抗剪切性能和非轴关节声发射特性的实验研究

抽象的

岩石不连续性的剪切行为在很大程度上控制了岩体的稳定性。在本文中，对具有不同裂缝的岩石状材料进行实验室剪切试验，以研究非发挥关节对岩体剪切行为的影响。结果表明，具有不同裂缝的标本剪切应力 - 位移曲线的变化趋势通常是相似的并且具有相同的阶段特性。当裂缝长度相对较短时，弹性级延长，峰值剪切强度降低，并且对应于峰值剪切强度和残余剪切强度的剪切位移随着裂缝长度的增加而增加。当裂缝长度相对较长时，弹性级缩短，峰值剪切强度降低，并且与峰值剪切强度相对应的剪切位移随着裂缝长度的增加而增加。随着裂缝长度的增加，峰值剪切应力逐渐减小。具有单侧裂缝的标本的剪切强度远高于具有双侧裂缝的标本的剪切强度。标本的剪切强度不仅受裂缝长度而且受裂化分布的影响。当剪切应力急剧下降时，发生声学发射（AE）计数峰值，并且随着裂缝长度的增加而具有反向“S”型变化趋势。断裂的倾斜角度降低，断裂表面的粗糙度降低，并且裂缝表面上的磨损区域的比例随着裂缝长度的增加而逐渐增加。 The AE source decreases with the increase of the crack length, and their locations are obviously asymmetric. This work can greatly contribute to the insight into the shear failure mechanism of rock discontinuities with nonpersistent joints.

1.介绍

关节岩体是一种复杂的工程培养基，广泛遇到水利，运输，采矿，基金会，石油开采等岩石项目，在项目的稳定性中起着重要作用[1那2］．随着关节，寝具和故障等不同风格的岩石不连续，通常遇到关节岩石[3.］．岩体的故障特征不仅受到岩石群众类型的影响，而且还受到岩石不连续的影响更严重[4.那5.］．岩石不连续引起的剪切失效是各类岩石工程最常见的故障形式之一;岩石不连续的剪切失效特征在岩石工程的安全和稳定性中起着不可或缺的作用[6.］．由于岩石质量检测技术的限制，难以评估不连续岩体原位的剪切特性，因此大多数由实验研究。例如，ShivaStava和Rao在各种初始正常胁迫下具有不同类型的关节粗糙度的模拟indifaled岩体的实验室测试，以研究填充物对岩节关节剪切行为的影响[7.］．Mehrishal等人。对干湿石灰岩关节碱性摩擦系数的正常应力和剪切速率依赖性进行了实验研究[8.］．Niktabar和RAO使用循环剪切测试对铸造常规和不规则的关节样品进行了一系列测试，以研究不规则粗糙度对岩穴剪切行为的影响[9.］．CUI使用直接剪切试验来研究连续平面接头，阶梯式关节和不连续开口关节的剪切行为[10.］．Singh和Basu进行了剪切试验，以比较“真实的”天然岩石不连续面及其复制品的剪切行为[11.］．江等人。提出了一种用于表征天然摇滚关节的剪切损伤的方法，这可以克服具有相同天然表面形态的关节标本不足的“瓶颈”难以进行实验研究的[12.］．通过以前的研究获得了对岩石不连续性剪切行为的一些深入了解。关节可分为工程部位的持久性接头和非轴承关节。但是，作为一种特定类型的关节，已经给出了不赋予的关节[13.］．与持续的关节相比，非贯穿关节的应力和失效特征具有很大的变化。影响因素更复杂，工程安全隐患是更大的[14.那15.］．因此，研究非轴关节的剪切力学行为是巨大的工程价值。

声发射（AE）活性与岩石材料的损伤演变具有高度鲜对比，因此AE试验数据通常用于表征各种实验中岩石材料的断裂性能[16.那17.］．Rodríguez等。对根据AE参数的裂缝图案表征进行压缩测试，AE源的三维定位，以及岩体分析[18.］．李等人。努力表征AE事件的空间相关长度的演变，应力场的空间相关性和应力传递过程的演变[19.］．Liu等应用声发射技术和矩张量分析研究了粗粒花岗岩单轴压缩试样的行为[20.］．孟等人。在拉伸接头上进行剪切试验，以研究剪切行为和在不同正常应力下剪切失效期间发生的AES的变化[21.］．然而，少量研究含有非发光关节的岩石材料的剪切失效期间的机械性能，AE特性和故障特性。

