含软弱夹层砂岩声发射特性及破裂演化机制

黄剑斌; 宋勇军; 刘成勇; 王翰秋; 王双龙; 晁伟杰

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502527

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (8) :3439-3451 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502527

建筑科学

含软弱夹层砂岩声发射特性及破裂演化机制

黄剑斌 ¹ ,
宋勇军 ²^,^* ,
刘成勇 ¹ ,
王翰秋 ¹ ,
王双龙 ² ,
晁伟杰 ²

作者信息 +

Acoustic Emission Characteristics and Fracture Evolution Mechanism of Sandstone with Weak Intercalation

Author information +

文章历史 +

摘要

为深入研究含软弱夹层砂岩在破坏过程中的力学特性和破裂演化机制,开展完整砂岩和含不同倾角(0°、30°、45°、60°和90°)软弱夹层砂岩的三轴声发射试验。综合分析声发射振铃计数、b值前兆特征、AF-RA裂纹分类及三维定位分布,研究了夹层倾角对砂岩破坏特性的影响。结果表明:软弱夹层的存在显著改变了砂岩力学响应特征,使得砂岩的峰值强度与弹性模量随夹层倾角呈U形分布规律。其中,60°倾角夹层砂岩的峰值强度最低,较完整砂岩降低了62.3%;而90°倾角夹层砂岩峰值强度接近完整砂岩。声发射振铃计数的变化规律揭示了夹层砂岩破坏模式的差异。低倾角和高倾角夹层砂岩因发生贯通砂岩的破坏,呈现出脆性破坏特征;中等倾角夹层砂岩因沿夹层发生剪切滑移破坏,展现出延性特征。砂岩的裂纹扩展以剪切裂纹为主,其占比范围为63.3%~86.7%。中等倾角夹层砂岩裂纹沿夹层密集分布;90°倾角夹层砂岩形成应力拱拉裂破坏,裂纹沿夹层和宏观裂隙附近均有分布。声发射b值在破坏前出现突降,30°倾角夹层砂岩预警时间在破坏前500 s。基于摩尔-库伦准则的理论模型表明,60°倾角砂岩因剪切滑移效应最易失稳。采用半逆解法对软弱夹层进行解析计算,可预测不同工况下砂岩破坏模式。研究成果可为岩土工程稳定性评估及灾变预警提供关键参数与分析方法。

Abstract

In order to thoroughly investigate the mechanical properties and fracture evolution mechanisms of sandstone containing weak interlayers during the failure process, triaxial acoustic emission tests were conducted on intact sandstone and sandstone with weak interlayers at different inclination angles (0°, 30°, 45°, 60°, and 90°). By comprehensively analyzing the acoustic emission ring-down counts, precursor characteristics of the b-value, AF-RA crack classification, and three-dimensional positioning distribution, the influence of the interlayer inclination angle on the failure characteristics of sandstone was studied.The results show that the presence of weak interlayers significantly alters the mechanical response characteristics of sandstone. The peak strength and elastic modulus of sandstone exhibit a U-shaped distribution pattern with respect to the interlayer inclination angle. Among them, the sandstone with a 60°-inclined interlayer has the lowest peak strength, which is 62.3% lower than that of intact sandstone, while the peak strength of sandstone with a 90°-inclined interlayer is close to that of intact sandstone. The variation pattern of acoustic emission ring-down counts reveals the differences in the failure modes of sandstone with interlayers. Sandstone with low- and high- inclination interlayers exhibits brittle failure characteristics due to through-going fractures, while sandstone with medium-inclination interlayers shows ductile characteristics as a result of shear-slip failure along the interlayer. Shear cracks dominate the crack propagation in sandstone, accounting for 63.3%~86.7% of the total. Cracks in sandstone with medium-inclination interlayers are densely distributed along the interlayer. In sandstone with a 90°-inclined interlayer, stress-arch-induced tensile failure occurs, and cracks are distributed both along the interlayer and near macroscopic fractures. A sudden drop in the acoustic emission b-value is observed before failure. For sandstone with a 30°-inclined interlayer, the warning time occurs 500 seconds before failure. The theoretical model based on the Mohr-Coulomb criterion indicates that sandstone with a 60°-inclined interlayer is most prone to instability due to the shear-slip effect. By using the semi-inverse method to perform analytical calculations on weak interlayers, the failure modes of sandstone under different working conditions can be predicted. It is concluded that the research findings can provide key parameters and analytical methods for the stability assessment and disaster warning of geotechnical engineering.

Graphical abstract

关键词

软弱夹层 / 三轴压缩 / 声发射 / 三维定位 / 破裂演化

Key words

weak intercalated layer / triaxial compression / acoustic emission / three-dimensional positioning / rupture evolution

引用本文

引用格式 ▾

黄剑斌, 宋勇军, 刘成勇, 王翰秋, 王双龙, 晁伟杰. 含软弱夹层砂岩声发射特性及破裂演化机制[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(8): 3439-3451 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502527

HUANG Jian-bin, SONG Yong-jun, LIU Cheng-yong, WANG Han-qiu, WANG Shuang-long, CHAO Wei-jie. Acoustic Emission Characteristics and Fracture Evolution Mechanism of Sandstone with Weak Intercalation[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(8): 3439-3451 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502527

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

岩石通常赋存于复杂的地质环境中^[1],长期承受着地面应力、各种风化作用以及地质运动的综合影响,致使其内部形成大量的软弱夹层^[2]。这些软弱夹层的存在,重塑了岩石的物理力学特性、应力的传递与分布规律、变形行为以及破坏模式^[3],对隧道掘进、矿业开采、石油勘探以及岩质边坡治理等岩土工程的设计与施工构成了重大挑战^[4]。因此,深入探究含软弱夹层砂岩的力学行为、裂纹发育演化规律、破坏前兆信息及破裂演化机制,对围岩稳定性提升、资源开采效率优化、岩层稳定性动态监测、控制工程建设成本以及增强自然灾害防控能力,均具有至关重要的意义。

