變質(zhì)砂巖卸圍壓破壞特征試驗(yàn)研究

盧自立， 鄧 拓， 劉文浩， 邱漢杰， 王光壯 ， 汪華斌

(1．廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620；2．湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068；3．華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

變質(zhì)砂巖卸圍壓破壞特征試驗(yàn)研究

盧自立1， 鄧 拓2， 劉文浩1， 邱漢杰1， 王光壯3， 汪華斌3

(1．廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620；2．湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068；3．華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

山嶺隧道工程高地應(yīng)力巖爆現(xiàn)象的發(fā)生受多種因素的影響，其中巖石卸圍壓過程中的破壞特性是其重要的判別標(biāo)志之一。本文結(jié)合二廣高速公路茅田界隧道隧址變質(zhì)砂巖常規(guī)三軸試驗(yàn)不同圍壓條件下峰前卸圍壓試驗(yàn)，開展巖石破壞的全過程實(shí)驗(yàn)研究，并結(jié)合破裂過程的聲發(fā)射特征探討了巖石的變形破壞特征，初步分析了卸載破壞誘發(fā)巖爆機(jī)理基本特征。研究結(jié)果表明：隨著圍壓不斷的增加，變質(zhì)砂巖變形特性表現(xiàn)出低圍壓下的脆性向高圍壓下塑性的轉(zhuǎn)換，說明圍壓的增加抑制了巖樣的破壞，提高了巖樣的承載能力。在相同圍壓條件下，較快的卸載速率使巖樣破壞時(shí)釋放的能量更小，說明巖樣破壞前所能儲(chǔ)存的極限儲(chǔ)存能更少，這樣巖爆就會(huì)更容易發(fā)生。此外，變質(zhì)砂巖破壞初期是以張性破壞為主，峰前卸圍壓，高地應(yīng)力下變質(zhì)砂巖表現(xiàn)出張剪性破壞特征，且?guī)r樣表現(xiàn)出的脆性隨圍壓強(qiáng)度增大而減小。

三軸試驗(yàn)； 卸荷過程； 聲發(fā)射； 破壞特征

巖爆是地下工程開挖卸載發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象，而地下工程開挖是一個(gè)復(fù)雜的卸荷過程，圍巖在復(fù)雜應(yīng)力路徑下的力學(xué)性能和破壞機(jī)制的研究已經(jīng)受到了工程界的廣泛重視[1]。但是，由于巖爆預(yù)測問題極為復(fù)雜，目前對(duì)巖爆發(fā)生條件以及形成機(jī)理存在許多未統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，具有代表性的理論有能量理論、強(qiáng)度理論、剛度理論、動(dòng)力擾動(dòng)理論和斷裂損傷理論等[2～5]。此外，數(shù)值模擬技術(shù)和應(yīng)用數(shù)學(xué)等方法在巖爆預(yù)測預(yù)報(bào)中得到了廣泛的應(yīng)用和推廣[6～9]。眾所周知，地下工程開挖卸荷條件下，巖石的變形破壞特征在一定程度上決定高地應(yīng)力區(qū)巖爆產(chǎn)生的條件和方式[10,11]。因此，加強(qiáng)復(fù)雜卸荷條件下巖體破壞機(jī)制和巖爆預(yù)測的研究都具有十分重要的意義。

在二廣高速公路連州段茅田界隧址區(qū)內(nèi)，隧道地層巖性主要為加里東期花崗閃長巖及其風(fēng)化層以及震旦系大紺山組變質(zhì)砂巖、板巖及其風(fēng)化層。微風(fēng)化花崗閃長巖、變質(zhì)砂巖、板巖強(qiáng)度較高，總體較完整，局部較破碎；結(jié)合勘察資料分析，標(biāo)高429.33～347.4 m深度內(nèi)最大水平主應(yīng)力值為12.38～16.84 MPa，微風(fēng)化變質(zhì)砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為70 MPa。按照公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，初步判定本隧道圍巖初始地應(yīng)力為高應(yīng)力區(qū)(埋深大于116 m)，本隧道范圍存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，有發(fā)生巖爆的可能。

本文以茅田界隧道巖爆預(yù)測工作為研究背景，對(duì)茅田界隧道內(nèi)變質(zhì)砂巖進(jìn)行了常規(guī)三軸試驗(yàn)下不同圍壓的峰前卸圍壓試驗(yàn)，進(jìn)行聲發(fā)射特征分析并研究其破壞后的變形特性。

1 變質(zhì)砂巖三軸卸圍壓試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用試樣取自茅田界隧道深埋地段的變質(zhì)砂巖。為了減少試驗(yàn)結(jié)果的離散性，盡量采用從一個(gè)大的巖塊上密集套鉆的方法來獲取巖石試件，并加工成高度約100 mm，直徑約50 mm的圓柱體試件。

