單軸壓縮下炭質(zhì)板巖的應(yīng)變速率效應(yīng)及聲發(fā)射特性

肖穎鳴，喬亞飛，2，李紅儒，何滿潮

（1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

炭質(zhì)板巖作為地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的一種特殊軟巖，廣泛分布于我國(guó)西部地區(qū)。隨著“西部大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略的實(shí)施，穿越炭質(zhì)板巖的隧道工程愈來(lái)愈多。這些隧道時(shí)常發(fā)生大變形災(zāi)害，如在建的木寨嶺公路隧道［1］。除流變與構(gòu)造應(yīng)力的誘發(fā)因素外［2-3］，開(kāi)挖工序及開(kāi)挖速率也會(huì)影響大變形的發(fā)展，這與巖石力學(xué)特性的應(yīng)變速率依賴(lài)性有關(guān)［4］。因此，揭示應(yīng)變速率對(duì)炭質(zhì)板巖力學(xué)特性的影響規(guī)律對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)隧道大變形的發(fā)生機(jī)制和防控具有重要意義。

應(yīng)變速率會(huì)對(duì)巖體的基本力學(xué)參數(shù)、能量演化規(guī)律及聲發(fā)射特征產(chǎn)生影響。劉曉輝等［5］認(rèn)為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率下煤巖存在應(yīng)變速率臨界值；低于臨界值時(shí)，煤巖的峰值強(qiáng)度、彈性模量等逐漸增加，而高于臨界值時(shí)逐漸降低；在準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率內(nèi)，煤巖的特征應(yīng)力與峰值應(yīng)力比值呈減小趨勢(shì)［6］。李海濤［7］發(fā)現(xiàn)煤巖的破壞時(shí)間和強(qiáng)度等隨加載速率的增大先增加后減小。王曉東等［8］則發(fā)現(xiàn)花崗巖的特征應(yīng)力值隨加載速率增大均逐漸增大。楊仕教等［9］指出在一定加載速率內(nèi)，石灰?guī)r由峰值強(qiáng)度至殘余強(qiáng)度之間的跌落曲線隨應(yīng)變速率增加而變陡。尹小濤等［10］分析了應(yīng)變速率對(duì)能量演化機(jī)制的影響，認(rèn)為高應(yīng)變速率下劇烈的能量變化更容易誘發(fā)巖爆災(zāi)害。巖石破壞的本質(zhì)就是微裂紋不斷閉合、萌生、演化至最后成核的過(guò)程，在該過(guò)程中巖石內(nèi)部的應(yīng)變能會(huì)以彈性波的形式進(jìn)行釋放，產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象［11-12］。采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)，部分學(xué)者分析了應(yīng)變速率對(duì)巖石漸進(jìn)破壞過(guò)程的影響，比如Liu等［11］指出靜載作用下大理巖的累計(jì)聲發(fā)射數(shù)隨應(yīng)變速率的增加逐漸減?。唤铝x等［13］發(fā)現(xiàn)在單軸壓縮狀態(tài)下，鹽巖的單次聲發(fā)射信號(hào)頻率隨加載速率增大逐漸增大；楊文君等［14］基于砂巖加載速率與聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)構(gòu)建了砂巖的損傷本構(gòu)。綜上可知，應(yīng)變速率對(duì)不同巖石力學(xué)特性的影響規(guī)律存在差異，需要開(kāi)展針對(duì)性的試驗(yàn)研究。

由于突出的各向異性特征，很多學(xué)者研究了層理傾角對(duì)炭質(zhì)板巖力學(xué)特性的影響［15-17］，如劉運(yùn)思等［15］通過(guò)7種不同層理傾角下炭質(zhì)板巖的單軸壓縮試驗(yàn)分析了彈性參數(shù)及抗壓強(qiáng)度隨層理傾角的變化規(guī)律；王永剛［16］對(duì)炭質(zhì)板巖進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)，認(rèn)為豎直層理試樣橫向擴(kuò)容更早，但水平層理試樣體應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)更迅速；李二強(qiáng)等［17］針對(duì)炭質(zhì)板巖進(jìn)行了不同層理傾角的巴西劈裂試驗(yàn)。既有關(guān)于應(yīng)變速率對(duì)炭質(zhì)板巖力學(xué)特性影響的研究尚少，這不利于炭質(zhì)板巖隧道開(kāi)挖過(guò)程的精準(zhǔn)分析，故亟需開(kāi)展不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖的力學(xué)試驗(yàn)研究。

