加载速率影响下裂隙细砂岩力学特性试验研究.pdf

★科技与工程★ 移动扫码阅读 引用格式于利强,邓亮,回新冬,等􀆱加载速率影响下裂隙细砂岩力学特性试验研究 [J]􀆱中国煤炭,２ ０ ２ ０,４ ６ ７ １ ０ ３－１ １ ２ 􀆱 Y uL i q i a n g,D e n gL i a n g,H u iX i n d o n g,e ta l 􀆱E x p e r i m e n t a l s t u d yo nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f f r a c t u r e df i n e s a n d s t o n eu n d e r t h e i n f l u e n c eo f l o a d i n gr a t e[J]􀆱C h i n aC o a l,２ ０ ２ ０,４ ６７ １ ０ ３－１ １ ２ 􀆱 加载速率影响下裂隙细砂岩力学特性试验研究 于利强１, ２ 邓 亮２ 回新冬２ 曹志国１ 周保精１ １ 􀆱国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室,北京市昌平区,１ ０ ２ ２ １ １; ２ 􀆱中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,２ ２ １ １ １ ６ 摘 要 天然岩石含多种原生缺陷,受工程扰动影响易促使载荷速率发生变化,为确保 岩体工程的稳定性,需对加载速率及裂隙影响下的岩石力学特性进行研究.以均质细砂岩试 样为研究对象,试样中央预制０ ９ ０ 贯通裂隙,通过单轴压缩试验和声发射试验研究加载 速率影响下的裂隙砂岩力学性质变化规律.结果表明相同裂隙倾角下,试样的抗压强度、 峰值应变以及弹性模量均与加载速率呈正相关关系;加载速率对岩石力学性质的强化效应具 有区间性,低数量级时加载速率的作用程度明显高于高数量级时.砂岩试样的力学性质受控 于裂隙倾角α,随着α的增加,试样峰值强度先增加后减小,并在α＝１ ５ 时达到最低值.声 发射计数特征能够准确反映砂岩试样的破坏过程,岩石加载过程中,声发射计数经历 “ 剧烈 Ｇ平静Ｇ剧烈”的过程,且随着加载速率的增加,加载前期尤其是峰值强度前记录到的明显声 发射事件数降低. 关键词 加载速率 裂隙倾角 单轴压缩 力学性质 声发射 中图分类号 T D ３ １ ３ 文献标识码 A 基金项目煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室开放基金 S HG F Ｇ １ ６ Ｇ １ ８ ,国家自然科学基金项目 ５ １ ８ ７ ４ ２ ８ ３ E x p e r i m e n t a l s t u d yo nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f f r a c t u r e df i n e s a n d s t o n e u n d e r t h e i n f l u e n c eo f l o a d i n gr a t e Y uL i q i a n g １,２, D e n gL i a n g ２,H u iX i n d o n g２, C a oZ h i g u o １, Z h o uB a o j i n g １ １ 􀆱S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fW a t e rR e s o u r c eP r o t e c t i o na n dU t i l i z a t i o n i nC o a lM i n i n g, C h i n aE n e r g yI n v e s t m e n tC o r p o r a t