贯通节理岩石瞬时卸荷破坏过程破裂演化与声发射响应

刘飞; 王落; 梁常辉; 吴小刚; 唐恺; 张拥军

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506268

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (25) :11002-11010 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506268

建筑科学

贯通节理岩石瞬时卸荷破坏过程破裂演化与声发射响应

刘飞 ¹ ,
王落 ¹ ,
梁常辉 ¹ ,
吴小刚 ² ,
唐恺 ²^,³ ,
张拥军 ¹^,^*

作者信息 +

Fracture Evolution and Acoustic Emission Response of Jointed Rock with Through-going Joints under Instantaneous Unloading

LIU Fei ¹ ,
WANG Luo ¹ ,
LIANG Chang-hui ¹ ,
WU Xiao-gang ² ,
TANG Kai ²^,³ ,
ZHANG Yong-jun ¹^,^*

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摘要

为揭示卸荷作用下贯通节理岩石的破坏机理,采用离散元方法对贯通节理岩石进行不同角度和围压的三轴加载-瞬时卸荷数值模拟。基于声发射(acoustic emission, AE)震源参数和定量地震学理论,系统分析了贯通节理岩石破坏过程的破裂时空演化和动态发育特征,阐明了节理倾角和围压对岩石破坏的控制机制。结果表明:节理倾角和围压共同影响贯通节理岩石的主破裂带分布和扩展路径,归纳出6种以剪切作用为主导和1种以拉伸作用为主导的典型破坏模式。不同工况下的AE响应特征相似,可将贯通节理岩石加卸载破坏过程划分为3个阶段,即AE平静期、AE增长期和AE爆发期。其中,在卸荷后的AE爆发期,AE事件总数、高震级事件数和释放能量均显著增加,促使破裂快速扩展、贯通并导致结构性破坏。在AE增长期,b值随加载应力水平的升高而减小,其中b为G-R关系拟合直线的斜率;在AE爆发期,由于剪应力的升高、破裂尺度增大和AE空间分布的集簇,导致瞬时卸荷破坏阶段的b值明显低于峰前加载阶段。研究成果可为深部结构面岩体破裂失稳过程的分析和灾害预测提供一定的参考。

Abstract

To reveal the failure mechanism of jointed rock with through-going joints under unloading conditions, the discrete element method was employed to conduct triaxial loading-instantaneous unloading simulations at different joint inclinations and confining pressures. Based on acoustic emission (AE) source parameters and quantitative seismological theory, the spatiotemporal evolution and dynamic development of rock fracturing processes were systematically analyzed, and the controlling effects of joint inclination and confining pressure on rock failure were clarified. The results show that joint inclination and confining pressure jointly determine the distribution and propagation paths of major fracture zones, from which six shear-dominated and one tension-dominated typical failure modes are identified. Despite varying stress conditions, AE responses exhibit similar characteristics, allowing the entire failure process of jointed rock to be divided into three stages: the AE quiet period, the AE growth period, and the AE outbreak period. In the AE outbreak stage, the total number of AE events, the proportion of high-magnitude events, and the released energy increase significantly, driving rapid fracture propagation, coalescence, and structural failure. During the AE growth stage, the b-value decreases with increasing stress level, where b is the slope of G-R relationship fitted line. While in the AE outbreak stage, elevated shear stress, enlarged fracture scales, and clustered AE spatial distributions result in b-values markedly lower than those during the pre-peak loading stage. These findings provide useful insights into the analysis of failure processes and disaster prediction of deep jointed rock masses.

Graphical abstract

关键词

贯通节理岩石 / 瞬时卸荷 / 破裂演化 / 声发射 / 离散元方法

Key words

jointed rock with through-going joints / instantaneous unloading / fracture evolution / acoustic emission / discrete element method

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刘飞, 王落, 梁常辉, 吴小刚, 唐恺, 张拥军. 贯通节理岩石瞬时卸荷破坏过程破裂演化与声发射响应[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(25): 11002-11010 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506268

LIU Fei, WANG Luo, LIANG Chang-hui, WU Xiao-gang, TANG Kai, ZHANG Yong-jun. Fracture Evolution and Acoustic Emission Response of Jointed Rock with Through-going Joints under Instantaneous Unloading[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(25): 11002-11010 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506268

