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随着国民经济的快速发展，能源/资源开发、交通基础设施、水利水电等领域必将大量兴建地下岩体工程[1–2]。层状岩体作为一种特殊的工程岩体，在自然界中广泛分布，是工程建设中常见的一种岩体。软硬互层类岩石作为一种特殊的层状岩石，与层状岩体一样，都具有明显的层理结构，其力学特性和破坏模式都具有明显的各向异性[3]。软硬层状岩石通常由2种或2种以上的基岩组成，这些基岩具有不同的强度和变形行为。因此，软硬互层岩石与普通层状岩石之间存在差异，研究其断裂过程，对于保障地下工程施工安全和健康发展具有重要的理论意义和工程价值。
针对层状岩体的研究主要分为理论分析和实验室试验。在横观各向同性岩石理论研究方面，最常用的研究方法是通过考虑不连续的层理弱面对各向异性岩石的影响来推导本构方程，例如：Jaeger[4]基于More-Coulomb强度准则提出了Jaeger准则；Taliercio等[5]将More-Coulomb强度准则应用到各层岩体，并考虑层间位移协调提出了适用于互层岩体的破坏准则；张桂民等[6]进一步分析了不同倾角下软硬互层盐岩破坏的主控因素，发现破坏主控因素差异是导致盐岩破坏模式不同以及抗压强度呈“U”形变化的根本原因；黄书岭等[7]在横观各向同性理论的基础上，提出了适用于层状岩体的裂纹应变法，用以求解层状岩体的特征强度。对于实验室试验研究，试样获取主要分为现场取样和实验室制样。其中实验室制备的岩样易于控制且具有可重复性，因此，对试验观测和研究更有利。一些学者尝试采用类岩石材料制作和研究软硬互层岩体，例如：Tien等[8]通过单轴、三轴压缩试验研究了层理倾角和围压对岩石强度和变形的影响；丁恩理等[9]通过三轴压缩试验研究了层厚比和倾角对岩石强度和变形的影响，发现层厚比不同但倾角相同的试样的强度相近，破坏模式相似；刘小亮等[10]通过单轴压缩试验研究了层厚比和倾角对试样裂纹分布的影响，发现层面倾角控制裂纹走向，层厚比控制拉剪裂纹占比。上述研究均通过肉眼或图像对岩样进行观测，而岩石受荷时内部的一些细微变化难以捕捉，因此，一些学者通过声发射（acoustic emission, AE）来监测岩石内部微裂纹、微裂隙的活动，例如：姜德义等[11]采集了不同加载速率的单轴压缩下页岩在加载过程中的声发射特征参数，研究了岩石在加载过程中的能量释放状态，为预测层状岩石破裂提供了一定的依据；Wang等[12]采用声发射技术研究了页岩破坏过程中的损伤演化及声发射特征；陈旭等[13]通过不同围压下的四级等幅循环加卸载三轴试验对砂岩声发射特征参数进行研究，发现与常规三轴试验相比，多级等幅循环加载导致岩样剪切裂纹占比增多；张凯等[14]对不同损伤程度的砂岩进行了单轴压缩试验，发现损伤程度增加将导致岩石破裂过程发生变化。上述层状岩体的声发射研究中所使用的岩样主要来自于页岩、砂岩等天然层状岩石，针对软硬互层类岩石的研究较少，且现有研究主要集中于单一波形参数或频谱信息，既未从细观角度充分分析层状岩石的断裂损伤过程，也未涉及岩石内在拉、剪裂纹的演化特征。
为了填补这一空白，本研究基于搭载DS-5型声发射监测系统的RMT-150B型岩石力学试验系统，对人工预制的不同层理倾角的软硬互层类岩石试样开展单轴压缩试验，研究不同层理倾角对软硬互层类岩石声发射特征、损伤演化和裂纹扩展的影响，分析单轴压缩下不同层理倾角的软硬互层类岩石的声发射信号分布特征差异，探讨层理倾角对软硬互层类岩石的损伤累积过程以及拉剪裂纹扩展特征的影响，以期为地下工程层状岩体开挖过程中的稳定性评估与监测提供参考。
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目前的试验中，主要采用水泥、石英砂、石膏等类岩石材料制备试样，其特点是力学性质与岩石材料较相近、强度及弹性模量的调节范围较大、材料来源丰富、价格低廉且制作简单易成型。在制备试样之前，需要对材料进行配比，根据黄彦华等[15]开展的类岩石材料不同配比对力学特性的影响试验，本研究选取P325普通硅酸盐水泥、熟石膏粉、粒径为40～70目的石英砂和水，通过一系列配比试验，最终确定软硬互层岩软硬两层的材料配比、单轴抗压强度（uniaxial compressive strength，UCS）fc和弹性模量E，结果如表1所示。首先，将类岩石材料按比例混合搅拌均匀，其中软层材料中加入适量墨水；然后，将混合物振动成型并按硬层-软层-硬层的顺序逐层注入模具中；最后，将浇注完成的岩块养护28 d。为了满足单轴压缩试验的要求，根据国际岩石力学学会的标准，将混合配比成型的岩块统一加工成直径为50 mm、高为100 mm的标准圆柱体[16]。具体处理方法如图1所示，将岩块进行钻芯和打磨抛光处理以后，制成的试样中软层层厚为5 mm，硬层层厚为20 mm，共包含5种层理倾角（0°、30°、45°、60°和90°）。试样编号采用S-α表示，其中S表示试样，α表示层理倾角，如S-0°表示层理倾角为0°的软硬互层类岩石试样（以下简称“类岩石试样”）。
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试验系统主要由加载系统和声发射监测系统两部分组成，如图2所示。采用中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT-150B型岩石力学试验系统进行加载，该试验机垂直液压缸的最大输出力为1 000 kN，最大压缩变形量为50 mm；在位移加载模式下的加载速率范围为0.001～1 mm/s，本试验设定加载速率为0.005 mm/s。采用DS-5型8通道声发射监测系统采集声发射信号，该系统主要由声发射探头、信号放大器以及采集主机构成。将2枚声发射探头对称布置在软硬互层类岩石试样的几何中心两侧，当试样内部损伤开裂产生声发射信号时，经声发射探头采集后，通过信号放大器将信号放大并输送到采集主机进行存储与处理，可得到声发射特征参数等实时数据。其中，采样频率设置为5 MHz，阈值设置为40 dB以过滤背景噪音。在试验过程中，为了确保加载信息与声发射信号产生的时间相对应，加载系统与声发射检测系统同步启动。
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试样加载过程中会伴随着裂纹的萌生与扩展，细小裂纹与宏观裂纹都会产生信号，因此，声发射常用于岩石破坏分析[17]。不同层理倾角的软硬互层类岩石试样在加载过程中的AE振铃计数、AE累计振铃计数随时间的变化曲线如图3所示。AE累计振铃计数曲线呈整体上凹的增长趋势，且在加载初期，AE累计振铃计数曲线斜率较低，随着加载的持续，AE累计振铃计数曲线斜率逐渐变大。试样S-0°和S-30°的AE振铃计数主要集中在峰后，试样S-45°、S-60°和S-90°AE振铃计数主要集中在峰值应力附近。根据AE振铃计数的分布特征，试样从开始加载到破坏这一过程可以分为4个阶段[18–19]：压密阶段Ⅰ、弹性阶段Ⅱ、塑性阶段Ⅲ和峰后阶段Ⅳ。