i o n,C h a n g p i n g,B e i j i n g１ ０ ２ ２ １ １,C h i n a; ２ 􀆱S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o a lR e s o u r c e sa n dS a f eM i n i n g,C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g a n dT e c h n o l o g y,X u z h o u,J i a n g s u２ ２ １ １ １ ６,C h i n a A b s t r a c t N a t u r a l r o c kc o n t a i n sm a n yk i n d so fp r i m a r yd e f e c t s,w h i c hc a ne a s i l yc h a n g e t h e l o a d i n gr a t eu n d e r t h e i n f l u e n c e o f e n g i n e e r i n gd i s t u r b a n c e 􀆱I no r d e r t oe n s u r e t h es t a b i l i t yo f r o c ke n g i n e e r i n g,i t i sn e c e s s a r yt os t u d yt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r o c ku n d e r t h ei n f l u e n c eo f l o a d i n gr a t ea n df r a c t u r e s 􀆱I nt h i sp a p e r,h o m o g e n e o u sf i n es a n d s t o n es a m p l ew i t hp r e f a b r i c a t e d t h r o u g hf r a c t u r e so f ０ ９ ０ d i pa n g l e i n t h e c e n t e rw e r e t a k e na s t h e r e s e a r c ho b j e c t,t h eu n i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t a n da c o u s t i c e Ｇ m i s s i o nt e s tw e r eu s e dt os t u d yt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f f r a c t u r e ds a n d s t o n eu n d e r t h e i n f l u e n c eo f l o a d i n gr a t e 􀆱 T h er e s u l t s s h o w e dt h a t t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h,p e a ks t r a i na n de l a s t i cm o d u l u sw e r ep o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t h t h e l o a d i n gr a t e a t t h e s a m e f r a c t u r ed i pa n g l e 􀆱T h e s t r e n g t h e n i n ge f f e c t o f t h e l o