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随着岩体工程开挖深度的不断增加,地应力水平显著升高,地质构造条件日趋复杂,结构面对围岩稳定性及工程地质灾害的孕育和规模具有重要控制作用^[1-3]。卸荷诱发高应力节理岩体的瞬时破坏常表现为岩爆、塌方等突发性灾害。因此,系统研究节理岩体在瞬时卸荷条件下的破裂演化过程与失稳机理,对于揭示深部工程地质灾害的孕灾机制,保障工程安全高效建设,具有一定的理论价值和工程意义^[4-5]。

近年来,诸多学者针对不同岩石试样开展了三轴加载-瞬时卸荷实验和数值模拟的研究,用于再现卸荷诱发岩体失稳动力灾害过程。Li等^[6]对砂岩试样开展真三轴加载水平方向不同快速卸荷面数的滞后性岩爆实验,研究了岩爆过程的储能规律、多余能量、多余能量释放速度以及AE演化特征。王洪建等^[7]通过三向加载单面卸荷岩爆实验,采用声发射参数和波形分析,结合高速摄影记录岩石表面破裂特征,研究了滞后岩爆的发生机制。赵光明等^[8]和戚敏杰等^[9]通过开展不同真三轴加载中间主应力卸荷实验,研究了中间主应力对单面卸荷岩石强度特征和破裂模式的影响。此外,一些学者通过预制节理或裂隙试样研究结构面对三轴加载单面瞬时卸荷岩石破坏的控制机制。Feng等^[10]利用真三轴加卸载实验研究了含单一结构面的砂岩力学行为与破坏特征,将结构面倾角引入真三轴卸荷岩石强度准则,提出一种改进的线性Mogi-Coulomb准则。Ren等^[11]开展含弱夹层和方解石脉的砂岩真三轴卸载岩爆试验,研究岩爆应力、破坏模式、AE参数特征,指出弱夹层加剧微裂纹活动和能量释放,当砂岩中有适量弱夹层时,岩爆更易发生。郭佳奇等^[12]基于真三轴单面卸荷下含折线型预制裂隙花岗岩岩爆试验,分析预制裂隙对岩石破裂、爆坑尺寸、弹射特征和AE参数的影响,研究了含折线型预制裂隙花岗岩应变-结构面滑移型岩爆的孕育特征。

以上力学实验多为卸荷后再增加轴向荷载模拟岩体工程开挖后应力集中导致的围岩失稳破坏,难以再现实际工程中开挖后围岩的瞬时破坏。三轴加载岩石瞬时卸荷破坏实验过程中AE事件数目巨大,准确定位不同时段的AE事件困难,主要通过AE事件数、能量和波形与频谱分析等探究试样破裂机制和失稳前兆信息^[13-15],关于表征岩石内部裂纹发育的AE时空演化特征的研究鲜有报道。数值模拟则可以通过开展重复性试验确定节理岩石的卸载破坏峰值应力,再现岩石的瞬时破坏过程。离散元法(discrete element method,DEM)在模拟岩石非连续变形和破裂方面具有显著优势,被广泛应用于研究岩石的破裂演化过程^[16-18]。Liu等^[19]采用颗粒流程序(particle flow code,PFC)模拟含单一贯通节理岩石试样的三轴加载单面瞬时卸荷破坏过程,研究了节理倾角、初始围压和卸载点对节理岩石破裂失稳的作用机制。李夕兵等^[20]基于大理岩的卸围压颗粒流数值模拟,研究不同卸荷速率下岩石试样的破裂特征和机理,发现快速卸荷时,卸荷后持续点的破坏形态为块体剥落及端部颗粒弹射,出现岩爆现象。孙飞跃等^[21]采用三维离散元理论和多晶建模技术,研究了真三轴单面卸荷条件下岩爆孕育全过程,将裂纹演化过程分为平静期、稳定增长、快速增长和全面爆裂阶段。

以上关于岩石卸荷破坏的模拟未考虑节理的影响,且失稳破坏过程的分析以微裂纹演化为主。PFC的微裂纹仅反映颗粒键的局部断裂,而通过AE模拟则可以将这些分散的断裂转化为时间、空间及能量特征的序列,刻画微破裂活动的时空聚集性与临界性,从而揭示岩石破坏的阶段性演化规律,更精准地描述实际工程节理岩体的破裂灾变过程。因此,现采用PFC内置Fish语言和Python语言编写三轴加载-瞬时卸荷与AE模拟命令流,针对贯通节理岩石开展三轴加载-瞬时卸荷数值模拟,研究贯通节理岩石瞬时卸荷破坏过程的破裂演化与声发射响应特征,揭示节理倾角和围压对岩石破坏的控制机制,以期为理解卸荷诱发结构面岩体破坏的工程地质灾害机理及预测提供有益参考。

