含Y型组合节理花岗岩单轴压缩破坏机理及声发射特征

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.04.014

摘要/Abstract

摘要：

利用劈裂法在花岗岩试件中预制不同倾角的Y型组合节理，进行单轴压缩实验，分析组合节理倾角对破坏模式、峰值强度、表面变形场、声发射能量释放特征的影响，探究不同破坏模式下的破坏机理.实验结果表明：1）含Y型组合节理岩石随节理倾角变化呈现整体破坏、楔形体弹射破坏和沿主节理面破坏三种主要模式；2）组合节理夹角、主节理倾角均与岩石强度具有负相关关系；3）破坏模式从整体破坏转变到弹射破坏、沿主节理破坏时，滑移变形集中区域由次节理向主节理转变，AE高能级事件诱发原因由主、次节理压密及滑移错动向主节理压密及滑移错动转变；4）随主节理倾角的不断增大，主节理面上释放的能量更高、能量的分布更加不均匀.

关键词: 组合节理, 破坏模式, 强度, 变形场, 声发射

Abstract:

Y?type composite joints with different inclination angles are prefabricated in granite specimens using the splitting method， and uniaxial compression experiments are conducted. The effects of the inclination angle of the composite joint on the failure mode， peak strength， surface deformation field， and acoustic emission energy release characteristics are analyzed， and the failure mechanism under different failure modes is explored. The experimental results show that： 1） Rock with Y‐shaped composite joints exhibit three main failure modes： overall failure， wedge ejection failure， and failure along the main joint surface， which vary with joint inclination； 2） The angle of composite joints and the inclination angle of main joints have a negative correlation with rock strength； 3） When the failure mode transitions changes from overall failure to ejection failure and failure along the main joint， the concentrated slip deformation zone shifts from the secondary joint to the main joint， and the high‐energy AE events induce a transition from the main and secondary joint compaction and slip dislocation to the main joint compaction and slip dislocation； 4） As the inclination angle of the main joint increases， the energy released on the main joint surface is higher and the distribution of energy is more uneven.

Key words: composite joints, failure mode, strength, deformation field, acoustic emission（AE）

中图分类号:

TD 459

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图/表 16

图1 组合节理预制过程（a）—主节理；（b）—次节理.

Fig.1 Composite joint prefabrication process

图2 含Y型组合节理岩石（选取3个典型试件）

Fig.2 Rock mass with Y‐type composite joints

图3 传感器布置及加载方式

Fig.3 Sensor layout and loading mode

图4 实验系统（a）—实验现场；（b）—实验设备示意图.

Fig.4 Testing system

表1 岩石物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of rock

弹性

模量

泊松比

抗压

强度

图5 破坏模式（a）—sy2.3-80-整体破坏；（b）—sy9.1-90-弹射破坏；（c）—sy6.2-100-沿主节理破坏.

Fig.5 Failure mode

表2 岩石单轴抗压强度

Table 2 Uniaxial compressive strength of rock mass

序号	试件	单轴抗压强度	强度折减比	角度/（°）			序号	试件	单轴抗压强度	强度折减比	角度/（°）
序号	试件	$M P a$	%	$θ 1$	$θ 2$	$θ T$	序号	试件	$M P a$	%	$θ 1$	$θ 2$	$θ T$
1	sy2.1	118.08	30.37	30	50	80	10	sy2.1	102.12	39.78	44	45	90
2	sy2.2	121.60	28.29	30	50	80	11	sy2.2	75.34	55.57	45	45	90
3	sy2.3	113.34	33.17	30	50	80	12	sy2.3	37.13	78.10	45	45	90
4	sy7.1	70.11	58.65	35	45	80	13	sy7.1	47.08	72.23	45	55	100
5	sy7.2	97.87	42.29	35	45	80	14	sy7.2	33.74	80.10	45	55	100
6	sy7.3	111.37	34.33	35	45	80	15	sy7.3	51.33	69.73	45	55	100
7	sy9.1	50.65	70.13	40	50	90	16	sy9.1	31.74	81.28	50	50	100
8	sy9.2	110.72	34.71	40	50	90	17	sy9.2	21.35	87.41	50	50	100
9	sy9.3	35.55	79.04	40	50	90	18	sy9.3	11.02	93.50	50	50	100

