层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 中南大学学报自然科学版 Journal of Central South University Science and Technology Vol.51No.8 Aug. 2020 层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征 储超群 1，吴顺川1, 2，张诗淮1，郭沛1，张敏1 1. 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京，100083； 2. 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明，650093 摘要为揭示倾角对层状砂岩力学特性与破裂特征的影响，进行0，30，45，60和90等5种倾角的单轴 压缩试验，分析倾角对试样物理力学特性和破裂模式的影响，并结合声发射监测，分析微裂纹时空演化规 律。研究结果表明1 不同层理角度试样应力−应变曲线均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后破 坏阶段，各阶段区分明显。弹性模量与纵波波速均随层理角度增大而增大，而单轴抗压强度先变小然后增 大，曲线整体呈现出“U”形，在层理倾角60时为最低值；2 倾角从0增大到90时，破坏模式由“穿切 层理面的劈裂型剪切破坏”转变“复合张剪破坏”再到“剪切滑移破坏” ，最后转变为“劈裂张拉破坏” ； 3 试样压密段几乎没有声发射事件，在弹性段声发射事件数逐步增加，当加载到峰值强度时，事件数剧烈 增加，峰后破坏阶段事件进一步累积，声发射事件阶段变化与应力−应变曲线描述的变形破坏阶段吻合， 且声发射事件空间分布与宏观破裂形态基本一致；4 矩张量反演的震源类型T−k值点分布在不同阶段的变 化规律反映了剪切、张拉、混合破裂比例变化。试验用层状砂岩横观各向同性性质明显，力学性质随着层 理倾角变化而变化，层理倾角变化对试样破坏模式影响明显。 关键词层状砂岩；力学特性；破坏模式；声发射特征；各向异性 中图分类号TU458文献标志码A开放科学资源服务标识码OSID 文章编号1672-7207 （2020） 08-2232-15 Mechanical behavior anisotropy and fracture characteristics of bedded sandstone CHU Chaoqun1, WU Shunchuan1, 2, ZHANG Shihuai1, GUO Pei1, ZHANG Min1 1. Key Laboratory of Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mine, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China Abstract To reveal the effect on mechanical properties and failure characteristics caused by bedding angles of bedded sandstones, the uniaxial compression tests with five kinds of bedding angles 0, 30, 45, 60, 90 as well as the effect of physical and mechanical characteristics and failure modes caused by bedding angles were studied. The space-time evolution regularities of the microcrack was analyzed through acoustic emission monitoring. The DOI 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.08.018 收稿日期2019−09−19；修回日期2019−11−25 基金项目Foundation