在压密阶段，试样出现少量声发射信号，这是由于试样有少许内部微空隙和微裂隙因外力被压缩，释放弹性应变能，产生少量声发射信号，AE累计振铃计数有轻微增长。随着加载进行，荷载应力逐渐增大，但尚未达到起裂应力，岩石产生弹性应变，进入弹性阶段，该阶段最明显的特征为应力曲线与AE累计振铃计数曲线近似呈一条直线，且AE累计振铃计数曲线斜率趋近于零。原因是该阶段试样内部原生裂隙已被压密闭合，几乎没有声发射信号产生，仅在试样S-90°中检测到少量持续的声发射信号，这可能是试样裂隙相互滑移导致的。随着加载持续，当荷载应力超过起裂应力时，应力曲线逐渐偏离直线段转而进入塑性阶段，在峰值应力前，AE振铃计数开始缓慢增加，表明试样开始有新裂纹出现。随着声发射信号逐渐激烈，在峰值应力出现信号峰值，AE累计振铃计数曲线斜率骤增，预示着试样内部裂纹不断扩展，该现象在试样S-0°和S-30°中一直持续到峰后阶段，原因是试样裂纹进一步扩展与贯通，碎裂块体之间产生了较强烈的结构性运动和摩擦[20]。
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岩石发生变形破坏时会吸收和释放能量。声发射能量为岩石内部裂纹萌生和扩展时产生的高频弹性波能量，可通过计算信号包络线的面积获得。这些弹性波以高频振动的形式进行传播，经声发射传感器捕捉并分析，可实时监测裂纹萌生、扩展与贯通的全过程。本研究中，不同层理倾角下软硬互层类岩石试样的AE能量、AE累计能量随时间的变化规律如图4所示。可以看出，不同层理倾角的类岩石试样的能量释放过程存在显著差异。AE累计能量曲线呈整体上凹的增长趋势， 试样S-0°和S-30°的AE能量主要集中在峰后，试样 S-45°、S-60°和S-90°的AE能量主要集中在峰值应力附近。详细分析可得，在加载初期，不同倾角的类岩石试样的AE能量均很小或没有。在进入弹性阶段时，试样S-0°、S-30°、S-45°和S-60°没有AE能量出现，试样 S-90°持续产生少量AE能量，此时AE累计能量均为直线，表明试样加载进入平静期。在峰值应力附近，AE能量开始增加；达到峰值应力时，AE能量骤增，AE累计能量曲线斜率接近1，表明试样产生大尺度裂纹导致破坏。随着应力的下降，试样进入峰后阶段，此时试样S-0°、S-30°仍不断产生AE能量，AE累计能量曲线呈阶梯形不断上升，表明试样不断产生大尺度裂纹并持续扩展、贯通，这反映出试样S-0°和S-30°的延性特征，而试样S-45°、S-60°和S-90°在峰值应力附近产生较强的AE能量信号，产生大尺度裂纹后便停止裂纹扩展，表现出明显的脆性特征。通过地震波能量分析方法可以将AE能量特征分为主震型、群震型和孤震型[21]。试样 S-0°、S-30°持续不断地释放AE能量强信号，表现为群震型，而随着层理倾角的增大，高峰值的能量信号集中在峰值应力附近，表现为孤震型。
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声发射特征中的峰值频率和振幅是研究岩石破裂的重要参数。Cai等[22]研究发现，高频对应小尺度裂纹，低频对应大尺度裂纹。图5给出了不同层理倾角类岩石试样的声发射振幅、峰值频率与应力及时间的关系。由图5可知，试样峰值频率的变化范围为0～300 kHz，将峰值频率分为3个频段，分别为低频段（10～50 kHz）、中频段（100～150 kHz）和高频段（250～300 kHz），对应的振幅分为4组，分别为低幅（50～65 dB）、中幅（65～80 dB）、高幅（80～100 dB）和超高幅（大于100 dB）。可见试样S-0°、S-30°、S-45°和S-60°的声发射信号主要集中在低频带，中频带和高频带的声发射信号较少； 试样S-90°的声发射信号分布均匀，在3个频段都有分布，但在低频段的声发射信号密度大于在中频段和高频段。
为了进一步研究加载过程中峰值频率的变化特征，对不同阶段的峰值频率信息进行分析：在压密阶段，试样S-0°、S-30°、S-45°和S-60°仅零星分布声发射信号，试样S-90°的声发射信号峰值频率在低频、中频和高频3个频段内均有分布，该阶段声发射信号的出现主要是由于原生裂纹的闭合产生小尺度裂纹，低频信号可能是小尺度裂缝在荷载作用下因应力集中而发生扩展[23]。在弹性阶段，试样S-0°、S-30°、S-45°和S-60°没有出现声发射信号，试样S-90°的声发射信号在3个频段都有分布，表明试样内部的小尺度裂纹持续扩展。在塑性阶段，声发射信号主要集中在低频段，中、高频段信号减少或消失，表明大尺度裂纹开始占据主导地位。随着荷载的增加，低频段信号密度明显增大，试样即将破坏。
结合声发射信号振幅来看，随着加载持续，峰值频率逐渐降低，振幅整体呈增大趋势。一般来说，低频信号的振幅大于高频信号，低频-超高幅信号代表较大尺寸的微破裂[24]。不同层理倾角下，类岩石试样的振幅动态变化也表现出明显的差异，试样S-0°、S-30°的振幅在加载初期多为低幅，少有高幅信号；当应力达到峰值应力附近时，低频-超高幅信号开始出现或增多，且在峰后阶段持续产生低频-超高幅声发射信号，表明该类试样在加载初期稳定产生微裂纹；当达到较高应力时，裂纹逐渐扩展贯通，并持续到峰后阶段，表现为大尺度裂纹稳步扩展过程。试样S-45°、S-60°和S-90°在峰值应力前的振幅分布规律与试样S-0°、S-30°的趋势相同，但在应力达到峰值应力后骤降，低频-超高幅主要集中在峰值应力前，表明大尺度裂纹在该时间段骤增，裂纹迅速沿着层理面扩展。该类试样裂纹扩展得较为剧烈，表现为明显的突发式失稳破坏。此外，在峰值应力前，试样的低频-超高幅信号总会突然出现或占比突增，这一现象可以作为不同层理倾角的软硬互层岩体破坏的前兆信息。
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图6(a)给出了声发射振铃计数、能量与层理倾角的关系，声发射累计振铃计数与累计能量随层理倾角变化的曲线趋势相同。随着层理倾角的增大，声发射累计振铃计数和累计能量均先减小后增大。试样S-90°的声发射累计振铃计数和累计能量均为最大值，试样S-0°次之，试样S-60°的声发射累计振铃计数最小，试样S-45°的声发射累计能量最小。这表明类岩石试样的声发射振铃计数和能量具有明显的层面效应。当岩石基体参与破坏时，往往会产生较多的声发射信号，释放较多的能量。随着层理倾角从0°逐渐增大，试样加载过程中声发射信号和能量释放逐渐减少，此时的类岩石试样逐渐表现出脆性特征，试样从释放能量较多的基体破裂转变为释放能量较少的层理面滑移破坏[25]。当层理倾角为90°时，试样的声发射活动骤增至最大，侧面反映了在同样的受力条件下，层理倾角为90°的软硬互层类岩石试样的裂纹萌生和扩展最频繁。
图6(b)给出了不同层理倾角下软硬互层类岩石试样的低频-超高幅信号占比。可以看出，层理倾角的不同对低频-超高幅信号占比产生较大影响，低频-超高幅信号占比在层理倾角为60°时取得最大值，为64.7%，其次为45°层理倾角，为42.9%，层理倾角为0°和30°试样的低频-超高幅信号占比相近，分别为39.4%和37.3%，层理倾角为90°试样的低频-超高幅信号占比明显小于其他试样，为28.6%。
综上分析可得，试样S-0°、S-30°的破坏模式为大尺度裂纹占比较多的裂纹稳步扩展。试样S-45°、S-60°的破坏模式为大尺度裂纹占比较多的突发式失稳破坏，试样S-90°同样为突发式失稳破坏，但其大尺度裂纹占比较少。造成这种差异的原因可能与试样的理论剪切破坏角有关[6]，试样S-45°、S-60°的层理面与加载方向形成一定的角度，相比于产生一些小尺度破裂，其更容易沿着层理面产生大尺度裂纹，其中试样S-60°的大尺度裂纹比例明显大于其他试样，表明该角度为试样破坏的最不利角度，更容易产生宏观裂纹导致破坏。
