高地應(yīng)力區(qū)巖爆巖石卸圍壓試驗研究

0將荷載作用和位移作用結(jié)合起來試驗研究在高應(yīng)力條件下，由于開挖擾動，硬和脆弱的巖體內(nèi)部的彈性適應(yīng)性迅速釋放，巖石熔斷、爆炸和破碎引起的能源災(zāi)害。過去對巖爆的巖石力學(xué)試驗研究一般都采用加荷試驗方式,這與巖爆發(fā)生時的應(yīng)力過程并不吻合,實際工程巖體在開挖過程中既有卸壓也有加壓,將加卸壓過程同時結(jié)合起來開展試驗研究,其研究成果會更有指導(dǎo)意義。巖體卸載和加載條件是兩種完全不同的應(yīng)力路徑,巖體表現(xiàn)出的力學(xué)特性亦有著本質(zhì)區(qū)別。隨著巖石力學(xué)研究的深入,人們越來越重視研究巖體在實際狀態(tài)下的變形與破壞,巖石卸載條件下變形破壞的試驗研究己取得較大進展[10,11,12,13,14,15,16]。本文以花崗巖為研究對象,開展不同圍壓、不同卸載速率條件下峰前和峰后卸圍壓試驗,研究其卸圍壓的強度和變形特性并進行聲發(fā)射特征分析。1三軸壓壓試驗1.1ts電液伺服控制剛性載荷本試驗采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所的MTS電液伺服控制剛性試驗機。聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)采用DISP聲發(fā)射測試系統(tǒng),該系統(tǒng)可對聲發(fā)射事件自動計數(shù)、存儲,實現(xiàn)聲發(fā)射的實時監(jiān)測。1.2峰前卸圍壓試驗為研究花崗巖在不同圍壓下的峰值強度,首先通過不同圍壓的常規(guī)三軸試驗確定峰值強度,再開展峰前卸圍壓試驗,包括以下3種形式:(1)軸壓σ1不變,以0.1MPa/s和0.5MPa/s的速率卸圍壓σ3;(2)卸圍壓σ3的同時以不同速率增加軸壓σ1;(3)保持軸向變形不變卸圍壓。2試驗結(jié)果2.1圍壓對巖樣的影響(1)σ1不變,不同卸載速率卸圍壓σ3軸壓不變,卸圍壓速率下0.1MPa/s和0.5MPa/s下的試驗結(jié)果如圖1和2。從卸圍壓一開始環(huán)向應(yīng)變就急劇增大,其增長速率明顯大于軸向應(yīng)變增長速率,表現(xiàn)為明顯的擴容。當圍壓卸到一定值時,σ1急劇下降,巖樣破壞時還產(chǎn)生清脆的破裂響聲,呈現(xiàn)比較強烈的脆性特征。在卸圍壓的初始階段,巖樣的環(huán)向變形增加緩慢,且環(huán)向變形和圍壓基本上呈線性關(guān)系,這表明此時巖樣的環(huán)向變形是彈性變形,還未出現(xiàn)不可恢復(fù)的塑性變形(圖3)。隨著圍壓的繼續(xù)降低,環(huán)向變形急劇增加,巖樣出現(xiàn)不可恢復(fù)的環(huán)向塑性變形,試件內(nèi)部的裂紋開始擴展、連通,最終形成一個貫通的裂紋而破壞。(2)卸圍壓σ3,σ1增加卸圍壓速率下0.1MPa/s和0.5MPa/s時,卸圍壓增加軸壓的試驗結(jié)果見圖4和5,當圍壓卸到一定值時,σ1急劇下降,說明巖樣突然失去承載能力,且破壞幾乎是瞬時發(fā)生的;巖樣破壞時產(chǎn)生清脆的破裂響聲。比保持σ1不變卸圍壓破壞更加強烈,且σ3的最終卸載值大于保持σ1不變的最終值,說明增加σ1更容易發(fā)生破壞,這與隧道開挖洞壁處σ3減小、σ1增加相類似,極容易發(fā)生巖爆。(3)保持軸向位移不變卸圍壓從圖6和7可以看出在卸圍壓的初始階段,巖樣的環(huán)向變形增加不大,且環(huán)向變形和圍壓基本上呈線性關(guān)系,表明巖樣的環(huán)向變形基本上是彈性變形。