item国家自然科学基金资助项目51774020，51934003 Projects51774020, 51934003 supported by the National Natural Science Foundation of China 通信作者吴顺川，博士，教授，博士生导师，从事岩土工程、采矿工程等研究；E-mailwushunchuan 第 8 期储超群，等层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征 results show the following. 1 The stress-strain curves of sandstone specimens with different bedding angles all show compaction phase, elastic phase, yield phase and a post-peak damage phase clearly. With the increase of bedding angle, the elastic modulus and p-wave velocity both increase, while the uniaxial compressive strength shows the “U“ shape which first decreases and then increases. The uniaxial compressive strength reaches the minimum value when the bedding angle is 60 . 2 As the bedding angle varies from 0 to 90, the failure mode changes from splitting and shearing through the bedding plane to composite shearing failure, and then changes to shear-slip failure and finally to splitting and tensioning. 3 There is almost no acoustic emission event in the compaction phase, but the number of acoustic emission events in the elastic phase gradually increases. When the peak intensity is loaded, the number of acoustic emission events increases sharply and the events in the post-peak damage phase are further accumulated. Acoustic emission event phase change is consistent with the deation- destruction processes described by stress-strain curve. Moreover, the spatial distribution of acoustic emission events is basically consistent with the macroscopic fracture morphology. 4 The variation of the distribution of source type T−k values calculated by moment tensor inversion in different phase reflects the ratio of shear, tension and mixed fractures. The transverse isotropy of bedded sandstone is obvious, and the mechanical properties change with the bedding angle. The bedding angle has a significant effect on the failure mode of the specimen. Key words bedding sandstone; mechanical characteristics; failure modes;AE Characteristics; anisotropy 在地球岩石圈中，主要组成部分为岩浆岩、 变质岩和沉积岩。