因此，開(kāi)展了4 組準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率（8.50×10-6s-1、1.70×10-5s-1、1.70×10-4s-1、3.34×10-4s-1）下的單軸壓縮試驗(yàn)，并同時(shí)進(jìn)行了聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)，旨在揭示應(yīng)變速率對(duì)炭質(zhì)板巖力學(xué)特性、能量演化規(guī)律、聲發(fā)射特征的影響。

1 試樣及試驗(yàn)方法

1.1 試樣加工

試驗(yàn)所用炭質(zhì)板巖均取自渭武高速公路木寨嶺隧道2#斜井，鉆取試樣均呈水平層理，如圖1 所示。該巖樣主要為灰色與深灰色互層，且厚度較薄，主要成分為石英及黏土礦物，黏土礦物主要包括伊利石、綠泥石、伊蒙混層以及高嶺石。根據(jù)《水利水電工程巖石力學(xué)規(guī)程》（SL 264—2001）［18］對(duì)試樣進(jìn)行研磨，以保證試樣端面的平整度。為減小加工對(duì)炭質(zhì)板巖原始狀態(tài)的影響，圓柱試樣的直徑控制在50±2 mm，高度為100±2 mm。

圖1 水平層狀炭質(zhì)板巖試樣Fig.1 Samples of horizontal layered carbonaceous slate

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)加載設(shè)備為意大利Matest 巖石伺服壓力機(jī)，最大軸力為3 000kN，可采用荷載、位移等方式控制加載，如圖2 所示。聲發(fā)射裝置采用16 通道DS2型聲發(fā)射儀，并設(shè)置聲發(fā)射門(mén)檻值為40dB。為分析應(yīng)變速率對(duì)炭質(zhì)板巖單軸壓縮力學(xué)特性的影響，采用位移控制的加載方式，共進(jìn)行了0.05mm·min-1、0.1mm·min-1、1mm·min-1、2mm·min-14 種加載速率的試驗(yàn)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率分別為8.50×10-6s-1、1.70×10-5s-1、1.70×10-4s-1、3.34×10-4s-1。為了減小試樣離散性的影響，每組應(yīng)變速率值進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，加載過(guò)程和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)同步進(jìn)行，并且所有試驗(yàn)均在室溫條件下進(jìn)行。

圖2 炭質(zhì)板巖加載示意Fig.2 Loading diagram of carbonaceous slate

2 單軸壓縮下炭質(zhì)板巖的應(yīng)變速率效應(yīng)

2.1 應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

選取4種不同應(yīng)變速率中的一組平行試驗(yàn)進(jìn)行分析。圖3 為4 種不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均可分為4個(gè)階段：壓密階段、線彈性階段、裂紋擴(kuò)展階段和峰后階段。

圖3 不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線Fig.3 Axial stress-axial strain curves of carbonaceous slate at different strain rates

2.1.1 壓密階段

壓密階段出現(xiàn)在加載初期，曲線呈上凹型增長(zhǎng)。由于試樣內(nèi)部原生裂隙及應(yīng)變速率的不同，壓密階段范圍長(zhǎng)短不一。隨著應(yīng)變速率的增加，同等應(yīng)變下炭質(zhì)板巖的應(yīng)力增幅增大，壓密階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨應(yīng)變速率的增大呈向上方移動(dòng)趨勢(shì)（圖3）。