在本文中，首先预制了样品的一端的裂缝和样品的两端的裂缝的关节岩石样品（不同的连接）是预制的。其次，对这些样品进行直接剪切测试和AE监测。最后，讨论了非运动关节对关节岩体剪切行为和AE特性的影响。研究结果有助于进一步了解联合岩体的剪切不稳定机制，对岩体群体的安全结构和稳定运行具有一定的意义。

2.实验方法

进行了实验室剪切测试，以研究岩石不连续性的剪切行为与各种裂缝几何形状。

2.1。样本准备

试验中使用的试件包括无裂纹试件;2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm单侧裂纹试件;两侧裂缝分别为0 cm、2 cm、4 cm、6 cm，如图所示1．通过完整标本的液压切割实现裂缝。剪切测试中使用的所有样本的尺寸是 那裂缝的厚度为4毫米，如图所示2．它们由白色水泥，细砂，水和水减速器的混合物制成，重量比分别为1：1：0.3：0.005。主要的机械参数，如杨氏模量，泊松比，单轴压缩强度（UCS），内聚力和峰值摩擦角，分别为10.35GPa，0.166,41.80mPa，8.78MPa和44.01°[22.］．

2.2。实验装置

使用Jaw-600耦合剪切流量机（图）进行恒定正常负载（CNL）条件下的直接剪切测试（图3（a）)，由山东科技大学开发[23.］．使用配备伺服阀的液压执行器施加剪切和正常负载。此外，机器在剪切（水平）和正常（垂直）方向上具有600kn的设计容量，并且可以测试人工和天然的不连续性。使用线性可变差分变压器（LVDT）测量剪切和正常位移。可以获得25 mm的最大剪切位移。当关节粗糙度系数恒定时，岩石的剪切强度与作用在关节表面上的正常应力线性相关[24.］．因此，将正常应力均匀地选择为1MPa，其未作为一个重要因素作为一个重要因素，并且选择剪切速率作为静态极限值为0.01mm / s。在测试中，首先将正常负载施加到预定值并保持恒定直到测试结束，然后施加剪切载荷。正常负载和剪切载荷分别由力和位移控制[25.］．

采用DS5-16B声发射系统监测类岩节理的声发射特征，如图5所示4.．这里，12个传感器对称地布置在垂直于试样剪切方向的自由两侧。声发射分析系统的主最大值设置为40 dB，阈值设置为45 dB。测试前，用0.5 mm HB铅笔芯进行断铅测试，以确定传感器的耦合质量。然后，对传感器所在表面进行适当抛光，并在传感器与样品之间添加适量偶联剂，以保证更好的接触[22.］．

3。结果与讨论

3.1。变形和强度特性

具有不同单侧裂缝的标本的剪切应力 - 位移曲线如图所示5（a）．可以看出，剪切应力 - 位移曲线的变化趋势通常是相似的并且具有相同的阶段特性，可以分为四个阶段：压实阶段，弹性级，不稳定故障阶段和残余强度阶段。当裂缝长度相对较短（0cm，2cm和4cm）时，随着裂缝长度的增加，弹性级延长，峰值剪切强度逐渐降低，对应于峰值剪切强度的剪切位移逐渐增加，并且残留的剪切强度也逐渐增加。当裂缝长度相对长（6cm，8cm，10cm）时，随着裂缝长度的增加，弹性级缩短，峰值剪切强度逐渐减小，对应于峰值剪切强度的剪切位移增加逐渐但仍然在没有裂缝的标本后面滞后，并且残留的剪切强度逐渐降低。

具有不同双侧裂缝的标本的剪切应力 - 位移曲线如图所示5（b）．曲线的相位特征与不同单侧裂纹试件的相位特征相似。当裂纹长度从0 cm增加到6 cm时，弹性阶段延长，杨氏模量逐渐减小。峰值抗剪强度逐渐减小，峰值抗剪强度对应的剪切位移逐渐增大。此外，当双边裂纹长度达到一定程度时，试件的峰后软化特征不再明显。