a d i n g r a t e o n t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r o c kw a sd i v i s i o n a l,a n d t h e l o a d i n g r a t ea t l o wo r d e ro fm a g n i t u d ew a so b v i o u s l yh i g h e r t h a n t h a t a t h i g ho r d e r o fm a g n i t u d e 􀆱T h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f s a n d s t o n e ３０１ 加载速率影响下裂隙细砂岩力学特性试验研究 s a m p l ew a sc o n t r o l l e db yf r a c t u r ed i pa n g l eα,w i t ht h e i n c r e a s eo fα,t h ep e a ks t r e n g t ho f t h es a m p l e s f i r s t l y i n c r e a s e da n dt h e n d e c r e a s e d,a n dr e a c h e d t h em i n i m u mv a l u ew h e n t h eαw a s １ ５ 􀆱A c o u s t i c e m i s s i o nc o u n t i n gc h a r a c t e r i s t i c s c o u l da c c u r a t e l yr e f l e c t t h e f a i l u r ep r o c e s so f s a n d s t o n es a m p l e s 􀆱D u r i n gr o c kl o a d i n g,a c o u s t i ce m i s s i o nc o u n t i n ge x p e r i e n c e dap r o c e s so f＂ f i e r c e Ｇ c a l m Ｇ f i e r c e ＂,a n dw i t ht h e i n c r e a s eo f l o a d i n gr a t e,t h en u m b e ro fa c o u s t i ce m i s s i o ns i g n i f i c a n te v e n t sr e c o r d e da t t h ee a r l i e rs t a g eo f l o a d i n gp r o c e s sd e c r e a s e d,e s p e c i a l l yb e f o r e t h e t i m eo fp e a ki n t e n s i t y 􀆱 K e yw o r d s l o a d i n gr a t e,f r a c t u r ed i pa n g l e,u n i a x i a l c o m p r e s s i o n,m e c h a n i c a lp r o p e r t y,a c o u s t i ce m i s s i o n 岩石属于典型的脆性材料 [１],天然状态下含有 各种宏观和微观的缺陷[ ２].在工程岩体中,受天然 地应力及施工扰动的影响,岩石内部或表面裂隙开 始起裂、扩展直至贯通出现宏观裂纹,弱化岩石的 力学性质,导致工程岩体的失稳破坏[ ３].此外,工 程施工、荷载、构造挤压等诱发的岩石载荷速率的 变化[ ４－５],也对裂隙岩石的强度特征、微裂纹扩展 等产生重要的影响.