隨著圍壓的降低,巖樣環(huán)向出現(xiàn)塑性變形。卸圍壓過程軸向應(yīng)力的變化明顯偏離直線,巖樣的軸向應(yīng)力σ1由于圍壓的降低而不斷降低,巖樣強度降低(圖8)。當圍壓降低使其軸向應(yīng)力低于巖樣實際承載的軸向應(yīng)力時,巖樣發(fā)生破壞,發(fā)生大幅度的應(yīng)力降。如圖9所示,說明圍壓對軸向承載能力的影響是很顯著的。常規(guī)三軸加載后保持位移不變卸圍壓,試驗機不再對巖樣壓縮作功,巖樣的破壞是通過自身儲存的彈性變形能釋放來實現(xiàn)的。處于三軸應(yīng)力狀態(tài)的工程巖體,某一方向的應(yīng)力突然降低,造成巖石在較低應(yīng)力狀態(tài)下破壞,那么巖石實際能夠吸收的能量是很小的,原巖儲存的彈性應(yīng)變能將對外釋放。這就是說,如果對巖體缺少有效的支護(相當于圍壓),那么原巖釋放的能量將轉(zhuǎn)換為破裂巖塊的動能,進而可能引起沖擊或巖爆。2.2檢測結(jié)果分析峰后卸圍壓試驗典型應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖10~12所示。試驗結(jié)果表明:圍壓越大,在保持σ1-σ3不變的情況下,卸圍壓后軸向應(yīng)變曲線越接近于水平,說明圍壓越大,巖石卸圍壓后脆性越不明顯。卸圍壓之前,試樣就已出現(xiàn)側(cè)向擴容,卸圍壓使得巖樣側(cè)向膨脹加速,產(chǎn)生顯著的體積膨脹效應(yīng)。說明試樣內(nèi)部已出現(xiàn)較明顯的破裂面,使內(nèi)部能量得以初步釋放。這也是圍壓越大,巖石峰后卸圍壓脆性越不明顯的原因。在卸圍壓之前,軸向變形已發(fā)生塑性變形,其應(yīng)力應(yīng)變曲線亦不如峰前卸圍壓試驗?zāi)菢臃浅＝朴诶硐霃棿嘈阅Ｐ?隨著圍壓的增大,這種現(xiàn)象愈加明顯。以峰前卸圍壓與峰后卸圍壓(圍壓都是40MPa、卸載速率為0.1MPa/s)聲發(fā)射對比,如圖13所示。峰前卸圍壓在卸載前聲發(fā)射能量數(shù)很小,在破壞時突然增加,巖石試樣表現(xiàn)為明顯的脆性破壞;峰后卸圍壓試驗中,由于卸載前試樣已經(jīng)達到峰值強度,此時試樣已經(jīng)出現(xiàn)破裂面,聲發(fā)射能量數(shù)變大,卸載后最終破壞時能量數(shù)并沒有明顯增加,脆性破壞特征沒有峰前卸圍壓強烈。試驗結(jié)束后把巖樣從橡膠密封套中取出時可以看到試樣表面附近有卸荷剝落的張性落片,這說明峰后卸圍壓過程中卸荷時試樣己出現(xiàn)較為明顯的破裂面,巖樣破壞不如峰前卸圍壓那么劇烈,如圖14所示,這是由于已出現(xiàn)的破裂區(qū)使試樣所儲存能量有所釋放的結(jié)果,雖然巖樣存在一個貫穿整個巖樣的主剪切破壞面,但多數(shù)巖樣除主剪切面之外還存在少量的局部剪切破壞面,并且?guī)r樣沿軸向存在相當數(shù)量的平行于軸向應(yīng)力口方向的劈裂面,試樣表現(xiàn)出張剪性破壞的特征。從圖15中可以看出,峰后卸圍壓巖樣破壞時的軸向應(yīng)力與圍壓之間近似成線性關(guān)系,且峰前卸圍壓回歸直線的斜率大于峰后卸圍壓回歸直線斜率,這說明峰后卸圍壓過程圍壓對軸向承載能力的影響不如峰前卸圍壓敏感。3將剝離的“能量”轉(zhuǎn)換為爆破,引起巖爆地下隧道在開挖卸荷過程中,隧道周邊圍巖的徑向應(yīng)力被卸除,應(yīng)力發(fā)生重分布。當調(diào)整后的應(yīng)力狀態(tài)達到巖體極限狀態(tài)時,巖體發(fā)生破壞。如果成巷時模型內(nèi)部的應(yīng)力水平較高,巖體的破壞表現(xiàn)出較高的脆性,卸荷作用使得巖體的承載力快速的下降。