３．２．峰值抗剪强度特性

桌子1列出具有不同裂缝两组标本的直接剪切试验的测量峰剪强度值。峰值剪切强度，裂缝位置和长度之间的关系如图所示6.．

从表中可以看出1和图6.，两种样品的峰值剪切应力随着裂缝长度的增加而逐渐减小。然而，具有单侧裂缝的试样的峰值剪切应力的降低范围首先增加，然后减少，而具有双侧裂缝的标本首先降低，然后增加。同时，具有单侧裂缝的标本的剪切强度远高于具有双侧裂缝的标本的剪切强度。随着裂缝长度的增加，具有单侧裂缝的样品的强度曲线显示了倒置的“S”型，而具有双侧裂缝的标本的样品显示出较令人挑剔的“S”型。

当单侧裂纹试件的裂纹长度不超过2 cm时，对试件强度影响较小，峰值抗剪强度缓慢下降至17.65 MPa;当裂纹长度增加到8 cm时，在长度效应的影响下，试件的强度受到显著影响，抗剪强度急剧下降至9.33 MPa;当裂纹长度继续增加到10 cm时，长度效应减弱，抗剪强度略有下降，为9.10 MPa。同时，对不同裂纹长度的单边裂纹试件的抗剪强度进行拟合，得到拟合系数为0.9986的负指数拟合关系，如下图所示:

当具有双侧裂缝的样品的裂缝长度为2厘米时，它会显着影响样品的剪切强度，这急剧下降至11.17MPa;当双侧裂缝长度增加到4厘米时，长度效果削弱，剪切强度慢慢降至9.58MPa;并且当双侧裂缝长度持续到6厘米时，长度效果再次显着增加，剪切强度迅速降至6.28MPa。同时，通过将样品的剪切强度与具有不同裂缝长度的双侧裂缝拟合，可以获得与拟合系数的多项式拟合关系0.9992，如图所示：

此外，当试件裂纹总长度相同时，两种试件的抗剪强度也不相同。例如，当单边裂纹长度为4cm，双边裂纹长度为2cm时，单边裂纹试件的抗剪强度远大于双边裂纹试件。当单边裂缝长度为8 cm，双边裂缝长度为4 cm时，两种试件的抗剪强度差异不大。这说明试件的抗剪强度不仅受裂纹长度的影响，而且受裂纹分布的影响。裂缝总长度越小，分布对试件抗剪强度的影响越明显;当裂纹总长度较大时，影响不明显。

3.3。声发射特性

我们在直接剪切测试期间使用了时刻的声学发射（AE）来监测微细抗辐射事件及其用于花岗岩关节的位置。然后，我们根据AE事件分析了非贯穿关节的微汗行为并通过AE获得的分解定位。

图7.和8.分别表示不同单侧裂纹和双侧裂纹试件的累积声发射事件和剪切位移剪应力。可以看出，不同裂纹分布试样的声发射计数峰值出现在剪应力急剧下降时。当剪应力略有降低时，声发射计数峰值也较小，其他时间声发射计数相对于峰值时间不明显。这说明试件的破坏和失稳发生在瞬间，早期加载过程中积累的能量在破坏瞬间迅速释放，并伴有大量的瞬态弹性波。因此，产生了强烈的声发射现象。试验中裂纹长度较小的试件破坏时产生较大的噪声，进一步证实试件在破坏时刻会释放大量的能量。

桌子2显示具有不同裂缝分布的标本的AE计数峰。同时，通过拟合表中标本的AE计数峰值2，可以分别获得与拟合系数为0.9762和0.9995的拟合关系，如图所示

在坐标系中绘制两种拟合关系，如图所示9.．可以看出，不同裂纹的试件声发射计数峰值随裂纹长度的增加有相似的变化趋势，且均呈现出逆“S”型的变化规律。单侧裂纹试件的曲线相对平坦，数值变化缓慢，而双侧裂纹试件的曲线比单侧裂纹试件的曲线陡峭得多。因此，在相同的试验条件下，对于裂纹总长度相同的试件，单侧裂纹试件的声发射计数峰值高于双侧裂纹试件。