2.1.2 線彈性階段

此階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性增長(zhǎng)。在較低應(yīng)變速率（8.50×10-6s-1和1.70×10-5s-1）時(shí)，試樣壓縮較慢，出現(xiàn)應(yīng)力略微下降現(xiàn)象。其原因?yàn)樵谳^低應(yīng)變速率下，炭質(zhì)板巖微裂隙有較充分的時(shí)間發(fā)展，微裂隙的形成降低了試樣的承載能力。在較高應(yīng)變速率（1.70×10-4s-1、3.34×10-4s-1）時(shí)，炭質(zhì)板巖內(nèi)部裂隙沒(méi)有足夠時(shí)間發(fā)展，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈較好的線性增長(zhǎng)。

采用峰值應(yīng)力40%～60%區(qū)間數(shù)據(jù)計(jì)算試樣的彈性模量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4。隨應(yīng)變速率的增大，炭質(zhì)板巖的彈性模量先增大后減小。應(yīng)變速率為8.5×10-6s-1、1.7×10-5s-1、1.7×10-4s-1時(shí)，平均彈性模量分別為17.96GPa、18.65GPa、27.16GPa，呈現(xiàn)出較好的增長(zhǎng)趨勢(shì)；但當(dāng)應(yīng)變速率為3.34×10-4s-1時(shí)，平均彈性模量減小為22.33GPa。當(dāng)應(yīng)變速率低于1.7×10-4s-1時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增加，試樣內(nèi)部裂隙快速閉合，短時(shí)間內(nèi)裂隙發(fā)展不充分，彈性模量出現(xiàn)增大趨勢(shì)；在應(yīng)變速率高于1.7×10-4s-1時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增大，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)在較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)過(guò)快調(diào)整，試樣內(nèi)部發(fā)生多次微破裂，進(jìn)而導(dǎo)致彈性模量的下降。

圖4 不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖的彈性模量Fig.4 Elastic modulus of carbonaceous slate at different strain rates

2.1.3 裂紋擴(kuò)展階段

此階段，微裂隙逐漸發(fā)育形成宏觀裂紋，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線偏離線性段，在峰值處發(fā)生破壞。圖5匯總了不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖的峰值強(qiáng)度值σf。應(yīng)變速率對(duì)峰值強(qiáng)度的影響規(guī)律與其對(duì)彈性模量的影響規(guī)律一致：當(dāng)應(yīng)變速率小于1.7×10-4s-1時(shí)，平均峰值強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增加逐漸增大（分別為95.98MPa、121.86MPa、174.55MPa）；當(dāng)應(yīng)變速率為3.34×10-4s-1時(shí)，平均峰值強(qiáng)度減小為131.44MPa。

圖5 不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖的峰值強(qiáng)度Fig.5 Peak strength of carbonaceous slate at different strain rates

2.2 應(yīng)變速率對(duì)能量特征曲線的影響

2.2.1 能量分析原理

巖石的變形破壞是巖石內(nèi)部能量不斷演化并與外界交換的結(jié)果［19］。荷載作用下巖石的變形破壞過(guò)程主要涉及到彈性能、塑性能、損傷能等多種形式能量之間相互轉(zhuǎn)化，但其總能量保持不變［20］。

假設(shè)單位體積炭質(zhì)板巖是一個(gè)沒(méi)有與外界進(jìn)行熱交換的封閉環(huán)境，則炭質(zhì)板巖各部分能量之間關(guān)系如式（1）：

式中：U為外力做功所產(chǎn)生的單元總應(yīng)變能；Ue為可釋放的彈性應(yīng)變能；Ud為耗散應(yīng)變能。在單軸壓縮條件下，僅有軸向壓力對(duì)炭質(zhì)板巖做功，因此單位體積內(nèi)的輸入總能量為

