大理巖單軸壓縮時滯性破壞的試驗研究

楊艷霜，周 輝，張傳慶，張 凱，晏 飛

（中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071）

1 引 言

大量的工程實踐表明：在深埋地下巖石工程的開挖過程中，巖爆是多發(fā)的工程災害，且大多表現(xiàn)出明顯的時滯性，即大部分巖爆并不是隨開挖而即時發(fā)生，而是會滯后開挖一段時間。如我國天生橋、太平驛、二灘等大型水電站引水隧洞的巖爆一般在爆破開挖后的一定時間段內(nèi)發(fā)生，巖爆高發(fā)區(qū)一般距離掌子面2～50 m[1]。對錦屏二級水電站A和B輔助洞巖爆的統(tǒng)計分析顯示，巖爆多發(fā)生在距掌子面6～20 m的范圍內(nèi)，掌子面開挖后的5～45 h是巖爆發(fā)生的高峰期，在掌子面開挖65 h甚至更長時間也發(fā)生過多次強度較大的巖爆。可見，“時滯性”是巖爆這種時間滯后現(xiàn)象的普遍規(guī)律和內(nèi)在本質(zhì)。

關于巖爆時間效應的研究，目前更多地還是在于通過試驗和現(xiàn)場的實際巖爆案例分析來試圖認識這一現(xiàn)象的機制。李江騰等[2]采用位移松弛法對試件進行亞臨界裂紋擴展試驗，通過分析得到了亞臨界裂紋擴展的停滯速度和門檻值，為巖石穩(wěn)定的時間相依性研究提供了基本數(shù)據(jù)；一些學者從大量的巖爆案例中發(fā)現(xiàn)了巖爆時間效應的存在[3－5]。近年來，關于巖爆滯后效應的理論研究也取得了一些積極的進展，徐曾和等[6]指出，巖爆滯后是由于控制參數(shù)變化需要經(jīng)過一段時間才能滿足分岔集方程所致，并導出了巖爆最大可能滯后時間。總的來看，目前對于巖爆時滯性機制和規(guī)律的認識尚不充分。因此，本文針對深埋地下巖石工程圍巖發(fā)生時滯性巖爆的實際應力特征，開展錦屏二級水電站大理巖單軸壓縮時滯性破壞試驗研究，從而為深入認識巖爆的時滯性機制提供借鑒，并為建立時滯性巖爆的預測方法提供啟示。

2 試驗方法

目前關于巖爆的室內(nèi)試驗一般集中在對巖爆的物理模擬方面。Wang[7]等采用位移控制方式進行了巖爆傾向性評估。馮濤等[8]對閃長玢巖和粉砂巖的峰值載荷后的松弛試驗，認為應力松弛條件下巖石斷裂達到穩(wěn)定平衡所需時間與松弛應力成正比，應力松弛越慢，巖爆傾向越嚴重。徐文勝等[9]認為，巖爆模擬材料要求單軸抗壓強度 Rc與抗拉強度 Rt的比值較小，以及有較大的彈性能量指數(shù) Wet。徐林生[10]采用卸荷三軸試驗方法，探討了巖爆巖石的變形破壞特征問題。楊健等[11]采用單向和三向應力狀態(tài)下的巖石聲發(fā)射測試技術，對不同巖性巖石的巖爆的聲發(fā)射特征進行了系統(tǒng)的試驗研究。何滿潮等[12]研制了巖爆模擬試驗系統(tǒng)，并針對巖石的開挖卸荷過程進行模擬，并提出了巖爆的板狀裂化模型（如圖1所示）。

圖1 巖爆板狀裂化模型[12]Fig.1 Plate structure evolutionary models of rock burst[12]

深埋隧洞開挖后，發(fā)生時滯性巖爆的區(qū)域一般位于洞壁一定深度的圍巖中（如圖1所示），而在此區(qū)域內(nèi)，由于開挖卸荷作用，圍巖往往近似處于一維或二維應力狀態(tài)。因此，為了反映這種應力狀態(tài)的主要特征，將采用單軸壓縮試驗來進行時滯性破壞研究。