表2 岩石单轴抗压强度

Table 2 Uniaxial compressive strength of rock mass

序号	试件	单轴抗压强度	强度折减比	角度/（°）			序号	试件	单轴抗压强度	强度折减比	角度/（°）
序号	试件	$M P a$	%	$θ 1$	$θ 2$	$θ T$	序号	试件	$M P a$	%	$θ 1$	$θ 2$	$θ T$
1	sy2.1	118.08	30.37	30	50	80	10	sy2.1	102.12	39.78	44	45	90
2	sy2.2	121.60	28.29	30	50	80	11	sy2.2	75.34	55.57	45	45	90
3	sy2.3	113.34	33.17	30	50	80	12	sy2.3	37.13	78.10	45	45	90
4	sy7.1	70.11	58.65	35	45	80	13	sy7.1	47.08	72.23	45	55	100
5	sy7.2	97.87	42.29	35	45	80	14	sy7.2	33.74	80.10	45	55	100
6	sy7.3	111.37	34.33	35	45	80	15	sy7.3	51.33	69.73	45	55	100
7	sy9.1	50.65	70.13	40	50	90	16	sy9.1	31.74	81.28	50	50	100
8	sy9.2	110.72	34.71	40	50	90	17	sy9.2	21.35	87.41	50	50	100
9	sy9.3	35.55	79.04	40	50	90	18	sy9.3	11.02	93.50	50	50	100

图6 破坏模式、试件抗压强度与节理角度间的关系

Fig.6 Relationship between failure mode, compressive strength and joint angle

图7 节理角度与峰值强度关系

Fig.7 Relationship between joint angle and peak strength

图8 整体破坏模式下变形场的演化过程（sy2.3）（a）—0.2 σ；（b）—0.4 σ；（c）—0.6 σ；（d）—0.8 σ；（e）—σ.

Fig. 8 Evolution process of deformation field under overall failure mode （sy2.3）

图9 弹射破坏模式下变形场的演化过程（sy9.1）（a）—0.2 σ；（b）—0.4 σ；（c）—0.6 σ；（d）—0.8 σ；（e）—σ.

Fig. 9 Evolution process of deformation field under ejection failure mode （sy9.1）

图10 沿主节理破坏模式下变形场的演化过程（sy6.2）（a）—0.2 σ；（b）—0.4 σ；（c）—0.6 σ；（d）—0.8 σ；（e）—σ.

Fig. 10 Evolution process of deformation field under failure mode along main joint （sy6.2）

图11 整体破坏AE事件时空分布（sy2.3）注：框选的AE事件为能级大于8的AE高能级事件.下同

Fig. 11 Temporal and spatial distribution of overall failure AE events（sy2.3）（a）—0~0.25 σ；（b）—0.25~0.5 σ；（c）—0.5~0.75 σ；（d）—0.75~1 σ；（e）—0~1 σ.

图12 弹射破坏AE事件时空分布（sy9.1）（a）—0~0.25 σ；（b）—0.25~0.5 σ；（c）—0.5~0.75 σ；（d）—0.75~1 σ；（e）—0~1 σ.

Fig. 12 Temporal and spatial distribution of ejection failure AE events（sy9.1）

图13 沿主节理破坏AE事件时空分布（sy6.2）（a）—0~0.25 σ；（b）—0.25~0.5 σ；（c）—0.5~0.75 σ；（d）—0.75~1 σ；（e）—0~1 σ.

Fig. 13 Temporal and spatial distribution of along the main joint failure AE events （sy6.2）

图14 岩石能量密度云图（a）—sy2.3；（b）—sy9.1；（c）—sy6.2.

Fig.14 Cloud chart of rock energy density

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