1 贯通节理岩石瞬时卸荷破坏离散元模拟方法

1.1 PFC方法与声发射模拟原理

PFC是Cundall等^[22]提出的一种用于离散元计算的方法,模型由若干相互黏结的颗粒构成,通过分析颗粒的运动和相互作用,模拟岩石的微观破裂过程和宏观力学行为。采用PFC内置的平行黏结模型(parallel bond model, PBM)建立节理岩石试样。PBM可以简化为线性弹簧系统,包含两个接触部分,分别为力和胶结键,两种接触均分布在颗粒表面,如图1所示。${\stackrel{-}{\mathit{\sigma }}}_{\mathrm{c}}$、${\stackrel{-}{\mathit{k}}}_{\mathrm{n}}$、${\stackrel{-}{\mathit{k}}}_{\mathrm{s}}$、$\stackrel{-}{\mathit{c}}$和$\stackrel{-}{\mathit{\varphi }}$分别代表平行黏结键中的微观抗拉强度、法向刚度、切向刚度、黏聚力和摩擦角。当施加在平行黏结键上的力超出承载极限,平行黏结键断裂,模型退化为线性模型。微观参数g_s、k_n、k_s和μ分别代表线性模型中颗粒间的相对法向位移、法向刚度、剪切刚度和摩擦系数。通过调整黏结键和颗粒的微观力学参数,模型能有效表征岩体的宏观力学性能。

PFC试样的黏结键断裂时会形成微裂纹,与该微裂纹相邻接触的两个颗粒及其接触的其他颗粒被标记为一个AE事件。在声发射监测算法中,一系列在时间和空间上相近的接触断裂被视为同一AE事件,这种处理方式更加符合实际情况^[23]。在声发射事件持续时间内,如果裂源区域出现新的微裂纹,则认为其仍属于之前的AE事件。每当新的微裂纹生成时,都会重新计算AE事件的持续时间及裂源区域,直到裂源区域内不再产生新的微裂纹。通过这一过程,记录并更新了岩体损伤过程中每一个AE事件的详细震源信息。图2所示为离散元模拟中AE事件的示意图,虚线内键的所有断裂视为一个AE事件,本研究中一个AE事件的记录空间半径为3倍颗粒直径,记录时间为30时步。

1.2 贯通节理岩石数值试验建立

采用PBM表征完整岩石试样,对一定厚度范围内的颗粒赋予较弱的微观参数来模拟节理,构建贯通节理岩石试样,如图3所示。长方体试样尺寸长×宽×高为50 mm×50 mm×100 mm,由70 650个颗粒组成,节理贯穿试样左侧和右侧,节理倾角β为0°~90°(间隔15°),β=0°时表示节理面垂直于Z轴。节理厚度1.5 mm,间距12.5 mm,节理质心与长方体试样的质心重合。

采用试错法校准完整岩石力学特性的微观参数,首先改变颗粒和键的参数,如颗粒接触模量E^*、黏结键模量${\stackrel{-}{\mathit{E}}}^{\mathrm{*}}$和岩石的弹性模量;然后调整抗拉强度${\stackrel{-}{\mathit{\sigma }}}_{\mathrm{c}}$和黏聚力$\stackrel{-}{\mathit{c}}$等参数校正岩石的单轴抗压强度;最后通过调整刚度比、摩擦角等参数优化单轴压缩曲线的峰后段。参照Gong等^[24]开展的陇东石灰岩单轴实验结果进行数值模型的参数标定。通过反复测试获得的微观力学参数如表1所示,石灰岩的力学特性的校准结果如表2和图4所示。PFC模型无法再现岩石压密阶段,导致数值模拟和实验的轴向应变有一定差异,但针对岩石单轴抗压强度和弹性模量,模拟和实验的误差均小于1%,且模拟的破坏模式与实验较一致,验证了表1所列微观力学参数模拟石灰岩的有效性。节理的微观力学参数如表3所示(未列出的参数与表1相同)。