因此,研究加载速率影响下的 预制裂隙岩石力学性质变化特征,对于全面了解岩 石的力学性能,优化相关岩石力学实验参数及研究 岩体工程破坏失稳机制等具有重要意义. 在岩石力学及岩石地质领域中,岩石的加载速 率效应一直是研究热点之一[ ６],众多国内外学者对 此进行了广泛研究.试验研究方面,C h o n gK P 等[ ７]对细砂岩、凝灰岩和油页岩在不同应变率下进 行了加载观测;L a j t a iEZ [８]等研究了石灰石和盐 岩强度的加载速率效应;李永盛[ ９]和 M a r t i nCD 等[ １ ０]通过单轴压缩试验研究,发现随着加载速率 的升高,岩石的抗压强度增加;王笑然[ １ １]等研究 了砂岩的加载特征,发现岩样弹性模量随加载速率 的增大呈先增大后减小的趋势;W a s a n t h aP L P [１ ２] 等对砂岩在单轴压缩下的加载速率敏感性进行了分 析;周子龙[ １ ３]等研究了花岗岩在不同加载速率下 的红外辐射效应.理论研究方面,戚承志[ １ ４]等对 脆性岩石的应变率依赖机理进行研究,推导出脆性 材料强度Ｇ应变率依赖模型;M SA l a m[ １ ５]等则提出 了将动态增加因子与施加的应变速率相关联的经验 方程.诸多成果为岩石力学特性的加载速率效应的 研究奠定了基础. 声发射是指材料在载荷作用下为释放应变能而 产生并快速传播的弹性波[ １ ６],能够实时、动态、 连续地监测煤岩体内部裂纹产生和扩展过程[ １ ７], 在裂缝无损检测和损伤评估中已被广泛应用[ １ ８－１ ９]. 曹安业[ ２ ０]等研究了不同加载速率下砂质泥岩的损 伤演化规律及其声发射参量特征,发现高加载速率 下声发射撞击能量有大幅增加;L a v r o vA[ ２ １]、陈 勉[ ２ ２]、张茹[２ ３]等通过分析岩石在不同加载速率下 的声发射演化特征,进一步研究岩石强度破坏特征 及内部损伤机理;L i uQS等[ ２ ４]采用声发射震源定 位技术,明确了单轴压缩条件下类岩石材料试件的 裂纹萌生、扩展、聚结和贯通失效的过程.由此可 见,声发射可作为反映岩石裂隙发育及损伤程度信 息的有效工具之一[ ２ ５]. 现有国内外文献对于岩石加载速率效应的研究 多是考虑加载速率对于完整标准煤岩体试样力学性 质的影响,而对于裂隙岩石却鲜有研究.笔者以岩 体工程中常见的细砂岩为研究对象,以１ ５ 倾角为 角度梯度,在砂岩试样中央预制０ ９ ０ 范围的贯 通裂隙.利用WDW Ｇ ３ ０ ０型微控电子万能试验机及 P C I Ｇ I I型声发射监测仪对岩样进行不同加载速率条 件下的单轴压缩及声发射试验,分析和探讨加载速 率和裂隙倾角影响下的砂岩试样的力学性质变化及 其声发射演化特征. １ 试验方案 １ 􀆱 １ 试验材料和试样制备 试验材料采用岩体工程中常见的细砂岩,原岩 样品根据国际岩石力学学会试验规范[ ２ ６]和 岩石 物理力学性质试验规程D Z/T ０ ２ ７ ６ 􀆱 ２ ５ Ｇ ２ ０ １ ５ [２ ７]的 要求,加工成１ ２ ０余块５ ０mm５ ０mm１ ０ ０mm 的标准长方体试样,试样中央预制１条贯通裂隙, 结构面 之间无填充.参 考RHC W o n g [２ ８]及鲁祖 德[ ３]等裂隙制作方法,单预制裂隙的几何形状由３ 个参数定义裂隙长度２a、裂隙倾角α和裂隙宽 度d,如图１所示. 图１ 裂隙试样参数 ４０１ 中国煤炭第４ ６卷第７期２ ０ ２ ０年７月 在本研究中,裂隙长度、裂隙宽度均保持不 变２a＝１ ０mm,d＝１mm.裂隙倾角以１ ５ 为增 加梯度,在０ ９ ０ 范围内α分别取０ 、１ ５ 、３ ０ 、 ４ ５ 、６ ０ 、７ ５ 、９ ０ .完整岩样用C表示. １ 􀆱 ２ 试验材料和试样制备 根 据 岩 石 物 理 力 学 性 质 试 验 规 程D Z/T ０ ２ ７ ６ 􀆱 ２ Ｇ ２ ０ １ ５ [２ ７]的要求,首先进行烘干.