擾動(dòng)誘發(fā)高應(yīng)力卸荷巖體破壞特征實(shí)驗(yàn)研究

趙光明，劉崇巖，許文松，孟祥瑞

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

隨著地下工程建設(shè)深度的不斷增加，巖體受到高地應(yīng)力和深部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)等因素的多重作用[1]，使得巖體應(yīng)力集中現(xiàn)象日益突出，導(dǎo)致巷道圍巖在開挖卸荷后會(huì)發(fā)生擴(kuò)容現(xiàn)象或者支護(hù)失效，可能出現(xiàn)巖石劈裂、圍巖剝落、甚至巖爆災(zāi)害[2-3]。為了充分考慮開挖卸荷效應(yīng)，國內(nèi)外學(xué)者考慮到地下巖石的三軸受力作用，進(jìn)行了大量假設(shè)圍巖σ2=σ3的卸荷實(shí)驗(yàn)[4-5]，研究圍壓大小、卸荷方式、時(shí)機(jī)等諸多因素對(duì)卸荷過程中巖石力學(xué)特性和破壞特征的影響。因此，研究高應(yīng)力巖體開挖卸荷破壞機(jī)理是迫切需要的。但是常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)無法較準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜圍巖非等圍壓應(yīng)力狀態(tài)，真三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)彌補(bǔ)了這一缺陷，能較好地完成復(fù)雜應(yīng)力路徑變化過程，模擬出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程巷道開挖卸荷，圍巖由三向六面應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿蛭迕媸芰Φ膯蚊嫘逗蔂顟B(tài)。

中間主應(yīng)力是決定巖石破壞的重要因素之一，直接影響了巖體的破裂形式及承載能力[6-7]。LI等[8]開展了花崗巖、砂巖、灰?guī)r在不同應(yīng)力水平下的卸荷試驗(yàn)，研究了中間主應(yīng)力對(duì)巖石開裂模式的影響。DU等[9]通過雙軸加載得出中間主應(yīng)力大于20 MPa后，圍巖破裂模式開始轉(zhuǎn)變;宮鳳強(qiáng)、蘇國韶等[10-12]學(xué)者以鉆孔巖石來模擬具有結(jié)構(gòu)相似性的巷道圍巖，研究指出在宏觀上中間主應(yīng)力增強(qiáng)了圍巖承載能力，并且直接決定了圍巖的顆粒彈射烈度及劈裂程度。所以研究中間主應(yīng)力的變化對(duì)高應(yīng)力卸荷巖石破壞的影響很有必要。目前，針對(duì)真三軸應(yīng)力狀態(tài)，考慮到圍巖開挖卸荷，開展中間主應(yīng)力影響下高應(yīng)力單面卸荷巖體破壞模式的研究還需要完善。

在巷道開挖以后，圍巖體不只受到靜應(yīng)力的作用，還繼續(xù)受到由巷道開挖持續(xù)產(chǎn)生的動(dòng)載荷的影響[13]。圍巖在深部高應(yīng)力集中的情況下，擾動(dòng)可能誘發(fā)巖石發(fā)生宏觀破壞，或者改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，弱化巖石的承載能力[14]。相關(guān)學(xué)者使用真三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了擾動(dòng)荷載與靜載聯(lián)合作用下巖石破壞試驗(yàn)，在最大主應(yīng)力方向施加擾動(dòng)，改變擾動(dòng)頻率和振幅，發(fā)現(xiàn)循環(huán)擾動(dòng)輸入的大部分能量被耗散，從而降低了巖石的能量存儲(chǔ)能力和強(qiáng)度[15]，在巖石積聚足夠大的彈性能時(shí)，足夠載荷和適當(dāng)頻率的擾動(dòng)可以直接造成巖石破壞。考慮到真三軸應(yīng)力狀態(tài)的研究，主要是進(jìn)行了最大主應(yīng)力方向的擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)[16-17]，通過擾動(dòng)促使巖石破裂。而在圍巖開挖卸荷后，進(jìn)行高應(yīng)力巖體中間主應(yīng)力方向擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究有待開展。