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岩石等材料在受到荷载作用时会产生变形和断裂，并以弹性波的形式释放能量，通过对弹性波进行监测和分析，能够得到岩石内部微裂纹的萌生、扩展以及贯通等微观行为的演化过程。Lu等[26]研究发现，试样的微损伤与AE信号直接相关。假设试样从加载直至完全破坏所产生的AE累计振铃计数为Cm，试样从开始加载到t时刻的AE累计振铃计数为∑Ct，则此时的损伤变量Dt为
定义试样达到完全破坏时为损伤终点，则Dt=1。
根据声发射振铃计数的变化趋势，将岩石试样的加载过程分为4个阶段：裂纹闭合阶段、弹性阶段、塑性阶段和峰后阶段。由于试样的AE信号与损伤、裂纹演化存在一定联系[27]，因此，本试验将峰值应力前的损伤演化曲线分为与之对应的3个阶段：初始损伤阶段Ⅰ、低速率损伤阶段Ⅱ、高速率损伤阶段Ⅲ，如图7所示。由图7可知，不同层理倾角类岩石试样的损伤演化过程存在显著差异。在加载初期，试样原有的微孔隙、微裂隙闭合产生声发射信号，Dt从零开始增加，此时为初始损伤阶段。随着加载的持续，试样的损伤累积进入平稳期，Dt基本保持不变，此时为低速率损伤阶段。在此阶段之后，Dt持续增大，此时为高速率损伤阶段，此后，AE累计振铃计数达到最大值，Dt增大至1。
在初始损伤阶段，各个试样的损伤水平均不大于10%，试样S-0°在初始损伤阶段的损伤变量最大，约为0.06，该阶段的损伤累计主要为层理面闭合，基本没有微裂纹产生。在低速率损伤阶段，试样S-0°、S-30°、S-45°和S-60°的损伤变量基本没有变化，试样S-90°在这个阶段的损伤变量持续增大，损伤水平达到20%。随着加载的持续，试样进入高速率损伤阶段，损伤累积曲线开始明显上升，并在峰值应力附近骤增，此时试样S-0°和S-30°的损伤水平达到30%和20%。试样S-45°、S-60°、S-90°的损伤变量突增至1，其中试样S-45°、S-60°在高速率损伤阶段的损伤水平增幅接近100%。
综上所述，不同层理倾角下的软硬互层类岩石试样的损伤演化过程与声发射特征参数一样，具有明显的阶段性特征，其中，试样S-90°在低速率损伤阶段已经具有较高的损伤水平，表明试样在该阶段会产生更多裂纹。试样S-45°、S-60°在高速率损伤阶段的损伤变量增幅最大，损伤累计曲线整体呈水平-竖直增长，表现出明显的脆性断裂特征，与应力-位移曲线相对应。这是由于层理间的低黏结力[28]导致类岩石试样在高速率损伤阶段的损伤速率最大，说明试样S-45°、S-60°从起裂到完全破坏用时最短，中等角度（45°、60°）的层理面加快了试样的损伤累积过程。
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RA（上升时间与振幅之比）和平均频率（average frequency，AF）的定义如图8(a)所示，分析2个数值的关系是AE信号分析中最常用的方法之一。Zhao等[29]、朱子辉等[30]的研究表明，拉伸裂纹产生的信号波形主要为纵波，对应的RA值通常较低，而剪切信号因为上升时间较长，RA值通常较大。通过AF值和RA值可以对试样内部的裂纹进行分类[31]。日本建筑材料工业联合会最早提出将AF与RA的比值作为剪切裂纹与拉伸裂纹的分类依据，如图8(b)所示，低RA值、高AF值表示岩石产生张拉裂纹，高RA值、低AF值表示岩石产生剪切裂纹。
根据上述RA-AF计算方法，对单轴加载下不同层理倾角的类岩石试样的声发射特征参数进行处理，求得RA-AF值并生成散点密度图，如图9所示。由于试样S-45°和S-60°的声发射信号过少，且离散性较大，因此，并未进行分析。由图9可知，试样S-0°的AF值主要分布在10～36 kHz之间，其中12～21 kHz之间的颜色为红色，表明该区间内散点密度最高，RA值主要分布在0～0.6 ms/V之间。随着层理倾角的增大，AF值的分布范围减小为10～20 kHz，而RA值的分布范围增大为0～0.75 ms/V，而当层理倾角达到90°时，AF值的分布范围转而增大为10～21 kHz和30～35 kHz，RA值的分布范围减小为0～0.6 ms/V。这表明倾斜的层理面促进了剪切裂纹的发育，并对张拉裂纹的产生具有一定的抑制作用。
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为进一步研究不同层理倾角的类岩石试样在单轴压缩下的裂纹演化规律，计算了不同试样在不同加载阶段的张拉裂纹和剪切裂纹分布，如图10所示。由图10(a)～图10(e)可知，在单轴压缩下，不同层理倾角的类岩石试样的裂纹增长速率呈先缓慢增加后急剧增加的趋势。对于试样S-0°、S-30°，其在第Ⅰ阶段产生少量微裂纹，经历了一段稳定的第Ⅱ阶段后，2种试样的拉剪裂纹增长速率在第Ⅲ阶段开始增加，经过峰值应力后，在第Ⅳ阶段呈阶梯式骤增。在整个加载阶段中，试样S-0°的张拉裂纹数量始终大于剪切裂纹，而试样S-30°的拉裂纹数量仅在峰值应力附近短暂大于剪切裂纹，其他时间都小于剪切裂纹。试样S-45º和S-60°在第Ⅰ、Ⅱ阶段几乎没有裂纹产生，在第Ⅲ阶段产生的剪切裂纹数量大于张拉裂纹。试样S-90°在第Ⅰ阶段的拉剪裂纹数量几乎无变化，在第Ⅱ阶段拉剪裂纹开始逐步增加，最后在第Ⅲ阶段骤增至最大，此时张拉裂纹数量大于剪切裂纹数量。
综上所述，拉剪裂纹总数随着层理倾角的逐渐增大而先减小后增大。试样S-0°、S-30°的拉剪裂纹数增加主要集中在第Ⅲ、Ⅳ阶段，试样S-45°、S-60°的裂纹增加主要集中在第Ⅲ阶段，试样S-90°在裂纹骤增的第Ⅲ阶段之前的第Ⅱ阶段已经累积了一定数量的拉剪裂纹，且该阶段的拉剪裂纹增长速率明显大于其他试样；试样S-0°在加载初期拉剪裂纹数量有明显增加。这表明水平层理面促进了拉剪裂纹的产生，层理倾角的逐渐增大促进了类岩石试样拉剪裂纹的发育。
结合图10(f)可知，随着层理倾角的逐渐增大，类岩石试样的剪切裂纹占比先增大后减小，在α=60°时取最大值，说明相较于水平和竖直分布的层理面，倾斜的层理面促进了试样内部剪裂纹的发育，层理面容易发生滑移导致剪切裂纹沿着层理面产生与扩展，与2.3节中对试样的破坏模式分析相符，尽管试样S-90°与试样S-45°及S-60°一样，破坏都与层理面密切相关，但该类试样的层理面走向与加载方向平行，层理面更容易发生劈裂张拉破坏，因此，剪切裂纹占比相对较低。一般来说，对于软硬互层岩体，在单轴压缩条件下，低角度（0°、30°）试样主要发生由张拉裂纹主导、硬岩主控的整体破坏，剪切裂纹占比处于较低水平[32]。但本研究中试样的剪切裂纹占比均大于40%，且在层理倾角为30°时就已经达到54.2%，这是因为本研究制得的试样软硬层厚比为0.25，相当于夹软弱薄层的互层状岩体，同时两层变形行为不协调，软层受到硬层的边界约束[10, 33]，此外，由于软岩的抗剪强度远小于硬岩，软岩容易因压剪作用产生压碎带，导致剪切裂纹增多。因此，对于试样S-0°，其主要在软层基体中产生剪切裂纹，而对于试样S-30°，试样在层理面产生剪切微裂纹的同时，同样会在软层基体中发生大范围剪切破裂，这也是该类试样的剪裂纹数在整个加载过程中的大部分时间大于拉裂纹数的原因。