采用鼓风 干燥箱 上海仪器厂,１ ０ １ Ｇ ２型对岩样进行干 燥,干燥温度设置为１ ０ ５℃,烘干１ ２h,试样内部 的游离水被蒸发,而结合水不受影响,确保在促使 所有试样含水率相同的前提下最大程度地降低干燥 过程对试样内部结构的损伤.加载系统采用微控电 子万 能 试 验 机 长 春 科 新 试 验 仪 器 有 限 公 司, WDW Ｇ ３ ０ ０型对岩样进行单轴压缩试验,位移加 载速 率 分 别 设 置 为０ 􀆱 ０ １ mm/s、０ 􀆱 ０ ５ mm/s、 ０ 􀆱 １ ０mm/s、０ 􀆱 ５ ０mm/s、１ 􀆱 ０ ０mm/s.岩样压缩 过程中,采用声发射监测系统 美国声学物理公司 P A C,P C I Ｇ I I型对其声发射信号进行监测,为不 影响观察试样破坏过程,声发射探头布置在试样的 左右两个表面,测试系统如图２所示. 图２ 岩石力学及声发射试验系统 ２ 裂隙砂岩的加载速率效应 ２ 􀆱 １ 加载速率影响下的裂隙砂岩应力Ｇ应变曲线 不同加载速率影响下的裂隙岩石试样的应力Ｇ 应变曲线如图３所示.其中,图３ac反 映了相同裂隙倾角下,加载速率对裂隙岩样 α＝ ３ ０ ,９ ０ 和完整岩样的影响,图３d则反映了 相同加载速率下 v＝０ 􀆱 ０ ５mm/s ,裂隙倾角对试 样应力Ｇ应变曲线的影响. 由图３可知,试样的应力Ｇ应变曲线均经历了 压密、弹性、屈服以及峰后破坏４个阶段,符合经 典岩石力学应力Ｇ应变曲线特征.裂隙压密阶段, 在轴向荷载作用下,试样内部原有孔隙被压密,加 载前期随着时间增加,试样应变增长,但应力无明 显变化,曲线呈近似水平的波动形式.根据试验观 察,本阶段被压密的仅为试样内部的微孔隙,而预 制的贯通裂隙并未压密闭合.随着应力增加,试样 进入弹性变形阶段.该阶段内,应力随应变增加稳 定增长,曲线呈现符合广义胡克定律的直线型增 长;随着应力进一步增加,试样压缩过程转入屈服 阶段,应力增加速度降低,曲线呈现 “ 上凸”的形 式,试样的变形由弹性变形逐渐转换为弹塑性混合 变形[ ２ ９].同时,试样内部开始积聚弹性能,当其 能量及塑性变形量超过试样的极限值,微裂纹贯通 整个试样,表面出现宏观裂纹,试样的应力骤降, 发生整体的失稳破坏.此时,应力Ｇ应变曲线进入 峰后破坏阶段. 由图３可知,不同加载速率影响下的裂隙岩样 应力Ｇ应变曲线,在峰前阶段均呈现近似线性;而 经历峰值后,则呈现出骤降特征,试件短时间内丧 失承载力,释放大量能量,具有典型的脆性破坏特 征.根据试验现场观察,加载速率为０ 􀆱 ０ １mm/s 时,试样表面并没有形成显著的裂纹,破坏以试样 内部损伤为主;随着加载速率的增加,尤其是当加 载速率为０ 􀆱 １ ００ 􀆱 ５ ０mm/s时,试样表明尤其是 预制裂隙尖端开始形成宏观裂纹,逐渐贯通试样上 下边 界, 最 终 导 致 破 坏; 当 加 载 速 率 增 加 到 １ 􀆱 ０ ０mm/s时,试样表面宏观裂纹的出现、扩展 以及贯通过程极为迅速.此外,由于加载速率较 大,试样积累能量过高,试样整体的失稳破坏发生 ５０１ 加载速率影响下裂隙细砂岩力学特性试验研究 在一瞬间,往往不能保持其原有形状及完整性,并 伴随着较大的爆裂声.不同加载速率下试样的破裂 特征如图４所示. 图３ 不同加载速率及裂隙倾角下的试样应力Ｇ应变曲线 图４ 不同加载速率下试样的破裂特征 ２ 􀆱 ２ 加载速率影响下的裂隙砂岩强度特征 不同裂隙倾角的砂岩试样峰值强度与加载速率 的关系曲线如图５所示.由图５可知,不同裂隙倾 角砂岩试样的峰值强度在加载速率影响下,均表现 出相似的加载速率强化效应.随着加载速率的增加, 试样的峰值强度逐渐增大.值得注意的是,峰值强 度的变化并非线性,随着加载速率的增加,砂岩试 样峰值强度的强化效应逐渐降低.