式中：σ為軸向應(yīng)力；ε為軸向應(yīng)變。假定彈性模量E為定值［21］，則單位體積內(nèi)的彈性能為

式中：σi為第i次數(shù)據(jù)采集時(shí)的軸向應(yīng)力。由式（1）-（3）可知，耗散能密度為

2.2.2 應(yīng)變速率對(duì)總應(yīng)變能密度的影響

采用式（2）計(jì)算不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖的總應(yīng)變能密度演變規(guī)律，如圖6 所示。隨著軸向應(yīng)變的增加，單位體積內(nèi)試樣吸收總能量逐漸增加；在加載初期呈上凹型，這與試樣本身的原生孔隙被壓密有關(guān)，隨后近似呈S 形發(fā)展。應(yīng)變速率低于1.7×10-4s-1時(shí)，單位體積內(nèi)輸入總能量隨應(yīng)變速率的增大而增大，3種應(yīng)變速率下的最大總應(yīng)變能密度分別為2.8×105J·m-3、6.8×105J·m-3、1.4×106J·m-3；在應(yīng)變速率為3.34×10-4s-1時(shí)，單位體積內(nèi)輸入總應(yīng)變能減小為9.2×105J·m-3。

圖6 不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖的總應(yīng)變能密度與軸向應(yīng)變關(guān)系Fig.6 Axial strain-total strain energy of carbonaceous slate at different strain rates

2.2.3 應(yīng)變速率對(duì)彈性應(yīng)變能密度的影響

圖7對(duì)比分析了不同應(yīng)變率下炭質(zhì)板巖彈性應(yīng)變能密度的變化規(guī)律。彈性應(yīng)變能密度在峰值應(yīng)變前逐漸增加，在峰值應(yīng)變處達(dá)到最大值，后急劇減小。不同應(yīng)變速率下彈性應(yīng)變能密度的積聚趨勢(shì)與應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)類(lèi)似。在應(yīng)變速率小于1.70×10-4s-1時(shí)，炭質(zhì)板巖的彈性應(yīng)變能密度曲線逐漸上移；大于1.70×10-4s-1時(shí)，彈性應(yīng)變能密度曲線出現(xiàn)了下移。

圖7 不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖的彈性應(yīng)變能密度與軸向應(yīng)變關(guān)系Fig.7 Axial strain-elastic strain energies of carbonaceous slate at different strain rates

2.2.4 應(yīng)變速率對(duì)耗散能密度的影響

圖8對(duì)比分析了不同應(yīng)變速率下耗散能密度的演變規(guī)律。隨著軸向應(yīng)變的增加，耗散能密度先逐漸增大，后與橫坐標(biāo)近似平行，耗散能密度幾乎不產(chǎn)生變化，最后出現(xiàn)急劇增大。當(dāng)應(yīng)變速率低于1.7×10-4s-1時(shí)，3 種應(yīng)變速率下的耗散能密度最大值分別為：2.5×105J·m-3、6.7×105J·m-3、1.3×106J·m-3。應(yīng)變速率為3.34×10-4s-1時(shí)，耗散能密度的最大值為8.9×105J·m-3，出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。

圖8 不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖的耗散能密度與軸向應(yīng)變Fig.8 Axial strain-dissipated energy of carbonaceous slate at different strain rates

2.3 應(yīng)變速率聲發(fā)射信號(hào)對(duì)振鈴計(jì)數(shù)特征的影響

2.3.1 振鈴計(jì)數(shù)特征

振鈴計(jì)數(shù)是振鈴脈沖超過(guò)閾值電壓的次數(shù)，能夠反映巖石的損傷程度。圖9匯總分析了不同應(yīng)變速率下加載過(guò)程中炭質(zhì)板巖的振鈴計(jì)數(shù)特征。應(yīng)變速率為8.5×10-6s-1時(shí)，試樣內(nèi)部原生裂紋在加載初始階段隨應(yīng)力的增大緩慢閉合，此階段不利于應(yīng)變能的積聚與釋放，故振鈴計(jì)數(shù)處于較低的水平；當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線偏離線性段時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)信號(hào)變得顯著，并出現(xiàn)一個(gè)較高的聲發(fā)射計(jì)數(shù)，且一直處于活躍階段，直至達(dá)到峰值應(yīng)力。

隨著應(yīng)變速率的增加，振鈴計(jì)數(shù)信號(hào)出現(xiàn)于加載初期，如圖9d 所示，在壓密階段向線彈性過(guò)渡階段，出現(xiàn)了一定量的振鈴計(jì)數(shù)。過(guò)大的加載速率使原生裂紋迅速閉合并相互碰撞擠壓，產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號(hào)。而在彈性階段，振鈴計(jì)數(shù)進(jìn)入一段平靜期。在裂紋擴(kuò)張階段，聲發(fā)射信號(hào)再次活躍，大量裂紋開(kāi)始衍生、擴(kuò)展成主裂紋。