1.3 瞬时卸荷破坏数值模拟设计

贯通节理岩石三轴加载-瞬时卸荷数值模拟的应力路径如图5所示,试样在不同初始围压下的三轴抗压强度σ_p通过三轴压缩方案模拟得出。试样底部采用位移约束,竖向应力σ_z和水平应力σ_x和σ_y首先通过伺服控制程序加载至初始围压σ₀(5~30 MPa,间隔5 MPa);然后维持σ_x和σ_y不变,采用位移控制将σ_z加载至预先设计的卸荷点σ_u=0.9σ_p,快速移除试样右侧墙体的约束,以模拟σ_x沿X轴的瞬时卸荷。

2 贯通节理岩石力学行为和破裂演化规律

2.1 三轴加载节理岩石力学行为

平行节理岩石具有明显的各向异性,其力学行为受节理角度和围压的影响显著。图6为不同角度的节理岩石试样在不同围压的三轴抗压强度,在围压5~30 MPa条件下,试样的抗压强度随节理倾角的增大呈现先减小后增大的U形变化趋势,在45°~60°附近达到最小值,该结果与高荡等^[25]对含层理砂岩试样真三轴压缩实验的研究结论一致。节理倾角为45°~60°时剪应力最大,且节理力学参数弱,容易沿节理面发生剪切破坏,导致节理岩石的三轴抗压强度较低。在其他节理角度下岩石的破坏主要为贯穿节理面的复合剪切破坏,故强度较高。贯通节理岩石抗压强度随围压的增大,呈整体上升趋势,围压5 MPa和30 MPa条件下,抗压强度由138.1~166.5 MPa增大至208.8~223.5 MPa。高围压能够抑制裂纹的扩展,提高岩石的承载能力,强度差异相对减小,弱化了节理岩石的各向异性特征,该结果与王伟等^[26]关于千枚岩三轴压缩强度各向异性的实验研究结果相吻合。

2.2 节理岩石瞬时卸荷破坏演化特征

图7所示为不同倾角贯通节理岩石在5~30 MPa围压条件下,加载应力水平达到0.9σ_p时瞬时卸荷诱发的岩石破坏状态。在β为45°~75°时,卸荷导致节理面处的剪切应力增大,易沿层理面发生剪切滑移破坏,因此,在各围压条件下瞬时卸荷均会诱发节理岩石的失稳破坏,且微裂纹数随着围压的增大近似呈线性增长。在β为0°~30°与90°条件下,尽管试样在卸荷时的应力水平高于β为45°~75°,但在低围压(5~15 MPa)条件下,试样并未发生结构性破坏。此时微裂纹数量随围压的增加呈小幅增长,由13 574~19 489增加至17 837~23 671。高围压(20~30 MPa)条件下,试样在0.9σ_p水平积聚的大量弹性能在瞬时卸荷中迅速释放,造成微裂纹的大量萌生与扩展,导致节理岩石的结构性破坏。β=90°试样破坏时的微裂纹数量为45 881~52 880,整体小于β为0°~30°的45 594~60 656。该差异源于低倾角节理面卸荷时,法向应力削减与切向剪应力共同作用,引发张拉裂纹和剪切裂纹协同扩展,进而形成多类型裂纹并增加微裂纹数量。

图8所示为β=30°、围压30 MPa条件下,试样在卸荷破坏过程中的AE时空演化规律。为更好地揭示节理岩石的渐进破坏过程,选取峰前加载阶段的A点、峰值点B(AE数8 602)、卸荷后C点(AE数13 602)、D点(AE数23 602)和完全破坏的e点(AE数31 029)进行分析。在峰前加载阶段E点,AE数较少,主要分布于节理面,以中等震级事件为主。随着加载到峰值B点,应力水平升高,且破裂尺度增大,高震级事件明显增多,离散分布于试样内部。瞬时卸荷后,试样的侧向约束消失,AE数急剧增加,主要集中于卸荷面和节理面附近(C点)。随着裂纹的持续扩展,卸荷面附近形成贯通的爆坑,试样底部则出现横穿节理面的剪切破裂(D点)。最终,卸荷面附近的主破裂与下部剪切破裂贯通,导致节理岩石发生整体结构性破坏(E点)。