因此，基于以上對(duì)現(xiàn)有研究的分析，筆者借助真三軸卸荷擾動(dòng)巖石測(cè)試系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，考慮圍巖開挖卸荷的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)單面卸荷實(shí)驗(yàn)，研究中間主應(yīng)力對(duì)單面卸荷巖石破壞的影響，分析σ2方向不同類型擾動(dòng)作用后卸荷巖石的力學(xué)特性，為高應(yīng)力卸荷巖體建設(shè)的穩(wěn)定性提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用自主研發(fā)的真三軸擾動(dòng)卸荷巖石測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示，其中，σX，σY，σZ分別為X，Y，Z方向載荷，σd為擾動(dòng)載荷。該實(shí)驗(yàn)機(jī)器可對(duì)巖石進(jìn)行三向六面加載，每個(gè)方向獨(dú)立控制，可分別進(jìn)行單軸、雙軸、真三軸、單面卸荷、動(dòng)靜耦合加載等實(shí)驗(yàn)。Z向可施加最大5 000 kN載荷，Y向和X向最大可施加3 000 kN載荷，在Y向和Z向加載頭中分別設(shè)計(jì)嵌入擾動(dòng)加載頭，擾動(dòng)頭沖擊幅值0～500 kN，頻率范圍0～50 Hz，可實(shí)現(xiàn)2個(gè)方向同時(shí)獨(dú)立擾動(dòng)加載。同時(shí)采用軟島DS5聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)卸荷巖石破壞過程，配合6個(gè)聲發(fā)射探頭采集信號(hào)，聲發(fā)探頭安裝如圖1所示，σX方向卸荷面和非卸荷面對(duì)稱各安裝3個(gè)探頭。為盡量減少噪音影響，門檻值設(shè)定40 dB，聲發(fā)射采樣頻率設(shè)定為1 kHz～1 MHz，聲發(fā)射信號(hào)分析軟件實(shí)時(shí)記錄AE事件、能量、振幅等參數(shù)。通過斷鉛實(shí)驗(yàn)對(duì)巖樣聲速進(jìn)行標(biāo)定，在聲發(fā)射探頭涂抹耦合劑，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。

圖1 真三軸擾動(dòng)卸荷巖石測(cè)試系統(tǒng)及試件安裝Fig.1 True triaxial disturbance and unloading rock testing system

1.2 試件制作

取圍巖單元體作為研究對(duì)象[13]，以強(qiáng)度較高的花崗巖作為實(shí)驗(yàn)材料，50 mm×100 mm的圓柱體單軸抗壓強(qiáng)度為220.96 MPa。為減少由于試件的離散性造成的實(shí)驗(yàn)誤差，在取石場(chǎng)選擇一塊較大的花崗巖進(jìn)行切割，加工成100 m×100 mm×200 mm的長(zhǎng)方體試件，保證試件的端面不平整度和不垂直度小于0.02 mm。測(cè)量出花崗巖的基本物理參數(shù)，密度2.64 g/cm3、縱波波速5 670 m/s、橫波波速3 541 m/s、孔隙率0.45%、泊松比0.27、彈性模量26.8 GPa。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

(1)不同中間主應(yīng)力單面卸荷實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)1)。在高應(yīng)力巷道開挖卸荷后，巖石從真三軸六面受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成單面卸荷的五面受力狀態(tài)，如圖2(a)所示，圍巖應(yīng)力重新調(diào)整平衡，自由面附近巖石可能會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)次生應(yīng)力超過巖石的承載能力時(shí)，巖體產(chǎn)生破壞。實(shí)驗(yàn)路徑如圖3所示。首先，加載σ1(Z向)到50 MPa，加載速率為15 MPa/min，在相同的時(shí)間內(nèi)加載σ2(Y側(cè)向)到預(yù)設(shè)的不同中間主應(yīng)力(10，15，20，30，40，50 MPa);以1.5 MPa/min速率加載σ3(X側(cè)向)到5 MPa，瞬時(shí)單面卸荷σ3;然后，以15 MPa/min加載速率持續(xù)增加σ1至試件失去承載能力破壞。

(2)擾動(dòng)誘發(fā)卸荷巖體破壞實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)2)。巷道開挖卸荷以后，工作面后方圍巖還會(huì)繼續(xù)受到來自掘進(jìn)工作面動(dòng)載荷的影響，如圖2(b)所示，本文探討中間主應(yīng)力方向擾動(dòng)對(duì)巖石破壞的影響，應(yīng)力路徑如圖4所示。與實(shí)驗(yàn)1相同在加載到初始圍壓時(shí)，進(jìn)行單面卸荷，將σ1加載到80%σs，保持σ1不變，σ2方向進(jìn)行擾動(dòng)后，再繼續(xù)增加σ1到巖石破壞。初始圍壓σ1=50 MPa，σ2=30 MPa,σ3=5 MPa，σs為在此圍壓條件實(shí)驗(yàn)1的峰值強(qiáng)度。參考總結(jié)前人研究，井下開挖和震動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng)頻率范圍為2～15 Hz[17-18]，認(rèn)為小于5%σs是小應(yīng)力幅值[18]，所以筆者選取擾動(dòng)頻率為2，8，15 Hz，幅值為1%σs，5%σs，10%σs。實(shí)驗(yàn)最終設(shè)置低頻高幅(2 Hz，19 MPa)、高頻低幅(15 Hz，1.9 MPa)、中頻中幅(8 Hz，9.5 MPa)3種擾動(dòng)模式。

