随着地下工程逐步向地球深部进军，复杂的地质环境导致地质灾害频发。工程实践表明，地下工程失稳破坏是岩体由破裂损伤到整体破坏的发展过程，与岩体裂隙产生、扩展及贯通等活动密切相关^[1-4]。深地下富水地层中的工程岩体长期遭受水分侵蚀作用，导致其内部微观结构和组分发生缓慢变化，在受到外荷载的作用时，将加速裂隙的产生、扩展及贯通^[5-6]等。因此，研究不同含水状态花岗岩在荷载作用下的破裂特征，对控制地下工程围岩失稳和预测预警工程灾害具有重要的理论意义和工程价值。

岩石内部裂隙的滑移、扩展和贯通等活动将以弹性波的形式释放应变能，声发射技术通过监测分析所释放的弹性波来反映岩石内部破裂演化过程。作为一种无损监测材料破裂的有效手段，声发射技术已广泛应用于岩石破裂的相关研究中^[7]。例如：张安斌等^[8]基于声发射事件数和能量等特征参数，揭示了不同含水率泥质粉砂岩的单轴压缩破裂全过程；赵奎等^[9]基于声发射累计振铃计数，提出了不同含水率红砂岩的损伤系数，并验证了其与岩体内部微观结构演化的响应关系；邓朝福等^[10]揭示了不同含水状态花岗岩内部裂隙扩展演化规律；Liu等^[11]通过不同吸水时间页岩的单轴压缩试验，研究了软化页岩的声发射特征；Huang等^[12]通过一系列含水砂岩试验，揭示了含水量对红砂岩的力学和变形性质的影响，分析了压缩过程中不同变形阶段的声发射特征。除了对岩石破裂演化过程开展研究以外，利用声发射技术对岩石裂纹类型的研究也已取得丰富的成果，自2003年日本混凝土材料协会在标准（JCMS-Ⅲ B5706）中定义特征参数RA（上升时间与幅值的比值）和平均频率AF（振铃计数与持续时间的比值）并提出利用RA-AF对裂纹进行分类的方法^[13]以来，众多学者基于参数RA-AF评估了不同含水状态岩石破裂类型的分布特征。例如：何满潮等^[14]结合声发射参数RA和AF特征值密度得到了自然状态花岗岩岩爆发生时不同类型裂纹的分布特征；Liu等^[7]研究了单轴压缩下干燥和饱水辉长岩在不同变形阶段两种类型裂纹的分布特征；Du等^[15]开展了一系列岩石加载试验并定义了自然状态花岗岩和大理岩划分裂纹类型的RA和AF参数标准；刘沂琳等^[16]研究了水岩作用下砂岩裂纹发育规律，结果表明，饱水试样以张拉裂纹发育为主，天然与干燥试样以剪切裂纹发育为主；Wang等^[17]揭示了水对单轴压缩下砂岩破裂类型的影响，认为水增加了拉伸裂纹，减少了剪切裂纹；Yao等^[18]结合水侵入对裂纹类型和宏观破坏模式的影响，提出了裂纹类型与破坏模式之间的新关系。

可见，相关学者在水对岩石内部破裂特征影响方面开展了大量研究，得到了水影响岩石破裂的基本规律。然而工程岩体发生破裂反应过程是由复杂应力引起的，不同应力状态导致岩石发生不同的破裂响应，目前关于含水岩石破裂的试验研究大多集中在单一试验条件下，对于含水岩石在不同试验条件下的特征尚未开展相关研究。鉴于此，本工作拟对不同含水状态的花岗岩进行单轴压缩试验、巴西劈裂试验和直剪试验下的声发射信号研究，通过对岩石破裂的声发射特征参数进行深入分析，揭示不同试验条件下含水花岗岩的破裂扩展演化过程及裂纹类型分布特征，以期深入理解受水影响的工程岩体在复杂应力下的破裂演化。

1.   试验方案

1.1   试样制备

花岗岩样品取自山东省五莲县，属粗粒花岗岩，呈灰白色并带有黑色斑纹，经X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）测得其矿物成分为低钠长石（39%）、斜长石（35%）、云母（22%）、石英（4%），常温下试样的密度为2.703 g/cm³，结构致密。按照国际岩石力学学会建议，将岩石加工成直径50 mm、高100 mm和直径50 mm、高30 mm两种尺寸的标准圆柱体，以分别进行不同条件下的力学试验。