在含软弱夹层岩石的研究领域,中外学者已取得了丰硕的成果,主要从力学试验^[5]、模型试验^[6]和数值模拟^[7]等角度出发,对该类岩石进行深入研究。研究焦点集中于含软弱夹层岩石与完整岩石在力学性能上的对比^[8],以及其在工程实践中的应用^[9]等重大课题。陈鑫等^[10]采用不同厚度的单夹层水泥土试样,进行常温和冻结状态下的单轴压缩试验,并结合PFC^2D对水泥土单轴压缩进行数值模拟,探究了软弱夹层厚度比对水泥土试样力学性能和破坏模式的影响。刘波等^[11]通过数码显微镜观察分析红砂岩的颗粒、孔洞分布特征,并在不同温度条件下对不同裂隙倾角的冻结红砂岩进行单轴和是三轴试验,得到了夹层岩样的峰值强度随倾角增加呈非线性衰减的规律。Luo等^[12]对含薄弱节理的岩石进行剪切试验,发现岩石峰值抗剪强度随着含水率的升高先升高后降低,随着充填度的提高先降低后趋于稳定。Zhang等^[13]在不同围压和倾角条件下对软弱夹层样品进行三轴压缩试验和数值模拟,并基于软弱夹层土的剪切破坏特征和黏土损伤理论,提出了一种新的剪切破坏模式。尽管含软弱夹层砂岩的研究已经得到了广泛的关注和讨论,然而,含软弱夹层砂岩的裂纹发育特征和破裂演化机制仍缺乏更为直观的有效评估。

实际上,岩石的破坏及其裂纹的演变是一个缓慢而渐进的过程^[14],观察裂纹的起始以及发育扩展状态,对理解岩石的破坏机制至关重要^[15]。声发射技术基于捕捉岩石破裂过程中由于裂纹产生和发育释放的瞬态弹性波信号,可实时评估荷载作用下岩石的裂纹演变和破裂状态^[16],因此在岩石的无损评价领域得到了广泛应用^[17]。近年来,众多学者通过引入并分析各种声发射特征参数,为岩石的裂纹发展^[18]、破坏前兆预警^[19]以及破裂机制^[20]研究开辟了新的视角。董陇军等^[21]通过对花岗岩破裂过程中的声发射参数进行阶段划分,研究了花岗岩内部的破裂演化行为。Ji等^[22]通过对类岩石水泥砂浆材料的双轴压缩试验,并结合声发射和数字图像技术,对声发射b值进行了系统研究,发现不稳定的裂纹生长伴随着b值的剧烈波动。孙杰豪等^[23]通过声发射实时监测砂岩剪切试验过程,并利用声发射特征参数RA(上升时间/幅值)和AF(声发射计数/持续时间)对砂岩破坏特征进行分析,得出RA和AF的最大值整体上随阶段序号的增加而增大。Yang等^[24]利用声发射特征临界减速理论,对不同尺寸的页岩进行了声发射响应特征的研究,结果表明,在塑性阶段,声发射技术(AE)计数急剧上升和RA迅速下降是页岩即将失稳的特征表现。但遗憾是,目前中外尚无对含软弱夹层砂岩声发射特性的分析。

综上所述,通过对5种不同夹层倾角的砂岩进行三轴声发射试验,并结合AE技术分析含软弱夹层砂岩的力学特性和声发射特征参数,以揭示不同夹层倾角砂岩的裂纹发育特征和破裂演化机制,为评估砂岩的力学行为提供了可靠信息。

1 试验方法

1.1 试样制备

试验所用原岩采自中国西部某岩质边坡,按国际岩石力学学会(International Society for Rock Mechanics and Rcok Engineering, ISRM)试验规程建议方法,首先使用SC-300型自动取芯机在同一岩块上取样;而后采用SCQ-04型自动切石机进行初步切割,切割前仔细设置切割路径和参数确保切割面粗糙度相同;再通过SCM200型双端面磨平机对岩样进行精确打磨;最终将岩块加工成50 mm×100 mm(直径×长度)的标准型圆柱试样。经外观筛选后,对砂岩试样进行干燥质量、饱和质量和纵波波速的测量,并计算方差后选用离散型较小的一批岩样进行含软弱夹层试样的制作。采用YRD-1型金刚石线岩石数控切割机,以4 mm的间距依次按0°、30°、45°、60°和90°的角度对岩样进行切割;切割完成后,将岩样按切割前的位置固定到模具中,随后采用M10砂浆进行填充;一天后拆除模具,将砂岩试样置于恒温恒湿箱中养护28 d,以形成含软弱夹层的试样,如图1所示。

考虑到水泥砂浆在颗粒组成与黏结特性方面与天然岩石具有较高的相似性,经过一系列试验对比与筛选,最终选定M10砂浆作为软弱夹层的相似材料,其基本物理力学性质如表1所示。

将制备好的岩样放入105°恒温箱烘干48 h,待其自然冷却后测得干密度。随后,将岩样放入真空饱和仪中,在-0.1 MPa压力下饱和24 h,并测得孔隙率和纵波波速。岩样基本物理参数如表2所示。根据夹层角度和物理参数相近原则将岩样分为6组,每组5个试样,共计30个。试样编号依次为:完整岩样W、0°倾角岩样A、30°倾角岩样B、45°倾角岩样C、60°倾角岩样D和90°倾角岩样E。

1.2 试验设备与方案

试验采用TAW-1 000型微机控制岩石力学试验机,配合美国PAC公司生产的Express-8型声发射(AE)实时监测系统共同进行。试验系统具备轴向最大加载载荷1 000 kN及最大围压100 MPa的能力。试验中采用耐高温、高压且耐油的LVDT轴向传感器、径向传感器和RT-50 AE高温高压一体传感器。其中,轴向传感器与径向传感器测控范围均为0~10 mm,分辨率均为0.000 1 mm,声发射传感器工作频率范围为60~400 kHz。试验系统如图2所示。