2 不同中間主應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度特征

分析不同中間主應(yīng)力作用下，卸荷巖石強(qiáng)度特征，如表1和圖5所示。在初始圍壓加載階段，巖石裂隙被壓密，單面卸荷之前，應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率呈增大趨勢(shì)。在單面卸荷時(shí)不同中間主應(yīng)力巖石都出現(xiàn)了不同程度的軸向擴(kuò)容，應(yīng)變減小，在σ2<30 MPa時(shí)較為明顯，在σ2=50 MPa的高中間主應(yīng)力狀態(tài)下，擴(kuò)容量較小。

圖2 開挖卸荷及擾動(dòng)示意Fig.2 Diagram of excavation unloading and disturbance

圖3 不同中間主應(yīng)力單面卸荷實(shí)驗(yàn)路徑Fig.3 Single-sided unloading path with different intermediate principal stresses

圖4 擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力路徑Fig.4 Stress path of disturbance experiment

表1 不同中間主應(yīng)力卸荷初始應(yīng)力及峰值強(qiáng)度Table 1 Unloading initial stress and peak strength of different second principal stresses MPa

圖5 不同σ2應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of different σ2

中間主應(yīng)力較低時(shí)，單面卸荷后，巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線不光滑，而在σ2>30 MPa時(shí)，應(yīng)變與應(yīng)力有較好的相關(guān)性?？梢缘贸鲈谳^小的中間主應(yīng)力下，巖石的裂隙發(fā)育及擴(kuò)展有很大的不穩(wěn)定性，而在較大的中間主應(yīng)力作用下，應(yīng)力應(yīng)變曲線光滑，可以很好地提高巖石承載的穩(wěn)定性。并且隨著中間主應(yīng)力的增大，巖石的峰值強(qiáng)度增大，說明中間主應(yīng)力可以提高單面卸荷巖體對(duì)外載荷的承載能力。

一些學(xué)者指出隨著中間主應(yīng)力的增大，峰值強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，由上升變?yōu)橄陆?。SONG等[19]通過玻爾茲曼方程預(yù)測(cè)真三軸狀態(tài)下砂巖強(qiáng)度下降拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)中間主應(yīng)力約為120 MPa。由圖5峰值載荷趨勢(shì)可知，中間主應(yīng)力為50 MPa時(shí)，峰值載荷增加趨勢(shì)逐漸變緩。一定范圍中間主應(yīng)力限制了其垂直方向裂紋的擴(kuò)展，明顯地增強(qiáng)了巖石的承載能力，但是隨著中間主應(yīng)力的增加，由于卸荷自由面的存在，σ2開始加速了平行其方向的裂紋的發(fā)育成核，開始弱化巖石的承載能力，所以中間主應(yīng)力的增加可能會(huì)對(duì)單面卸荷后巖石的承載能力起到先增強(qiáng)后逐漸弱化的作用，合適的中間主應(yīng)力對(duì)工程巖體的穩(wěn)定至關(guān)重要。

2.2 不同中間主應(yīng)力卸荷巖石開裂的模式

圖6給出了不同中間主應(yīng)力卸荷巖石的破壞模式，圖6(a)～(f)為σ2=10～50 MPa巖石整體破壞;圖6(g)，(h)為卸荷巖石張拉層狀破壞;圖6(i)為現(xiàn)場(chǎng)大理巖層狀破壞[20];圖6(j)為圍巖板裂破壞[21]?？梢园l(fā)現(xiàn)明顯差異，在較低的中間主應(yīng)力作用下，卸荷面附近有明顯的平行卸荷面的宏觀裂紋，并發(fā)生層狀拉伸破壞如圖6(g)，(h)所示，與高應(yīng)力卸荷巖體現(xiàn)場(chǎng)情況及以往學(xué)者研究相似如圖6(i)，(j)所示。因?yàn)樵谳S向載荷的作用下，中間主應(yīng)力限制了巖石的Y向擴(kuò)張，巖石向卸荷面擴(kuò)容，產(chǎn)生由壓致拉的張性裂紋，形成明顯的破壞坑，但卸荷巖體最終還在遠(yuǎn)離卸荷面產(chǎn)生了斜剪切破裂面，整體呈現(xiàn)張拉-剪切破裂特征。σ2=30 MPa時(shí)，破壞后試件也形成了破壞坑，但是破壞坑寬度大，深度淺，裂紋呈現(xiàn)劈裂與剪切復(fù)合破壞。在較大的中間主應(yīng)力作用下，失去承載能力后的試件較完整，卸荷面整體破壞，巖板折斷，多條主破裂面近似平行于最大主應(yīng)力方向，呈劈裂破壞。

圖6 不同σ2卸荷巖石的破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of unloading rock with different σ2