而大自然陆地的2/3分布着具有 特殊层状结构的沉积岩，因其构造独特，沉积岩 具有明显的横观各向同性。层面倾角不同，其力 学性质随之变化，破坏模式也会不同。因此，研 究层理倾角对层状岩石力学行为及变形破坏特征 的影响规律，对指导地下岩土工程建设以及稳定 性评价具有积极意义。 在岩石工程领域，国内外学者大量研究了层 状岩石力学特性，主要集中在破坏准则与力学特 征试验和声发射acoustic emission，AE基本参数 等方面。刘运思等[1]对种不同层理角度θ下的板岩 进行单轴压缩试验，得出θ从0变化到90时，其 抗压强度呈现“U”形趋势；TIEN等[2−3]通过制作 横观各向同性试样并进行试验，研究了整体弹性 模量、峰值强度及破裂机制随着层理倾角变化的 规律；VERVOORT等[4−5]通过单轴压缩和巴西劈裂 试验，总结了试样的强度及破裂模式随着层理倾 角的变化规律，并分析了试样变形与强度的各向 异性；高春玉等[6]研究板岩、砂岩各向异性力学特 性，得到不同倾角对岩石变形和强度特性的影响； TAVALLALI等[7−8]通过砂岩劈裂试验，得到了不同 层理角度对层状砂岩的抗拉强度以及破坏模式的 影响规律；NIANDOU等[9]研究了页岩试验的力学 各向异性特征，将试样破坏模式分为剪切破坏和 张拉破坏；SAEIDI等[10]提出较其他破裂准则更适 用于层状岩体的破裂准则，能更好地评估层状岩 体力学性质。同时，国内学者邓华锋等[11−17]针对不 同层状岩石进行了单轴和三轴压缩试验，详细分 析了层理角度对层状岩石力学特性与破坏模式的 影响。此外，在层状岩石破裂过程中的AE活动研 究方面，张朝鹏等[18]开展了层理煤岩试样破坏全过 程的AE试验，总结分析了层理倾角对AE事件时 空分布、振幅分布和能量特征的影响；KUILA 等[19]研究了低孔隙页岩的应力各向异性、波速各向 异性以及二者之间的关系；WASANTHA等[20]研究 了单轴压缩条件下不同层理砂岩的力学特性和能 量释放特性，结果表明，当层理角较小时，岩石 的破坏更剧烈；张东明等[21]通过含层理及均质岩石 试件单轴压缩实验，分析了含层理岩石破坏特征， 损伤演化过程中的声发射参数特征、能量耗散与 传递规律；WANG等[22]研究了页岩层理对组分非 均质性和力学行为各向异性的影响，基于各向异 性页岩在破坏过程中的破坏演化和声发射AE特 性，验证了层理对裂纹起裂和扩展的声发射特性 的影响；杨振琦等[23]进行了单轴压缩条件下的AE 试验，研究了岩石AE特征随着层理倾角变化的规 律；柴金飞等[24]利用PFC模拟过程中产生的的AE 数据，基于矩张量理论，揭示了不同节理位置与 倾角对岩石破裂机理的影响；吴顺川等[25]对比分析 2233 第 51 卷中南大学学报自然科学版 了3种常用的矩张量反演法及矩张量反演理论，结 合实例分析了目前矩张量理论的应用前景；李庶 林[26−29]等通过室内AE试验，研究了岩石破坏过程 中力学特性与AE参数变化及裂纹扩展过程中不同 阶段AE时空演化，揭示了AE活动随试验时间和 应力变化的特征和规律。 综上，目前国内外对层状岩石的各向异性研 究中，主要在力学特性和破坏类型等方面，但对 层状岩石破坏过程中的AE特征与规律研究还较 少，而通过分析岩石破裂过程中AE事件时空演化 规律，尤其是震源机制参数，可反演岩石内部裂 纹演化过程，从而揭示荷载作用下其破坏机理。 为此，本文基于单轴压缩条件下不同层理角度砂 岩的AE试验，研究层状砂岩力学行为各向异性、 AE特性、破坏模式及裂纹扩展演化规律，为进一 步准确评价层状岩体的安全稳定性以及掌握层状 岩体的力学特性，提供基础数据和理论支撑。 1试样准备与试验仪器 1.1试验样品 试验样品为四川盆地普遍分布的侏罗系红砂 岩，所取砂岩试样具有明显的沉积层理。