第 1 章 绪论
1.1 研究背景和意义
随着国家经济建设的持续发展,各种地下空间工程、深部岩体工程、边坡工程以及隧道等工程建设正如火如荼的进行着，尤其是随着近些年来浅部资源的枯竭以及西部大开发国家战略的布局实施，国家对于地下空间工程以及高速铁路、超速铁路和公路等基础设施的投资建设力度逐渐加大，这必然会涉及到大量的地下空间工程以及边坡工程的安全稳定性问题[1]。地下空间工程以及边坡工程的研究对象是岩体，而岩体经过漫长的地质作用，在地应力场的作用下形成了诸如节理、裂隙和层理等缺陷，这些缺陷的存在直接影响了岩体的力学行为，破坏了岩体的整体性，降低岩体的整体强度，给工程建设的安全性带来隐患。岩体裂纹的扩展是一个动态的变化过程，从宏观方面来看，是岩石受损伤后力学性能不断劣化直到失稳破坏，从细观来看是岩石内部受扰动后裂纹的萌生、扩展直至贯通破坏的过程[2-3]。因此，如何解决岩体工程中存在的节理、裂隙对工程体的损伤，最大限度的减轻对岩体的整体强度损害，成为当今亟待解决的关键问题。
近年来，国内外科研学者运用断裂损伤力学原理对节理岩体进行了较多的研究，但是研究的多是无锚情况下的节理岩体裂纹变化，对加锚节理岩体的研究鲜有报道，而工程中像矿山开采、隧道开挖、水利水电、边坡支护等工程都存在加锚情况，在当前岩体灾害防治方面，锚固技术已经成为岩土工程很重要的安全加固方式[4]。岩体置入锚杆可以改善岩体的力学性能，提高围岩的自承能力，保持结构物与岩体的稳定性[5-6]。但实际工程中，加锚岩体在受到外力扰动情况下，造成裂隙萌生扩展会出现围岩的剥落、板裂的情况，造成工程事故的发生，例如 1959 年法国弥帕塞大坝的坝基片麻岩的裂隙扩展引起结构失稳破坏，造成数千人丧生；2011 年兰新铁路小平羌隧道在喷浆作业时，锚固区产生大裂隙引起拱顶坍塌事故造成 12 人当场死亡；2014 年云南福贡石月亮乡公路岩石高边坡结构失稳坍塌事故造成 3 人死亡；2019 年缅甸帕敢矿区岩体边坡失稳坍塌事故造成 6 人死亡，以上工程灾害的发生的原因都是由于外荷载作用下，引起岩体结构应力变化，造成其自身裂隙扩展造成锚杆锚固作用失效引起岩体失稳破坏。岩体介质本身具有复杂性和多变性，加锚岩体受到外力的作用，内部萌生裂纹并发生扩展变化，影响了锚杆的锚固作用，这就造成岩体失稳破坏，引发工程灾害发生。当前科研学者研究岩体裂隙的力学性质多是从无锚裂隙岩体入手，忽略了加锚岩体裂隙的萌生、扩展变化，对探究加锚裂隙的岩体的力学性质存在局限性，所以开展加锚节理岩体的力学性能和破坏机理的研究至关重要，不仅有助于对荷载作用下节理岩体的破坏机理进行更全面的认识，还对探究加锚裂隙岩体力学性能、破坏机制以及岩体工程设计施工，减少以及避免各类环境振动对岩体的灾害，为人类开展安全工程建设以及灾害防治提供依据具有重要意义。本文以断裂力学和滑动裂纹扩展理论为研究基础，结合单轴压缩试验和声发射检测技术，依据相似理论制作了加锚和无锚类岩体试样，从细观裂纹萌生到宏观裂纹扩展变化，探索了加锚类岩体在荷载作用下的裂纹萌生、扩展以及结构损伤特征，为岩体加锚的工程设计和检测裂纹提供借鉴参考意义。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 节理裂隙岩体破坏特征研究现状
岩体本身存在微裂纹，它是天然地质作用造成的，在受到外力作用下会加大微裂纹的扩展，甚至萌生新的微裂纹，岩体的这种结构影响了自身结构的安全稳定性，到目前为止，对于岩体裂纹扩展，国内外科研学者从理论分析和模型试验方面入手做了一系列的研究，在理论分析方面，Griffith 建立了裂纹扩展准则理论，该理论对于研究裂纹扩展机理奠定了基础[7]。Irwin 理论对 Griffith 理论进行了修正，奠定了线弹性断裂力学的基础[8]。其后，wells 在 Irwin 理论的基础上先后提出了 COD 准则和 J 积分理论，从而使断裂力学真正应用到工程中。Da H 等[10-12]基于线弹性断裂力学理论，研究了预制多裂隙裂纹的萌生、起裂以及扩展贯通机制，并且研究了不同裂隙形式与自由面相互作用引起的应力集中，用格里菲斯理论进一步确定了扩展裂纹的方式。大量专家学者依据理论进一步提出了相应的模型，如半对数函数模型、双曲线函数模型等[13-14]展开了对节理裂隙的研究，国内的科研学者对于节理裂隙的模型方法方面做了一些工作，如蒋喆、唐志成等[15-17]对不同节理面的形貌特征进行了研究，提出了节理闭合模型。乔春生等[18]考虑了在岩石节理变形的非线性特性的基础上,提出了一种全新的塑性剪切变形和剪胀的非线性变形特性模型。