聲發(fā)射波形特征通常被認(rèn)為是反映斷裂破壞模式的有效途徑。研究表明，聲發(fā)射參數(shù)中的RA值和平均頻率AF值可以反映材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂紋類型，RA值是上升時(shí)間和幅值的比值，而平均頻率AF則由振鈴計(jì)數(shù)和持續(xù)時(shí)間的比值獲得。一般來說，具有低AF、高RA值的聲發(fā)射信號(hào)通常代表剪切裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育，相反，若是高AF、低RA值則是張拉裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育[22]，花崗巖的裂縫分類的RA值與AF值的比例[17]通常設(shè)定為1∶80。繪制聲發(fā)射RA-AF的散點(diǎn)分布密度云圖如圖8所示，紅色區(qū)域?yàn)槊芏群诵膮^(qū)域，藍(lán)色區(qū)域?yàn)闊o數(shù)據(jù)分布區(qū)域，密度為0，由紅色過渡到藍(lán)色區(qū)域代表有一定量的數(shù)據(jù)，如圖7所示。

RA-AF的密度云圖呈三角區(qū)域，RA值較大時(shí)，AF值變化范圍越小。在較小的中間主應(yīng)力狀態(tài)下，信號(hào)點(diǎn)稀疏，核心密度不明顯，隨著中間主應(yīng)力的增大逐漸增多，核心密度區(qū)域逐漸變大，核心密度區(qū)靠近AF軸，由圖8的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，σ2=10，15 MPa張拉裂紋占據(jù)40.54%和41.21%，巖石整體破壞以剪切破裂為主。因?yàn)樾逗蓭r體自由面附近的巖石是由壓致拉裂而產(chǎn)生破壞坑的過程，但是在裂紋貫通后，由于裂紋具有彎曲和非對(duì)稱性特點(diǎn)，微裂隙界面會(huì)彼此相互移動(dòng)，會(huì)發(fā)生剪切摩擦，這也是卸荷面破壞坑也出現(xiàn)白色細(xì)小巖粉的原因。斜剪切破裂面貫通是最終導(dǎo)致卸荷巖石失去承載能力的主要原因，因此在較小的中間主應(yīng)力作用下，還是以剪切破裂為主。隨著σ2的增加，泊松效應(yīng)使得圍巖更容易發(fā)生劈裂破壞，剪切裂紋比例逐漸下降，張拉裂紋比例上升。在σ2=50 MPa時(shí)，剪切裂紋下降為25.68%，張拉裂紋占據(jù)了主要地位。隨著中間主應(yīng)力的增大，卸荷巖石的開裂模式由張拉-剪切破壞逐漸轉(zhuǎn)變成張拉-劈裂破壞，與巖石整體破壞形式基本相符。

2.3 巖石破壞過程的聲發(fā)射特征

中間主應(yīng)力會(huì)影響巖石的破壞過程，宮鳳強(qiáng)、LIU等[21-23]通過大量微縮實(shí)驗(yàn)得出巷道圍巖卸荷后，高應(yīng)力巖體會(huì)發(fā)生巖爆，洞壁破壞由平靜演變?yōu)樾☆w粒彈射、巖片剝落、劇烈破壞形成V型槽。蔣劍青、許文松等[24-25]通過對(duì)卸荷單元體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)破壞過程和結(jié)果與孔洞微縮實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)有一定的相似性。結(jié)合前人研究，分析單面卸荷條件下，巖石破壞過程聲發(fā)射特征。

σ2≤30 MPa時(shí)，巖石破壞聲發(fā)射特征為平靜到持續(xù)出現(xiàn)伴隨小幅突增、陡升高峰持續(xù)低峰、大幅突增破壞。卸荷面破壞形成明顯的V型破壞坑，主破壞面為明顯的斜剪破壞。結(jié)合本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以σ2=20 MPa進(jìn)行單面卸荷巖體破壞特征探討，如圖9所示。在單面卸荷之前，應(yīng)力水平較低，圍巖中原生裂隙閉合，巖石主要經(jīng)歷裂隙壓密階段，聲發(fā)射信號(hào)處于平靜期(Ⅰ)，累計(jì)能量增加較小，主要為能量積聚。單面卸荷后，經(jīng)歷了裂隙發(fā)育時(shí)期(Ⅱ)，聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)出現(xiàn)，幅值較小，振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)能量出現(xiàn)小幅突增，累計(jì)能量階梯式增長(zhǎng)，自由面小裂隙不斷發(fā)育成核，隨著軸向應(yīng)力的升高會(huì)發(fā)生小顆粒彈射，大部分能量在繼續(xù)積累。

圖9 σ2=20 MPa時(shí)巖石破壞及聲發(fā)射結(jié)果Fig.9 Rock failure and acoustic emission results when σ2=20 MPa

