洞室开挖模拟中的声发射特征分析

岩石在荷载下发生破坏，主要以应力波的形式突然释放，产生声发射现象。对岩石的声发射信号的分析和研究，可推断岩石内部性态的变化，这一点在以往的研究中得到了肯定。在试验中，采用美国声发射设备对部分试件采用声发射定位观测的方法来研究裂纹的形成过程。

图2-15是模拟地下洞室边墙开挖过程中三向主应力变化的声发射累计数与应力的关系曲线。由图可见，在受力初期，即应力值较小时，声发射次数很少，如图2-16a、b所示，它对应于应力-应变关系曲线的压密及线弹性阶段，在此阶段试样的孔洞以及微裂隙被压密，其线弹性变形虽然较大，但对其内部结构并没有产生多大的影响，由于声发射是岩体发生断裂时产生的能量释放，在这一阶段损伤较少，故产生的声发射次数较少。当应力提高到较大的阶段（未达破坏应力），随轴向应力的增大，声发射速率也缓慢增大。在这个阶段，试样进入塑性变形阶段，其内部微裂纹开始萌生并逐步稳定扩展。随着σ₃从10MPa开始卸除，声发射数急剧增长，如图2-15所示。内部微裂纹急剧增长，这些微裂纹不断扩展、贯通，形成与最大主应力σ₁方向近于平行的宏观劈裂裂纹，如图2-16c所示，此时σ₁达到单轴抗压强度的0.8倍左右，即σ₁=0.8×σ_f=27MPa，随着荷载继续增大，宏观裂纹相互贯通，最终造成试件的整体破坏，如图2-16d所示。在此过程中，卸载时的声发射率的增长区间大约为σ₁-σ₃=15～22MPa，比加载时声发射增长区间更短，这说明卸载时导致岩体内应变能的释放比加载时剧烈，也更突然。因此，卸载条件下岩体的失稳比加载更具有突发性，对工程的危害更大，在快速卸载时，有可能引发岩爆。随着卸载后，σ₁方向的继续加载，岩石试件中的声发射数继续增大，但是增长速率较卸载区减缓。

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图2-15 加卸载试验过程的声发射累计数与应力的关系曲线