黄凯珠等[19]研究了不同几何分布断续裂纹在荷载作用下裂隙岩体裂纹的萌生、扩展机制，得出裂纹的贯通机制是受加载条件以及裂纹几何分布影响的。通过模型试验研究可以更加直观的的了解岩石裂纹扩展机理，岩石的宏观破坏都是由微观、细观引起的，采用声发射检测技术可以从微观、细观方面对岩石的裂纹扩展机理进行研究，某种程度上表示岩石破裂过程中的能量释放或者能量耗散的程度[20-23]。Su 等[24-25]运用声发射检测技术，对类岩体结构进行了试验研究，并对类岩体结构在荷载作用下的裂纹扩展行为与声发射能量的的关系进行了研究，对其损伤程度进行定量评价。Saliba 等[26]研究了混凝土结构在荷载作用下声发射能量与损伤耦合之间的关系。刘茂军等[27-28]对不同强度等级以及不同龄期的混凝进行了声发射模型试验，发现声发射特征曲线很好地反映混凝土材料内部损伤演变规律。汪皓等[29-30]对比分析了单轴压缩下岩石与混凝土声发射参数与应力水平以及时间参数之间的关系，有助于进一步认识岩石类材料破坏的机理。李银平等[31]开展了单轴压缩下裂隙岩体的声发射试验，得出不同的裂纹所产生的声发射特征是不一样。岩石在单轴压缩过程中具有典型的声发射特征，其变形、强度特征与声发射参数之间存在关系[32]。李安强等[33]揭示了岩石内部能量释放规律、声发射时序参数以及声发射振幅分布的层理效应。裴建良等[34-36]分析了加载曲线与加载速率、声发射振铃计数、声发射能量演化对应关系，指出声发射特征参数可以对不同空间分布类型自然裂隙时空演化过程的精确定位和追踪。
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第 2 章 加锚和无锚类岩体室内模型试验
2.1 引言
自然界中的岩体由于长期的地质构造以及外力作用，致使岩体内部产生大量的断层、节理、裂隙等结构面，这些结构面的存在影响了岩体的强度、变形进而破坏了岩体的安全稳定性。一直以来由于天然岩石本身构造比较复杂、取材困难、成本高以及周期长等缺点，使得想要取得满足试验条件要求的试件比较困难，此外，室内原型试验由于只能代表局部的工程岩体强度，不能丰富表达出岩体内部节理特征以及无法模拟多种地质环境下岩石的力学特性相对受限[55]。因此，采用岩石相似材料开展室内模型试验不仅能克服岩石原型试件所面临的诸多难题还能模拟处于不同地质环境下岩石的不同结构面的工程特点。
国内外许多科研学者都采用相似材料来开展岩石结构力学性质的研究，如赵程等[56]依据相似理论预制了不同裂隙倾角的单裂隙类岩体试样，利用 DICM 的研究手段分析了不同应力状态下类岩体裂纹萌生、扩展和贯通的损伤演化特征。周玉等[57]通过室内预制模型试件，研究了拉伸作用下锚杆直径以及锚固角度的不同对岩性的影响。王斌等[58]通过室内相似模型试验，研究了单轴压缩作用下不同锚杆直径对岩体裂纹破裂模式的影响，建立了裂纹扩展分析模型。本文研究的是单轴压缩作用下加锚裂隙岩体的力学特性和破坏机制，依据相似原理，采用相似材料制作了不同裂隙倾角的加锚和无锚类岩体试件，模拟不同节理形式以及受锚杆锚固作用的情况，利用液压伺服万能试验机进行模型试样的单轴压缩试验，同时利用应力应变采集仪以及声发射系统对加载过程中的模型试样进行信息采集，研究加锚岩体在受载作用下损伤破坏全过程。
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2.2 相似理论
2.2.1 相似定理
相似正定理认为两个相似的系统中必须存在相似不变量，具有相同的相似条件，两个系统之间对应基本的物理量，例如长度（l）、时间（t）、质量（m）之间应满足比例关系，也可以用同一个方程式表示，对于相似现象，原型和模型的相似判定都等于同样大小的一个定数，且原型与各相似常数之间都满足相应的比例关系，相似条件不是固定的，边界、几何和物理等条件都可以作为相似判定的条件。
2.2.2 相似材料模型法的相似判据
（1）几何相似
在进行试验时，首先要确定的是几何上的相似性，所制作的模型试件要与原型试件有一定的相似比例关系，按照一定的比例或者依据相应规范标准制定试验模型，应满足的关系如式（2.1）、（2.2）和（2.3）
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3.1 引言 .......................... 15
3.2 滑动裂纹扩展理论 ................................. 17