图1所示 为试样取芯示意图，试样采用标准圆柱体试样， 直径为50 mm，高度为100 mm，将取回的岩块按 不同方位进行钻芯取样，制成不同层理面倾角的 试样，并保证试样的端面平整度、倾斜度等符合 要求。将层理倾角β定义为层理面与水平面的夹 角，考虑 0，30，45，60和 90等 5 种层理倾 角，试样均取自同一岩块编号依次为Y0-1，Y0-2， Y0-3，，Y90-3，其中，字母Y后数字代表层面 倾角，1，2和3代表每组的试样序号。其中，倾 角为0的岩样具备横观各向同性。图2所示为按要 求加工完成的试样，由图2可见试样显著的沉积分 层差异。 针对层理弱面与基质的微观结构分析，从制 备试样的岩块取样，制作薄片，进行光学显微镜 与扫描电子显微镜SEM，加速电压15 kV扫描观 察，图3所示为试样微观结构光学显微镜及扫描电 镜照片。由图3可见层状砂岩基质与层理弱面差 异较大，砂岩基质与层理弱面矿物粒径与排列差 异明显，基质矿物粒径小且微观孔隙和裂隙少， 层理弱面矿物粒径大且微观孔隙和裂隙发育 明显。 1.2试验设备 试验系统及AE传感器布置如图4所示，单轴 压缩试验采用YAW-600微机控制电液伺服岩石试 验机，AE信号采集系统为英国IMaGE公司12通 道连续采集系统，运用InSite-Lab软件进行数据分 析 。 AE 传 感 器 为 PAC Nano30， 中 心 频 率 140 kHz，频率范围125752 kHz，前置放大器为 内置1001 000 kHz带通滤波器的脉冲放大器，增 益设置范围3070 dB。 1.3试验方案 试验过程中，对同一层理倾角的试样取其中 一个进行AE监测，试样表面共布置上下2层8枚 传感器因引伸计结构特点影响，传感器距试样端 面分别为30 mm与18 mm，为减少AE信号在传感 器与试样接触面之间的衰减与消散，保证试验效 果，编号为奇数和偶数的增益值分别设为30 dB和 50 dB，采样频率为10 MHz。在传感器与试样接触 图1试样取芯示意图 Fig. 1Coring diagram of rock specimen 图2典型试样照片 Fig. 2Typical specimen photos 2234 第 8 期储超群，等层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征 面之间均匀涂抹硅脂作为耦合剂，加载前，同时 在试件端面放置特氟龙Teflon，减少端部摩擦效 应。设置AE采集系统参数并检查传感器状态，试 验加载过程采用引伸计轴向变形控制，加载速率 为0.015 mm/min。 2层状砂岩力学特性 2.1层状砂岩单轴压缩应力−应变曲线 不同层理倾角层状砂岩试样单轴压缩应力−应 a 基质光学显微镜图；b 层理弱面光学显微镜图；c 基质电子扫描显微镜图；d 层理弱面电子扫描显微镜图 图3试样微观结构光学显微镜及扫描电镜照片 Fig. 3Specimen microcosmic structure of optical microscopy and SEM photos 图4试验系统及AE传感器布置 Fig. 4Experimental system andAE sensor layout 2235 第 51 卷中南大学学报自然科学版 变曲线如图5所示。由图5可见不同层理倾角的 试样在加载过程中的应力−应变曲线形态变化基本 相同，均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和 峰后破坏阶段等4个阶段。试验初始，曲线表现出 的非线性变形是由于试样层理弱面以及内部原生 微裂隙在荷载作用下逐渐被压缩，岩石压密，曲 线上凹；进入弹性阶段，曲线近似直线；随着载 荷增加，曲线向下弯曲，裂纹扩展由稳定向不稳 定转变，出现明显的屈服点；曲线到达峰值点后 试样发生破坏。 应力−应变曲线符合塑性−弹性−塑性特点，脆 性特征较明显。