王云飞，杨文选，焦华喆，王立平，赵洪波



花岗岩脆延破坏过程声发射与损伤特性模拟研究

王云飞1，杨文选2，焦华喆1，王立平1，赵洪波1

（1．河南理工大学土木工程学院，河南焦作454000；2．河南工业和信息化职业学院土木工程系，河南焦作454000）

为了研究花岗岩脆性和延性破坏过程的声发射特性和损伤演化机制，通过花岗岩单轴试验和颗粒流程序进行了不同围压试验，获得了花岗岩破坏过程中的声发射曲线并再现了内部损伤演化过程。试验结果表明：花岗岩脆延破坏分界围压约为100 MPa；花岗岩脆性破坏时最大声发射强度的滞后效应受围压影响显著，围压越大滞后效应越不明显，延性破坏时最大声发射强度与峰值应力同时出现，滞后效应消失。花岗岩脆性破坏声发射曲线为单峰型，延性破坏声发射为平缓曲线。脆性破坏花岗岩内部严重损伤区少且分布集中，损伤区裂隙发展方向单一，延性破坏内部损伤区多且遍布整个试样，损伤区裂隙主要沿2个相互正交方向发展；花岗岩破裂角随围压增大逐渐减小，由低围压下的破裂面转变为高围压下的破碎带，低围压脆性破坏花岗岩被破裂面切割成数块，高围压下延性破坏呈粉碎性状态。

花岗岩；脆性破坏；延性破坏；声发射；损伤机理

doi：10．11988/ckyyb．20150417

1　研究背景

岩石在外力作用下发生变形直至破坏的这一过程中伴随能量释放产生弹性波的现象称为声发射。声发射监测技术已广泛应用于岩土工程稳定性分析，因此研究成果具有重要的工程应用价值。

国内外学者对岩石声发射和损伤特征开展了大量的研究，如单轴多级加载声发射特性［1］、岩爆声发射特征及微观断裂机制［2］、不等侧压声发射特性［3］、循环荷载声发射［4］及单轴加载声发射分维特征［5］、大理岩等幅和分级循环加卸载［6］、红砂岩不同应力水平的加卸荷声发射特性［7］、盐岩单轴声发射特性［8］、玄武岩现场直剪声发射特性［9］、单轴循环加卸载［10］花岗岩的声发射特性及花岗岩的破坏模式［11］，以及声发射技术在岩体工程中的应用［12-13］等等。

综合分析国内外学者研究成果可见，对岩石声发射和损伤特性的研究主要集中在加载和卸荷应力路径下。对于同一岩性在脆性和延性破坏过程中的声发射特性及内部损伤演化异同的研究很少，认识还远远不够。鉴于此，本文结合花岗岩单轴试验和颗粒流数值试验开展了脆延破坏过程声发射和损伤演化研究，所得成果可为声发射技术的应用和岩体工程稳定性分析提供理论基础。

2　颗粒流理论与细观力学参数

2．1颗粒流理论

P．A．Cundall和O．D．Strack在离散元的基础上引入分子动力学思想创建了颗粒流理论，着重从细观力学角度分析研究材料的强度和损伤特征，无需定义本构模型便能表达材料复杂非线性行为，能分析线弹性直至大变形破坏的整个过程。

颗粒流（Particle Flow Code，简称PFC）主要用于岩土类材料分析，对于岩石材料采用平行黏结模型。平行黏结发生在半径为的圆形或高度为且宽度为t的矩形范围内（如图1）。作用在平行黏结上的法向应力σ和切向应力τ可按式（1）和式（2）计算。

图1　平行黏结模型Fig．1　Parallel bond model

当平行黏结受力超过其最大强度时，黏结断裂产生声发射形成内部损伤，继续加载损伤积累发展为宏观裂隙导致岩样破坏［14］。

2．2花岗岩细观力学参数

花岗岩密度为2．656 g/cm3，进行单轴试验测得其单轴抗压强度 149．67 MPa，弹性模量为67．43 GPa。花岗岩颗粒流试样采用粒径大小不等且服从正态分布的微小颗粒及其颗粒间的黏结组成，这与实际岩样是由微小矿物颗粒及其之间的黏结组成相符。颗粒流通过细观力学参数表征花岗岩的非线性力学行为，颗粒流试样形成后通过加载墙体进行加载，使其单轴应力应变曲线与物理试样单轴应力应变曲线基本相符，获得其具体细观力学参数见表1所示。