依据取样地岩石的赋存环境和物理特性,将试验围压设定为3 MPa,并AE传感器的信号采样率设置为2 MHz;阈值设为45 dB;前置放大器设置为40 dB。具体试验步骤如下:①按照试验装样标准,将岩样按图2所示进行装样;②将装好的岩样放入压力室,检查传感器连接情况,并调整传感器至所需状态;③将轴压和围压以0.1 MPa/min的速率提升至设定值3 MPa,然后静置30 min以确保岩样状态的稳定;④采用变形控制方式进行加载,加载速度为0.05 mm/min,同时启动AE监测系统进行实时监测。

2 试验结果与分析

2.1 应力-应变曲线

在试验过程中,由于各种不可控因素,难免会产生一定的误差。为了尽可能消除误差的影响,设置5组平行试验,并从中选取一组较为典型的砂岩进行分析。图3展示了完整砂岩和含软弱夹层砂岩的应力-应变曲线,可以看出,各软弱夹层砂岩的应力-应变变化曲线与完整砂岩相似,均可大致分为5个阶段。

(1)压密阶段。完整砂岩和90°倾角夹层砂岩的压密变形主要由岩块本身产生,而其他倾角夹层砂岩的压密变形既有岩块的变形,也包含夹层的变形,且夹层的变形占据主导地位。

(2)线弹性变形阶段。90°倾角夹层砂岩在这一阶段的变化趋势与完整砂岩类似,但曲线斜率略低于完整砂岩;0°、30°和45°倾角夹层砂岩的在这一阶段曲线表现出明显的下压趋势,表明这一阶段的变形量明显大于压密阶段;60°倾角夹层砂岩弹性阶段较短,随着加载的继续很快进入下一阶段。

(3)裂纹稳定发展阶段。各砂岩曲线斜率进一步降低,其中完整砂岩和90°倾角夹层砂岩的斜率降低幅度最小;0°和30°倾角夹层砂岩的软弱夹层开始出现坍缩,能提供的变形量已经接近极限,主要变形来自岩块的裂纹稳定发展;45°和60°倾角夹层砂岩此时开始沿夹层上下端面发生剪切位移,主要变形由剪切位移提供。

(4)非稳定破裂发展阶段。完整砂岩进入宏观裂纹产生阶段,变形量增加,即将达到峰值;0°和30°倾角夹层砂岩此阶段的变形变化趋势与完整砂岩相似,但其变形量要远大于完整砂岩;45°和60°倾角夹层砂岩沿夹层倾角发生剪切小突起的破坏,处于夹层与岩块摩擦和剪切凸起的动态平衡中;90°倾角夹层砂岩形成应力拱效应,沿两侧岩块发生拉裂破坏。

(5)峰后应力下降阶段。完整砂岩和90°倾角夹层砂岩的应力下降较为突然,显现出较强的脆性破坏特征;0°、30°和45°倾角夹层砂岩的应力下降较为缓和,表现出较强的延性破坏特征,且随着倾角的增加这种缓和趋势越明显;60°倾角夹层砂岩近乎进入蠕变状态,峰值应力维持较长时间后才缓慢下降。

进一步分析各砂岩变形规律可知,含软弱夹层砂岩的峰值应变均大于完整砂岩,说明夹层砂岩在加载过程产生的变形量较大,变形能力较强,从侧面反映了它们的弹性模量相对较小;随着夹层倾角的增大各组砂岩的峰值轴变和峰值径变均呈现“增-减-增”的变化趋势;各砂岩体积应变均表现出先增大后减小的变化趋势,且砂岩受压时体积先压缩后膨胀。

2.2 峰值强度与弹性模量

含软弱夹层砂岩的峰值强度和弹性模量与夹层倾角的关系如图4所示。结果显示,两者均呈现出U形变化趋势,表明软弱夹层的存在对砂岩的峰值强度和弹性模量均产生了一定程度的削弱作用。夹层砂岩的峰值强度和弹性模量的极小值均出现在60°倾角夹层砂岩上,而极大值均出现在90°倾角夹层砂岩上。

由图4(a)可知,低倾角(0°和30°)和高倾角(90°)夹层对砂岩峰值强度的削弱作用相对有限,其峰值强度与完整砂岩差距不大;中等倾角(45°和60°)夹层对砂岩峰值强度的影响较为明显,表现为砂岩的峰值强度出现陡然下降的变化趋势。这是由于夹层倾角的变化极大地改变了砂岩内部的受力状态,使得峰值强度发生由岩块强度控制到由软弱夹层强度控制的转变。当夹层砂岩处于低倾角和高倾角状态时,作用在软弱夹层上的剪切力(τ_α)与摩擦力(F)之和远小于剪切胶结面或夹层中部所需的力,因此砂岩峰值强度主要岩块强度控制;而当夹层砂岩处于中等倾角状态时,剪切力(τ_α)与摩擦力(F)之和大于剪切胶结面或夹层中部所需的力,此时砂岩峰值强度则主要受夹层强度控制。

由图4(b)可知,软弱夹层的存在极大地削弱了砂岩的弹性模量。除90°倾角夹层砂岩外,其余各倾角夹层砂岩的弹性模量均大幅低于完整砂岩,各倾角夹层砂岩的弹性模量分别占完整砂岩弹性模量的52.45%、33.90%、15.74%、5.42%和96.42%。0°~60°倾角夹层砂岩随夹层倾角的增大,砂岩的弹性模量呈现出快速下降的趋势,并在60°时达到极小值。而当夹角从60°增大至90°时,随夹层倾角的增大弹性模量呈陡然上升的趋势,这是由于夹层倾角增大的过程中,砂岩弹性模量的控制因素从受软弱夹层性质控制转变为受岩块性质控制。