对试样进行不同含水状态的处理，处理方式为：饱水状态，将试样置于真空饱水机内，抽气至0.1 MPa后静置2 h，向真空饱水机内注水至淹没试样，继续抽气至0.1 MPa并保持1 h，然后打开放气阀门静置24 h，之后取出并沾去表面水分后称量；干燥状态，将试样放置在干燥箱内于105 ℃静置24 h，待冷却至室温后称重。经计算，干燥、自然、饱水试样的平均含水率分别为0%、0.091 9%、0.287 0%。试样分组方案如表1所示。

表  1  试验分组方案

Table  1.  Test grouping scheme

Sample	Test mode	State	Diameter/mm	Height/mm	Mass/g
H-D-1	Uniaxial compression	Saturated	49.90	99.75	544.47
H-D-2		Nature	50.57	100.33	544.60
H-D-3		Dry	50.06	99.48	533.25
H-B-1	Brazilian splitting	Saturated	49.58	30.53	164.54
H-B-2		Nature	50.15	32.08	163.16
H-B-3		Dry	50.01	30.48	163.01
H-Z-1	Direct shear	Saturated	50.07	100.36	542.86
H-Z-2		Nature	50.18	100.28	545.67
H-Z-3		Dry	50.19	101.29	541.30

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1.2   试验设备及方法

对不同含水状态花岗岩分别开展单轴压缩试验、巴西劈裂试验和直剪试验，试验系统包含岩石力学加载系统和声发射监测系统两部分。岩石力学加载系统包括RMT-150B岩石力学试验系统和KYZW-100岩石弱面直剪仪。利用RMT-150B岩石力学试验系统进行单轴压缩试验和巴西劈裂试验，单轴压缩试验采用位移加载控制，速率为0.002 mm/s，巴西劈裂试验采用力加载控制，速率为0.20 kN/s；利用KYZW-100岩石弱面直剪仪进行剪切试验，设置法向荷载为20 MPa，由力控制加载，加载速率为1 kN/s，切向加载为位移控制，加载速率为1 mm/s。试验均采用DS-5型8通道声发射监测系统同步采集岩石变形破坏过程产生的声发射信号。声发射监测系统主要由声发射探头、信号放大器以及采集主机等构成，采样频率为5 MHz，波形门槛阈值设置为40 dB。

试验开始前，将声发射传感器对称布置在花岗岩试样中心，以接收来自岩石内部不同方位的尽可能多的声发射信号。并在传感器与试样接触点涂抹适量凡士林作为耦合剂，以增加两者间的耦合性。为了保证加载信息与声发射信号时间对应，加载系统与监测系统同步开始计时。不同试验条件如图1所示。

图  1  试验条件

Figure  1.  Test condition

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2.   不同试验条件和含水状态下试样的应力-应变特征与力学参数弱化

2.1   应力-应变特征

图2分别为单轴压缩试验、巴西劈裂试验和直剪试验下不同含水状态花岗岩的应力-应变曲线。由图2(a)可知：在单轴压缩试验条件下，花岗岩试样的应力-应变曲线在峰值应力点前呈现出塑性-弹性-塑性的“S”形增长趋势，随着含水率的增加，应力-应变曲线的增长速率减缓，临近峰值点的塑性阶段更明显；在峰应力点后，干燥试样和自然试样出现应力跌落现象，表现出脆性破坏的特点，而饱水状态试样表现出延性破坏的特点，表明随着含水率的增加，花岗岩破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。由图2(b)可知，巴西劈裂条件下花岗岩应力-应变曲线在加载过程中整体呈现上凹形增长，在达到峰值应力点后发生突降，试样发生劈裂，破坏时的脆性特征明显。由图2(c)可知，剪切试验条件下花岗岩应力-应变曲线呈上凹形上升，但相比于单轴压缩试验和巴西劈裂试验，剪切试验条件下应力-应变曲线的波动更明显，在峰值应力点前出现部分应力跌落现象，可能是试样局部发生破裂引起的，随着加载的进行，轴向应力逐渐增加直至破坏。