軸向應(yīng)力達(dá)到123.93 MPa以后，進(jìn)入發(fā)展期(Ⅲ)，聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)出現(xiàn)，振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)兩次較大的升降，且兩峰之間伴隨一段振鈴計(jì)數(shù)小幅值的振動(dòng)，累計(jì)能量小階梯增長(zhǎng)，可能是卸荷自由面發(fā)生兩次較大的彈射破壞，裂紋貫通后卸荷面巖板屈曲折斷，滑落，在一次巖爆后，聲發(fā)射信號(hào)明顯持續(xù)出現(xiàn)，卸荷面持續(xù)發(fā)育，應(yīng)力重新調(diào)整，當(dāng)能量再次積聚較大時(shí)，卸荷面再次出現(xiàn)較大的巖爆破壞，聲發(fā)射信號(hào)再次高幅值增加，而后突然降低，進(jìn)入一小段平靜期。軸向應(yīng)力增加到154.48 MPa后，聲發(fā)射信號(hào)再次出現(xiàn)，振鈴計(jì)數(shù)幅值較巖爆時(shí)低，呈多低峰狀態(tài)，伴隨累計(jì)能量不規(guī)律增長(zhǎng)，卸荷面經(jīng)歷巖爆后，應(yīng)力重新調(diào)整，新的自由面發(fā)生再次破壞，破壞坑持續(xù)加深，逐漸形成V型巖爆坑。

卸荷巖石在整體破壞前振鈴計(jì)數(shù)經(jīng)歷了一小段相對(duì)平靜期，累計(jì)能量斜率逐漸減小，與LIU等[23]研究孔洞整體破壞前破壞活動(dòng)減弱，聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)較低相似，最終剪切破裂面在較短的破壞階段(Ⅳ)貫通，卸荷巖石整體失去承載能力。

σ2>30 MPa時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)歷了平靜、持續(xù)出現(xiàn)、多低峰、持續(xù)升高、突增破壞。卸荷面破壞未形成明顯的破壞坑，主破壞面基本平行于最大主應(yīng)力方向，呈劈裂狀。以中間主應(yīng)力為50 MPa為例進(jìn)行分析，如圖10所示，在卸荷之前經(jīng)歷平靜期(Ⅰ)，聲發(fā)射斷續(xù)出現(xiàn)，累計(jì)能量基本沒有變化。卸荷后進(jìn)入裂隙發(fā)育期(Ⅱ)，聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)出現(xiàn)，但振鈴計(jì)數(shù)較低，累計(jì)能量上升較小，巖石彈性能不斷積累。在軸向應(yīng)力到達(dá)137.85 MPa后，在發(fā)展期(Ⅲ)，振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)多次集中小幅陡增，累計(jì)能量線性增長(zhǎng)，卸荷面發(fā)生破壞，能量小幅釋放，與較低中間主應(yīng)力不同未發(fā)生較大的破壞，沒有發(fā)生振鈴計(jì)數(shù)及累計(jì)能量的陡升。當(dāng)軸向應(yīng)力升高為216.75 MPa左右時(shí)，聲發(fā)射經(jīng)歷了一小段平靜期，隨后振鈴計(jì)數(shù)持續(xù)出現(xiàn)，峰值逐漸升高，伴隨高密度陡升，信號(hào)峰值間隔時(shí)間較短，累計(jì)能量持續(xù)迅速升高。軸向應(yīng)力加載到253.20 MPa后進(jìn)入破壞階段(Ⅳ)，振鈴計(jì)數(shù)大幅突升，裂隙融合貫通，主破裂面逐漸形成，巖石發(fā)生集中破壞，能量大幅釋放，巖石承載能力不斷弱化，最終發(fā)生破壞。

圖10 σ2=50 MPa時(shí)巖石破壞及聲發(fā)射結(jié)果Fig.10 Rock failure and acoustic emission results when σ2=50 MPa

3 擾動(dòng)誘發(fā)卸荷巖石破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 強(qiáng)度特征

表2和圖11給出了單面卸荷后不同擾動(dòng)類型參數(shù)及應(yīng)力應(yīng)變曲線，在靜載荷加載階段，加載到152.81 MPa時(shí)，3種耦合荷載作用下的力學(xué)行為與靜荷載作用下的較為相似，都經(jīng)歷了非線性壓實(shí)行為，線性彈性行為，經(jīng)過動(dòng)力擾動(dòng)后，經(jīng)歷了非線性破壞階段，3種卸荷巖石的變形和強(qiáng)度都有明顯的差異。

表2 不同擾動(dòng)類型及峰值強(qiáng)度Table 2 Different disturbance types and peak intensity

圖11 擾動(dòng)卸荷巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.11 Stress-strain curves of disturbed unloading rock