3 砂岩声发射演化特征

3.1 声发射振铃计数

砂岩的偏应力-振铃计数-累积振铃计数与时间的关系如图5所示。对比分析可知,完整砂岩和各夹层倾角砂岩的声发射(AE)计数均可大致分为三个阶段:初始的平稳期、裂纹不稳定发展的快速增长期和峰值强度后的峰后发展期。对于完整砂岩,这三个阶段与应力-应变曲线的变化呈现出较好的对应性。在压密和弹性阶段,AE计数保持相对稳定;进入裂纹发展期后,AE计数开始快速增长;随后,在接近峰值强度时,AE计数达到高峰区域。同时,累积AE计数也呈现出从接近线性的缓慢增加,到抛物线形的快速增加,再到较为快速的对数增长期的变化趋势。0°和30°倾角夹层砂岩的AE计数变化规律展现出较高的相似性。在初始的平稳阶段,两者均出现了一段AE计数的高峰期。这主要是由于夹层的力学性质相较于岩块更为薄弱,因此在应力施加初期,夹层部位较早发生了裂纹的演化,从而引发了AE计数的小高峰。在快速增长期,0°和30°倾角夹层砂岩所激发的AE计数峰值均显著高于完整砂岩,且峰值持续时间较长,这表明该阶段内裂纹的发展较为剧烈。然而,在峰后阶段,0°倾角夹层砂岩的累积AE计数仍保持较快的上升速度,而30°倾角夹层砂岩的累积AE计数上升速度则相对缓慢。

45°和60°倾角夹层砂岩的AE计数平稳期相较于峰后发展期显得尤为短暂。这是由于他们的破坏形式主要表现为沿夹层处的剪切破坏,并未发展出贯通砂岩的宏观裂纹,导致其很快进入第二阶段的快速增长期。此外,这两种倾角夹层砂岩的峰值AE计数均低于其他倾角夹层砂岩。在快速增长期,45°倾角夹层砂岩的持续时间较长,这主要归因于在应力作用下,夹层发生坍缩后,岩块小突起与夹层小突起之间发生了持续的剪切作用。这一过程中,两者的累积AE计数均呈现出抛物线型上升的趋势。由于二者的延性破坏特征较为显著,因此在峰后阶段,仍有大量裂纹持续产生,并激发了较多的AE计数,这一特征在累积AE计数曲线上表现为稳步上升的趋势。

90°倾角夹层砂岩的起始高峰期持续时间较长接近200 s,这是由于软弱夹层变形大使得砂岩在压密阶段产生较多的AE计数,累计AE计数出现快速上升后转为缓慢上升的趋势。在快速增长期,AE计数保持较高水平,累计AE计数呈指数函数式的上升趋势。可归因于软弱夹层和岩块存在不均匀性变形,造成类似中空的结构,使得两侧岩块发生向外侧的弯曲变形,并开始沿夹层与岩块胶结面处不断拉裂,最终形成应力拱效应。峰后发展期的AE计数仍然保持较高水平,原因是宏观裂缝界面间的摩擦作用。

3.2 声发射b值前兆特征

声发射b值源自地震学的Gutenberg-Richter关系,用于描述地震震级与频度的对数关系。该方法被引入岩石力学,作为评价岩石裂纹演化特征的重要参数^[25]。b值变化与岩石内部裂纹尺寸分布紧密相关:b值增大,小尺寸裂纹扩展主导;b值减小,大尺寸裂纹扩展主导。b值突发性下降或剧烈波动,预示岩石内部裂纹扩展不稳定,常为宏观破坏前兆^[26]。声发射b值常用计算公式为

(1)

$lgN=a-b\left(\frac{A}{20}\right)$

式(1)中:A为声发射事件的振幅;N为每个时间窗口声发射数据总和;a为经验常数;b为b值。

在利用最小二乘法计算声发射b值时,样本数和滑动窗口的选择对计算结果具有显著影响。为了确保计算结果的准确性和可靠性,通过对比不同样本数和滑动窗口下的b值计算结果,并结合声发射数据的采样频率,最终确定样本数为500个,并以1 000个数据点作为滑动窗口进行取样计算。图6展示了不同夹层倾角砂岩的声发射b值随时间演化的特征曲线。可以看出,随着加载时间的增加,各夹层倾角砂岩的b值均呈现出一定的上升趋势后突然下降然后再剧烈的动态波动的变化规律。

由图6(a)可知,完整砂岩加载初期的b值变化相对平稳,数据点分布较为稀疏,砂岩内部裂纹的萌生和扩展较为缓慢。然而,在砂岩临近破坏前,b值出现突发性下降,并伴随剧烈的震荡波动,这一现象预示着砂岩即将发生宏观破坏。值得注意的是,b值的突降和波动在破坏前约200 s即开始显现,表明声发射b值对完整岩样的破坏具有较强预警能力。

由图6(b)可知,与完整岩样相比,0°倾角夹层砂岩在加载初期的b值并未呈现平稳过渡,而是出现了一定幅度的上升趋势。表明声发射小事件的概率增加,反映岩样内部以小尺寸裂纹的扩展为主,这主要归因于软弱夹层的易破坏性。随后,与完整岩样类似,b值在岩样临近破坏前出现突降,预示着宏观破坏的临近。

由图6(c)可知,30°倾角夹层砂岩的b值演化趋势与0°倾角夹层砂岩相似,但加载初期的数据点更为密集,表明裂纹扩展活动更为活跃。此外,b值的突降现象在破坏前约500 s即开始显现,预警时间显著提前,说明在一定范围内,夹层倾角的增大提高了b值对岩样破坏的预警灵敏度。

由图6(d)可知,45°倾角夹层砂岩加载初期的数据点进一步加密,表明软弱夹层的破坏导致裂纹扩展过程的不稳定性增强,反映在b值上表现为初期的震荡上升趋势。随后,b值出现突降并伴随剧烈波动,预示着砂岩即将发生破坏。破坏后,b值呈现逐渐上升的趋势,这是由于砂岩在破坏后沿夹层倾角持续挤压软弱夹层,从而引发微小裂纹的持续生成。

由图6(e)可知,60°倾角夹层砂岩加载初期的数据点进一步加密,且b值数据点出现的时间提前,表明该岩样更容易发生裂纹扩展。b值突降后进入快速震荡波动阶段,但由于夹层倾角较大,砂岩在峰值强度后仍能维持接近峰值的强度状态。这一现象归因于砂岩沿夹层倾角断裂后,在荷载作用下与交界面持续发生摩擦滑动,导致微小裂纹的不断产生,反映在b值上表现为峰后的震荡上升状态。