图  2  不同试验条件下花岗岩的应力-应变曲线

Figure  2.  Stress-strain curves of granite under different test conditions

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Bieniawski^[19-20]将岩石破裂过程分为：裂隙压密阶段Ⅰ、弹性变形阶段Ⅱ、裂纹稳定扩展阶段Ⅲ、裂纹非稳定扩展阶段Ⅳ和峰后破坏阶段Ⅴ。国内外专家学者基于此对特征应力阶段的确定开展了广泛的研究，提出了移动点回归法、声发射法、裂隙体积应变法等计算方法。裂隙体积应变法因计算简便而被广泛应用，计算方法如下。

岩石体积应变ε_V可以表示为

式中：ε₁、ε₃分别为轴向应变和横向应变。

岩石总体积应变包含弹性体积应变和裂隙体积应变。裂隙体积应变计算公式为

式中：ε_Vc、ε_Ve分别为裂隙体积应变和弹性体积应变。单轴压缩下，$\sigma_2=\sigma_3=0$，弹性体积应变ε_Ve可表示为

式中：σ₁为轴向应力，E为弹性模量，$\nu$为泊松比。

通过裂隙体积应变法得到岩石特征应力并对加载过程进行阶段划分，示意图如图3所示。

图  3  裂隙体积应变法确定岩石特征应力示意图

Figure  3.  Diagram of determining rock characteristic stress by fracture volume strain method

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根据图3对不同阶段特征分析可知：阶段Ⅰ为裂隙压密阶段，轴向应力呈现上凹形增加，随着加载的进行，岩石原生裂隙被压密致使裂隙体积应变逐渐减小至零，此时原生裂隙被完全压密，应力达到岩石的闭合应力σ_cc；阶段Ⅱ为弹性阶段，垂直应变-轴向应力、垂直应变-体积应变曲线均线性增加，岩石变形可以被认为是线弹性的，由于原生裂隙被压密且轴向应力并未达到产生新裂隙的条件，裂隙体积应变保持为零且基本不变；阶段Ⅲ为裂隙稳定扩展阶段，开始于岩石的起裂应力σ_ci，体积应变依然增加但增加速率逐渐减小，岩样体积压缩速率逐渐减慢，由于新生裂隙产生，岩石裂隙体积应变增加，由弹性阶段的裂隙体积压缩转换为裂隙体积扩张并开始非线性增加，岩石内部出现新生裂纹并逐渐扩展，此阶段至体积应变到达峰值处结束，此时应力为岩石的损伤应力σ_cd；阶段Ⅳ为裂隙加速扩展阶段，轴向应力由σ_cd逐渐增加至σ_ucs结束，轴向应力增长速率逐渐降低，岩石体积应变由峰值开始下降，裂隙体积应变迅速增加，岩石内部裂隙之间相互扩展并贯通形成宏观裂纹；阶段Ⅴ为峰后破坏阶段，应力水平达到岩石σ_ucs后，出现应力跌落现象，同时横向应变迅速增加。

采用裂隙体积应变法计算得到的单轴压缩条件下不同含水状态花岗岩的特征应力如表2所示。由表2可知，不同含水状态花岗岩的σ_cc/σ_ucs在15%左右，σ_ci/σ_ucs在40%左右，σ_cd/σ_ucs在70%左右，随着含水率的增加，特征应力逐渐降低，但花岗岩的特征应力与峰值应力的比值逐渐增加。

表  2  单轴压缩试验条件下不同含水状态花岗岩的特征应力

Table  2.  Characteristic stress of granite with different water-bearing states under uniaxial compression

Sample	σcc/MPa	σci/MPa	σcd/MPa	σucs/MPa	$\dfrac{ {\sigma{_ {\text{cc} } } } }{ {\sigma {_{\text{ucs} } } } }\Big{/}$%	$\dfrac{ {\sigma{_ {\text{ci} } } } }{ {\sigma{_ {\text{ucs} } } } } \Big{/}$%	$\dfrac{ {\sigma{_ {\text{cd} } } } }{ {\sigma{_ {\text{ucs} } } } }\Big{/}$%
H-D-1	19.745	55.802	98.716	130.209	15.164	42.856	75.814
H-D-2	22.853	64.697	110.453	154.987	14.745	41.743	71.266
H-D-3	24.574	72.417	133.319	194.710	12.621	37.192	68.471