本文針對錦屏二級水電站 T2y5大理巖開展試驗，根據(jù)彈性波速接近的原則在50塊備選巖樣中選取若干巖樣用于試驗。試驗方法如下：

（1）進行錦屏大理巖的常規(guī)單軸壓縮試驗5塊，以了解該巖樣的單軸抗壓強度，指導時滯性單軸壓縮試驗并與之對比；

（2）采用應力控制方式對大理巖巖樣加載至如圖2所示的A點，保持加載應力σr不變（σr是選定的一個低于峰值σc的應力值），直至達到C點發(fā)生破壞（如圖2所示）。在這里σr是一個探索值，根據(jù)巖樣在試驗中的具體表現(xiàn)有所調(diào)整。

圖2 時滯性試驗加載曲線示意圖Fig.2 Sketch for loading path of the time-lag compressive test

試驗設備采用中國科學院武漢巖土力學研究所自主研制的RMT-150C電液伺服剛性試驗機，該設備可進行單軸、三軸、間接拉伸及剪切試驗，并且可跟蹤記錄荷載、應力和應變的大小。

3 試驗結果分析

3.1 大理巖常規(guī)單軸壓縮試驗特征

在巖石常規(guī)單軸試驗中，巖樣的破壞形態(tài)有如下特點：①巖樣的破壞具有明顯的剪切破裂面，如圖3所示；②巖樣破壞產(chǎn)生的碎屑較少，巖樣一般破裂成數(shù)塊。

圖3 常規(guī)單軸壓縮試驗破壞形態(tài)Fig.3 Failure of samples under uniaxial compressive test

常規(guī)單軸壓縮試驗的應力-應變曲線如圖 4所示，具有如下特點：①巖樣一般呈脆性破壞，應力峰值后應力迅速跌落；②在應力峰值點處巖樣的軸向應變一般大于其環(huán)向應變。

圖4 常規(guī)單軸壓縮試驗全應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves under uniaxial compressive test

另外，在常規(guī)單軸壓縮實驗中，巖樣在應力峰值點處裂紋迅速擴展，巖樣發(fā)生宏觀破壞的時間很短，一般只有數(shù)秒（如表1所列）。這里的時間是指巖樣從最大應力（應力峰值點）直至完全破壞所經(jīng)歷的時間。

表1 常規(guī)單軸壓縮試驗破壞時間統(tǒng)計Table 1 Failure durations under uniaxial compressive test

3.2 時滯性單軸壓縮試驗的時間效應

如表2所示，4塊巖樣中有2塊比較完整，但均在試驗中表現(xiàn)出較明顯的時滯性。特別是較完整的巖樣1-2-1，在91.3 MPa的軸壓下保持11.1 min發(fā)生破裂。可見，時滯性與巖樣本身的完整程度有關，與最終加載應力接近該巖樣的峰值應力值有關。

表2 巖樣時滯性破壞時間Table 2 Failure durations in time-lag uniaxial compressive test

3.3 大理巖時滯性單軸壓縮破壞特征

3.3.1 時滯性單軸壓縮試驗的宏觀破壞特征

在時滯性單軸壓縮試驗中，巖樣的宏觀破裂形態(tài)與常規(guī)單軸壓縮試驗明顯不同：在常規(guī)的單軸壓縮試驗中，巖樣的破壞一般沿著剪切面破壞，并且剪切破壞面一般與軸向成一定的角度；而在時滯性單軸壓縮試驗中，巖樣破壞產(chǎn)生的裂紋大都沿軸向擴展，并不呈現(xiàn)出大塊的破壞，而是碎裂成許多相對較薄的片狀和大量的片狀碎屑，并且?guī)r樣宏觀上表現(xiàn)出明顯的側向膨脹。巖石時滯性單軸壓縮試驗所表現(xiàn)出的上述宏觀破壞特征與現(xiàn)場時滯性巖爆的巖石破壞特征是非常相似的。

以巖樣1-2-1為例（如圖5(b)所示），試驗前巖樣表面無明顯裂紋，在加壓至91.4 MPa并保持此加載應力11.1 min后巖樣發(fā)生破壞，巖樣破壞的時間效應明顯，其破壞形成大量的豎向裂紋和大量片狀碎屑，巖樣側向膨脹明顯，其破壞形態(tài)與常規(guī)單軸壓縮破壞的形態(tài)（如圖5(a)所示）顯著不同。