由此,巖體內(nèi)部各種因素的相互作用促使巖體的卸荷時表現(xiàn)出了潰決式破壞,導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。處于三軸應(yīng)力狀態(tài)下的工程巖體如果某一方向的應(yīng)力突然降低,造成巖石在較低應(yīng)力狀態(tài)下破壞,巖石實際能夠吸收的能量是很小的,原巖儲存的彈性應(yīng)變能將對外釋放。如果對巖體缺少有效的支護(相當于圍壓),釋放的能量將轉(zhuǎn)換為破裂巖塊的動能,進而可能引起巖爆。由上述巖爆機制分析可知,隧道開挖后,巖體破壞初期是以張性破壞為主,隨后發(fā)生剪切,剩余能量則以彈射方式釋放。根據(jù)以往現(xiàn)場巖爆觀測資料,結(jié)合室內(nèi)三軸卸圍壓巖石力學(xué)試驗,認為巖爆發(fā)生過程是能量積聚–釋放的過程,據(jù)此可分為:能量積聚、微裂紋形成與擴展、裂紋貫通與爆裂。(1)能量積聚隧道開挖前,巖體在三向應(yīng)力平衡狀態(tài)下,處于“壓密”狀態(tài),儲存有大量的彈性應(yīng)變能。隧道開挖,巖體徑向應(yīng)力解除、巖體徑向約束減小,巖體沿徑向方向向隧道內(nèi)發(fā)生移動,但由于圍巖二次應(yīng)力分異,尤其是切向應(yīng)力增加,以及圍巖沿徑向向隧道發(fā)生位移的約束端應(yīng)力集中,局部能量增加。(2)微裂紋形成與擴展巖石內(nèi)部存在大量的微缺陷,由于開挖卸荷,圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布,在裂紋的尖端應(yīng)力發(fā)生高度集中,當尖端的集中應(yīng)力大于巖石的臨界破壞強度,微裂紋擴展,同時釋放應(yīng)變能,當釋放出來的彈性應(yīng)變能大于形成新的微裂紋所需的能量,微裂紋發(fā)生不穩(wěn)定擴展。隨著微裂紋的不斷擴展以及形成新的微裂紋,鄰近微裂紋相互連接貫通。鄰近微裂紋相互貫通,形成宏觀上的裂紋。(3)裂紋貫通裂紋不斷擴展增大,最后貫穿。巖爆發(fā)生,剩余的彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為動能,使破裂的巖塊以剝落、拋擲、彈射等不同的運動方式脫離母體。另外,巖爆的發(fā)生與卸圍壓的速率密切相關(guān)。地下洞室開挖時,一次開挖的進度愈大,釋放的能量也愈大;開挖的速率愈高,能量釋放速率也愈高。尤其當開挖面前方接近變形不連續(xù)面時,開挖面與變形不連續(xù)面之間的應(yīng)力更加集中,應(yīng)變能大量聚集在兩者之間,圍巖應(yīng)變能將增加,而其極限存儲能卻降低,此時,稍有不慎就可能導(dǎo)致開挖面與變形不連續(xù)面之間的巖石破碎,甚至向外拋出,形成巖爆。因此通過調(diào)整施工速度,比如減少一次開挖的進度,或者采用合理的施工步驟,可以減緩或降低巖爆的發(fā)生。4考慮強度的擴(1)卸圍壓更容易導(dǎo)致巖石發(fā)生破裂,其破壞程度也更為強烈,且?guī)r樣破壞表現(xiàn)出的脆性峰前卸圍壓比峰后卸圍壓更強烈。(2)巖樣加載破壞是吸收試驗機的能量,而卸圍壓破壞無論是峰前還是峰后卸圍壓,試件都是通過自身釋放能量實現(xiàn)的,并且卸載破壞巖樣釋放的能力小于加載破壞巖樣儲存的能量。(3)卸圍壓速率較快時,裂隙的傳播和應(yīng)力的轉(zhuǎn)移不充分,最終承載能力越大,但由于能量得不到充分的釋放,在破壞時釋放的能量越大,脆性破壞越明顯,破壞強度越大。在地下工程的施工開挖過程中,可以通過調(diào)整施工速度,控制圍巖的位移來減緩或降低巖爆的發(fā)生。(4)增加σ1