2.3 贯通节理岩石典型破坏模式

三轴加载-瞬时卸荷条件下贯通节理岩石的7种典型破坏模式如图9所示。在β为0°~30°条件下,试样以剪切破坏为主,见破坏模式Ⅰ~Ⅳ。β=0°是自左上至右下的主剪切破裂伴随有向卸荷面扩展的拉伸翼型裂纹(模式Ⅰ)。当β=15°,围压为20 MPa和25~30 MPa时,节理岩石的破坏分别为试样局部的剪切破坏(模式Ⅲ)和贯穿试样上下端面的剪切破坏(模式Ⅳ)。这是由于右侧单面卸荷使局部σ_x骤降并诱发非对称剪应力集中,高围压抑制张裂、强化摩擦滑移,使微裂纹在最大剪应力方向穿层汇聚。两者共同作用,先在下部形成主剪切带,继而贯穿上下端面,表现为典型的剪切控制型结构破坏。β为45°~75°时,分解到节理面的切向应力τ高而法向应力σ_n相对较低,根据Jaeger弱面判据,破坏将优先沿节理面发生,因而各围压下均表现为顺层剪切破坏(模式Ⅴ)。β=90°,围压为20 MPa时,节理面垂直于卸荷方向,卸荷直接解除节理面法向约束,使试样靠近卸荷面沿节理面发生竖直拉伸破坏(模式Ⅵ);而当围压为25~30 MPa时,卸荷使试样中部产生竖直拉伸破裂,而上下端由于端部约束和应力集中,形成倾斜剪切带,主破裂汇聚贯通,表现为典型的复合破坏形式(模式Ⅶ)。

3 贯通节理岩石定量地震学声发射响应特征

3.1 节理岩石AE响应特征

节理岩石三轴加载-瞬时卸荷破坏过程的声发射响应特征相近,根据不同加卸载阶段的AE数量、震级和能量演化规律,将节理岩石破坏过程划分为AE平静期、AE增长期和AE爆发期。图10为β=90°、围压为30 MPa条件下节理岩石的AE响应特征。考虑到AE事件数量庞大,为清晰可视化展示,对数据进行稀疏处理,每50个事件选取一个点进行绘图。在初始压密阶段,节理岩石颗粒间的孔隙被压密,无AE事件的发生,对应AE平静期。在弹性和塑性阶段,随着加载的进行AE事件逐渐增加,释放能量逐步增大,且M≥-5的高震级事件明显增多,对应AE增长期,表明试样内部局部区域的破裂增多、尺度增大。在瞬时卸荷破坏阶段,AE事件从8 602急剧增大至31 029,累计AE数曲线斜率陡增。卸荷瞬间释放能量高达3.38 J,且高震级AE事件显著增多,对应AE爆发期。此阶段由于能量的快速释放,导致节理岩石的主破裂迅速扩展并贯通,最终诱发试样的结构性破坏。

3.2 节理岩石AE空间分布特征

图11所示为β为30°~90°、围压分别为20 MPa和30 MPa的三轴加卸载条件下,节理岩石的AE空间分布特征。围压相同,倾角不同时,试样的声发射分布具有明显差异。β=30°时中震级AE主要分布于层理面、高震级AE主要分布于底部剪切破裂带和卸荷面附近的爆坑范围;β=60°时AE则主要集中在节理面上;β=90°时,受节理产状和卸荷影响,中震级AE分布较离散,呈明显的竖向分布特征,高震级AE沿竖向主破裂带集中分布,贯通试样上下边界,最终形成拉剪复合破坏。

倾角相同、围压不同时,β=60°试样表现为贯通节理面的剪切破坏,而β=30°和β=90°的破坏模式及AE空间分布均发生了变化。β=30°时,围压20 MPa试样的主破裂带分布于试样的下部,而围压20 MPa试样除了试样下部出现剪切破坏外,由于加载阶段高能量的累积与卸载阶段的快速释放,在试样的卸荷面形成弧形爆坑。β=90°时,法向约束的解除,导致中震级AE事件主要沿竖直节理面分布,反映局部微裂纹的张开与剪切滑移。在围压20 MPa条件下,能量积累有限,端部区域应力集中诱发未贯通的剪切失稳,高震级AE多分布于试样上下部局部区域;而在围压30 MPa条件下,较高的约束使试样在卸荷瞬间释放更多能量,促使中部张拉裂纹快速贯通上下剪切带,高震级AE事件集中于剪切带与贯通裂纹交汇处,最终形成更强烈的结构性破坏。