3.4。失败特征

桌子3.显示具有不同单侧裂缝的标本的剪切失效特征。可以看出，样品沿着平坦表面裂缝。首先，在标本的侧面形成具有不同倾斜角的断裂裂缝，如断裂角柱所示。当裂缝的长度分别为2cm，4cm，6cm，8cm和10cm时，断裂裂缝的倾斜角度为13°，11°，9°，6°和4°。这表明裂缝的倾斜角度随着裂缝长度的增加而稳定地减小。然后，在剪切后，样品的断裂表面粗糙并且不均匀，并且断裂表面的粗糙度随着裂缝长度的增加而降低，如裂缝表面柱所示。骨折后，粗糙度断裂表面抵抗岩石块的进一步剪切滑动，这导致骨折表面上的严重磨损。随着裂缝长度的增加，骨折表面上的磨损面积与总断裂表面的比例逐渐增加。最后，通过AE源位置描绘的断裂表面是不均匀的倾斜表面，如AE源定位柱所示，与标本的真实骨折形态很好。AE源位置的分布在样品的长度方向上显然是不对称的，主要在非折叠的侧面上，随着裂缝长度的增加，不对称变得更加明显。 In addition, the number of AE sources decreases with the increase of the crack length, which indicates that the longer the crack, the less energy consumed when the specimen is fractured.

桌子4.显示具有不同双侧裂缝的标本的剪切失效特征。可以看出，具有不同双侧裂缝的样品的剪切失效特性与具有不同单侧裂缝的标本非常相似。差异是当裂缝的长度分别为0cm和2cm时，在试样上形成两个平行断裂裂缝。出现两个主要骨折裂缝，产生更多AE位置。此外，当裂缝的长度分别为0cm，2cm，4cm和6cm时，断裂裂缝的倾斜角为20°，16°，14°和5°。这表明裂缝的倾斜角度显示出裂缝长度的增加的不均匀降低趋势。

4。结论

在本文中，进行了实验室剪切测试，以研究岩石不连续性与非轴心关节的剪切行为。基于结果，系统地观察裂缝位置和长度对剪切行为的影响。达到了以下结论：（1）具有不同裂缝的剪切应力 - 位移曲线的变化趋势通常是相似的并且具有相同的阶段特性。当裂缝长度相对较短时，弹性级延长，峰值剪切强度降低，并且对应于峰值剪切强度和残余剪切强度的剪切位移随着裂缝长度的增加而增加。当裂缝长度相对较长时，弹性级缩短，峰值剪切强度降低，并且对应于峰值剪切强度的剪切位移随着裂缝长度的增加而增加（2）峰值剪切应力随着裂缝长度的增加而减小，并且首先增加具有单侧裂缝的样品的降低范围，然后减少，而具有双侧裂缝的标本首先降低，然后增加。同时，具有单侧裂缝的标本的剪切强度远高于具有双侧裂缝的标本。剪切强度不仅受裂缝长度影响，而且受裂缝分布而影响。当总裂缝长度小时，分布的影响更为明显（3）声发射次数的峰值出现在剪应力急剧下降时，此时会释放大量的能量。不同裂纹试样声发射计数峰值随裂纹长度的增加有相似的变化趋势，且均呈现出逆“S”型的变化规律。在裂纹总长度相同的情况下，单侧裂纹试件的声发射计数峰值高于双侧裂纹试件（4)断裂的倾斜角度降低，断裂表面的粗糙度降低，并且裂缝表面上的磨损区域的比例随着裂缝长度的增加而逐渐增加。AE源位置的分布显然是不对称的，主要是在非折叠侧，随着裂缝长度的增加，不对称变得更加明显。随着裂缝长度的增加，AE源的数量降低，这表明裂缝越长，所消耗的能量越少

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

这项工作得到了山东省自然科学基金（ZR2019BEE065），山东省科技大学研究生创新基金（SDKDYC190115和SDKDYC190232）。

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