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(1) 不同层理倾角的软硬互层类岩石试样的声发射参数在单轴压缩条件下均表现出明显的阶段性特征，声发射振铃计数和能量曲线整体呈上凹型增长；层理倾角为0°、30°试样的声发射振铃计数表现为平静-持续突增2个阶段，层理倾角为45°、60°试样的振铃计数表现为平静-突增2个阶段，层理倾角为90°试样的声发射振铃计数表现为平静-缓增-突增3个阶段；AE能量随着层理倾角的增大由群震型向孤震型转变；AE振铃计数和能量具有明显的层面效应，总体随层理倾角的增大均先减小后增大，层理面竖直分布的试样裂纹的萌生和扩展最频繁，倾斜的层理面削弱了试样的声发射活动。
(2) 试样的峰值频率主要集中在低频，且随着加载持续，峰值频率在低频的分布密度逐渐增大。低频-超高幅信号的突然出现或占比增加可作为软硬互层类岩石试样的破坏预警；层理倾角为0°、30°的试样为大尺度裂纹占比较高的裂纹稳步扩展破坏，层理倾角为45°、60°的试样为大尺度裂纹占比较高的突发式失稳破坏，层理倾角为90°的试样为大尺度裂纹占比较低的突发式失稳破坏；层理倾角为60°的试样更容易产生大尺度裂纹造成破坏。
(3) 试样的损伤累积曲线同样具有明显的阶段性特征，且损伤演化过程与声发射特征参数分布具有很好的契合性。在峰值应力前，试样的损伤累积主要集中在高速率损伤阶段，层理倾角为90°的试样在低速率损伤阶段的损伤水平远高于其他试样，其在该阶段产生更多裂纹；层理倾角为45°、60°试样的损伤累积曲线整体呈水平-竖直增长，其在高速率增长阶段的损伤速率最大，中等角度（45°、60°）的层理面加快了试样的损伤累积过程。
(4) RA-AF值可以从细观角度反映软硬互层类岩石试样在不同加载阶段的裂纹演化特征。随着层理倾角的增大，RA值的分布范围先增大后减小，AF值的分布范围先减小后增大，倾斜的层理面促进了剪切裂纹的发育，并对张拉裂纹的产生存在一定的抑制作用；水平层理面促进了拉剪裂纹的产生，层理倾角的逐渐增大促进了类岩石试样拉剪裂纹的发育；倾斜的层理面因容易发生滑移破坏，导致试样的剪切裂纹占比随着层理倾角的增大而先增大后减小，软硬层的厚度与强度相差过大使得软岩产生大量剪切微裂纹，导致张拉裂纹主导破坏的低角度（0°、30°）试样的剪切裂纹占比处于较高水平。
单轴压缩条件下软硬互层类岩石的声发射特性与裂纹类型演化
Acoustic Emission Characteristics and Crack Types Evolution of Soft and Hard Interbedded Rock-Like Specimens under Uniaxial Compression
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摘要: 为进一步揭示不同层理倾角的软硬互层岩在单轴压缩下的声发射特性和裂纹扩展规律，采用类岩石材料制备了软硬互层类岩石试样，基于搭载DS-5型声发射监测系统的RMT-150B型岩石力学试验系统，开展了不同层理倾角（0°、30°、45°、60°和90°）的软硬互层类岩石试样的单轴压缩试验，分析了层理倾角对岩样声发射特性、损伤演化和裂纹扩展的影响。结果表明：试样的声发射活动呈现明显的阶段性特征，且不同层理倾角下其分布特征具有明显差异，声发射特征参数表现出明显的层面效应，声发射累计振铃计数和累计能量随着层理倾角的增大先减小后增大；低频-超高幅信号的突然出现或占比增加可作为软硬互层类岩石试样的破坏前兆，低角度（0°、30°）试样表现为大尺度裂纹稳步扩展破坏，中角度（45°、60°）试样为大尺度裂纹突发失稳扩展破坏，高角度（90°）试样为小尺度裂纹突发失稳扩展破坏，60°层理倾角为试样破坏的最不利角度；试样的损伤累积过程同样具有明显的阶段性特征，在峰值应力前，试样的损伤累积主要集中在高速率损伤阶段，中等角度（45°、60°）的层理面加快了试样的损伤累积过程；不同层理倾角对软硬互层类岩石试样的拉剪裂纹演化的影响差异明显，水平层理面促进了拉剪裂纹的产生，层理倾角的逐渐增大促进了类岩石试样拉剪裂纹的发育，在层理面与岩石基体共同作用下，随着层理倾角的逐渐增大，类岩石试样的剪切裂纹占比先增大后减小，且剪切裂纹数目处于较高水平。研究结果对地下工程围岩结构的稳定性评估具有一定的参考作用。Abstract: In order to further reveal the acoustic emission characteristics and crack propagation law of soft and hard interbedded rock with different bedding plane dip angles under uniaxial compression, the soft and hard interbedded rock-like samples were prepared by rock-like materials. Based on the RMT-150B rock mechanics test system equipped with DS-5 acoustic emission monitoring system, uniaxial compression experiments were carried out on soft and hard interbedded rock-like samples with different bedding plane dip angles (0°, 30°, 45°, 60°, and 90°). Accordingly, the influences of bedding plane dip angle on acoustic emission characteristics, damage evolution and crack propagation of rock samples were analyzed. The results show that the acoustic emission activity of the sample presents obvious stage characteristics, and its distribution characteristics are obviously different under different bedding plane dip angles. The acoustic emission characteristic parameters show obvious bedding effect, and the cumulative ringing count and cumulative energy of acoustic emission decrease first and then increase with the increase of bedding plane dip angle. The sudden appearance or increase in the proportion of low frequency-ultra high amplitude signals can be used as a precursor information for the failure of soft-hard interbedded rock samples. The failure of low-angle (0° and 30°) samples is the steady expansion