3.3 单轴压缩作用类岩体破坏机制分析 ....................... 17
第 4 章 加锚与无锚类岩体声发射特征参数研究 ......................................... 35
4.1 引言 ............................... 35
4.2 声发射特征参数 ............................... 36
4.3 加锚类岩体声发射特征分析 .................... 37
第 5 章 结论与展望 ....................................... 52
5.1 结论 ..................................... 52
5.2 展望 ..................................... 53
第 4 章 加锚与无锚类岩体声发射特征参数研究
4.1 引言
岩体中原生裂纹的起裂、扩展和贯通演化特征、破裂模式一直是工程界重视的问题，节理、裂隙等结构面的控制对工程岩体的变形和破坏起着主要的控制作用。在对工程岩体的节理、裂隙进行研究时，大部分科研学者主要是从宏观受力状态、裂纹扩展变化、损伤变形特征以及强度特征等方面进行研究的。但是对于细观裂隙岩体的损伤破坏演化过程却鲜有研究，宏观的裂纹扩展都是从细观开始由量发生了质的变化产生的，仅仅从宏观对于裂隙岩体的研究存在局限性，不能全面揭示岩石内部裂纹的扩展机理，对试件内部结构失稳缺乏系统性的认识。所以，展开对裂隙岩体进行宏细观结合的方法分析研究十分重要，也开始受到越来越多科研学者的重视。
在对于裂隙岩体进行细观方面的检测上，声发射对检测对象是一种动态的检测方式，其信号反映可以丰富的反映缺陷性质等优点，在对岩石和类岩体检测当中使用越来越广泛。当前科研学者对声发射方面的研究方法主要采用动载和静载两种方式，在动载方面，彭刚等[72-73]运用声发射技术研究了混凝土试件在循环加卸载条件下混凝土试件的损伤破坏特征，探讨了声发射参数与应力、应变之间变化规律。在静载方面，刘文德、闫渊等[74-75]分析了单轴压缩条件下岩石的声发射特征以及分型机制，发现声发射振铃计数可以很好的描述试件的整个破坏过程。在动静荷载作用下岩石的声发射特征表现有明显的不同,在动载作用下声发射信号持续的时间会比较短，声发射信号参数撞击数、振铃计数、能量计数都出现了很大波动，且动载在荷载作用下分为能量积聚时期和能量释放时期两个阶段，在静载作用下声发射参数振铃计数、撞击数、能量计数在加载前期没有出现较大波动，在后期出现了，且静载作用下声发射的演化过程分为平静期、提速期、加速期以及峰值期四个阶段[76-78]。
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第 5 章 结论与展望
5.1 结论
本文以湖南张家界石英砂岩为原型，运用相似模拟试验，对加锚完整、不同节理倾角类岩体以及无锚完整和不同节理倾角类岩体进行了单轴压缩试验，并运用声发射检测系统对实验过程中的试件进行信号采集，通过滑动裂纹扩展理论、损伤力学理论以及声发射试验研究相结合的方法对加锚以及无锚试样进行分析，探讨了在单轴压缩过程中，加锚试样的力学性质以及声发射特征，得出如下结论：
（1）加锚试件与无锚试件相比，其试件主控裂纹的贯通速度和开裂程度均有所减小，无锚试件微裂纹数目较多，整个试件破坏时成碎屑状及细粉状颗粒，加锚试样形状变化小，新生裂纹出现的时间较晚，试件在破坏后仍然被锚杆串联在一起，较少出现块体崩落和碎裂情况，最终形成明显的剪切破坏面。
（2）从应力应变曲线可以看出：加锚类岩体曲线在受力过程中，曲线相对光滑，没有较多的应力突降现象，而无锚类岩体在荷载作用下曲线相比加锚类出现较多应力突降现象。与无锚试件相比，加锚试件峰值强度、残余强度均出现不同程度的提高，无锚峰值强度过后呈现迅速跌落，而加锚试件的峰值强度呈现出阶梯型下跌趋势，残余强度显著，这说明锚杆的加入加强了试样的抵抗破坏的能力。
（3）通过观察加锚和无锚类岩体单轴抗压强度可知：加锚节理倾角 90°试件的抗压强度与加锚无节理试件抗压强度相差了 0.050MPa，无锚节理倾角 90°试件的抗压强度与无锚无节理试件抗压强度相差 0.254MPa，分析认为节理倾角 90°对于岩体力学性质影响不大。此外，加锚和无锚类岩体不同裂隙倾角单轴抗压强度均呈现先减小后增大的趋势，说明裂隙倾角对岩体的强度的规律适应于加锚岩体。
参考文献（略）