裂纹. 3郾 3 声发射结果分析 在 RFPA 3D软件中,认为岩石的损伤量同破坏单 元数成正比. 对试样破坏过程中的声发射结果进行 分析,有助于进一步探究试样内部孔隙结构特征对 其破坏的影响机理. 图 9 和图 10 分别为 5 组玄武 岩试样破坏过程中每一步的声发射数目和破坏过程 中产生的声发射数目和累积声发射能量. 在单轴拉 伸试验过程中,声发射事件表示试样微损伤的产生 和演化. 由图 9 与图 10 可看出,在直接拉伸试验初 期,由于没有压缩试验中的“裂隙压密冶 阶段,因此 声发射事件数目和累积产生的声发射能量很少,对 应着产生初始裂纹和次生裂纹. 在试样开始产生拉 伸破坏时其声发射数目和累积释放能量逐渐增高, 大于试样未产生破坏时期的声发射数目和能量,表 明此时在试样中产生逐渐贯通的宏观破坏裂纹,并 且在峰值之后声发射数目也急剧减小. 余贤斌 等[25]利用室内岩石试样进行单轴直接拉伸声发射 测试,试验结果表明对于单轴拉伸试验下的大多数 试样,声发射事件仅在试样破坏时才能观察到;在试 样破坏之前产生的声发射较少,与本文所得结论相 一致. 对于孔隙率较小的试样 1 与试样 2,其声发射 数目和累积释放的声发射能量较高;而试样 3 和试 样 5 的累积声发射能量较为接近. 试样 3 的孔隙含 量较高且孔隙发育密度较好,其累积声发射能量随 着加载步的增加呈现“陡升冶的变化趋势. 虽然试样 5 的孔隙含量小于试样 3,但是试样 5 内部孔隙结构 连通性较好,其累积声发射能量随着加载步的增加 呈现逐渐上升的趋势,最终与试样 3 的变化值相接 近. 同时由于试样 4 的孔隙分布密集且联通性较 好,因此试样 4 累积产生的声发射能量最小,也就是 说在试样破坏过程中产生的累积声发射能量随着试 样内部孔隙率的增大而减小. 但是受孔隙结构位 置、发育密度及孔隙联通性的影响,孔隙率与声发射 累积释放能量不成严格的负相关关系,例如对于孔 隙率最高的试样 3,其释放的声发射能量和数目并 不是最小的. 图 9 声发射数目 Fig. 9 AE counts 图 10 累积声发射能量 Fig. 10 Accumulative AE energy values 3郾 4 位移鄄鄄应力曲线及抗拉强度 图 11 为不同孔隙特征的 5 个玄武岩试样单轴 拉伸试验的应力鄄鄄 应变全过程曲线. 由图 11 可看 出,试样 1 和试样 2 在加载初期的拉应力曲线呈现 直线增长趋势,这表明在峰值之前试样产生的损伤 较少,破坏单元很少,随着荷载的增加达到峰值之后 突然跌落,呈脆性破坏的特征. 尽管试样 3、试样 4 和试样 5 在达到峰值后的跌落趋势相对较缓,但是 曲线性状仍然呈现延性破坏的特征. 同时试样在直 接拉伸破坏后宏观残余强度很低,几乎失去了承载 能力. 图 12 为试样抗拉强度和孔隙率的关系曲线. 通过分析可知,试样 1 和试样 2 的孔隙含量较低,试 样的抗拉强度整体较高. 虽然试样 3 的孔隙含量最 大,但是试样内部孔隙分布均匀,且孔隙没有表现出 ·1004·