1.2 試驗(yàn)方案

為研究變質(zhì)砂巖在不同圍壓下的峰值強(qiáng)度，通過不同圍壓的常規(guī)三軸試驗(yàn)確定峰值強(qiáng)度，然后開展峰前卸圍壓試驗(yàn)。過程如下：首先選取三組事先預(yù)制好的巖樣，分別以0.1 MPa/s的速率加載圍壓至預(yù)定值，分別是8、16、32 MPa。同時(shí)，加載軸壓至接近峰值強(qiáng)度后，保持軸壓不變，分別以0.1 MPa/s和0.2 MPa/s的速率緩慢卸載圍壓，直至試件破壞。試驗(yàn)過程中一直記錄變質(zhì)砂巖破裂形成的不同階段聲發(fā)射特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 峰前卸圍壓

在本次實(shí)驗(yàn)中，考慮圍壓為8、16、32 MPa的情況下，軸壓保持不變，分別以0.1 MPa/s和0.2 MPa/s的速率卸圍壓，獲取的軸向應(yīng)變和應(yīng)力之間的關(guān)系如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 軸壓不變峰前卸圍壓曲線(圍壓8 MPa)

圖2 軸壓不變峰前卸圍壓曲線(圍壓16 MPa)

圖3 軸壓不變峰前卸圍壓曲線(圍壓32 MPa)

在圍壓為8 MPa和卸荷速率分別為0.1、0.2 MPa/s的情況下，從圖1可以清楚地發(fā)現(xiàn)卸圍壓速率越快，應(yīng)力反應(yīng)相對(duì)來說較為靈敏。同樣，其他圍壓條件下卸荷試驗(yàn)結(jié)果可以表明：如果保持軸壓不變的時(shí)間越短暫，卸圍壓過快會(huì)使巖樣內(nèi)能量更快地釋放，而破壞也會(huì)更迅速。

此外，從圖1、圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)如下共同規(guī)律：在低圍壓下，巖樣能承載的應(yīng)力相對(duì)較小，表現(xiàn)出比較明顯的脆性特性；加載時(shí)，隨著圍壓的增加，巖樣的屈服應(yīng)力也隨之提高，塑性變形逐漸增大，其變形特性表現(xiàn)出低圍壓下的脆性向高圍壓下塑性的轉(zhuǎn)換，說明圍壓的增加抑制了巖樣的破壞，提高了巖樣的承載能力。

2.2 聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)

圖4 不同圍壓下卸荷速率為0.1 MPa/s的 聲發(fā)射次數(shù)特征

本文試驗(yàn)結(jié)果表明：變質(zhì)砂巖在試驗(yàn)過程中，在低圍壓下軸壓應(yīng)力的增長速率明顯大于其他圍壓下的增長速率。當(dāng)軸壓達(dá)到峰值強(qiáng)度后，如果保持軸壓不變?cè)倬徛遁d圍壓，我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)力急劇下降并逐漸平緩，巖樣發(fā)生破壞并伴隨清脆的破裂響聲。從圖4我們不難發(fā)現(xiàn)：在圍壓為8 MPa和32 MPa、卸荷速率為0.1 MPa/s的情況下，巖樣發(fā)生破碎，聲發(fā)射參數(shù)急劇增加到0.18，而在16MPa的圍壓下，隨著應(yīng)變的增加，聲發(fā)射參數(shù)僅維持在0.06，巖樣沒有發(fā)生破碎。

此外，在卸荷速率為0.2 MPa/s的情況下，只在圍壓高的條件下巖樣發(fā)生破碎，并伴隨著清脆的響聲(圖5)。隨著卸圍壓速率的增加，巖樣破壞的現(xiàn)象并不是特別顯著。

一般情況下，巖樣在卸載破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生清脆的破裂響聲，說明有能量的釋放。因而，結(jié)合巖石試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射特征從能量的角度可以在一定程度上分析巖爆現(xiàn)象的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，圍壓對(duì)巖樣破壞前的極限儲(chǔ)存能有很大的影響，如果在相同的卸載速率下，通過常規(guī)加載條件下卸圍壓，巖樣的極限儲(chǔ)存能幾乎成線性形態(tài)，說明巖樣破壞所需的能量有一定規(guī)律可循：在相同圍壓下，較快的卸載速率使巖樣破壞時(shí)釋放的能量更小，說明巖樣破壞前所能儲(chǔ)存的極限儲(chǔ)存能更少，這樣巖爆就會(huì)更容易發(fā)生。所以，不同的卸載速率對(duì)應(yīng)不同的極限能量值，卸載速率越快，巖石的極限儲(chǔ)存能越小。

2.3 破壞特征分析

圖7～9是本次試驗(yàn)過程中獲取的巖石試樣典型破壞形式，綜合對(duì)比分析可知：

(1)如圖7所示，巖樣在8 MPa圍壓的卸荷狀態(tài)下，受到軸向應(yīng)力影響較大，均發(fā)生與軸向基本平行的張性破裂，試驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)破壞時(shí)可聽到巖樣內(nèi)部發(fā)出清脆的破裂聲。

(2)如圖8所示，在16 MPa圍壓下巖樣試驗(yàn)過程中形成除主剪切面之外還存在少量的局部剪切破壞面現(xiàn)象，并且?guī)r樣存在一定數(shù)量與軸向斜交的劈裂面，巖樣表現(xiàn)出張剪性破壞的特征。