圖9 不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖的振鈴計(jì)數(shù)特征Fig.9 Acoustic emission counting characteristics of carbonaceous slate at different strain rates

2.3.2 主頻率特征

聲發(fā)射信號(hào)中的主頻率分布可以用來(lái)表征巖石的破壞形式［11］。聲發(fā)射信號(hào)中大量的低頻組分表明巖石破裂過(guò)程中產(chǎn)生了大規(guī)模裂紋，而大量的高頻組分則表征小規(guī)模裂紋的產(chǎn)生［22-23］。圖10匯總分析了炭質(zhì)板巖在不同應(yīng)變速率下的主頻率分布規(guī)律。在單軸壓縮作用下，不同應(yīng)變速率下的主頻率分布具有明顯的分區(qū)特征，均可化分為3 個(gè)條帶：Ⅰ：0～50 kHz、Ⅱ：50～100 kHz、Ⅲ：100～250 kHz。為了更準(zhǔn)確地分析應(yīng)變速率對(duì)主頻率分布特征的影響，圖11統(tǒng)計(jì)了不同應(yīng)變速率下主頻率在各個(gè)條帶內(nèi)的占比。隨應(yīng)變速率的增加，早期裂紋的萌生和擴(kuò)展時(shí)間較短，低頻（Ⅰ：0～50 kHz）范圍內(nèi)的主頻率占比呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，而高頻（Ⅲ：100～250 kHz）范圍的主頻率占比呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，試樣破壞得更嚴(yán)重。

圖10 不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖的主頻率分布特征Fig.10 Main frequency distribution characteristics of carbonaceous slate at different strain rates

圖11 不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖低頻帶和高頻帶的變化特征Fig.11 Variation characteristics of low frequency band and high frequency band of carbonaceous slate at different strain rates

2.4 應(yīng)變速率對(duì)試樣破壞特征的影響

炭質(zhì)板巖在不同應(yīng)變速率下的破壞形式如圖12所示。在單軸壓縮作用下，應(yīng)變速率對(duì)炭質(zhì)板巖的破壞形式影響較大。應(yīng)變速率為8.5×10-6s-1時(shí)，炭質(zhì)板巖先形成與壓力方向平行的裂縫，并有充足的時(shí)間擴(kuò)展、貫通，儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能較小，加載過(guò)程中試樣損傷較嚴(yán)重，試樣呈張拉破壞，破裂面較粗糙。當(dāng)應(yīng)變速率為1.7×10-5s-1時(shí)，加載過(guò)程中儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能相對(duì)較大，用于破壞時(shí)的能量相對(duì)較多，脆性張拉裂紋逐漸貫通。隨著應(yīng)變速率進(jìn)一步增大至1.7×10-4s-1時(shí)，原生裂紋不能充分閉合，耗散能占比較小，加載輸入能量大部分以彈性應(yīng)變能形式儲(chǔ)存于炭質(zhì)板巖試樣內(nèi)部；進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段后，過(guò)高的彈性應(yīng)變能使得張拉裂紋和剪切裂紋同時(shí)發(fā)生，導(dǎo)致耗散能急劇增大，最終形成宏觀裂紋，試樣呈張拉-剪切復(fù)合破壞。當(dāng)應(yīng)變速率為3.34×10-4s-1時(shí)，高應(yīng)變速率下儲(chǔ)存的大量彈性能使得試樣產(chǎn)生剪切滑移面，且剪切滑移面角度較大；在加載后期，剪切面滑移摩擦，大部分彈性能轉(zhuǎn)化為耗散能，破壞程度更加劇烈，試樣主要呈剪切破壞甚至崩解破壞。試樣的破壞形態(tài)與2.3.2 節(jié)的主頻率分布特征相一致。