表1　花岗岩的细观力学参数Table 1　Granite's meso-mechanical parameters

根据建立的PFC试样进行不同围压下花岗岩试验，研究花岗岩脆延破坏的强度特征，声发射特征和损伤演化机理。

3　花岗岩应力-应变特性

由图2可见，围压对花岗岩应力-应变曲线存在显著影响：随着围压增大，花岗岩弹性模量增大即花岗岩抵抗变形的能力增强，屈服阶段明显变长，峰值应变增加峰值强度提高；峰后的应变，软化效应逐渐消失，残余强度提高，花岗岩逐渐由脆性破坏转变为延性破坏；花岗岩的强化角不随围压发生变化，即所有围压下的峰值强度都与原点在一条直线上。

图2　花岗岩不同围压的应力-应变曲线Fig．2　Stress-strain curves of granite under different confining pressures

由图2还可知，花岗岩低围压下表现为脆性破坏，而高围压下表现为延性破坏。对于脆延破坏分界的划分，Hoek定义σ3＜σc为脆性破坏［15］，而Mogi定义σ1-σ3=3．4σ3为脆延破坏分界点［16］。结合图2和Hoek与Mogi的定义可知，Mogi的划分更加符合花岗岩的脆延破坏分界特性，因而可得花岗岩的脆延破坏分界围压为100 MPa，故当围压＜100 MPa时为脆性破坏，而围压＞100 MPa时为延性破坏。

4　花岗岩脆延破坏声发射特性

4．1花岗岩声发射细观力学机制

从细观角度分析，花岗岩是由微小矿物颗粒通过颗粒间的黏结作用组成，颗粒流模型也是通过粒径大小不等的颗粒和颗粒间的黏结组成，与实际岩石结构相似。花岗岩在加载过程中随着应力增大应变增加，内部发生损伤，释放能量产生弹性波的现象称为声发射，声发射的强度与花岗岩内部损伤程度直接相关。颗粒流模型受载后应力增加，当应力超过颗粒黏结强度便发生断裂释放能量产生声发射，同时形成为内部损伤（如图3所示），因而声发射的强度也与内部损伤密切相关。因此在加载过程中记录花岗岩不同应变对应的断裂强度，便能分析花岗岩在加载过程中的声发射规律，从而认识花岗岩内部损伤演化规律。

图3　花岗岩物理试样与PFC试样声发射机制Fig．3　Acoustic emission mechanism of granite sample and simulated sample using PFC（particle flow code）

4．2花岗岩声发射特性

花岗岩脆性和延性破坏过程中的声发射特性曲线如图4所示，从声发射特性曲线可见脆性和延性2种不同破坏形式中声发射特性曲线具有明显差异。

图4　不同围压花岗岩脆延破坏声发射特征Fig．4　Acoustic emission characteristics of granite in brittle and ductile failure processes under different confining pressures

由图4可知：

（1）花岗岩脆延破坏过程中声发射变化规律具有花岗岩加载初始阶段基本没有声发射事件；在应力应变的线弹性变化阶段，声发射基本呈线性增加，但声发射强度很小；应力应变进入屈服阶段，声发射强度呈现非线性增加，增速越来越大；在峰值点或峰后初期处声发射强度达到最大；进入峰后阶段，声发射强度逐渐减小。

（2）花岗岩声发射最大强度与峰值应力并不对应，而是滞后于峰值应力出现，即最大声发射强度在峰后出现。单轴压缩时最大声发射强度出现在峰后峰值应力的79．93%处；围压为40 MPa时最大声发射强度出现在峰后峰值应力的91．56%处；而围压为100～180 MPa时声发射最大强度基本在峰值强度处出现。这表明声发射最大强度的滞后效应受围压影响显著，单轴和低围压下声发射最大强度滞后效应显著，且随着围压的增大滞后效应减弱，在高围压下声发射最大强度基本与峰值应力同时出现。按照花岗岩脆性破坏和延性破坏的分界可知，花岗岩在脆性破坏阶段花岗岩的最大声发射强度滞后效应受围压影响显著，而在延性破坏阶段基本不存在滞后效应，声发射最大强度与峰值应力同时出现。