以４ ５ 裂隙倾角砂 岩 试 样 为 例, 加 载 速 率 由０ 􀆱 ０ ５ mm/s增 至 １ 􀆱 ０ ０ mm/s的 过 程 中,试 样 峰 值 强 度 分 别 为 ４ ５ 􀆱 ５ １M P a、４ ６ 􀆱 ７ ６ M P a、５ ０ 􀆱 ２ ７ M P a、５ ３ 􀆱 ７ ６ M P a、 ５ ４ 􀆱 ２ ９M P a,强度分别增加１ 􀆱 ２ ５ M P a、３ 􀆱 ５ １ M P a、 ６０１ 中国煤炭第４ ６卷第７期２ ０ ２ ０年７月 ３ 􀆱 ４ ９ M P a、０ 􀆱 ５ ３ M P a, 增 幅 分 别 为２ 􀆱 ７ ５ ％、 ７ 􀆱 ５ １ ％、６ 􀆱 ９ ４ ％、０ 􀆱 ９ ８ ％,强 化 效 应 主 要 体 现 在 ０ 􀆱 ０ ５ ０ 􀆱 １ ０mm/s范围内,总体呈减弱趋势. 图５ 加载速率与抗压强度关系曲线 不同加载速率下的砂岩试样峰值强度与裂隙倾 角的关系曲线如图６所示.预制裂隙能够显著降低 砂岩试样的强度,而裂隙倾角则是影响试样力学性 质的主要因素之一.由图６可知,在０ ９ ０ 范围 内,随着裂隙倾角α的增大,峰值强度呈现出先减 弱后增加的趋势,并在α＝１ ５ 时出现最低值,这 与众多学者之前的研究结果相吻合[ ３ ４]. 本次试验所有试样的峰值强度如表２所示.由 表２可知,完整岩样在０ 􀆱 ０ １ １ 􀆱 ０ ０mm/s范围内,峰 值强度分别为５ ２ 􀆱 ９ ６M P a、５ ４ 􀆱 ５ ８M P a、５ ８ 􀆱 ３ ６M P a、 ５ ９ 􀆱 ７ ４M P a、６ ４ 􀆱 ０ ６M P a.以０ 􀆱 ０ １mm/s加载速率条件 为例,随着α增大,裂隙砂岩试样峰值强度逐渐趋于 完整试样,尤其是α＝ ７ ５ 和α＝ ９ ０ ,峰值强度分别为 ４ ９ 􀆱 ８ ８MP a、５ １ 􀆱 ３ ６MP a,相对于完整试样,强度 仅降低５ 􀆱 ８ ２％和３ 􀆱 ０ １％.由此可见,α越大,对 试样力学性质的弱化程度越小,当α＝９ ０ 时,最 接近完整试样. 图６ 裂隙倾角与抗压强度关系曲线 表２ 不同加载速率和裂隙倾角砂岩试样的峰值强度 MP a ０ １ ５ ３ ０ ４ ５ ６ ０ ７ ５ ９ ０ C ０ 􀆱 ０ １mm/s３ ４ 􀆱 ８ ５３ ２ 􀆱 １ ９４ ５ 􀆱 ０ ５４ ５ 􀆱 ５ １４ ８ 􀆱 ３ １４ ９ 􀆱 ８ ８５ １ 􀆱 ３ ６５ ２ 􀆱 ９ ６ ０ 􀆱 ０ ５mm/s４ １ 􀆱 ５ １３ ７ 􀆱 ０ ４４ ４ 􀆱 ６ ３４ ６ 􀆱 ７ ６５ １ 􀆱 １ ４５ １ 􀆱 ７ １５ ２ 􀆱 ８ ９５ ４ 􀆱 ５ ８ ０ 􀆱 １ ０mm/s４ ３ 􀆱 ２ ７４ ３ 􀆱 ８ ０５ ０ 􀆱 ０ ２５ ０ 􀆱 ２ ７５ ２ 􀆱 ６ ７５ ２ 􀆱 ８ ９５ ３ 􀆱 ２ ６５ ８ 􀆱 ３ ６ ０ 􀆱 ５ ０mm/s４ ５ 􀆱 ７ ３４ ５ 􀆱 ４ ９５ ０ 􀆱 ７ ２５ ３ 􀆱 ７ ６５ ７ 􀆱 １ ５５ ７ 􀆱 ５ ８５ ８ 􀆱 １ ５５ ９ 􀆱 ７ ４ １ 􀆱 ０ ０mm/s４ ７ 􀆱 ６ ６４ ７ 􀆱 ６ ７５ １ 􀆱 ７ １５ ４ 􀆱 ２ ９５ ８ 􀆱 ９ ４５ ９ 􀆱 ５ ７６ ０ 􀆱 １ ３６ ４ 􀆱 ０ ６ ２ 􀆱 ３ 加载速率影响下的裂隙砂岩峰值应变及弹性 模量特征 不同裂隙倾角砂岩试样峰值应变与加载速率的 关系曲线如图７所示.由图７可知,峰值应变与加 载速率呈正相关性,即随着加载速率的增加,试样 达到峰值强度时所发生的应变量增大.加载速率由 ０ 􀆱 ０ １mm/s增至０ 􀆱 １ ０ mm/s时,曲线处于激增阶 段,０ ９ ０ 裂隙倾角砂岩试样峰值应变分别增长 ０ 􀆱 １ ８ １ ％、０ 􀆱 ２ ５ ５ ％、０ 􀆱 １ １ ４ ％、０ 􀆱 ２ ０ ５ ％、０ 􀆱 ２ ８ ５ ％, 增 幅 分 别 为７ 􀆱 ７ ６ ％、９ 􀆱 ８ ６ ％、４ 􀆱 ３ ８ ％、４ 􀆱 ２ ２ ％、 ７ 􀆱 ５ １ ％、１ ０ 􀆱 ３ ７ ％.而当加载速率大于０ 􀆱 １ ０ mm/s 时,曲线斜率降低,试样峰值应变增长速度变缓, 且与加载速率呈近似线性正相关关系,进一步说明 图７ 加载速率与峰值应变关系曲线 了加载速率的区间性.