巖石經(jīng)過低頻高幅、中頻中幅、高頻低幅擾動(dòng)后對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度分別為189.47，180.91，185.65 MPa。說明低頻高幅擾動(dòng)對(duì)卸荷巖石的損傷較小，中頻中幅對(duì)卸荷巖石承載能力產(chǎn)生的影響最大。由圖11可知，擾動(dòng)前應(yīng)變差異較小，擾動(dòng)點(diǎn)到應(yīng)力跌落的σ1方向應(yīng)變差值分別為5.61×10-3，3.05×10-3，5.20×10-3，低頻高幅擾動(dòng)后巖體應(yīng)變差值最大，中頻中幅產(chǎn)生的應(yīng)變差值最小，擾動(dòng)前σ2方向擴(kuò)容較小，擾動(dòng)后σ2方向應(yīng)力-應(yīng)變表現(xiàn)為非線性擴(kuò)容，σ2方向應(yīng)變差值分別為1.50×10-3，1.22×10-3，1.32×10-3。

對(duì)巖石的承載能力的損傷為中頻中幅>高頻低幅>低頻高幅。低頻高幅擾動(dòng)沒有充分誘發(fā)巖石內(nèi)部裂隙的發(fā)育，所以軸向壓縮，側(cè)向擴(kuò)容，產(chǎn)生足夠的應(yīng)變才能造成內(nèi)部裂紋貫通，發(fā)生巖石破壞。而中頻中幅更強(qiáng)烈地促進(jìn)卸荷巖體內(nèi)裂紋的擴(kuò)展、成核，試件主要向卸荷面破壞，所以較小的σ1和σ2方向應(yīng)變就使得內(nèi)部裂紋貫通形成破裂面。適當(dāng)?shù)念l率和振幅耦合對(duì)卸荷巖體的損傷更大。

3.2 擾動(dòng)卸荷巖石的分形特征

為分析中間主應(yīng)力方向擾動(dòng)后卸荷巖石的力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，明確擾動(dòng)影響后破碎塊體分布特征，將試件的碎屑采用篩分法進(jìn)行處理[26]，篩分尺寸分別為0～0.5，0.5～1.0，1.0～2.5，2.5～5.0，5.0～10，10～20，20～40，40～70，70～100 mm，共9個(gè)粒級(jí)，統(tǒng)計(jì)不同擾動(dòng)后試件各粒級(jí)的質(zhì)量占比，篩分碎塊的分布情況如圖12所示，在篩選后放入10 mm的黑色方塊作為參考物。

圖12 15 Hz，1.9 MPa擾動(dòng)碎屑分布Fig.12 Disturbance debris distribution of 15 Hz,1.9 MPa

碎屑分形維數(shù)D的計(jì)算可以采用碎屑的質(zhì)量-等效邊長(zhǎng)計(jì)算，由分形理論[27]可知

M(r)/M=(r/a)k

(1)

lg(M(r)/M)=klg(r/a)

(2)

D=3-k

(3)

式中，M為計(jì)算尺度內(nèi)碎屑總質(zhì)量;M(r)為小于等效邊長(zhǎng)r的碎屑質(zhì)量;a為碎屑平均尺寸;k為lg(M(r)/M)-lgr雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下擬合曲線的斜率值，由此可計(jì)算出卸荷巖石破碎后的分形維數(shù)。

在計(jì)算結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn)，碎屑在70～100 mm質(zhì)量較高數(shù)據(jù)較離散，影響擬合斜率，相關(guān)性系數(shù)小于0.8。學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)碎屑的自相似性并不一定在整個(gè)塊度范圍內(nèi)存在[28]。因此本文選擇通過70 mm以內(nèi)碎屑計(jì)算分形維數(shù)，圖13為卸荷巖石碎塊lg(M(r)/M)-lgr曲線。

圖13 巖石碎塊lg(M(r)/M)與lg r曲線Fig.13 Rock fragments lg(M(r)/M) with lg r curves

低頻高幅、中頻中幅、高頻低幅分形維數(shù)分別為2.548，2.689，2.583，碎屑的分形維數(shù)能反映試件的破壞程度，分形維數(shù)越大，碎屑破碎程度越高。中頻中幅擾動(dòng)作用后，分形維數(shù)最大，表明大碎屑減少，碎屑質(zhì)量趨于相近。低頻高幅擾動(dòng)后分形維數(shù)最小，碎塊破碎程度低，表明中頻中幅擾動(dòng)后的卸荷巖石更加破碎，擾動(dòng)后加載過程中內(nèi)部裂紋發(fā)育越充分，從另一方面說明適當(dāng)?shù)念l率和振幅耦合對(duì)卸荷巖體的損傷更大。