（3）花岗岩脆性破坏时声发射曲线呈现明显的单峰形态（如图4中的（a）和（b）），而在延性破坏时声发射曲线为平缓曲线（如图4中的（c）和（d））（如将图4横坐标范围设置一致，单峰形态更加明显）。从而可见花岗岩脆性破坏时最大声发射强度高但持续时间短，即峰高但峰幅宽很窄；延性破坏时最大声发射强度低但持续时间长，即峰低但峰幅宽很宽的平缓形态。这也表明花岗岩脆性破坏时，声发射具有急剧增加，短暂高强度，快速减小的特征；花岗岩延性破坏时，声发射具有平稳增大，持续较高强度，缓慢减小的特征。主要原因在于花岗岩脆性破坏时内部微裂隙迅速贯通形成破裂面而产生集中高强度声发射现象，一旦主控破裂面形成进一步变形则以滑移为主而声发射事件很少；花岗岩延性破坏时，花岗岩围压较大，内部微裂隙的迅速发展贯通几乎不可能，只能在压力作用下渐进性的稳步损伤破坏，因而是较低强度的持续宽幅声发射。以上声发射特征的认识对于实际工程，通过监测声发射变化规律了解岩石受力状态和稳定程度具有重要的理论指导意义。

5　花岗岩脆延破坏损伤演化机制

花岗岩单轴破坏为典型的脆性破坏，脆性破坏的损伤演化见图5。

由图5可见花岗岩脆性破坏的损伤演化具有以下特征：随着荷载增加花岗岩内部出现随机零星分布的微损伤（图5（a））；荷载继续增大，内部损伤不断出现并聚集形成区（图5（b）），严重损伤区主要集中在试样左下角和右上角以及试样的中间部位；继续加载花岗岩内部严重损伤区开始定向发展形成局部裂隙（图5（c）），局部裂隙的裂尖发展方向逐渐趋于一致，绝大多数裂隙接近沿竖直方向发展；随着局部裂隙裂尖扩展，裂隙不断贯通形成宏观破裂面将花岗岩一分为二，发生脆性张拉破坏（图5（d））。从整体破坏图可见花岗岩试样上半部分破损严重且裂隙接近直立，下半部分裂隙单一且损伤程度较小。

由图6可见花岗岩延性破坏损伤特征：加载初期内部出现随机分布的零星损伤（图6（a））；随着荷载的增加内部损伤聚集出现严重损伤区（图6（b））；荷载继续加大严重损伤区发展形成微裂隙（图6（c））；继续加载微裂隙扩展形成宏观裂隙切割破坏岩样（图6（d））。

图5　花岗岩脆性破坏损伤演化机制（单轴）Fig．5　Damage evolution mechanism in brittle failure process for granite（uniaxial compression）

图6　花岗岩延性破坏损伤演化机制（围压180 MPa）Fig．6　Damage evolution mechanism in ductile failure process for granite（with confining pressure of 180 MPa）

对比图5脆性损伤破坏过程和图6延性损伤破坏过程，可见脆延破坏损伤演化区别：内部损伤出现的零星分布阶段脆延破坏基本没有区别；严重损伤区出现阶段，脆性破坏严重损伤区主要集中在试样的上下部位，中间区域较少，而延性破坏严重损伤区遍布整个试样范围，且损伤区数量明显要比脆性破坏多；严重损伤区扩展形成微裂纹阶段，脆性破坏裂隙发展方向逐渐趋于一致形成的宏观裂隙相对单一，延性破坏裂隙主要沿着2个相互正交方向发展形成多条X型正交破裂面。

图7　不同围压花岗岩脆延破坏损伤形态Fig．7　Damage forms in brittle and ductile failure processes for granite under different confining pressures

由图5、图6、图7可见，综合考虑花岗岩的脆延损伤破坏经历了微损伤弥散分布、严重损伤区形成、损伤区定向扩展形成微裂隙、裂隙贯通岩石失稳4个阶段。

高围压延性破坏内部严重损伤区多遍布整个试样，主要原因在于高围压作用下严重损伤区裂尖闭合度高，延伸扩展比较困难，外力做功导致花岗岩的进一步损伤表现为更多损伤区域的出现。

随着围压增加，花岗岩由低围压的脆性张拉破坏逐渐变为高围压的延性剪切破坏，且主控破裂面与水平方向的角度逐渐减小，由低围压下的破裂面转变为高围压下的破碎带。低围压下花岗岩脆性破坏时试样沿主控破裂面滑移切割岩样，高围压下延性破坏时，试样滑移困难内部呈现粉碎性破坏状态。这也表明高围压下稳定的岩体，开挖突然卸围压会使岩体突然发生脆性劈裂破坏，从而向临空面抛掷破碎岩体形成岩爆现象。