由图6(f)可知,90°倾角夹层砂岩b值在加载初期的出现时间相对其他夹层岩样较晚,且未呈现明显的前期上升阶段,整体变化较为平稳。在破坏前期,b值发出预警,预警时间与完整砂岩相似。破坏后,砂岩进入残余强度阶段,b值呈现一段震荡上升期,这是由于夹层与岩块的变形量差异较大,胶结面处产生相对位移,导致微小裂纹的持续生成,反映在b值上表现为略微上升的趋势。

3.3 裂纹演化规律

不同夹层倾角砂岩的AF-RA散点图如图7所示。从图7中可以观察到,砂岩的散点在分界线的上下两侧均存在一定的集中区域,但总体表现为分界线以下的散点分布更为密集。这一现象表明,各组岩样的破坏模式均以剪切破坏为主,裂纹的扩展也主要呈现剪切裂纹的特征。

由图7(a)可知,完整砂岩的裂纹分布特征以剪切裂纹为主,拉伸裂纹为辅,整体破坏模式表现为典型的剪切破坏特征。具体而言,剪切裂纹占比为63.29%,拉伸裂纹占比为36.71%。反映了完整砂岩在荷载作用下的破坏机制,即剪切裂纹主导破坏过程,同时伴随一定比例的拉伸裂纹。

由图7(b)可知,0°倾角夹层砂岩数据点较完整砂岩数量显著增加,这主要是由于软弱夹层的存在降低了砂岩的整体强度,使其更容易发生破坏。此外,剪切裂纹的占比进一步增加至75.81%,表明软弱夹层的引入增强了剪切破坏的主导地位。这一现象可归因于软弱夹层与岩块之间的胶结面在变形过程中产生较大的摩擦阻力,抑制了拉伸裂纹的生成,从而使得剪切裂纹成为主要的破坏形式。

由图7(c)可知,30°倾角夹层砂岩AF值相较于完整砂岩和0°倾角夹层砂岩显著降低,这是由于夹层倾角的增大降低了声发射的平均频率。同时,剪切裂纹的占比进一步扩大至76.47%,表明随着夹层倾角的增加,应力作用下胶结面的剪切滑移更容易发生,从而进一步抑制了拉伸裂纹的生成。

由图7(d)可知,45°倾角夹层砂岩散点分布与30°倾角夹层砂岩相似,但剪切裂纹占比略有增加,达到77.05%,主要归因于随着夹层倾角增大,胶结面能量主要耗散于剪切变形,抑制了拉伸变形的发生,因拉伸应力被分散减弱,拉伸裂纹生成受阻,进一步强化了剪切破坏的主导地位。

由图7(e)可知,60°倾角夹层砂岩的剪切裂纹占比达到峰值,为86.73%,表明夹层倾角的进一步增大使得砂岩几乎完全表现为纯剪切破坏模式。拉伸裂纹的占比仅为13.27%,说明在较大夹层倾角下,拉伸裂纹的生成受到显著抑制。由图7(f)可知,90°倾角夹层砂岩散点分布相对分散,岩样在受力过程中软弱夹层与岩块同时受到挤压,但变形量差异较大,导致应力拱效应的形成。尽管拉伸裂纹的占比有所提升,达到23.25%,但剪切裂纹仍占据主导地位(占比76.75%)。尽管不均匀变形促进了拉伸裂纹的生成,但胶结面处的微剪切破坏仍然是主要的破坏机制,最终表现为剪切破坏为主的破坏形态。

3.4 声发射事件三维定位分布特征

声发射事件的三维定位能够反映砂岩内部裂隙的产生和破坏。含软弱夹层砂岩的三维定位点在X-Z平面投影及砂岩破坏形态如图8所示。

由图8(a)可知,完整砂岩的破坏形态表现为贯穿整个砂岩的剪切破坏,宏观裂隙从砂岩中部向两端面延伸。裂纹的发展呈现出由中心聚集区向砂岩两翼逐渐扩展的特征,且在宏观裂隙附近,AE事件数较为密集。由图8(b)可知,相比之下,0°倾角夹层砂岩的整体破坏形态虽然也为贯穿砂岩的剪切破坏,但其裂纹发育更为密集。这主要是由于软弱夹层的存在削弱了砂岩的整体性和力学性能。夹层的坍缩、破碎和挤出过程激发了大量的AE事件,使得裂纹从夹层中心向夹层两端逐步发育,并最终沿着宏观裂隙向砂岩端面延伸。

由图8(c)可知,30°倾角夹层砂岩的整体破坏形态表现为既有贯穿砂岩的宏观剪切破坏,又伴随着沿夹层面的滑移破坏。这种破坏模式导致裂纹主要聚集在软弱夹层附近,并从夹层中心向夹层两侧及砂岩两端逐步发育,形成了夹层附近裂纹密集且沿宏观裂隙分布的AE事件特征。而45°倾角夹层砂岩[图8(d)],的整体破坏形态则主要表现为沿软弱夹层的滑移破坏。在软弱夹层上侧产生了宏观裂隙,但并未形成贯穿砂岩的宏观破坏。裂纹的发育同样主要聚集在软弱夹层附近,并从夹层中心区域向两端逐渐扩展。此外,夹层上侧的AE事件较为集中,反映了该区域裂纹活动的活跃性。

60°倾角夹层砂岩[图8(e)]的破坏形态与45°倾角夹层砂岩相似,其裂纹发展规律也呈现出较高的相似性。然而,不同的是,60°倾角夹层砂岩在加载过程中并未在夹层上侧形成明显的AE事件集中区域,这主要是因为砂岩尚未在夹层上侧产生宏观裂隙之前,就已经沿软弱夹层发生了剪切滑移破坏。对于90°倾角夹层砂岩[图8(f)],其整体破坏形态表现为贯穿砂岩的剪切破坏,并伴随着岩块与夹层沿胶结面的拉裂破坏。裂纹的发育主要集中在砂岩的中心区域,同时,沿软弱夹层面和宏观剪切裂隙也分布有密集的AE事件。