of large-scale cracks. The failure of medium-angle (45° and 60°) samples is the sudden instability expansion of large-scale cracks. The failure of high-angle (90°) samples is the sudden instability expansion of small-scale cracks. The dip angle of 60° is the most unfavorable angle for sample failure. The damage accumulation process of the specimens also has obvious stage characteristics. Before the peak stress, the damage accumulation of the specimens is mainly concentrated in the high rate damage stage, and the medium angle (45° and 60°) bedding surfaces accelerate the damage accumulation process of the specimens. The influence of different bedding plane dip angles on the evolution of tensile-shear cracks in soft-hard interbedded rock-like samples is obviously different. The horizontal bedding plane promotes the generation of tensile-shear cracks, and the gradual increase of bedding plane inclination angle promotes the development of tensile-shear cracks in rock-like samples. Under the joint action of bedding plane and rock matrix, with the gradual increase of bedding plane dip angle, the proportion of shear cracks in rock-like samples increases first and then decreases, and the number of shear cracks is at a high level. The research results have certain reference value for the stability evaluation of surrounding rock structure in underground engineering.
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Key words:
- soft and hard interbedded rocks /
- acoustic emission /
- bedding effect /
- damage evolution /
- crack types .
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图 1 软硬互层类岩石试样加工及层理布置
Figure 1. Processing and bedding layout of soft and hard interbedded rock-like specimens
图 3 不同层理倾角下软硬互层类岩石试样的AE振铃计数分布规律
Figure 3. Distribution of AE ringing counts of soft and hard interbedded rock-like specimens with different bedding plane dip angles
图 4 不同层理倾角下软硬互层类岩石试样的AE能量分布规律
Figure 4. Distribution of AE energy of soft and hard interbedded rock-like specimens with different bedding plane dip angles
图 5 不同层理倾角下软硬互层类岩石试样的振幅、峰值频率分布规律
Figure 5. Distribution of amplitude and peak frequency of soft and hard interbedded rock-like specimens with different bedding plane dip angles
图 6 不同层理倾角下软硬互层类岩石试样的AE累计振铃计数、AE累计能量和低频-超高幅信号占比
Figure 6. AE cumulative ringing counts, AE cumulative energy and the ratio of low frequency-ultrahigh amplitude signals of layered composite rock-like specimens with different bedding plane dip angles
图 7 不同层理倾角下软硬互层类岩石试样的损伤变量
Figure 7. Damage quantity of layered composite rock-like specimens with different bedding plane dip angles
图 8 通过声发射特征参数对拉伸和剪切裂纹的分类
Figure 8. Classification of tensile and shear cracks by acoustic emission characteristic parameters
图 9 不同层理倾角下软硬互层类岩石试样的RA-AF散点密度分布
Figure 9. RA-AF scatter density distribution of soft and hard interbedded rock-like specimens with different bedding plane dip angles
图 10 不同层理倾角下软硬互层类岩石试样的拉剪裂纹分布规律
Figure 10. Distribution law of tensile shear cracks in soft and hard interbedded rock-like specimens with different bedding plane dip angles
表 1 2种类岩石材料的质量比和材料参数
Table 1. Mass ratio and material parameters of the two kinds of rock-like materials