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2.2   力学参数弱化效应

图4为不同含水状态花岗岩在3种试验条件下的强度变化曲线。

图  4  不同试验条件下水对强度的影响

Figure  4.  Influence of water on strength under different test conditions

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由图4可知：水的存在使得3种试验条件下的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度均有不同程度的弱化，且3种强度都随着含水率的增加呈现良好的线性降低的变化规律，对其进行线性拟合，获得强度与含水率的线性关系

式中：σ_c、σ_t、τ分别为单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度，MPa；ω为含水率，%；R²为拟合优度。

以自然状态花岗岩强度作为单位1，探讨水对花岗岩抗压强度、抗拉强度和抗剪强度的弱化程度。干燥状态下，抗压、抗拉、抗剪强度比为1.258、1.236、1.165，分别增加了25.8%、23.6%、16.5%；饱水状态下，抗压、抗拉、抗剪强度比为0.840、0.877、0.806，分别降低了16.0%、12.3%、19.4%。

通过单轴压缩试验计算得到花岗岩的弹性模量E随含水率的变化曲线，如图5所示。

图  5  弹性模量随含水率的变化

Figure  5.  Variations of elastic modulus with water content

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由图5可知，弹性模量随着含水率的增加而呈线性降低趋势，进行线性拟合获得弹性模量E与含水率的线性关系

以自然状态花岗岩弹性模量作为1，探讨水对花岗岩变形参数的弱化程度。干燥状态试样和饱水状态试样的弹性模量与自然状态试样的弹性模量的比值分别为1.146、0.759，干燥状态增加了14.6%，饱水状态降低了24.1%。

3.   不同试验条件下花岗岩声发射特征及破裂演化过程

岩石等材料在受到荷载作用时会产生变形和断裂，并以弹性波的形式释放出能量，通过对弹性波的监测和分析能够得到岩石内部微裂纹的发育、扩展以及贯通等微观行为的演化过程。目前对于声发射信号的研究主要使用特征参数法，即通过对弹性波波形中的特征参数进行分析得到岩石内部破裂特征，常见的参数有振铃计数、幅值、RA和AF等，对应的特征参数定义如图6所示。

图  6  声发射波形特征参数

Figure  6.  Characteristic parameters of acoustic emission waveform

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3.1   单轴压缩下声发射特征及破裂演化过程

振铃计数是指一次撞击信号越过门槛值的振荡次数，能够粗略反映声发射信号的强度和频度。单轴压缩下声发射振铃计数、应力随时间的变化曲线如图7所示。

图  7  单轴压缩下不同含水状态花岗岩的声发射特征

Figure  7.  Acoustic emission characteristics of granite with different water-bearing states under uniaxial compression

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从图7可以看出，单轴压缩下声发射振铃计数分布具有明显的阶段性，不同变形阶段振铃计数的具体特征如下：(1) 压密阶段，岩石原生裂隙在荷载作用下不断被压密，由于裂隙闭合以及摩擦作用释放弹性应变能从而产生少量声发射信号；(2) 弹性阶段，岩石发生可恢复的弹性变形，但试样裂缝之间相互滑移会产生极少量的声发射事件；(3) 裂隙稳定扩展阶段，此时荷载应力超过岩石的起裂应力，除了原有裂隙的扩展外，试样还逐渐产生新生微小裂纹，导致声发射振铃计数出现明显的增加趋势，但振铃计数数值和增长速率仍然很低；(4) 裂隙非稳定扩展阶段，岩石内部破裂发展加剧，裂隙之间相互作用明显并开始贯通，在临近峰值应力点时高强度的声发射信号迅速增加，振铃计数峰值多出现在此阶段；(5) 破坏阶段，破裂加剧，沿宏观破坏面发生较大程度的断裂，产生大量高强度的声发射信号。比较3种含水状态下花岗岩声发射振铃计数发现，其整体趋势相同且数值差距较小。