4 破裂演化机制

4.1 单结构面原理

含软弱夹层砂岩在模型分析中可简化为单结构面岩体,该简化模型在理论分析与工程实践中具有一定的适用性^[27]。基于此模型,可深入研究含软弱夹层砂岩的破坏模式及其力学特性。实验与理论分析结果表明,含软弱夹层砂岩的破坏模式遵循摩尔-库伦准则,该准则揭示了砂岩破坏状态与正应力及剪应力之间的定量关系。为直观表征含软弱夹层砂岩受力状态及破坏模式,构建了如图9所示的受力模型。

假设软弱夹层与水平方向夹角为α,由摩尔-库伦强度准则可知,作用于软弱夹层上的剪应力τ_α和法向应力σ_α可分别表示为

(2)

$\left\{\begin{array}{l}{\sigma }_{\alpha }=\frac{{\sigma }_{1}+{\sigma }_{3}}{2}+\frac{{\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}}{2}cos2\alpha \\ {\tau }_{\alpha }=\frac{{\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}}{2}sin2\alpha \end{array}\right.$

假定含软弱夹层砂岩结构面的抗剪强度符合库伦准则,则有

(3)

$\tau =\sigma tan{\varphi }_{w}+{c}_{w}$

式(3)中:c_w和ϕ_w分别为结构面的黏聚力和内摩擦角。

根据莫尔应力圆原理,若莫尔应力圆上的点位于强度包络线AB上方,则含软弱夹层砂岩沿软弱夹层面破坏,剪切破坏条件为^[28]

(4)

${\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}=\frac{2({c}_{w}+{\sigma }_{3}tan{\varphi }_{w})}{(1-tan{\varphi }_{w}cot\alpha )sin2\alpha }$

此时倾角α满足:2α₁2α2α₂,α在此范围外砂岩不沿软弱夹层面剪切破坏,α₁和α₂是沿软弱夹层面破坏的两个临界值,根据莫尔圆可求得

(5)

$\left\{\begin{array}{l}{\alpha }_{1}=\frac{{\varphi }_{w}}{2}+\frac{1}{2}arcsin\frac{({\sigma }_{1}+{\sigma }_{3}+2{c}_{w}cot{\varphi }_{w})sin{\varphi }_{w}}{{\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}}\\ {\alpha }_{2}=\frac{\pi }{2}+\frac{{\varphi }_{w}}{2}-\frac{1}{2}arcsin\frac{({\sigma }_{1}+{\sigma }_{3}+2{c}_{w}cot{\varphi }_{w})sin{\varphi }_{w}}{{\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}}\end{array}\right.$

α₂可简化为:

${\alpha }_{2}=\frac{\pi }{2}+{\varphi }_{w}-{\alpha }_{1},$

砂岩强度最低点的α可表示为:

$\alpha =\frac{\pi }{2}+\frac{{\varphi }_{w}}{2}。$

4.2 破坏模式预测

砂岩的受力模型和软弱夹层的受力模型如图10所示,将作用在坐标轴XY上的轴向应力和径向应力分解为沿坐标轴xy的法向应力和切向应力。各项表达式为σ_α=σ₁cosα,τ_α=σ₁sinα;F=σ_αfb,其中f为交界面摩擦系数。

采用半逆解法进行解析计算,假设软弱夹层上下界面的应力分量均匀分布,应力σ_y可视为y的函数σ_y=f(y)。按照不计体力的Airy应力函数与应力分量间的关系,忽略重力的情况下,

${\sigma }_{y}=\frac{{\partial }^{2}\varphi }{\partial {x}^{2}}=f\left(y\right)$

得到应力函数

$\varphi $

的表达式为

(6)

$\left\{\begin{array}{l}\frac{\partial \varphi }{\partial x}=xf\left(y\right)+{f}_{1}\left(y\right)\\ \varphi =\frac{{x}^{2}}{2}f\left(y\right)+x{f}_{1}\left(y\right)+{f}_{2}\left(y\right)\end{array}\right.$

式(6)中:f₁(y)和f₂(y)为关于变量y的函数。

因此,相容方程各项为

(7)

$\left\{\begin{array}{l}\frac{{\partial }^{4}\varphi }{\partial {x}^{4}}=0\\ \frac{{\partial }^{4}\varphi }{\partial {x}^{2}\partial {y}^{2}}=\frac{{d}^{2}f\left(y\right)}{d{y}^{2}}\\ \frac{{\partial }^{4}\varphi }{\partial {y}^{4}}=\frac{{x}^{2}}{2}\frac{{d}^{4}f\left(y\right)}{d{y}^{4}}+x\frac{{d}^{4}{f}_{1}\left(y\right)}{d{y}^{4}}+\frac{{d}^{4}{f}_{2}\left(y\right)}{d{y}^{4}}\end{array}\right.$

代入相容方程

$∇{+}^{4}\varphi =0$

,方程展开为

(8)

$\begin{array}{l}0+2\frac{{d}^{2}f\left(y\right)}{d{y}^{2}}+\frac{{x}^{2}}{2}\frac{{d}^{4}f\left(y\right)}{d{y}^{4}}+x\frac{{d}^{4}{f}_{1}\left(y\right)}{d{y}^{4}}+\\ \frac{{d}^{4}{f}_{2}\left(y\right)}{d{y}^{4}}=0\end{array}$

方程在砂岩内任意应力场成立,及x为任意值方程始终成立,可得y的各个函数表达式为

(9)

$\left\{\begin{array}{l}f\left(y\right)=A{y}^{3}+B{y}^{2}+Cy+D\\ {f}_{1}\left(y\right)=E{y}^{3}+F{y}^{2}+Gy\\ {f}_{2}\left(y\right)=-A/10{y}^{5}-B/6{y}^{4}+H{y}^{3}+I{y}^{2}\end{array}\right.$

式(9)中:A、B、C、D、E、F、G、H、I为表达式中各待解常系数。

由于一次项与常数项对应力分量无影响,因而在此处省略,此时应力函数

$\varphi $

表达式为

(10)