Material Color Mass ratio fc/MPa E/GPa Hard layers White 1∶0.6∶0.1∶0.5 39.90 10.07 Soft layers Black 1∶0.20∶0.40∶0.65 9.47 2.00 
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[1] 冯夏庭, 肖亚勋, 丰光亮, 等. 岩爆孕育过程研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2019, 38(4): 649–673. FENG X T, XIAO Y X, FENG G L, et al. Study on the development process of rockbursts [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2019, 38(4): 649–673. [2] 钱七虎. 依托中国的独特优势, 加速迈向科技强国的伟大目标 [J]. 科技导报, 2020, 38(10): 1–2. QIAN Q H. Relying on unique advantages of China, towards the great goal of becoming a powerful country in science and technology [J]. Science & Technology Review, 2020, 38(10): 1–2. [3] 邓华锋, 李涛, 李建林, 等. 层状岩体各向异性声学和力学参数计算方法研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39(Suppl 1): 2725–2732. DENG H F, LI T, LI J L, et al. Study on calculation method of anisotropic acoustic and mechanical parameters of layered rock [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2020, 39(Suppl 1): 2725–2732. [4] JAEGER J C. Friction of rocks and stability of rock slopes [J]. Geéotechnique, 1971, 21(2): 97–134. [5] TALIERCIO A, SACCHI LANDRIANI G. A failure condition for layered rock [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1988, 25(5): 299–305. [6] 张桂民, 李银平, 杨长来, 等. 软硬互层盐岩变形破损物理模拟试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(9): 1813–1820. ZHANG G M, LI Y P, YANG C L, et al. Physical simulation of deformation and failure mechanism of soft and hard interbedded salt rocks [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(9): 1813–1820. [7] 黄书岭, 钟鹏举, 丁秀丽. 绿泥石片岩单轴压缩特征强度各向异性特征研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2021, 40(Suppl 2): 3182–3190. HUANG S L, ZHONG P J, DING X L. Study on characteristic strength anisotropy of layered chlorite schist under uniaxial compression [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2021, 40(Suppl 2): 3182–3190. [8] TIEN Y M, KUO M C, JUANG C H. An experimental investigation of the failure mechanism of simulated transversely isotropic rocks [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2006, 43(8): 1163–1181. doi: 10.1016/j.ijrmms.2006.03.011 [9] 丁恩理, 刘越, 吴继敏, 等. 软硬互层状类岩石试样力学特性的三轴试验研究 [J]. 地下空间与工程学报, 2020, 16(Suppl 1): 39–46. DING E L, LIU Y, WU J M, et al. Triaxial test study on the mechanical properties of soft-hard interbedded rocklike specimens [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2020, 16(Suppl 1): 39–46. [10] 刘小亮, 陈新, 宋笑凡. 软硬互层岩体变形破坏机制物理模拟试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2023, 42(Suppl 2): 3980–3995. LIU X L, CHEN X, SONG X F. Physical simulation test on deformation and failure mechanism of soft and hard interbedded rock masses [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2023, 42(Suppl 2): 3980–3995. [11] 姜德义, 谢凯楠, 蒋翔, 等. 页岩单轴压缩破坏过程中声发射能量分布的统计分析 [J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(Suppl 2): 3822–3828. JIANG D Y, XIE K N, JIANG X, et al. Statistical analysis of acoustic emission energy distribution during uniaxial compression of shale [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(Suppl 2): 3822–3828. [12] WANG J, XIE L Z, XIE H P, et al. Effect of layer orientation on acoustic emission characteristics of anisotropic shale in Brazilian tests [J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2016, 36: 1120–1129. doi: 10.1016/j.jngse.2016.03.046 [13] 陈旭, 肖义, 汤明高, 等. 