对比图5不同层理倾角试样结果可 以看出，在倾角较小时，压密阶段较为明显，随 着层理倾角增大，压密阶段持续时间逐渐减小， a β0；b β30；c β45；d β60；e β90 图5不同层理角度砂岩试样单轴压缩应力−应变曲线 Fig. 5Stress-strain curves of sandstone specimens with different bedding angles under the uniaxial compression tests 2236 第 8 期储超群，等层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征 应力−应变曲线斜率逐渐变大；多数曲线达到峰值 点后，迅速下降，这是由于裂纹的持续扩展，试 样产生不可逆的变形，应力−应变曲线不是体现明 显的塑性变形特性，而是很快产生宏观破坏，表 现为脆性破坏；部分曲线峰值点后，随着变形增 大，新裂隙被填充、压缩，曲线会继续上升，直 至试样破坏达到试验机限制条件。 2.2层状砂岩各向异性特征 层状砂岩在形成过程中，由于时期、时间、 矿物类型和成岩环境等条件的异同，其各向异性 特征明显，室内试验中主要表现为纵波波速、抗 压强度和弹性模量等参数的各向异性，为更细致 分析层理倾角对试样的纵波波速、抗压强度和弹 性模量的影响规律，对3个参数进行统计分析。 2.2.1纵波波速 大量岩土工程施工与研究中，岩体的波速测 定在岩体质量评价等方面应用广泛。为了与后续 AE定位中波速统一，本文在进行试验之前，运用 AE设备中的主动震源模块测定所有试样端面之间 纵波波速，传感器布置在试样端面中心，其中， 一个传感器发出矩形波，另一个传感器接收，采 集信号后拾取到时间tP，H为试样高度，计算得到 纵波波速VP。 VP H/tP1 图6所示为不同层理角度砂岩试样单轴压缩条 件下力学参数变化。由图6a可见不同层理倾角 试样纵波波速呈现出随层理倾角增大而增大的变 化趋势，各向异性特性明显，β 90时，波速均 值 最大为 2 869.3 m/s；β 45时，波速均值为 2 627.0 m/s；而β 0时最小，为2 520.0 m/s，与 最大值相差349.3 m/s。层状砂岩纵波波速各向异 性明显，与基质和层理弱面中的矿物的定向排列 有关。 导致上述波速差异的原因有当层理倾角在 90附近时，纵波的传播路径方向与试样层理面接 近平行，有利于纵波传播；当层理倾角在0附近 时，纵波的传播路径方向与试样层理面接近垂直， 层理面导致波在传播过程中衰减变快，不利于传 播；当β从0增加到90的过程中，层理面与纵波 传播方向的夹角由90逐渐变小，纵波传播通过的 层理面逐渐减少，纵波通过的介质由穿透多层层 理面变为直接沿层理传播，而砂岩基质的矿物粒 径小且微观孔隙和裂隙少，层理弱面矿物粒径大 且微观孔隙和裂隙发育明显。因此，在纵波传播 路径在由β从0增加到90的过程中，复杂程度降 低，纵波的衰减系数降低，反射面随之减少，传 播时间变短，波速增大。拟合波速与层理倾角的 函数关系如式2所示，其可用于地质勘探及地质 评价中层状岩石波速变化规律的预测。 y -0.0006x3 0.1103x2- 0.9132x 2527.4 2 式中y为纵波波速；x为层理倾角。 2.2.2单轴抗压强度 由图6b可见随着层理倾角增大，单轴抗压 强度与纵波波速变化时有所不同，为先变小然后 增大，曲线整体呈现出“U”形，β为0和90时， 抗压强度较高，β 60时，强度最低，产生上述 强度各向异性的原因是层理面属于弱面，其强度 比完整岩块的低，β 0时，破坏模式为穿切层理 面的劈裂型剪切破坏，此时试样强度取决于岩石 a 纵波波速；b 单轴抗压强度；c 弹性模量 图6不同层理角度砂岩试样单轴压缩条件下力学参数变化 Fig. 6Variation of mechanical parameters of sandstone specimens with different bedding angles under uniaxial compression tests 2237 第 51 卷中南大学学报自然科学版 的本身，反映到岩石本身的抗压强度高；而在β 90时，破坏模式为破坏模式为劈裂张拉破坏，其 层理弱面间的基质或多个层理弱面与基质形成联 合的块体能继续承载压力，最终抗压强度较高； β 60时破坏类型是沿层理弱面的剪切滑移破坏， 抗压强度取决于层理弱面，故其单轴抗压强度 最低。 同时可以看出，变化程度先缓慢后较快，同 一层理倾角3个试样抗压强度标准差最大为4.69 β 0，而最小仅为0.98，说明试样取样过程中 保证了相同层理角度的一致性。 2.2.3弹性模量 由图6c可见随着层理倾角增大，试样的弹 性模量逐渐增大。