3.3 擾動(dòng)卸荷巖石的開裂機(jī)制

中間主應(yīng)力方向擾動(dòng)后卸荷巖石的破裂形態(tài)如圖14所示，圖14中紅色為貫通裂隙，藍(lán)色為未完全貫通裂紋，由于中間主應(yīng)力限制了Y方向的裂隙擴(kuò)展，所以在軸向應(yīng)力的增大下破裂面平行中間主應(yīng)力。在低頻高幅的擾動(dòng)作用后，卸荷面破裂較少，附近巖板整體剝落，局部層狀破裂，沒有形成明顯的V型破裂坑，整體發(fā)展形成近似共軛X剪切破裂，裂隙發(fā)育不充分，與其分形維數(shù)研究破碎程度低的結(jié)果吻合。說明低頻高幅對(duì)巖石的損傷最小，由前文分析可知大裂紋在低頻高幅擾動(dòng)后最多，但由于頻率較低，沒有激發(fā)小裂紋的形成。

圖14 擾動(dòng)作用后巖石破裂形態(tài)Fig.14 Rock fracture shape after disturbance

中頻中幅擾動(dòng)后，卸荷面形成明顯V型破壞坑，其破壞分形維數(shù)最大，破壞坑中巖石破壞以小尺寸較多，破壞過程中出現(xiàn)的小裂隙較多，在遠(yuǎn)離卸荷面發(fā)現(xiàn)小裂紋較少，裂紋之間相互連通。表明中頻中幅不僅加速了約束力小的卸荷面附近小裂紋的發(fā)育成核，同時(shí)也加速了大裂紋之間的連接貫通。

高頻低幅擾動(dòng)后，卸荷巖石自由面附近形成較小的V型破壞坑，由于張拉作用形成明顯劈裂厚巖板，并且遠(yuǎn)離卸荷面裂隙發(fā)育也較為明顯，存在兩條近似平行最大主應(yīng)力方向的未完全貫通裂紋，裂紋之間沒有明顯連接貫通，整體呈現(xiàn)近似劈裂-剪切復(fù)合破壞。高頻低幅加速了小裂紋形成與成核，但是由于擾動(dòng)幅度小，裂隙未充分發(fā)展連通，所以存在裂紋較多，但破裂面未完全貫通。

4 討 論

4.1 中間主應(yīng)力對(duì)圍巖破壞的影響

學(xué)者們通過實(shí)驗(yàn)得出真三軸狀態(tài)下中間主應(yīng)力可以增強(qiáng)巖石強(qiáng)度[11-12,19]，有利于圍巖強(qiáng)度的提高，本文也同樣利用高應(yīng)力花崗巖得出了一定范圍內(nèi)，中間主應(yīng)力的增大強(qiáng)化了巖石的承載能力。從微觀角度分析，中間主應(yīng)力不僅限制了垂直σ2方向裂紋的產(chǎn)生，也壓密巖石內(nèi)部裂隙。但中間主應(yīng)力超過一定范圍，會(huì)促進(jìn)微裂紋的發(fā)展，巖石儲(chǔ)存更多的彈性能，一旦裂隙開始擴(kuò)展貫通，對(duì)巖石的破壞反而起到促進(jìn)作用，如3.2節(jié)中相比于σ2=20 MPa，σ2=50 MPa卸荷巖石在發(fā)展階段前期大破裂較少，在后期振鈴計(jì)數(shù)密集且逐漸增大，表明應(yīng)力集中較高時(shí)，高σ2會(huì)促進(jìn)巖石釋放更多能量，加劇破壞。針對(duì)高應(yīng)力花崗巖真三軸應(yīng)力狀態(tài)，馮夏庭等[29-30]得出σ2=150 MPa后，巖石峰值強(qiáng)度略微下降，在σ2=50 MPa時(shí)，峰值強(qiáng)度增幅逐漸減緩，文獻(xiàn)[19]研究發(fā)現(xiàn)砂巖在σ2=40 MPa時(shí)增幅減緩，預(yù)測(cè)在σ2=120 MPa左右出現(xiàn)下降拐點(diǎn)。雖然在工程巖體設(shè)計(jì)時(shí)中間主應(yīng)力一般小于120 MPa，基本不會(huì)出現(xiàn)直接弱化圍巖的強(qiáng)度，但也不能簡(jiǎn)單增加σ2從而增強(qiáng)圍巖承載能力，還要綜合考慮σ2的增大會(huì)加劇巖石破壞時(shí)的劇烈程度，增大了二次支護(hù)難度和事故發(fā)生時(shí)的損害程度等。

4.2 擾動(dòng)弱化巖石卸荷巖體承載能力

工程中大多數(shù)弱擾動(dòng)沒有直接促進(jìn)圍巖破壞，而是弱化了巖石的承載能力，靜應(yīng)力和擾動(dòng)對(duì)卸荷巖體的破壞作用不同，靜載荷主要是積累初始損傷，擾動(dòng)為輸入額外的能量，促進(jìn)裂紋的發(fā)育成核與破裂面的貫通，并誘發(fā)新的損傷。李夕兵、SINGH等對(duì)爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波進(jìn)行了研究和簡(jiǎn)化[31-32,17]，如圖15所示，在距離震源一定距離后，以單元體進(jìn)行分析時(shí)，地震波隨著距離增加由低頻高幅演變?yōu)楦哳l低幅，所以本文選擇了3種特殊擾動(dòng)波。σ0為擾動(dòng)前的應(yīng)力狀態(tài)，R0為炮孔半徑。3種擾動(dòng)對(duì)卸荷巖體的損傷弱化結(jié)果為中頻中幅>高頻低幅>低頻高幅，表明位置離擾動(dòng)源距離小時(shí)的損傷反而最小，這也可能是巷道圍巖破壞一般發(fā)生在距離工作面一段距離后的原因之一。