$\begin{array}{l}\varphi =\frac{{x}^{2}}{2}(A{y}^{3}+B{y}^{2}+Cy+D)+\\ x(E{y}^{3}+F{y}^{2}+Gy)+\\ \left(-\frac{A}{10}{y}^{5}-\frac{B}{6}{y}^{4}+H{y}^{3}+I{y}^{2}\right)\end{array}$

由边界条件上下端面合力、左右端面切应力合力为0、上下边界切应力合力为±F_s和左右应力边界面应力合力为-σ₃h可求出待定系数,限于篇幅此处不再列出求解过程。软弱夹层应力分量为

(11)

$\left\{\begin{array}{l}{\sigma }_{x}=\left(-\frac{2}{h{b}_{1}}{x}^{2}+\frac{4}{h{b}_{1}}{y}^{2}-\frac{h}{3{b}_{1}}+\frac{2{b}_{1}}{h}\right){\sigma }_{1}fcos\alpha -{\sigma }_{3}\\ {\sigma }_{y}=\left(-\frac{2}{h{b}_{1}}{y}^{2}+\frac{h}{2{b}_{1}}\right){\sigma }_{1}fcos\alpha -{\sigma }_{1}cos\alpha \\ {\tau }_{xy}=\frac{4}{h{b}_{1}}xy{\sigma }_{1}fcos\alpha -{\sigma }_{1}sin\alpha \end{array}\right.$

式(11)中:σ_x、σ_y,分别为软弱夹层x方向与y方向上的主应力分量;τ_xy为xy面上的剪应力;h为软弱夹层厚度;2b₁为软弱夹层宽度;f为交界面摩擦系数。

代入各已知参数可求得软弱夹层交界面处应力值,并结合绘制应力圆,可对不同工况下的砂岩破坏模式进行预测。

5 结论

通过对含软弱夹层砂岩进行三轴声发射试验,分析了不同夹层倾角对砂岩力学特性,声发射特征参数演化及破裂机制的影响。得出如下主要结论。

(1)砂岩峰值强度与弹性模量随夹层倾角的增大呈U型变化趋势,二者的极小值均出现在60°倾角处,极大值均出现在90°倾角处;低倾角和高倾角夹层砂岩以岩块强度主导破坏,表现为脆性破坏特征,中等倾角夹层砂岩的破坏受夹层剪切滑移控制,展现出延性破坏特征。

(2)砂岩AE计数与应力-应变曲线的变化呈现出较好的对应性;夹层砂岩在AE计数平稳初期均激发出较高的AE计数;中等倾角和高倾角夹层砂岩在峰后发展期,AE计数持续活跃。所有砂岩试样在破坏前均伴随声发射b值突发性下降及剧烈波动,其中30°倾角砂岩预警时间最早,出现在破坏前500 s处。

(3)完整砂岩和含软弱夹层砂岩破裂时的剪切裂纹占比均超过60%。在低倾角和中等倾角范围内,拉伸裂纹随夹层倾角的增大被抑制。低倾角夹层砂岩裂纹沿夹层密集扩展;中等倾角夹层砂岩以沿夹层滑移破坏为主;90°倾角夹层砂岩形成应力拱效应,并伴随胶结面拉裂破坏。

(4)基于摩尔-库伦准则的受力模型分析表明,砂岩的破坏形态受夹层倾角控制。在一定倾角范围内,砂岩沿夹层剪切破坏;而当倾角超出这一范围时,则发生贯通砂岩的剪切破坏。砂岩临界倾角范围由内摩擦角决定,在所选取的夹层倾角砂岩中,60°夹层倾角对应的砂岩强度最低。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	赵阳升. 岩体力学发展的一些回顾与若干未解之百年问题[J]. 岩石力学与工程学报, 2021, 40(7): 1297-1336.

[2]	Zhao Yangsheng. Retrospection on the development of rock mass mechanics and the summary of some unsolved centennial problems[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2021, 40(7): 1297-1336.

[3]	田俊伟, 江兴元, 李阳春, 等. 贵州三叠系含软弱夹层顺层滑坡成灾机理与失稳过程分析[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(9): 3593-3603.

[4]	Tian Junwei, Jiang Xingyuan, Li Yangchun, et al. Analysis of disaster mechanism and instability process of bedding landslide with weak interlayer in triassic strata of Guizhou[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(9): 3593-3603.

[5]	Zhang T, Chen Q Z, Zhang J Z, et al. Influences of mechanical contrast on failure characteristics of layered composite rocks under true-triaxial stresses[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2023, 56(7): 5363-5381.

[6]	Zhao J S, Chen B R, Jiang Q, et al. In-situ comprehensive investigation of deformation mechanism of the rock mass with weak interlayer zone in the Baihetan Hydropower Station[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2024, 148: 105690.

[7]	李强, 贾海梁, 杨更社, 等. 夹冰裂隙岩体的压缩破坏响应与热融软化效应[J]. 岩石力学与工程学报, 2024, 43(1): 103-119.

[8]	Li Qiang, Jia Hailiang, Yang Gengshe, et al. Compressive failure response and thawing-induced softening effect of frozen ice-sandwiched rock mass[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2024, 43(1): 103-119.

[9]	伍永平, 解盘石, 贠东风, 等. 大倾角层状采动煤岩体重力-倾角效应与岩层控制[J]. 煤炭学报, 2023, 48(1): 100-113.

[10]	Wu Yongping, Xie Panshi, Yun Dongfeng, et al. Gravity-dip effect and strata control in mining of the steeply dipping coal seam[J]. Journal of China Coal Society, 2023, 48(1): 100-113.

[11]	田永超, 何璠, 殷源. 基于3D打印和FDEM算法的层状岩体力学特性研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2023, 42(S1): 3331-3343.

[12]	Tian Yongchao, He Fan, Yin Yuan. Study on mechanical properties of layered rock mass based on 3D printing technology and FDEM algorithm[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2023, 42(S1): 3331-3343.

[13]	Wang W, Liu S, Shi C, et al. Experimental study on the mechanical properties and seepage characteristics of red sandstone with a single persistent joint under triaxial compression[J]. Geofluids, 2021, 2021(1): 3884605.