3.3 节理岩石G-R关系b值特征

1944年Gutenberg B与Richter C F在研究世界范围内地震活动时提出有关地震震级与频率的G-R统计关系^[27],表示为

(1)$\mathrm{l}\mathrm{g}\mathit{N}=\mathit{a}-\mathit{b}\mathit{M}$

式(1)中:M为震级;N为震级不小于M的地震个数;a、b为常数。其中b值为G-R关系拟合直线的斜率,表示地震事件相对震级分布的函数。大量的现场监测和室内实验数据表明,开挖卸荷诱发的微震事件与地震一样服从G-R关系^[28]。采用3 000个AE事件作为b值的计算窗口,图12为节理倾角β=90°,围压为30 MPa条件下第12 001~15 000个AE事件b值计算示意图。数值模拟AE震级M和事件数lgN存在良好的线性关系,与文献[29]中典型微震事件震级-事件数关系曲线形式相近。

三轴加载贯通节理岩石瞬时卸荷破坏过程的b值演化规律如图13所示。在不同节理倾角和围压下,序号1~3 000的AE事件b值较大,为2.40~2.72。这是由于在AE增长期的初期,试样的加载应力水平较低,AE事件以小于-5的中低震级事件为主,因此b值较大。随后在瞬时卸荷前,b值快速下降至较低水平,如β=60°,围压为20 MPa和30 MPa时,b值分别从2.63降低至1.61和从2.73降低至1.42。AE增长期后期的b值快速减小是随着加载应力水平的升高,试验破裂尺度逐渐增大,高震级AE事件数量增多的体现。瞬时卸荷后,进入AE爆发期,不同震级的AE事件数剧烈增长,导致b值发生一定的波动,最终维持在小于卸荷前b值的较低水平,图13(a)~图13(c)所示试样最终破坏时的b值为1.42~1.77。卸荷导致局部应力重新分布并引起节理及邻近区域剪切应力升高,从而促进裂纹的快速扩展与贯通。此外,在卸荷破坏阶段AE分布由分散转向集中,表现出明显空间集簇特征。这些结果与Wesseloo关于低b值常对应于区域岩体剪应力增大或微震事件沿特定结构面集簇分布的结论一致^[30],揭示了三轴加载节理岩石瞬时卸荷破坏失稳过程本质上是由应力集中驱动的破裂集簇演化所控制。

4 结论

采用DEM方法结合定量地震学理论,研究了三轴加载-瞬时卸荷条件下贯通节理岩石破裂动态演化过程和声发射响应特征,基于节理岩石的力学行为、裂纹扩展与破坏模式、声发射震源与统计参数演化,揭示节理岩石的三轴加载-瞬时卸荷破坏机理,得到以下结论。

(1)节理倾角和围压影响试样主破裂带的分布和扩展路径,对节理岩石的破坏和AE空间分布具有重要控制作用。模拟结果总结了7种贯通节理岩石典型破坏模式,除β=90°在围压5~20 MPa下的拉伸破坏(模式Ⅵ)和围压25~30 MPa下的拉剪复合破坏(模式Ⅶ)以外,其余均为剪切控制型结构破坏。

(2)贯通节理岩石在三轴加载-瞬时卸荷条件下,其破坏过程可划分为3个阶段:AE平静期、AE增长期和AE爆发期。在AE爆发期,累计AE数曲线斜率陡增,卸荷瞬间释放能量达3.38 J,且高震级AE事件显著增多,峰前积聚能量的快速释放,导致节理岩石破裂的迅速扩展并贯通,最终诱发试样的结构性破坏。

(3)峰前加载阶段(AE增长期)节理岩石AE事件的b值较大且随加载应力水平的升高而减小。卸荷引起节理面及邻近区域剪切应力升高,破裂尺度增大,且AE分布由分散转向集中,表现出明显空间集簇特征,导致卸荷破坏阶段(AE爆发期)的AE事件的b值明显低于加载阶段。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	吝曼卿, 卢祥龙, 夏元友, 等. 缓倾结构面岩体在梯度应力作用下的岩爆模型[J]. 爆炸与冲击, 2025, 45(6): 170-183.

[2]	Lin Manqing, Lu Xianglong, Xia Yuanyou, et al. Model experimental investigation on the effects of rockburst on gently inclined structural planes under gradient stresses[J]. Explosion and Shock Waves, 2025, 45(6): 170-183.