综合对比前人研究成果,本 ７０１ 加载速率影响下裂隙细砂岩力学特性试验研究 节与吴明静等[ ３ １]得出的结论十分吻合,而与罗可 等[ ３ ２]的试验结果存在差异.笔者推测,这主要是由 于本次试验所采取的位移加载的加载方式与罗可等 采取的应力加载的加载方式的不同造成的.此外, 加载速率效应的区间性明显,但由于本次试验加载 速率仅设置为０ 􀆱 ０ １mm/s、０ 􀆱 ０ ５mm/s、０ 􀆱 １ ０mm/ s、０ 􀆱 ５ ０mm/s、１ 􀆱 ０ ０mm/s这５个水平,为更全面、 准确地获取加载速率效应区间性的特征,日后应增 加加载速率变量范围来进行深入探讨. 不同裂隙倾角砂岩试样峰值应变与裂隙倾角的 关系曲线如图８所示. 图８ 裂隙倾角与峰值应变关系曲线 根据本次试验数据,完整试样C 未在图中显 示 在 不 同 加 载 速 率 下 的 峰 值 应 变 量 分 别 为 ３ 􀆱 ２ ９ ８％、３ 􀆱 ０ １ ８％、３ 􀆱 １ ６ ６％、３ 􀆱 ３ ５ ５％、３ 􀆱 ２ ０ ５％, 普遍大于含预制裂隙的试样,由此可见,峰值应变 量显著受控于裂隙倾角α.据图８可知,随着裂隙 倾角α的增加,试样峰值应变量具有一定的离散 性,但总体趋势为随α的增加而增大.相同加载速 率下,α＝７ ５ 和α＝９ ０ 时,峰值应变最接近于完整 试样. 不同裂隙倾角砂岩试样弹性模量与加载速率的 关系曲线如图９所示. 由图９可以看出,裂隙砂岩试样的弹性模量与 加载速率的变化规律较为一致,均受到强化作用, 其变化规律亦呈现出低加载速率阶段变化大、高加 载速率阶段变化小的趋势.完整试样C的弹性模 量曲线位于其他曲线上方,这说明预制裂隙同样对 试样的弹性模量产生影响.同时,α＝４ ５ 和α＝９ ０ 试样变化规律呈现出差异性,这可能与岩样自身的 均质性以及试验误差有关. 不同裂隙倾角砂岩试样弹性模量与裂隙倾角的 散点关系如图１ ０所示. 图９ 加载速率与弹性模量关系曲线 图１ ０ 裂隙倾角与弹性模量关系曲线 由图１ ０中散点分布规律可知,试样的弹性模 量与裂隙倾角呈正相关关系,且根据图中所绘拟合 曲线,弹性模量的增长规律呈近似线性.加载速率 ０ 􀆱 ０ １１ 􀆱 ０ ０mm/s范围内,拟合曲线斜率分别为 ０ 􀆱 ０ ０ １ ３ ７、０ 􀆱 ０ ０ ２ ０ ８、０ 􀆱 ０ ０ ３ ８ ０、０ 􀆱 ０ ０ ５ １ ２、０ 􀆱 ０ ０ ４ ７ ７, 试样 弹 性 模 量 增 加 速 度 先 增 长 后 降 低,并 于 ０ 􀆱 ５ ０mm/s时达到最高值. ３ 加载速率影响下裂隙砂岩损伤演化及声发射特征 试验过程中,砂岩试样受到载荷作用发生损伤 破坏,但岩石的破坏很难实时观测.因此,声发射 技术就成为研究岩石破坏过程的重要监测手段.通 过研究声发射的参数特征,如声发射计数、累计计 数演化规律,可以进一步了解岩石的破坏过程. 裂隙砂岩试样 α＝０ ,v＝０ 􀆱 ０ ５mm/s和完 整砂岩试样在压缩过程中的应力Ｇ声发射计数Ｇ应变 曲线如图１ １所示.裂隙砂岩试样 α＝０ ,v＝ ０ 􀆱 ０ ５mm/s的表面裂纹变化情况如图１ ２所示. 由图１ １a可知,裂隙砂岩试样加载过程 中,声发射计数主要经历 “ 剧烈Ｇ稳定Ｇ剧烈”的变 ８０１ 中国煤炭第４ ６卷第７期２ ０ ２ ０年７月 化过程,据此可将岩石的破坏过程分为压密、弹性 变形、屈服、破坏４个阶段.砂岩试样加载前的状 态如图１ ２a所示,随着加载时间的增加,声发 射计数的第１个 “ 剧烈期”出现,这主要是由于砂 岩试样内部缺陷及预制裂隙被压密,释放少量能 量.值得注意的是,该阶段裂隙的压密主要针对于 试样内部的微裂隙,而试样表面中央的预制裂隙并 未被完全压密,如图１ ２b所示.随后声发射计 数进入 “ 平静期” ,由于试样进行弹性变形,内部 基本无破坏发生,表面无裂纹出现,因此声发射事 件较少甚至没有.