多级等幅循环荷载作用下砂岩变形、渗透及声发射特征试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2024, 43(8): 1923–1935. CHEN X, XIAO Y, TANG M G, et al. Experimental study on deformation, permeability and AE characteristics of sandstone under multi-stage cyclic loading with a constant amplitude [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2024, 43(8): 1923–1935. [14] 张凯, 张东晓, 赵勇强, 等. 损伤岩石声发射演化特征及响应机制试验研究 [J]. 煤田地质与勘探, 2024, 52(3): 96–106. doi: 10.12363/issn.1001-1986.23.09.0548 ZHANG K, ZHANG D X, ZHAO Y Q, et al. Experimental study on acoustic emission evolution characteristics and response mechanism of damaged rocks [J]. Coal Geology & Exploration, 2024, 52(3): 96–106. doi: 10.12363/issn.1001-1986.23.09.0548 [15] 黄彦华, 杨圣奇, 刘相如. 类岩石材料力学特性的试验及数值模拟研究 [J]. 实验力学, 2014, 29(2): 239–249. HUANG Y H, YANG S Q, LIU X R. Experimental and numerical study on the mechanical characteristics of rock-like materials [J]. Journal of Experimental Mechanics, 2014, 29(2): 239–249. [16] KOVARI K, TISA A, EINSTEIN H H. Suggested methods for determining the strength of rock materials in triaxial compression: revised version [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1983, 20(6): 285−290. [17] 张恒源, 郭佳奇, 孙飞跃, 等. 不同试验条件和含水状态下花岗岩的声发射与破裂演化特征 [J]. 高压物理学报, 2022, 36(6): 064102. ZHANG H Y, GUO J Q, SUN F Y, et al. Acoustic emission and fracture evolution characteristics of granite under different testing and moisture conditions [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2022, 36(6): 064102. [18] YAO Q L, CHEN T, TANG C J, et al. Influence of moisture on crack propagation in coal and its failure modes [J]. Engineering Geology, 2019, 258: 105156. doi: 10.1016/j.enggeo.2019.105156 [19] 张艳博, 王博, 梁鹏, 等. 大理岩单轴压缩破坏次声波特征的加载速率效应研究 [J/OL]. 煤炭学报, (2024-03-13)[2024-05-13]. https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2023.1440. ZHANG Y B, WANG B, LIANG P, et al. Loading rate effects on infrasound characterization of uniaxial compression damage in marble [J/OL]. Journal of China Coal Society, (2024-03-13)[2024-05-13]. https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2023.1440. [20] CHENG J L, YANG S Q, CHEN K, et al. Uniaxial experimental study of the acoustic emission and deformation behavior of composite rock based on 3D digital image correlation (DIC) [J]. Acta Mechanica Sinica, 2017, 33(6): 999–1021. doi: 10.1007/s10409-017-0706-3 [21] 郑蕾, 许晓静, 许王亮, 等. 预制孔洞凝灰岩破坏声发射响应特性及预警 [J/OL]. 土木与环境工程学报(中英文), (2023-09-12)[2024-05-13]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1218.TU.20230911.1021.002.html. ZHENG L, XU X J, XU W L, et al. Acoustic emission response characteristics and early warning of prefabricated hole tuff failure [J/OL]. Journal of Civil and Environmental Engineering, (2023-09-12)[2024-05-13]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1218.TU.20230911.1021.002.html. [22] CAI M, KAISER P K, MORIOKA H, et al. FLAC/PFC coupled numerical simulation of AE in large-scale underground