[3]	王卫明, 高旭, 陈诺, 等. 基于结构面粗糙度随机场表征的抗剪强度变异性[J]. 科学技术与工程, 2024, 24(7): 2657-2664.

[4]	Wang Weiming, Gao Xu, Chen Nuo, et al. Shear strength variability based on random field representation of rock discontinuities roughness[J]. Science Technology and Engineering, 2024, 24(7): 2657-2664.

[5]	姜泽飞. 真三向应力下节理岩体多尺度断裂特征与破坏机理[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(4): 1637-1647.

[6]	Jiang Zefei. Multi-scale fracture characteristics and failure mechanism of cracked rock under true triaxial stress[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(4): 1637-1647.

[7]	马天辉, 唐春安, 唐烈先, 等. 基于微震监测技术的岩爆预测机制研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(3): 470-483.

[8]	Ma Tianhui, Tang Chun’an, Tang Liexian, et al. Mechanism of rock burst forecasting based on micro-seismic monitoring technology[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(3): 470-483.

[9]	周辉, 孟凡震, 张传庆, 等. 深埋硬岩隧洞岩爆的结构面作用机制分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(4): 720-727.

[10]	Zhou Hui, Meng Fanzhen, Zhang Chuanqing, et al. Effect of structural plane on rockburst in deep hard rock tunnels[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(4): 720-727.

[11]	Li J Y, Liu D Q, He M C, et al. Excess energy characteristics of true triaxial multi-faceted rapid unloading rockburst[J]. Journal of Central South University, 2024, 31(5): 1671-1686.

[12]	王洪建, 张金然, 刘冬桥, 等. 花岗岩滞后应变型岩爆模拟试验中破坏特征分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(6): 1481-1499.

[13]	Wang Hongjian, Zhang Jinran, Liu Dongqiao, et al. Analysis of failure characteristics in delayed strain-type rock burst simulation test on granite[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2025, 44(6): 1481-1499.

[14]	赵光明, 刘崇岩, 许文松, 等. 扰动诱发高应力卸荷岩体破坏特征实验研究[J]. 煤炭学报, 2021, 46(2): 412-423.

[15]	Zhao Guangming, Liu Chongyan, Xu Wensong, et al. Experimental study on failure characteristics of high stress unloading rock mass induced by disturbance[J]. Journal of China Coal Society, 2021, 46(2): 412-423.

[16]	戚敏杰, 赵光明, 刘崇岩, 等. 卸荷与补偿路径下深部岩体力学特性与变形破坏特征[J]. 煤炭学报, 2025, 50(3): 1541-1554.

[17]	Qi Minjie, Zhao Guangming, Liu Chongyan, et al. Mechanical properties and deformation damage characteristics of deep rock under unloading and compensation paths[J]. Journal of China Coal Society, 2025, 50(3): 1541-1554.

[18]	Feng F, Xie Z W, Chen S J, et al. True triaxial unloading test on the mechanical behaviors of sandstone: effects of the intermediate principal stress and structural plane[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2025, 17(4): 2208-2226.

[19]	Ren F Q, Song T Y, Ma K, et al. Experimental investigation on the influence of weak interlayers on sandstone rockburst and associated microcracking mechanism[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2024, 182: 105890.

[20]	郭佳奇, 梁世凡, 张恒源, 等. 真三轴单面卸荷下含折线型预制裂隙花岗岩岩爆试验研究[J]. 应用基础与工程科学学报, 2025, 33(5): 1487-1503.

[21]	Guo Jiaqi, Liang Shifan, Zhang Hengyuan, et al. Experimental study on rockburst of granite with prefabricated folded fissure under true-triaxial with single face unloading[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2025, 33(5): 1487-1503.

[22]	赵菲, 孟世卓, 刘冬桥, 等. 基于声发射信号特征的花岗岩岩爆破坏前兆信息研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2024, 43(11): 2669-2686.

[23]	Zhao Fei, Meng Shizhuo, Liu Dongqiao, et al. Failure precursor of granite rockburst based on acoustic emission signal characteristics[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2024, 43(11): 2669-2686.

[24]	刘冬桥, 孙杰, 张磊, 等. 岩石张拉、剪切裂纹划分方法及其在岩爆前兆中的应用[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(3): 1153-1167.