3.2   巴西劈裂试验下声发射特征及破裂演化过程

图8为巴西劈裂试验下声发射振铃计数、应力随时间变化曲线。由图8可知：巴西劈裂试验条件下，不同含水状态花岗岩试样的阶段性变化不明显；在加载初期（30%σ_t），由于压条压密了加载轴线附近的原生裂隙，因而出现了数值相对较大的声发射振铃计数；随着荷载的增加，不断出现新生裂隙导致振铃计数出现波动现象，临近破坏时声发射事件迅速增加，直至试样发生劈裂。

图  8  巴西劈裂试验下不同含水状态花岗岩的声发射特征

Figure  8.  Acoustic emission characteristics of granite with different water-bearing states under Brazilian splitting test

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对比不同含水状态花岗岩在巴西劈裂试验条件下的声发射振铃计数可知：干燥状态花岗岩在加载初期的振铃计数均值为60.4，且密度较大，随着加载的进行，振铃计数出现较小的波动但仍保持在较高水平，在临近破坏时出现最大值3 714；自然状态试样加载初期振铃计数的均值为44.9，约为干燥状态下的3/4，在整个加载过程波动明显，部分振铃计数过低，导致振铃计数分布稀疏，振铃计数最大值为1704，约为干燥状态的1/2；饱水试样的声发射振铃计数进一步降低，加载初期振铃计数均值为26.4，仅为干燥状态的1/2，随着加载的进行，振铃计数波动更加明显，出现多次激增和骤降现象，振铃计数最大值为1588，约为干燥状态试样的2/5。

3.3   直剪试验下声发射特征及破裂演化过程

图9给出了剪切试验下声发射振铃计数、应力随时间的变化曲线。由图9可知：在加载初期，振铃计数处于较低水平，随着荷载的增加，振铃计数缓慢上升，当应力-应变曲线上出现小型应力降时，声发射振铃计数迅速增加，表明试样发生脆性破裂，随后呈阶梯状增长，至试样被剪断时声发射振铃计数达到最大值。

图  9  直剪试验下不同含水状态花岗岩的声发射特征

Figure  9.  Acoustic emission characteristics of granite with different water-bearing states under direct shear test

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直剪试验下，声发射振铃计数随着含水率的增加逐渐降低，第1次应力降出现时，干燥状态、自然状态、饱水状态试样的振铃计数分别为4 655、3 021、784，破坏时的峰值振铃计数分别为7 849、4 749、3 531。表明随着含水率的增加，直剪试验下花岗岩第1次发生较明显的微破裂以及宏观剪切破裂时的声发射强度都有不同程度的降低。

对比不同试验条件下含水花岗岩振铃计数分布特征可得到以下结果。(1) 与干燥试样相比，含水试样的声发射振铃计数明显更低，这是由于含水试样内部裂隙中填充了水分，声波信号在液体介质中的衰减速率大于固体介质，导致饱水状态下产生的声发射信号强度减小，因此饱水试样的声发射信号低于干燥试样。(2) 不同试验条件下花岗岩试样声发射振铃计数分布特征差异明显：单轴压缩下峰值应力点前声发射振铃计数相对较少，声发射振铃计数主要出现在峰值应力点后，在峰值应力点后出现陡增；巴西劈裂条件下花岗岩声发射振铃计数最大值和平均值相差较小，整个加载过程中声发射振铃计数都保持在相同的数量级；剪切作用下花岗岩声发射振铃计数分布与单轴压缩下类似，但剪切作用下振铃计数在第1次应力降时就显著增加，随后呈阶梯状逐步增加，而单轴压缩下试样的振铃计数在临近破坏时才出现骤增现象，且增加的程度远比直剪试验高。

4.   基于声发射特征的花岗岩微观破裂类型分析

声发射特征参数中的RA和平均频率AF可以表征岩石内部微裂纹类型，RA由上升时间除以幅值得到，AF由振铃计数除以持续时间得到。经计算后得到声发射信号RA-AF的散点图，如图10(a)所示。由于散点数量众多且分布密集，无法准确获得声发射信号分布特征，因此利用MATLAB对信号散点图进行处理，得到散点分布密度，如图10(b)所示，其中黄色区域表示声发射信号密度较大，蓝色区域表示信号密度较小。