筆者等[33]通過實(shí)驗(yàn)指出相同條件下，越大的擾動(dòng)幅度和幅值，對(duì)巖石破裂的影響越大，并且通過本文得出擾動(dòng)對(duì)圍巖的影響往往是頻率和振幅耦合作用的結(jié)果。從能量角度考慮，幅值越大，擾動(dòng)對(duì)巖石輸入的能量越高，才能激活巖石大裂紋發(fā)展。若擾動(dòng)頻率較低，擾動(dòng)能量無法以較快的速率輸入到卸荷巖石中，能量沒有持續(xù)積累，所以適當(dāng)頻率和幅度組合，對(duì)卸荷巖石持續(xù)輸入能量，巖石積累的能量最多，對(duì)巖石的損傷更大。在工程建設(shè)時(shí)，不能單一地通過改變炮孔密度和直徑等參數(shù)改變擾動(dòng)的頻率或幅值，從而減少爆破和機(jī)械等對(duì)圍巖的擾動(dòng)。礦井開挖過程中的擾動(dòng)作用是持續(xù)不斷的，在需要分析圍巖承載能力的弱點(diǎn)時(shí)，也需要考慮擾動(dòng)因素，如圖15所示，在距離大于150R0以后區(qū)域，尋找和分析中頻中幅擾動(dòng)位置，這段圍巖中的裂隙發(fā)育貫通比較充分，需要重點(diǎn)關(guān)注。

5 結(jié) 論

(1)單面卸荷時(shí)，卸荷巖石會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)容回彈現(xiàn)象;在一定范圍內(nèi)，隨著中間主應(yīng)力的增大，卸荷巖石的穩(wěn)定性和峰值強(qiáng)度都有所增強(qiáng)，但較大的中間主應(yīng)力會(huì)逐漸弱化巖石的承載能力。隨著中間主應(yīng)力的增大，卸荷面V型破壞坑減小，剪切破裂比例減小，張拉破裂比例增加，卸荷巖石的開裂模式由張拉-剪切破壞逐漸轉(zhuǎn)變成張拉-劈裂破壞，與巖石整體破壞形式基本相符。

(2)不同中間主應(yīng)力影響下，卸荷巖石聲發(fā)射演化出現(xiàn)明顯差異，在σ2≤30 MPa時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)歷了平靜、持續(xù)出現(xiàn)伴隨小幅突增、陡升高峰、持續(xù)低峰、大幅突增破壞;在σ2>30 MPa時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)歷了平靜、持續(xù)出現(xiàn)、多低峰、持續(xù)升高、突增破壞。

(3)擾動(dòng)作用后，中頻中幅分形維數(shù)最大，表明大碎屑減少，碎屑質(zhì)量趨于相近;低頻高幅分形維數(shù)最小，碎塊破碎程度低;中頻中幅擾動(dòng)后的卸荷巖石更加破碎，擾動(dòng)作用后加載過程中內(nèi)部裂紋發(fā)育越充分;對(duì)巖石的承載能力的損傷為中頻中幅>高頻低幅>低頻高幅。

(4)不同擾動(dòng)類型作用后破壞差異明顯，低頻高幅的擾動(dòng)作用后，卸荷巖石沒有形成明顯的V型破裂坑，但促進(jìn)大裂紋的產(chǎn)生，由于頻率較低，沒有激發(fā)小裂紋的形成;高頻低幅擾動(dòng)后卸荷面形成較小的V型破壞坑，加速了小裂紋形成與成核，但是由于擾動(dòng)幅度小，裂隙未充分發(fā)展連通;中頻中幅擾動(dòng)后卸荷面形成明顯V型破壞坑，不僅加速了約束力小的卸荷面附近小裂紋的發(fā)育成核，同時(shí)也加速了大裂紋之間的連接貫通。

(5)工程建設(shè)時(shí)，不能簡(jiǎn)單增加σ2從而增強(qiáng)圍巖承載能力，還要綜合考慮σ2的增大會(huì)加劇巖石破壞時(shí)的劇烈程度。適當(dāng)頻率和幅度組合，對(duì)巖石的損傷更大，不能單一地通過改變炮孔密度和直徑等參數(shù)改變擾動(dòng)的頻率或幅值，從而減少爆破和機(jī)械等對(duì)圍巖的擾動(dòng)。