[25]	Liu Dongqiao, Sun Jie, Zhang Lei, et al. Division method of tensile and shear crack and its application in sandstone rockburst precursor[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2023, 54(3): 1153-1167.

[26]	曾京江, 赵军, 王晓飞. 花岗岩真三轴岩爆时滞性破坏特征试验[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(25): 10850-10860.

[27]	Zeng Jingjiang, Zhao Jun, Wang Xiaofei. Experiment on time delay destructive characteristics of granite true triaxial rock burst[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(25): 10850-10860.

[28]	惠航, 刘锋, 冯兵, 等. 基于PFC^2D的柿子树坪滑坡变形特征模拟研究[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(3): 973-981.

[29]	Xi Hang, Liu Feng, Feng Bing, et al. Deformation destroys simulation of Shizishuping landslide based on PFC^2D[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(3): 973-981.

[30]	Wang X, Sun W B, He C D, et al. Fracturing behaviors of flawed granite induced by dynamic loadings: a study based on DIP and PFC[J]. Deep Underground Science and Engineering, 2025, 4(2): 290-304.

[31]	Wang M, Lu Z X, Zhao Y L, et al. Numerical study on the strength and fracture of rock materials with multiple rough preexisting fissures under uniaxial compression using particle flow code[J]. Computational Particle Mechanics, 2025, 12(1): 453-477.

[32]	Liu F, Liang C H, Liu S J, et al. Failure characteristics and the energy criterion of rock with a through-going joint under true-triaxial unloading conditions: insights from the DEM model[J/OL]. Deep Underground Science and Engineering, (2025-05-04)[2025-11-30]. https://doi.org/10.1002/dug2.70023.

[33]	李夕兵, 陈正红, 曹文卓, 等. 不同卸荷速率下大理岩破裂时效特性与机理研究[J]. 岩土工程学报, 2017, 39(9): 1565-1574.

[34]	Li Xibing, Chen Zhenghong, Cao Wenzhuo, et al. Time-effect properties and mechanisms of marble failure under different unloading rates[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2017, 39(9): 1565-1574.

[35]	孙飞跃, 郭佳奇, 刘希亮, 等. 真三轴单面卸荷条件下中间主应力对深埋洞室岩爆影响特征[J]. 煤炭学报, 2024, 49(S1): 220-235.

[36]	Sun Feiyue, Guo Jiaqi, Liu Xiliang, et al. Influence of intermediate principal stress on rockburst in deep cavern under true triaxial condition with single face unloading[J]. Journal of China Coal Society, 2024, 49(S1): 220-235.

[37]	Cundall P A, Strack O D L. A discrete numerical model for granular assemblies[J]. Geotechnique, 1979, 29(1): 47-65.

[38]	Martínez-Garzón P, Kwiatek G, Bohnhoff M, et al. Impact of fluid injection on fracture reactivation at the Geysers geothermal field[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2016, 121(10): 7432-7449.

[39]	Gong F Q, Yan J Y, Luo S, et al. Investigation on the linear energy storage and dissipation laws of rock materials under uniaxial compression[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2019, 52: 4237-4255.

[40]	高荡, 彭俊, 王航龙, 等. 含层理砂岩真三轴条件下力学特性研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 349-358.

[41]	Gao Dang, Peng Jun, Wang Hanglong, et al. Mechanical characterization of sandstone with bedding under true triaxial conditions[J]. Rock and Soil Mechanics, 2024, 45(S1): 349-358.

[42]	王伟, 张宽, 曹亚军, 等. 层状千枚岩各向异性力学特性与脆性评价研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(4): 975-989.

[43]	Wang Wei, Zhang Kuan, Cao Yajun, et al. Anisotropic mechanical properties and brittleness evaluation of layered phyllite[J]. Rock and Soil Mechanics, 2023, 44(4): 975-989.

[44]	Gutenberg B, Richter C F. Frequency of earthquakes in California[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1944, 34(4): 185-188.

[45]	Pacheco J F, Scholz C H, Sykes L R. Changes in frequency-size relationship from small to large earthquakes[J]. Nature, 1992, 355(6355): 71-73.

[46]	Gibowicz S J, Kijko A. An introduction to mining seismology[M]. New York: Academic Press, 1994: 396.

[47]	Wesseloo J. Evaluation of the spatial variation of b-value[J]. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2014, 114(10): 823-828.