以上分析可知，颗粒流模拟能够分析花岗岩内部损伤的萌生、成核、发展和破坏过程，这是室内物理试验无法获得的，弥补了试验手段的不足，从细观上揭示了花岗岩损伤破坏机理。

6结论

（1）随着围压增加，花岗岩弹性模量增加，屈服阶段变长，峰值强度提高，峰后软化效应消失，逐渐由脆性破坏变为延性破坏，花岗岩脆延破坏分界围压为100 MPa。

（2）花岗岩加载初期基本没有声发射事件，在弹性阶段声发射强度低且基本呈线性增长，屈服阶段声发射强度增速不断增大，在峰值点或峰后初期声发射强度达到最大值，峰后声发射强度逐渐减小。

（3）花岗岩脆性破坏时，最大声发射强度的滞后效应受围压影响显著，围压越大滞后效应越不明显，在延性破坏阶段基本不存在滞后效应，最大声发射强度与峰值应力同时出现。

（4）花岗岩脆性破坏时声发射曲线呈现明显单峰形态，而延性破坏时为平缓曲线。这表明花岗岩脆性破坏声发射具有急剧增大，短暂高强度、快速减小的特征；而延性破坏具有平稳增大，持续较高强度、缓慢减小的特征。

（5）花岗岩脆性破坏内部严重损伤区数量少且主要分布在试样上下部位，中间分布较少，损伤区裂隙扩展方向单一且逐渐趋于一致；延性破坏内部严重损伤区多且遍布整个试样，损伤区裂隙主要沿2个相互正交方向发展。

（6）花岗岩主控破裂面与水平面夹角随围压增加逐渐减小，由低围压的破裂面转变为高围压下的破碎带，低围压下花岗岩破坏时被主控破裂面切割为岩块，高围压下呈粉碎性破坏状态。

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［16］MOGI K．Experimental Rock Mechanics［M］．London：Taylor&Francis Group，2007．

（编辑：姜小兰）

curve in failure process and reproduce the evolution process of internal damage．Test results are as follows：1）critical confining pressure from brittle failure to ductile failure is 100MPa；2）lag effect of maximum acoustic emission intensity is significantly affected by confining pressure in brittle failure，and the greater confining pressure is，the less obvious lag effect is；3）in ductile failure，maximum acoustic emission intensity and peak stress appear in the same time without lag effect；4）acoustic emission curve has single peak in brittle failure，while gentle curve form in ductile failure；5）there are few internal serious damage zones in brittle failure with concentrated distribution，and crack extension tends to be in the same direction；6）internal serious damage zones which distribute throughout the specimen in ductile failure are more than those in brittle failure，and crack extends mainly along two mutually orthogonal directions；7）rupture angle gradually reduces as confining pressure increases，and rupture surface transforms into crushing zone with the increasing of confining pressure；8）in brittle failure with low confining pressure，rock is cut into a few blocks，while in ductile failure with high confining pressure，the rock destruction is comminuted．

Simulation of Acoustic Emission and Damage Properties of Granite in Brittle and Ductile Failure Processes

WANG Yun-fei1，YANG Wen-xuan2，JIAO Hua-zhe1，WANG Li-ping1，ZHAO Hong-bo1
（1．School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454000，China；2．Civil Engineering Department，Henan College of Industry&Information Technology，Jiaozuo454000，China）

In order to explore the acoustic emission characteristics and damage evolution mechanism of granite in brittle and ductile failure processes，we carry out uniaxial experiment on granite，and simulated experiment under different confining pressures through PFC（particle flow code）．On the basis of test，we obtain the acoustic emission

granite；brittle failure；ductile failure；acoustic emission；damage mechanism

TU45

A

1001-5485（2016）07-0076-05

2015-05-21；

2015-06-24

国家自然科学基金项目（51104057）；河南省教育厅重点资助项目（13A440323）；河南省高校科技创新团队支持计划资助项目（15IRTSTHN029）；河南理工大学博士基金项目（B2012-075）；煤炭工业协会科学技术研究计划项目（MTKJ2013-338）

王云飞（1978-），男，内蒙古乌盟人，讲师，博士，主要从事岩石力学性质与岩土工程稳定性方面的研究，（电话）0391-3987631（电子信箱）wyf_ustb@126．com。