当应力加载到３ ６ 􀆱 ７ ４ MP a 图 １ １a中B点 ,第２个声发射计数 “ 剧烈期”出 现,砂岩试样由弹性变形转为塑性破坏,表面出现 微裂纹,如图１ ２ c所示.声发射计数事件频繁 出现,但计数值较低.随着加载时间延长,试样表 面裂纹扩展,如图１ ２d所示.当应力逐渐达到 试样峰值强度,声发射计数值突然增高,达到高峰 值,伴随较大的爆裂声,试样发生整体失稳破坏, 改变其原有形态,如图１ ２e所示. 综合图１ １ a和图１ １b可知,完整岩样在 应力达到峰值强度并发生整体失稳破坏前,未发现 有明显的声发射事件;而裂隙岩样在峰值强度之前 即可观测到大量的声发射计数事件.这意味着相对 于完整岩样,裂隙岩样在峰值强度前内部损伤程度 更高,这也是岩石力学性质受控于预制裂隙的原因. 图１ １ 试样应力Ｇ应变Ｇ声发射计数曲线 图１ ２ 试样裂隙发育图 裂隙砂岩试样 以α＝３ ０ 为例在不同加载 速率下 ０ 􀆱 ０ １１ 􀆱 ０ ０mm/s的声发射 A E计 数及声发射累计计数的分布特征如图１ ３所示. 从图１ ３ae可以看出,不同加载速 率导致声发射计数与应变/时间的曲线存在明显差 异.加载速率为０ 􀆱 ０ １０ 􀆱 ０ ５mm/s时,试验能够 记录到试样在峰值强度之前较多的声发射计数事 件,随着加载速率的增加,尤其是当加载速率为 １ 􀆱 ０ ０mm/s时,如图１ ３e所示,试验记录到的 声发射事件数降低,甚至峰值强度之前基本无明显 的声发射事件.结合前人研究成果,笔者认为这应 归因于载荷作用下试样的裂隙扩展与颗粒重新排列 导致的体积变形,而裂隙的形成和颗粒重新排列需 要时间的积累.低加载速率下,试样内部缺陷以及 预制裂隙有足够的时间来进行缓慢地扩展,试样内 部较大和较小的裂隙都会发生错动和扩展,发育得 较为充分,损伤量较大,因此记录到的声发射事件 较多;而高加载速率下,裂隙的发育与颗粒重排列 ９０１ 加载速率影响下裂隙细砂岩力学特性试验研究 时间减少,试样内部缺陷及预制裂隙来不及进行充 分发育,只有较大的裂缝才会发生错动和扩展,损 伤量降低,因此接收到的声发射信号较少[ ２ ２,３ ３]. 这也进一步体现在不同加载速率下裂隙砂岩试样声 发射累计计数的分布特征上相同时刻下,尤其是 加载前期,低加载速率试样的声发射累计计数往往 高于高加载速率试样,如图１ ３ f所示. 图１ ３ 不同加载速率下裂隙试样 α＝３ ０ 应力Ｇ声发射计数Ｇ应变曲线 ０１１ 中国煤炭第４ ６卷第７期２ ０ ２ ０年７月 ４ 结论 以预制裂隙细砂岩试样为研究对象,通过单轴 压缩和声发射试验,研究了加载速率和裂隙倾角影 响下的砂岩试样力学性质变化规律及声发射演化特 征. １砂岩试样具有显著的加载速率效应.相同 裂隙倾角条件下,试样的抗压强度、峰值位移以及 弹性模量与加载速率均呈正相关关系. ２加载速率对岩石力学性质的强化效应具有 明显的区间性,抗压强度、峰值位移以及弹性模量 在加载速率为０ 􀆱 ０ １０ 􀆱 １ ０mm/s时的增长速度明 显大于加载速率为０ 􀆱 １ ０１ 􀆱 ０ ０mm/s时. ３砂岩试样的力学性质受控于裂隙倾角α. 裂隙岩样的强度明显小于完整岩样.相同加载速率 条件下,随着α的增加,试样峰值强度先增加后减 小,并在α＝１ ５ 时达到最低值.弹性模量和峰值 应变分别与α呈近线性正相关和非线性正相关关 系. ４声发射计数特征能够准确反应砂岩试样的 破坏过程.岩石加载过程中,声发射计数经历 “ 剧 烈Ｇ平静Ｇ剧烈”过程,且随着加载速率的增加,加 载前期尤其是峰值强度前记录到的明显声发射事件 数降低. 参考文献 [ １] M o u t h e r e a uF,F i l l o nC,M aK F 􀆱 D i s t r i b u t i o no f s t r a i nr a t e si nt h e T a i w a no r o g e n 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