图  10  RA-AF信号分布散点图和密度图

Figure  10.  Distribution and density of RA-AF signals

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4.1   确定不同裂纹类型的分界线

高RA、低AF的信号分布特点代表着剪切裂纹的发育、扩展，而高AF、低RA代表着张拉裂纹的发育、扩展，但不同的材料状态及传感器类型等因素都会导致裂纹类型划分标准产生较大的差异^[21]。例如：日本JCMS-Ⅲ B5706规范^[13]的分类方法中将分界线斜率（AF与RA的比值）定义为k，在分界线以上为张拉裂纹，分界线以下为剪切裂纹；何满潮等^[14]采用k=1作为分界线区分裂纹类型；Niu等^[22]以k=2为分界线区分裂纹类型。

本研究根据Du^[15]和日本JCMS-Ⅲ B5706规范^[13]的分类方法，利用直剪试验和巴西劈裂试验计算裂纹类型的分界线，通过假定一条斜率为k的分界线，以直剪试验中分界线以下的信号百分比与巴西劈裂试验中分界线以上的信号百分比基本相同（相差小于0.5%）时作为区分裂纹类型的标准，如图11所示。经计算，饱水状态、自然状态、干燥状态下的分界线斜率k分别为1.943、2.112和3.261。

图  11  RA-AF信号裂纹类型分类标准

Figure  11.  Classification standard of RA-AF signal crack types

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4.2   单轴压缩下微观破裂类型分析

图12为花岗岩在单轴压缩试验条件下声发射信号的RA-AF散点密度分布。

图  12  单轴压缩下的RA-AF分布

Figure  12.  RA-AF distribution under uniaxial compression

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由图12可知，单轴压缩下RA-AF信号在张拉裂纹区域和剪切裂纹区域均有分布，但剪切裂纹区域信号更多，意味着试样内部张拉裂纹和剪切裂纹同时发育，但剪切裂纹占主导作用。对比不同含水状态的试样信号可知：干燥状态试样信号主要分布在剪切裂纹区域，在张拉裂纹区域数量相对较少，而自然和饱水状态试样的信号分布相似，均集中在剪切裂纹区域，但数量明显减少，张拉裂纹区域的信号有所增加，表明单轴压缩下干燥状态试样的破坏过程以剪切裂纹为主，自然和饱水试样的剪切裂纹减少，张拉裂纹变化不明显。

为了揭示花岗岩在破坏过程中的破裂类型及扩展发育特征，根据表2中利用裂纹体积应变法计算出的特征应力绘制出不同试样在峰前各个变形阶段的RA-AF信号密度分布，如图13所示。由图13可知各个变形阶段声发射信号分布特征如下。

图  13  单轴压缩下各个变形阶段的RA-AF分布

Figure  13.  RA-AF distribution of each deformation stage under uniaxial compression

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(1) 压密阶段，RA-AF信号在张拉区域和剪切区域均有分布，但主要集中在剪切区域，在张拉区域分布较少，表明此阶段张拉裂纹和剪切裂纹并存且以剪切裂纹为主；随着含水率的增加，两种类型裂纹区域内的信号数量均逐渐减少，RA范围变化不大，AF范围由干燥状态的0～150 kHz减少至饱水状态的100 kHz。

(2) 弹性阶段的RA和AF相比压密阶段略有减小，信号在两种类型的裂纹区域内有向原点聚集收缩的趋势，但仍以剪切裂纹为主。干燥试样在两类裂纹区域的信号均显著减少，而自然状态试样和饱水状态试样的变化相对较小；随着含水率的增加，张拉裂纹区域的信号逐渐增加，而剪切裂纹区域信号的差距较小。

(3) 在裂隙稳定扩展阶段，RA和AF相比弹性阶段持续减小，声发射信号散点继续向原点聚集，信号高密度区域范围进一步缩小，低密度区的散点也逐渐变少，此阶段剪切裂纹和张拉裂纹减少但变化相对较小。整体上看，此阶段水对信号分布的影响较弱。

(4) 在裂隙非稳定扩展阶段，岩石裂隙逐步贯通致使主破坏面逐渐形成，内部破裂加剧，信号出现向外扩散趋势。相比于裂隙稳定扩展阶段，干燥试样在张拉裂纹和剪切裂纹区域信号均有明显增加，自然和饱水状态试样在张拉区域的信号明显增加，而剪切区域信号变少。即干燥试样的张拉裂纹和剪切裂纹均有明显增加，但剪切裂纹增加得更多，自然和饱水试样的张拉裂纹增多而剪切裂纹减少。相比于干燥状态试样，自然和饱水试样的张拉区域信号显著增加，剪切区域信号略有减少，意味着饱水状态有利于试样在此阶段产生更多的张拉裂纹，剪切裂纹的比例下降，这与Dong等^[23]的研究结果一致。