当β 0时，岩样的层理与加 载方向垂直，弱面和基质类似于串联关系，但其 刚度与基质相比较小，层理弱面和基质形成的串 联模型的整体轴向刚度主要受层理弱面控制，试 样整体轴向压缩变形相对较大，从而导致弹性模 量较小；当β 90时，试样的层理弱面与加载方 向平行，层理弱面和基质类似于并联关系，基质 刚度大，在轴向荷载作用下，基质承载绝大部分 的载荷，试样整体轴向压缩变形相对较小，从而 导致弹性模量较大。总之，在β从0到90变化过 程中，加载方向与层理方向的夹角由90变为0， 试验过程中相同的轴向应力增量引起的轴向变形 逐渐减小，从而导致试样弹性模量逐渐增大。 2.3层状砂岩破坏模式 试验所用红砂岩在单轴压缩条件下，表现出 一定的脆性破坏性质，试验后试样典型破坏照片 如图7所示，基本规律总结如下 1β 0时，破坏模式为穿切层理面的劈裂型 剪切破坏。在试样压缩过程中层理面首先发生穿 越基质与层理弱面的劈裂破坏，然后，发生剪切 破坏致使劈裂破坏连通形成宏观裂纹。由于轴向 加载方向与层理面不是严格意义上的垂直，随着 试验进行，破坏沿着试样层理面孕育，产生层状 破坏后，拉应力分量小不足以导致沿层理面滑移， 随着应力增大以及应力集中，层状的块体产生剪 切破坏，剪切裂纹逐渐发展形成剪切面，由于层 理的存在，剪切裂纹未顺轴向发展成直线，而是 形成阶梯状宏观裂纹。 2β 30时，破坏模式为贯穿层理面和局部 顺层理弱面的复合张剪破坏。试样破坏宏观裂纹 贯通形成折线型剪切破坏，试样自两端形成角度 较大的剪切破裂面后，随着应力增大逐渐贯穿多 个层理面而形成折线型剪切破坏。 3β 45和60时，破坏模式为沿层理面的 剪切滑移破坏，局部穿越层理面。这是典型层状 岩石破坏类型，试样沿着层理面产生剪切破坏， 局部贯穿试样层理面，形成宏观裂纹。该种层理 倾角试样单轴抗压强度主要取决于层理弱面的黏 结强度，与前述单轴抗压强度的分析吻合。 4β 90时，破坏模式为劈裂张拉破坏。顺 层理面产生的裂纹导致破裂后的块体能继续承载， 随着应力增大，破裂面之间的块体部分破坏形成 宏观裂纹，在试样内部首先产生顺层理面的微裂 a β0；b β30；c β45；d β60；e β90 图7层状砂岩典型试样破坏模式 Fig. 7Typical failure modes of specimens with different bedding angles 2238 第 8 期储超群，等层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征 纹，然后块体破裂，微裂纹发展贯通。 层状砂岩单轴压缩条件下破坏模式随着层理 倾角β从0增大到90的过程中，由穿切层理面的 劈裂型剪切破坏转变为复合张剪破坏再到剪切滑 移破坏，最后转变为劈裂张拉破坏，其破坏模式 与层理倾角密切相关，同时破坏模式的差异也影 响了上述层状砂岩的各向异性特征。 3层状砂岩破裂过程AE特征 为更好地分析不同层理倾角试样的破裂机制， 从有效AE事件计数、破裂三维空间分布演化特征 和矩张量T−k参数等方面分析层状砂岩破裂演化规 律与各向异性特征。 3.1AE事件时空演化规律 3.1.1AE事件特征 图8所示为不同层理倾角砂岩试样AE事件数、 累积事件计数和应力−应变关系。由图8可见不 同层理倾角试样加载过程中，AE事件数量变化曲 线基本相同。试验初始，试样处于压密状态，试 样裂隙压密闭合，有极少AE事件产生，其主要是 由于试样裂隙压密闭合以及少量微破裂而引起的 且振幅较小；随着试验进行，进入弹性阶段，在 a β0；b β30；c β45；d β60；e β90 图8不同层理倾角砂岩试样AE事件数、 累积事件计数和应力−应变关系 Fig. 8Relationships ofAE events, cumulative event counts and stress-strain in sandstone specimens with different bedding angles 2239 第 51 卷中南大学学报自然科学版 此阶段原生裂隙继续压缩，没有产生新的裂纹， AE活动进入相对平静期，很少甚至没有AE事件 产生；继续加载，进入非弹性阶段，裂纹稳定扩 展，AE活动增加且逐渐活跃，但变化幅度缓慢， 当应力到达峰值点附近时，AE 事件瞬间剧烈产 生，集中爆发，说明内部裂纹迅速发展、贯通进 而导致试样破坏；在峰后应力的每次下降都会有 幅度微小的维持或减缓下降阶段，伴随有AE事件 的集中产生，说明此时试样内部裂纹迅速扩展， AE活动增强。 