[14]	赵勐, 肖明, 陈俊涛, 等. 考虑互层状岩体接触状态的地下洞室围岩稳定分析[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2022, 43(2): 243-250.

[15]	Zhao Meng, Xiao Ming, Chen Juntao, et al. Stability analysis of surrounding rock of underground caverns considering contact state of interbedded layered rock mass[J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2022, 43(2): 243-250.

[16]	陈鑫, 张泽, 李东庆, 等. 软弱夹层对水泥土单轴压缩影响研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39(2): 398-412.

[17]	Chen Xin, Zhang Ze, Li Dongqing, et al. Study on the influence of weak interlayer on uniaxial compression be haviors of cement soils[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2020, 39(2): 398-412.

[18]	刘波, 刘念, 李东阳, 等. 含冰软弱面的冻结裂隙红砂岩的强度试验[J]. 煤炭学报, 2016, 41(4): 843-849.

[19]	Liu Bo, Liu Nian, Li Dongyang, et al. Strength test on frozen cracked red sandstone combined with ice[J]. Journal of Coal science, 2016, 41(4): 843-849.

[20]	Luo Z Y, Zhang Y F, Du S G, et al. Experimental study on shear performance of saw-tooth rock joint with weak interlayer under different moisture contents and filling degrees[J]. Frontiers in Earth Science, 2023, 10: 982937.

[21]	Zhang Z L, Wang T. Failure modes of weak interlayers with different dip angles in red mudstone strata, northwest China[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2023, 82(5): 156.

[22]	高安森, 戚承志, 封焱杰, 等. 单轴压缩荷载下红砂岩破裂失稳损伤演化特征[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(23): 9875-9880.

[23]	Gao Ansen, Qi Chengzhi, Feng Yanjie, et al. Damage evolution pattern and failure characteristics of red sandstone under uniaxial compression load[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(23): 9875-9880.

[24]	Zhang Q, Meng X, Zhao G, et al. Damage evolution and acoustic emission characteristics of sandstone under different true triaxial cyclic loading and unloading modes[J]. Engineering Failure Analysis, 2025, 167: 108947.

[25]	Gao Y, Lan D, Yang S, et al. The acoustic emission behavior and its fractal characteristics of the sandstone under the disturbance stress paths[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2023, 56(8): 5487-5511.

[26]	宋勇军, 程柯岩, 孟凡栋. 冻融作用下裂隙岩石损伤破坏声发射特性研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2023, 40(2): 408-419.

[27]	Song Yongjun, Cheng Keyan, Meng Fandong, et al. Research on acoustic emission characteristics of fractured rock damage under freeze-thaw action[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2023, 40(2): 408-419.

[28]	Du K, Luo X, Liu M, et al. Understanding the evolution mechanism and classification criteria of tensile-shear cracks in rock failure process from acoustic emission (AE) characteristics[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2024, 296: 109864.

[29]	胡英, 肖瑶, 刘汉香, 等. 基于声发射时频特征的岩石破裂前兆识别方法[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(34): 15259-15268.

[30]	Hu Ying, Xiao Yao, Liu Hanxiang, et al. Rock fracture precursor identification method based on acoustic emission time-frequency characteristi[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(34): 15259-15268.

[31]	Li H, Qiao Y, Shen R, et al. Effect of water on mechanical behavior and acoustic emission response of sandstone during loading process: phenomenon and mechanism[J]. Engineering Geology, 2021, 294: 106386.

[32]	董陇军, 张义涵, 孙道元, 等. 花岗岩破裂的声发射阶段特征及裂纹不稳定扩展状态识别[J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(1): 120-131.

[33]	Dong Longjun, Zhang Yihan, Sun Daoyuan, et al. Stage characteristies of acoustie emission and identification of unstable crack state for granite fractures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2022, 41(1): 120-131.

[34]	Ji P X, Viegas G, Zhang Q B. Mechanical and fracturing characteristics of defected rock-like materials under biaxial compression[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2024, 176: 105692.

[35]	孙杰豪, 郭保华, 田世轩, 等. 基于声发射特征参数的砂岩节理直剪破坏特征试验研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 167-177.

[36]	Sun Jiehao, Guo Baohua, Tian Shixuan, et al. Experimental study of direct shear failure characteristies of sandstone joints based on characteristic parameters of acoustic emission[J]. Rock and Soil Mechanics, 2024, 45(S1): 167-177.

[37]	Yang H, Wang E, Wang X, et al. Predicting the failure of rock using critical slowing down theory on acoustic emission characteristics[J]. Engineering Failure Analysis, 2024, 163: 108474.

[38]	王冠强, 于怀昌, 席伟, 等. 预制裂隙对砂岩蠕变力学特性及声发射前兆特征影响试验研究[J]. 华北水利水电大学学报(自然科学版), 2023, 44(2): 72-79.

[39]

Wang Guanqiang, Yu Huaichang, Xi Wei, et al. Experimental study on the effeet of prefabricated fissures on creep mechanical properties and acoustie emission precursor characteristies of sandstone[J]. Journal of North China University of Water Resources and Electrie Power (Natural Science Edition), 2023, 44(2): 72-79.

[40]	Li S, Yang D, Huang Z, et al. Acoustic emission characteristics andfailure mode analysis of rock failure under complex stress state[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2022, 122: 103666.

[41]	徐文彬, 陈伟. 不同倾角充-岩组合体三轴压缩力学特性及破坏特征[J]. 矿业科学学报, 2023, 8(5): 633-641.

[42]	Xu Wenbin, Chen Wei. The triaxial compressive mechanical properties and failure characteristics of backfll-rock combined bodies with different interface angles[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2023, 8(5): 633-641.

[43]	代航宇, 刘建锋, 林浩, 等. 三轴压缩条件下具有层理性页岩的力学性质及声发射演化[J]. 科学技术与工程, 2024, 24(24): 10419-10428.

[44]	Dai Hangyu, Liu Jianfeng, Lin Hao, et al. Mechanical properties and acoustic emission evolution of layered shale under triaxial compression[J]. Science Technology and Engineering, 2024, 24(24): 10419-10428.