圖12 不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖的破壞形式Fig.12 Failure modes of carbonaceous slate at different strain rates

3 炭質(zhì)板巖特征應(yīng)力的確定方法及變化規(guī)律

特征應(yīng)力（閉合應(yīng)力σcc、起裂應(yīng)力σci、擴(kuò)容應(yīng)力σcd）是表征巖石裂紋形成、發(fā)展、貫通的重要指標(biāo)，是描述巖石漸進(jìn)性破壞過(guò)程的核心指標(biāo)［24-29］。分析應(yīng)變速率對(duì)特征應(yīng)力的影響規(guī)律，有利于進(jìn)一步揭示炭質(zhì)板巖的應(yīng)變速率效應(yīng)。

3.1 基于耗散能演化的特征應(yīng)力確定方法

3.1.1 線彈性階段耗散能演化理論

假設(shè)裂紋閉合點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變分別為σcc和εcc，單位體積內(nèi)輸入的總能量為Ucc。在線彈性階段，滿足式（5）：

由式（6）和（7）可知，在線彈性段單位體積內(nèi)彈性應(yīng)變能和總應(yīng)變能隨應(yīng)變均呈二次拋物線分布。將式（7）和式（6）代入式（4）可得

由式（8）可知：在線彈性段，單位體積內(nèi)耗散能不隨應(yīng)變的增加而改變，保持恒定。因此，可定義耗散能密度曲線斜率為零的起點(diǎn)處應(yīng)力為裂紋閉合點(diǎn)σcc，耗散能密度曲線斜率零的終點(diǎn)處應(yīng)力為擴(kuò)容應(yīng)力點(diǎn)σcd。

3.1.2 炭質(zhì)板巖特征應(yīng)力的確定

圖13匯總分析了加載速率為1.7×10-5s-1時(shí)炭質(zhì)板巖的軸向應(yīng)力及能量變化規(guī)律。通過(guò)單位體積內(nèi)耗散能演化特征可將炭質(zhì)板巖的峰前應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為3個(gè)階段。

圖13 1.7×10-5s-1速率下炭質(zhì)板巖的應(yīng)變能發(fā)展規(guī)律Fig.13 Evolution of strain energy of carbonaceous slate at a strain rate of 1.7×10-5s-1

裂隙閉合階段Ⅰ：此階段試樣內(nèi)原生微裂紋逐漸閉合；總應(yīng)變能的輸入一部分轉(zhuǎn)化為彈性能，一部分用于原生裂紋的閉合，從而導(dǎo)致耗散能的增加。該階段結(jié)束的特征應(yīng)力為裂紋閉合應(yīng)力σcc［26］。

線彈性階段Ⅱ：此階段原生裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，總應(yīng)變能密度及彈性應(yīng)變能密度均呈拋物線型增長(zhǎng)，耗散能密度曲線與橫坐標(biāo)平行，壓力機(jī)對(duì)試樣做功均轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變能。該階段結(jié)束的特征應(yīng)力為擴(kuò)容應(yīng)力σcd［29］。

裂紋擴(kuò)展階段Ⅲ：此階段裂紋出現(xiàn)不穩(wěn)定增長(zhǎng)，逐漸形成宏觀裂紋，耗散能再次增加，且增加速率變快。

在單軸壓縮過(guò)程中，橫向應(yīng)變對(duì)裂紋的擴(kuò)展較為敏感，尤其在應(yīng)力-應(yīng)變的線彈性階段，僅從軸向應(yīng)力-應(yīng)變很難確定起裂應(yīng)力點(diǎn)的位置。Zhao 等［30］采用聲發(fā)射方法對(duì)起裂應(yīng)力的確定進(jìn)行了討論，認(rèn)為起裂應(yīng)力點(diǎn)為累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)離開(kāi)線性段的位置。圖14是應(yīng)變速率1.7×10-5s-1時(shí)累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)隨應(yīng)力的演變規(guī)律。隨著軸向應(yīng)力的增加，累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)先緩慢增加；在線彈性階段內(nèi)，累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)增長(zhǎng)較平穩(wěn)，基本呈線性；隨著裂紋的出現(xiàn)，累計(jì)撞擊數(shù)偏離線性位置，故該點(diǎn)可作為炭質(zhì)板巖的起裂應(yīng)力點(diǎn)。