excavations [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2007, 44(4): 550–564. doi: 10.1016/j.ijrmms.2006.09.013 [23] ZHANG H Y, GUO J Q, SUN F Y, et al. Experimental study on acoustic emission characteristics in the fracture process of granite under dry and saturated state [J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2022, 40(10): 5213–5231. doi: 10.1007/s10706-022-02212-8 [24] KONG B, WANG E Y, LI Z H, et al. Acoustic emission signals frequency-amplitude characteristics of sandstone after thermal treated under uniaxial compression [J]. Journal of Applied Geophysics, 2017, 136: 190–197. doi: 10.1016/j.jappgeo.2016.11.008 [25] 郝宪杰, 魏英楠, 杨科, 等. 煤储集层起裂强度和损伤强度的各向异性特征 [J]. 石油勘探与开发, 2021, 48(1): 211–221. doi: 10.11698/PED.2021.01.20 HAO X J, WEI Y N, YANG K, et al. Anisotropy of crack initiation strength and damage strength of coal reservoirs [J]. Petroleum Exploration and Development, 2021, 48(1): 211–221. doi: 10.11698/PED.2021.01.20 [26] LU H J, ZHANG R, REN L, et al. Damage characterization of shale under uniaxial compression by acoustic emission monitoring [J]. Frontiers of Earth Science, 2021, 15(4): 817–830. doi: 10.1007/s11707-021-0911-z [27] DONG T, CAO P, WANG F, et al. Strain field evolution and crack coalescence mechanism of composite strength rock-like specimens with sawtooth interface [J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2023, 126: 103947. doi: 10.1016/j.tafmec.2023.103947 [28] HAO X J, WEI Y N, YANG K, et al. Anisotropy of crack initiation strength and damage strength of coal reservoirs [J]. Petroleum Exploration and Development, 2021, 48(1): 243–255. doi: 10.1016/S1876-3804(21)60020-4 [29] ZHAO K, YANG D X, GONG C, et al. Evaluation of internal microcrack evolution in red sandstone based on time-frequency domain characteristics of acoustic emission signals [J]. Construction and Building Materials, 2020, 260: 120435. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120435 [30] 朱子辉, 郭佳奇, 孙飞跃, 等. 不同含水状态下裂隙砂岩的声发射及裂纹扩展试验研究 [J]. 高压物理学报, 2023, 37(5): 054103. ZHU Z H, GUO J Q, SUN F Y, et al. Experimental study on acoustic emission and crack propagation of fissured sandstone with different moisture states [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2023, 37(5): 054103. [31] OHNO K, OHTSU M. Crack classification in concrete based on acoustic emission [J]. Construction and Building Materials, 2010, 24(12): 2339–2346. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2010.05.004 [32] 康玉梅, 谷今, 魏梦琦. 不同加载速率下软硬互层类岩石力学及声发射特性 [J]. 东北大学学报(自然科学版), 2023, 44(3): 399–407. KANG Y M, GU J, WEI M Q. Mechanical properties and acoustic emission characteristics of soft-hard interbedded rocks under different loading rates [J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2023, 44(3): 399–407. [33] 陈宇龙, 张宇宁, 李科斌, 等. 单轴压缩下软硬互层岩石破裂过程的离散元数值分析 [J]. 采矿与安全工程学报, 2017, 34(4): 795–802, 816. CHEN Y L, ZHANG Y N, LI K B, et al. Distinct element numerical analysis of failure process of interlayered rock subjected to uniaxial compression [J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2017, 34(4): 795–802, 816. -
图( 10) 表( 1)
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