根据上述分析可知，在加载初期，张拉裂纹和剪切裂纹均有分布但剪切裂纹较多，随着加载的进行，剪切裂纹基本不变，张拉裂纹逐渐减少，剪切裂纹在裂纹扩展中占据主导地位，临近破坏时，张拉裂纹增多。

4.3   巴西劈裂下微观破裂类型分析

图14给出了花岗岩试样在巴西劈裂试验条件下声发射参数RA-AF的密度分布。由图14可知，巴西劈裂试验下，高密度区域的RA分布在0～100 ms/V区间内，AF分布在0～600 kHz区间内，RA-AF信号主要集中在张拉裂纹区域，在剪切裂纹区域信号较稀疏，表明巴西劈裂试验条件下试样内部裂纹以张拉裂纹为主。对比不同含水状态试样可以发现，干燥状态试样的信号数量和密度在张拉裂纹区域和剪切裂纹区域的差别相对较小，自然和饱水状态试样在剪切裂纹区域的信号数量较少，张拉裂纹区域的信号数量明显较多，表明随着含水率的增加，巴西劈裂试验下试样内部剪切裂纹逐渐减少，而张拉裂纹逐渐增多。

图  14  巴西劈裂下的RA-AF分布

Figure  14.  RA-AF distribution under Brazilian splitting

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4.4   直剪试验下微观破裂类型分析

花岗岩试样在直剪试验条件下声发射参数RA-AF的密度分布如图15所示。由图15可知，直剪试验下高密度区域的RA分布在0～240 ms/V区间，AF分布在0～150 kHz区间，RA-AF信号主要集中在剪切裂纹区域，张拉裂纹区域中的信号较少，即直剪试验下试样内部裂纹以剪切裂纹为主。对比不同含水状态试样可以发现，剪切裂纹区域信号在干燥状态试样内分布最多，张拉裂纹区域信号数量在不同含水状态下的变化不大，随着含水率的增加，试样剪切裂纹区域信号逐渐减少，表明随着含水率的增加，直剪试验下张拉裂纹所占比例逐渐增加，而剪切裂纹所占比例逐渐减少。

图  15  直剪试验下的RA-AF分布

Figure  15.  RA-AF distribution under direct shear test

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5.   结　论

(1) 水对花岗岩峰值强度以及变形参数的弱化作用明显。随着含水率的增加，单轴压缩下花岗岩试件的破坏模式由脆性破坏逐渐向延性破坏转变，花岗岩特征应力逐渐降低，但水对特征应力与峰值应力的比值的影响较小；随着含水率的增加，花岗岩的单轴抗压、抗拉、抗剪强度呈线性降低趋势，弹性模量随着含水率的增加而减小。

(2) 随着含水率的增加，花岗岩试样的声发射振铃计数逐渐降低；3种试验条件下花岗岩试样声发射振铃计数分布特征差异明显，单轴压缩下声发射振铃计数主要出现在加载后期，在峰值应力点处出现陡增现象；巴西劈裂条件下，整个加载过程中声发射振铃计数波动相对较小；剪切条件下花岗岩声发射振铃计数分布和单轴压缩下类似，但剪切条件下声发射振铃计数在应力-应变曲线出现应力降时呈阶梯型增长。

(3) 单轴压缩下试样内部出现张拉裂纹和剪切裂纹，在加载初期，张拉裂纹和剪切裂纹均有分布但剪切裂纹较多，随着加载的进行，剪切裂纹基本不变，张拉裂纹逐渐减少，临近破坏时，张拉裂纹增多；巴西劈裂下试样内部以张拉裂纹为主，剪切裂纹较少；直剪试验下试样内部以剪切裂纹为主，张拉裂纹较少；随着含水率的增加，3种试验条件下花岗岩试样内部的张拉裂纹增多，而剪切裂纹减少。