基于声发射的不同粒径花岗岩细观破裂机理研究

秦子森QIN Zi-sen；郭宦富GUO Huan-fu

（①招金矿业股份有限公司蚕庄金矿，招远 265400；②东北大学资源与土木工程学院，沈阳 110819）

1 绪论

岩石内部区域在内力、外力和温度的影响下有裂纹形成（扩展）或产生塑性变形时，应变能迅速释放所产生的瞬态弹性波，称为声发射[1]。

Gilbert[2]于1970 年提出矩张量这一概念，矩张量反演理论可被应用于岩石声发射数据的分析中，用于揭示岩石的微观破裂机制[3]。Shang 等人（2018）发现，在直剪条件下，随着正应力的增加，断裂机制从拉伸变为剪切[4]。Petružálek 等人发现对于单轴压缩条件下Westerly 花岗岩，剪切型微裂缝的比例约为29%[5]。Chang 和Lee[6]开展了花岗岩和大理岩的三轴压缩声发射试验，发现剪切破坏是岩石三轴压缩条件下微观破裂的主要机制。

综上所述，岩石声发射矩张量理论及其应用增强了人们对岩石破坏机理的认识，但研究对象主要集中于岩性、加载条件等对破坏机理的影响，很少涉及矿物颗粒尺寸的影响。因此，本文结合声发射监测技术，以不同矿物颗粒尺寸花岗岩为研究对象，探究其在直剪条件下的细观破裂机理，分析其与矿物颗粒尺寸间的关系。

2 岩石破裂机理量化方法

通过矩张量反演方法[4]可基于声发射监测数据计算破裂源的力矩张量，其破裂面的法向量n 及其运动方向l 可分别用下式求得：

式中，M1，M2，M3（M1＞M2＞M3）为矩张量的特征值，e1及e3为矩张量特征值（M1及M3）对应的特征向量。

由于无法单纯通过矩张量反演的方法确定哪个向量是破裂面的法线方向，所以需要结合破裂面上的主应力状态来确定，但并不影响张拉角的计算。张拉角可通过下式计算[7]：

其物理意义是张拉角γ 为运动方向向量及其在破裂面上投影向量的夹角。通过确定裂纹的张拉角γ 即可判断其破裂类型。破裂机理及其对应的张拉角如表1 所示。

表1 破裂机理及其对应的张拉角

3 声发射试验介绍

3.1 岩性及试件加工

本试验分别选取三种不同矿物颗粒尺寸的50×50×100mm 长方体花岗岩作为试验岩样：hj-1-11、hj-2-12、hj-3-10，平均矿物颗粒尺寸分别为：500.4μm、612.3μm、1559.4μm。为叙述方便，使用“细粒、中粒、粗粒”来区分矿物颗粒尺寸之间的不同。

3.2 试验设备及试验方案

试验使用2000kN 微机控制电液伺服岩石直剪仪及PCI-Ⅱ声发射仪。加载速度0.05mm/min，法向荷载10kN。10 个声发射传感器布置及加载方式如图1 所示。

图1 直剪切声发射试验探头布置

4 直剪条件下不同粒径花岗岩的微破裂机理

4.1 细粒花岗岩破裂机制

如图2 为细粒花岗岩直剪破坏过程中微破裂机制的时空演化过程，其中，小球代表声发射监测系统定位到的微破裂，小球颜色代表破裂类型。

图2 细粒花岗岩hj-1-11 细观破裂演化随应力水平变化图

加载初期，微裂纹主要出现于左侧中部，随着剪应力增加，微裂纹逐渐向岩石试件中部扩展，并在岩石破坏前几乎贯穿整个试件。微裂纹主要分布于宏观裂纹附近，说明通过微裂纹的时空分布可以推测宏观裂纹的形成与扩展过程。

细粒花岗岩破裂过程中各种破裂机制的微裂纹数量占比如图3 所示，按照从高到低的占比顺序来排序依次为：剪切型、压剪型、拉剪型、压型、拉型。其中，剪切型占比高达64.1%。

图3 细粒矿物尺寸花岗岩破裂类型统计

4.2 中粒花岗岩破裂机制

如图4 所示，中粒花岗岩微裂纹的时空演化过程与细粒花岗岩相似，但在相同应力水平下，微破裂的扩展范围更大，破坏前微破裂的贯通程度也更高。

图4 中粒花岗岩hj-2-12 细观破裂演化随应力水平变化图

中粒花岗岩破裂过程中各种破裂机制的微裂纹数量占比如图5 所示，其各种破裂机制由高到低的裂纹占比排序与到细粒花岗岩一致。其中，剪切型占比高达66.80%。

图5 中粒矿物尺寸花岗岩破裂类型统计

4.3 粗粒花岗岩破裂机制

如图6 所示，粗粒花岗岩微裂纹的时空演化过程与细、中粒花岗岩仍旧比较相似。在相同应力水平下，微破裂的扩展范围在三种粒径的岩石中最大，并且破坏前微破裂的贯通程度也最高。

图6 粗粒花岗岩hj-3-10 细观破裂演化随应力水平变化图

中粒花岗岩破裂过程中各种破裂机制的微裂纹数量占比如图7 所示，按照从高到低的占比顺序来排序依次为：剪切型、压剪型、拉剪型、拉型、压型。其中，剪切型占比高达71.5%。

图7 粗粒矿物尺寸花岗岩破裂类型统计

4.4 粒径对花岗岩破裂机制的影响

不同矿物颗粒尺寸的花岗岩破裂机制如图8 所示。随着粒径的增大，剪切型占比逐渐升高，而其他类型的破裂机制却存在逐渐降低的趋势，说明粒径较大的花岗岩在直剪作用下更易产生剪切型裂纹。推测原因为在正应力的作用下潜在破裂面无法发生较大分离位移，较大矿物颗粒趋向于被直接剪断，较小矿物颗粒则趋向于发生沿颗粒分界面的错动和分离，在破裂机制中引入部分非剪切成分。

图8 不同矿物颗粒尺寸的花岗岩破裂类型

5 结论

本文借助声发射监测手段开展试验，研究了不同矿物颗粒花岗岩在直剪试验条件下的细观破裂机理，讨论其与矿物颗粒尺寸间的关系。主要结论如下：①相同应力水平下，随着花岗岩粒径的增加，微破裂的扩展范围及宏观破坏前微破裂的贯通程度均有增加趋势。②不同粒径花岗岩的微观破裂机制均以剪切型为主，随着粒径的增大，剪切型占比逐渐升高，而其他类型的破裂机制逐渐降低。