圖5 不同圍壓下卸荷速率為0.2MPa/s的 聲發(fā)射次數(shù)特征

圖6 不同卸載速率下能量與圍壓擬合線

圖7 圍壓8 MPa下巖石試樣破壞形式

圖8 圍壓16 MPa下巖石試樣破壞形式

(3)如圖9所示，隨著圍壓繼續(xù)增大，巖樣卸荷破壞的張剪性破裂角逐漸增大，破裂性質(zhì)也逐漸向剪切破壞過渡，破裂面相當(dāng)明顯，破壞時(shí)能夠聽到巖樣內(nèi)部迸發(fā)出劇烈的破裂聲。

圖9 圍壓32 MPa下巖石試樣破壞形式

3 結(jié) 論

(1)在低圍壓下，變質(zhì)砂巖脆性十分明顯。而在高圍壓下，巖石峰前卸圍壓的脆性并不明顯，巖石有由脆性向塑性轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。說明圍壓的增加抑制了巖石的破壞，提高了巖石的承載能力。

(2)在相同的卸載速率下，變質(zhì)砂巖的極限儲(chǔ)存能幾乎成線性形態(tài)，說明巖石破壞所需的能量在一定條件下有一定的規(guī)律可循；而在相同圍壓下，不同的卸載速率對(duì)應(yīng)不同的極限能量值，卸載速率越快，巖石的極限儲(chǔ)存能越小。

(3)變質(zhì)砂巖破壞初期是以張性破壞為主，在峰值強(qiáng)度后卸荷破壞多表現(xiàn)出張剪性破裂的特征。

[1] 徐林生，王蘭生，李天斌. 國內(nèi)外巖爆研究現(xiàn)狀綜述[J]. 長江科學(xué)院院報(bào)，1999，16(4)：24-27.

[2] 羅先啟, 舒茂修. 巖爆的動(dòng)力斷裂判據(jù)-D判據(jù)[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1996，7(2)：1-5.

[3] 潘 岳，王志強(qiáng). 圓形硐室?guī)r爆的折迭突變模型[J]. 巖土力學(xué)，2005，26(2)：175-181.

[4] 謝和平，彭瑞東，鞠 楊. 巖石變形破壞過程中的能量耗散分析仁[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(21)：3565-3570.

[5] 謝和平，W G Pariseau. 巖爆的分形特征和機(jī)理[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1993，12(1)：28-37.

[6] 蔡美峰，王金安，王雙紅. 玲瓏金礦深部開采巖體能量分析與巖爆綜合預(yù)測[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20(1)：38-42.

[7] 王 斌，李夕兵，馬春德，等. 基于三維地應(yīng)力測量的巖爆預(yù)測問題研究[J]. 巖土力學(xué)，2011，32(3)：849-854.

[8] 趙延喜，李 浩. 基于斷裂力學(xué)及隨機(jī)有限元的隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 長江科學(xué)院院報(bào)，2011，28(6)：59-62 .

[9] 王元漢, 李臥東, 李啟光，等. 巖爆預(yù)測的模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判方法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1998，17(5)：493-501.

[10]尤明慶，華安增. 巖石試樣的三軸卸圍壓試驗(yàn)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1998，17(1)：24-29.

[11]張黎明，王在泉，賀俊征，等. 卸荷條件下巖爆機(jī)理的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(s1)：4769-4773.

Testing on Unloading Confining Pressure for Characteristics of the Metamorphic Sandstone

LUZi-li1,DENGTuo2,LIUWen-hao1,QIUHan-jie1,WANGGuang-zhuang3,WANGHua-bin3

(1.Guangdong Provincial Changda Highway Engineering Co Ltd, Guangzhou 510620, China；2.School of Civil Engineering and Architecture, Hubei University of Technology,Wuhan 430068, China； 3.School of Civil Engineering and Mechanics,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Rock burst is a dynamic phenomenon and can be induced by multiple factors in excavation unloading of underground engineering. The process of unloading confining pressure can identify the characteristics of rock fracture. Based on the analysis of actual stress states on surrounding rocks, conventional triaxial and different unloading confining stress tests were conducted after the peak strength of metamorphic sandstones in the Maotianjie tunnel site of the ErGuang highway. The process of rock failure was studied with the monitoring of acoustic emission, while characteristics of rock fracture were analyzed in case of rock bursting. The experiment results show that brittle facture can be identified in a lower confining pressure, and the plastic deformation was the main feature after the increasing of confining pressures. It can be concluded that the capacity of metamorphic sandstone was increased due to the increasing of confining pressures. Meanwhile, a rapid unloading rate can make less energy released for rock fracture, which can induce the occurrence of rock bursting. Furthermore, the metamorphic sandstone can be presented as tensile shear failure in case of a high earth stress if the confining pressure was unloaded after the peak strength, and the brittleness can decrease with the increasing of confining pressures.

triaxial test; unloading process; acoustic emission; failure characteristic

2014-04-09

2014-07-27

盧自立(1974-), 男， 廣東英德人, 高級(jí)工程師, 研究方向?yàn)楣饭こ淌┕づc管理(Email:gdluzili@163.com)

TU425

A

2095-0985(2014)04-0029-04