圖14 炭質(zhì)板巖累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)Fig.14 Cumulative acoustic emission impact number of carbonaceous slate

3.2 應(yīng)變速率對(duì)特征應(yīng)力的影響

采用3.1節(jié)方法確定不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖的特征應(yīng)力，如表1所示。當(dāng)應(yīng)變速率從8.5×10-6s-1增加至1.70×10-5s-1時(shí)，σcc、σci和σcd的平均值均逐漸增大，當(dāng)應(yīng)變速率為3.34×10-4s-1時(shí)，σcc、σci和σcd的平 均值出現(xiàn)了減小，如表2所示。

表1 不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖特征應(yīng)力Tab.1 Characteristic stress of carbonaceous slate at different strain rates

表2 不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖特征應(yīng)力平均值Tab.2 Mean characteristic stress of carbonaceous slate at different strain rates

圖15 匯總了不同應(yīng)變速率下各特征應(yīng)力與峰值強(qiáng)度的比值。隨著應(yīng)變速率的增加，各特征應(yīng)力與峰值強(qiáng)度的比值雖有變化，但變化范圍較小，可近似為定值，其中σcc/σf約為0.37，σci/σf約為0.55，σcd/σf約為0.74。因此，應(yīng)變速率雖會(huì)對(duì)炭質(zhì)板巖的特征應(yīng)力及峰值強(qiáng)度造成影響，但對(duì)各特征應(yīng)力與峰值強(qiáng)度的比值幾乎無(wú)影響。

圖15 不同應(yīng)變速率下炭質(zhì)板巖特征應(yīng)力變化規(guī)律Fig.15 Characteristic stress variation of carbonaceous slate at different strain rates

4 結(jié)論

在準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率范圍內(nèi)開(kāi)展了4種不同應(yīng)變速率下的單軸壓縮試驗(yàn)，分析了應(yīng)變速率對(duì)炭質(zhì)板巖力學(xué)響應(yīng)及聲發(fā)射特征的影響，探究了應(yīng)變速率對(duì)炭質(zhì)板巖破壞機(jī)制的影響，并提出了基于耗散能密度演化的特征應(yīng)力確定方法，形成了以下結(jié)論：

（1）在單軸壓縮過(guò)程中，炭質(zhì)板巖在準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率范圍內(nèi)存在明顯的應(yīng)變速率效應(yīng)：隨應(yīng)變速率的增大，峰值強(qiáng)度和彈性模量先增大后減小，峰值強(qiáng)度和彈性模量在1.70×10-4s-1時(shí)達(dá)到最大，平均值分別為174.55 MPa和27.16 GPa。

（2）在單軸壓縮過(guò)程中，聲發(fā)射信號(hào)中低頻信號(hào)占比隨應(yīng)變速率增加逐漸增加，高頻信號(hào)占比逐漸減小，試樣破壞程度愈加劇烈，且破壞形式由張拉破壞逐漸轉(zhuǎn)為剪切破壞，在應(yīng)變速率8.50×10-6s-1時(shí)主要為張拉破壞，在應(yīng)變速率3.34×10-4s-1時(shí)主要為剪切破壞。

（3）炭質(zhì)板巖的閉合應(yīng)力、起裂應(yīng)力和擴(kuò)容應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值不隨應(yīng)變速率發(fā)生變化，基本為定值，分別約為0.37、0.55和0.74。

作者貢獻(xiàn)聲明：

肖穎鳴：開(kāi)展試驗(yàn)，數(shù)據(jù)處理及分析，圖表呈現(xiàn)，論文撰寫(xiě)和返修。

喬亞飛：論文概念設(shè)計(jì)，論文指導(dǎo)和修改，基金提供。

李紅儒：協(xié)助開(kāi)展試驗(yàn)。

何滿潮：工程現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)，基金提供。