不同层理倾角试样加载过程中AE活动基本符 合以上变化规律，但在β 0及β 60时，加载 过程中AE活动有细微不同。在β 0时，轴向应 力顺层理面，试样层理弱面在试验过程中一直受 压，由于层理弱面的微观构成以及孔隙较多，在 压密段相对于其他试样相比有较多AE事件产生； 另外，在β 60时，AE事件在峰值过后出现最大 值，与前述该层理角度下试样的破坏模式以及曲 线中最大的急剧破坏在峰后等特征有关。 综合分析试验结果，可得如下AE活动规律 试样压密阶段，AE事件数极少，线弹性阶段，更 少甚至没有，说明在这2个阶段除微裂隙压密闭合 外，裂纹未发展且极少产生新的裂纹，AE活动平 静；随着试验进行，轴向应力增大，应变增大， AE活动逐渐活跃，说明试样内部裂纹发展并逐步 贯通；当轴向应力达到试样最大时，AE活动剧烈 增大，AE累计事件数曲线与应力−应变关系曲线 斜率达到最大，进一步表明了AE活动与试样裂纹 产生、扩展的内在联系。整个试验过程中，AE活 动的阶段区分明显，压密阶段几乎没有声发射事 件，在弹性阶段事件数逐步增加，当加载到峰值 强度时事件数剧烈增加，峰后破坏阶段事件进一 步累积。 3.1.2AE事件空间分布特征 采用 InSite-Lab 中坍塌网格搜索collapsing grid search算法[30]定位研究AE震源。 图9所示为不同层理倾角试样破裂过程中的 AE事件定位结果正视与俯视图。图9中AE事件颜 色依据定位震级location magnitude，−4.5～−2.0 色度标尺绘制，AE事件大小依据信噪比SNR绘 制。结合图7可见AE事件与试样的宏观破坏形 态基本一致，反映了试样宏观裂纹产生的位置， 同时也说明此种传感器布设方式对AE监测效果较 理想。不同层理倾角的试样在单轴压缩条件下的 AE事件定位结果有所不同，由于层状岩石产生的 破坏模式的差异，导致了AE事件数量上以及在定 位结果空间上的差异性，β 60时，试验过程中 试样破坏剧烈，传感器脱落隔离，定位结果仅为 试样破坏第1次应力降附近的声发射事件聚集，定 位结果与试样宏观破裂形态存在一定差异。 针对β 45以及β 90试样破坏，对不同阶 段AE事件定位结果进行分析如下。 β 45试样在加载破坏过程中不同应力阶段 的AE事件定位结果如图10所示。由图10可见 当应力为0.25σc时，试样处于压密阶段，原有孔 隙与微裂隙的压密闭合会产生少量AE事件且零星 a β0；b β30；c β45；d β60；e β90 图9不同层理倾角砂岩试样破坏全过程AE事件 定位结果 Fig. 9Results ofAE events location during failure entire process of sandstone samples with different bedding angles a 0.25σc；b 0.75σc；cσc；d 结束 图10裂纹扩展过程AE事件定位结果σc为峰值应力， β 45 Fig. 10AE events location results during crack propagation process σcis peak stress，β 45 2240 第 8 期储超群，等层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征 分布；随着应力增大，AE事件逐渐增多，但增长 速率较慢；当应力为0.75σc时，试样处于线弹性 阶段，同样是少量零星分布的AE事件；当应力到 达试样峰值应力σc，此时由于微裂纹的扩展速率变 大，AE事件迅速增多，其增长速率较大，且呈现 集群、成核现象，反映试样内部裂纹的产生与发 展，试样中AE事件集中的区域方向性与最终破坏 宏观裂纹的方向一致；对比图10c与d，AE事件 定位结果图10 d事件增多的区域与层理弱面的 角度一致，且是在图10c基础上的扩展而不是形 成新的区域集中，使AE事件集中区域的裂纹变为 宏观裂纹。 上述现象与图8中β 45时AE事件数以及累 计事件计数的变化规律吻合。