双面直剪下岩石节理粗糙系数与声发射特征关系研究

The detected acoustic emission (AE) signals during the shearing of rock joint indirectly reflect some failure information of shear failure, and they are related to the surface roughness characteristic of rock joint. To explore the relation between AE signals and surface roughness, a combination of physical test, numerical simulation and theoretical analysis is used to implement the plan in the research proposal. On the basis of the results obtained by physical and numerical shear tests under direct load and bi-direct load, joint roughness coefficient (JRC) is used to quantitatively characterize the joint surface roughness. The following topics are investigated: (1) the mechanism of acoustic emission resulting from micro-asperities damage; (2) the relation between JRC and AE parameters; (3) the differences of AE signals and shear strength during direct and bi-direct shear tests; (4) the characteristics of AE signals in different phases of shearing and the possibility that AE signals are considered as the precursors predicting the failure of rock joint. Eventually, through evaluating the relation among AE parameter, JRC and shear strength, the shear criterion of rock joint under bi-direct shear load is proposed. The findings benefit the forewarning of shear failure for rock joint and help rock engineering construction.

岩石节理剪切过程释放的声发射信号间接反映了节理剪切破坏信息，并与节理表面粗糙特征相关。为了探讨岩石节理粗糙特征与声发射信号之间的关系，本课题拟采用物理试验、数值试验和理论分析相结合的方法开展研究。基于岩石节理单面和双面直剪的物理和数值试验结果，以节理粗糙系数定量表征岩石节理表面粗糙程度，研究节理表面微凸体损伤所致声发射机理，剪切过程声发射信号特征与节理粗糙系数的关系，单、双面直剪下声发射信号及剪切强度的差异，不同剪切阶段的声发射信号特征，以及用声发射信号作为前兆信息预估节理剪切状态的可行性，最后通过分析剪切强度、节理粗糙系数和声发射参数三者的关系，尝试建立考虑节理粗糙系数与声发射参数的岩石节理双面直剪强度准则。本项目的研究成果有助于岩石节理剪切破坏预警，辅助岩体工程建设。

天然层状岩体往往含多个节理，岩块的滑塌可视作双面剪切破坏，进行双面直剪研究能更真实地反映节理的剪切力学特性。本项目采用室内直剪试验与数值模拟，对断续节理、高度互锁非连续节理、非共面组合节理、软−硬节理及双节理的剪切力学特性进行研究，归纳了断续节理的剪切破坏模式，揭示了非共面组合节理的剪切强度与节理夹角存在的线性关系，提出考虑节理粗糙系数（JRC）、节理组合壁面强度和法向应力对软−硬节理峰值剪切强度影响效果的强度准则。建立节理JRC均值与平均剖面比、面积比的计算模型，提出了一种考虑多维度的节理JRC均值计算方法，监测不同粗糙度异性节理在不同法向应力下直剪模拟的声发射事件数。另外，还设计了一种岩石节理双面抗剪强度测试装置。基于单、双面节理直剪试验结果，分析了单、双节理的剪切强度差异及原因，总结了不同粗糙度组合双节理剪切强度随JRC与法向应力的变化规律，指出了粗糙度高低面对峰值剪切强度（τp）的贡献作用，主要结论如下：（1）在法向应力一定时，相同JRC值的类岩试样在双面直剪下的τp普遍低于单面直剪，从单节理到双节理面的τp折减量整体上随JRC增大而减小。单节理在不同法向应力下的τp与τr均表现出明显的差距（Δτ），且不同JRC单节理的Δτ相近，但相同JRC双节理的Δτ随JRC增大而增大；（2）在低法向应力下，异JRC双节理的τp随上下节理JRC数值之和增大先增大后减小，在足够的法向应力下，τr、τp、切向剪切刚度均随上下节理JRC数值之和增大而增大；（3）异JRC双节理的峰值剪切强度介于低JRC双节理与高JRC双节理的剪切强度之间。在综合粗糙度较小时，异JRC双节理的τp由JRC较低侧控制，但这种控制作用随上下节理JRC数值之和增大而减弱，逐渐转换为由JRC较高侧控制。基于本课题资助，共发表8篇论文，其中SCI收录5篇，授权2项实用新型专利，申请1项发明专利，培养3名硕士研究生。本项目研究成果有助于岩体工程设计与施工。