通过AE事件定位演 化规律与破裂模式图10的对比，可以看出主要裂 纹的产生与AE事件在试样模型空间上的成核、集 群密切相关，从AE事件的变化可以看出裂纹的发 展趋势与方向，从成核部位到试验结束时定位结 果的变化与宏观裂纹形成过程发展一致，从微观 角度反映了典型的层状岩石破坏类型。 β 90试样在加载破坏过程中不同应力阶段 AE事件定位结果如图11所示。其AE事件定位时 空演化规律与β 45时相似，此处不再赘述。不 同的是，由于层理面与加载方向一致，在应力小 于0.25σc时，层理弱面不产生类似β 45时的压 密现象，所以当应力较低时极少产生AE事件，而 随着应力升高，试样发生劈裂破坏，宏观裂纹与 AE事件定位结果中的大事件集群区域对应，从图 11中应力达到σc到结束时，可见AE事件定位的扩 展区域反映了后期宏观裂纹的形成过程。 3.2岩石破裂AE矩张量分析 3.2.1矩张量参数表示方法 岩石破裂矩张量是二阶对称张量，其中3个主 特征值m1, m2和m3均为实数，将矩张量在主轴坐 标系对角化后可简单表示为 Mij m1 m2 m3 3 KNOPOFF等[31]提出将矩张量分解为各向同性 部分ISO、纯双力偶DC和补偿线性矢量偶极成 分CLVD的方法，如式4和5所示，其中各向同 性部分可由3个相等的特征值矩阵表示，双力偶成 分由2个线性矢量偶极组合而成，可以代表岩体的 剪切破坏或者断层的相对错动机制，补偿线性矢 量偶极成分是深部地震中的一种作用机制。 M M ISO M dev 1 3 trM 1 3 trM 1 3 trM m1- 1 3 trM m2- 1 3 trM m3- 1 3 trM 4 式中trM 为矩张量3个特征值之和。 对式4中的偏量部分可进一步分解为双力偶 成分和补偿线性矢量偶极成分 M dev m* 1 m* 2 m* 3 M DC M CLVD 5 3.2.2震源类型T−k图 最早用来研究震源机制解的是震源沙滩球， 但其仅能表现震源的位错方向，而不能将震源类 型与震级体现出来。HUDSON等[32]将矩张量定义 为T和k这2个参数，同时忽略对事件震源破裂方 向的研究，提出了震源类型T−k分布图，如图12 所示，参数T见式6是衡量震源偏量成分的参 a 0.25σc；b 0.75σc；cσc；d 结束 图11裂纹扩展过程AE事件定位结果σc为峰值应力， β 90 Fig. 11AE events location results during crack propagation process σcis peak stress，β 90 2241 第 51 卷中南大学学报自然科学版 数，其范围从位于−1的单纯正值补偿线性矢量偶 极CLVD到位于1的单纯负值补偿线性矢量偶 极−CLVD，并穿过位于原点的纯双力偶DC；参 数k见式7是衡量震源各向同性成分的参数，其 范围从位于负值−1的均匀压缩类型到位于正值1 的均匀膨胀类型。基于上述参数，可以绘制T−k等 积震源类型图，即T−k参数表示法。 假设M1 M2 M3为矩张量对应的3个特征 值，则有 T 2M′ 2 max |M′ 1|,|M′3| 6 k MISO |MISO| max |M′ 1|,|M′3| 7 式中MISO 1 3 trM ；M1′，M2′和M3′为矩张量 偏量特征值。 3.3层状砂岩破裂机理 通过分析应力−应变、AE事件定位和震源机 制T−k分布的对应关系，可揭示层状砂岩单轴压缩 条件下的各阶段微裂纹演变规律与破裂机制，不 同层理倾角试样分析方法相同，以下仅对β分别为45 和90进行分析。 针对β 45试样，试验过程中不同应力阶段 的AE事件定位结果与震源类型T−k图，如图13所 示，破裂机制及规律分析如下 1 在Ⅰ点附近，试样处于压密状态，有少量AE 事件产生，矩张量T−k值点在主要集中于负偶极点 附近，在坐标原点处有少量分布，表明此阶段主 要破裂类型为剪切破裂，伴随极少双力偶剪切破 裂和混和破裂； 2 在Ⅱ点附近，AE事件逐渐增多，矩张量T−k 值点主要分布于正负偶极点连线周围，且在负偶 极点分布较为集中，正偶极点附近分布较之前增 长较多，这表明此阶段主要破裂类型为剪切破裂， 伴随双力偶剪切破裂与混合破裂依然较少但占比 有所升高； 3 在Ⅲ点附近，处于应力−应变曲线的峰值点 附近，AE事件明显爆发，矩张量T−k值点主要分 布于负线性矢量偶极点