圖5 常規(guī)單軸破壞與時滯性單軸破壞巖樣對比圖Fig.5 Comparison of failure modes under time-lag uniaxial compressive test and traditional uniaxial compressive test

3.3.2 時滯性單軸試驗片狀碎屑的形成機制

在單軸壓縮或側向應力比較小的條件下（與實際巖爆的應力特征類似），巖樣的破壞形態(tài)主要以形成平行于最大主應力或與最大主應力成一定角度的宏觀裂紋為主。在常規(guī)單軸試驗條件下，由于一個或少數(shù)幾個主導性裂紋擴展速度極快，因此，在眾多裂紋還未充分擴展的情況下，整個巖樣即破壞成數(shù)塊。而在單軸時滯性壓縮破壞條件下，由于大量的裂紋在相對較低的單軸應力狀態(tài)下（相對于常規(guī)單軸壓縮的峰值應力）有充分的時間緩慢擴展，因此，最終除了形成一個或少數(shù)幾個主導性宏觀裂紋以外，同時也會形成眾多與最大主應力成一定角度的、不同尺度的次生裂紋，從而在整個巖樣中分裂成大量的片狀碎屑。

例如，巖樣 1-1-7在試驗過程中并不是突然的破壞，首先在巖樣的表層有了片狀的翹起，翹起的同時有清脆的咔嚓聲，同時巖樣表面不斷生成豎向裂紋，從翹起到裂紋擴展孕育的階段持續(xù)了近1 min，最后在沿著貫穿巖樣的主要裂紋面突然破壞。巖樣在加載的最高值停留時間約2.1 min，時滯性和過程性均表現(xiàn)明顯。巖石破壞的形式如圖6所示，標注部分是巖樣完全破壞前的翹起區(qū)域。

圖6 時滯性單軸壓縮破壞試驗巖樣1-1-7Fig.6 The failure of sample No. 1-7-1 in time-lag uniaxial compressive test

3.4 大理巖時滯性單軸壓縮試驗的應力應變特征

3.4.1 應力-應變曲線

大理巖時滯性單軸壓縮試驗的應力-應變曲線形態(tài)與常規(guī)單軸壓縮試驗明顯不同，存在一段“平穩(wěn)的變形擴展段”，即在應力不變的條件下，巖樣的軸向應變、側向應變和體積應變都在不斷發(fā)展演化，如圖7～10所示。

圖7 試樣1-1-6的全應力-應變曲線Fig.7 Stress-strain curves of sample No.1-1-6

圖8 試樣1-1-7的全應力-應變曲線Fig.8 Stress-strain curves of sample No.1-1-7

圖9 試樣1-1-8的全應力-應變曲線Fig.9 Stress-strain curves of sample No.1-1-8

圖10 試樣1-2-1的全應力-應變曲線Fig.10 Stress-strain curves of sample No.1-2-1

3.4.2 變形特征分析

通過與常規(guī)單軸壓縮試驗的應力-應變曲線比較可以發(fā)現(xiàn)，在時滯性單軸壓縮破壞時，巖樣的環(huán)向應變和體積應變的發(fā)展更為充分，表3所列為不同巖樣在破壞時的應變值對比。

由表3和圖7～10中的應力-應變曲線可以發(fā)現(xiàn)：

表3 巖石在破壞時的應變值對比Table 3 The contrast of strains under different conditions

（1）與常規(guī)單軸壓縮試驗不同，時滯性單軸壓縮試驗中巖樣無明顯的“應力峰值點”，而是經(jīng)歷了一段應力不變而應變增加的階段后才發(fā)生整體破壞。

（2）時滯性單軸壓縮破壞時，巖樣的環(huán)向應變一般大于其軸向應變，而在常規(guī)單軸壓縮試驗中恰好相反。

（3）在時滯性單軸壓縮破壞時，巖樣的環(huán)向應變一般大于常規(guī)單軸壓縮破壞時的環(huán)向應變值。

3.4.3 大理巖時滯性破壞與蠕變的區(qū)別

圖11為典型蠕變的應變-時間曲線。從曲線形態(tài)上來看，蠕變分為初始蠕變階段、等速蠕變階段和加速蠕變階段。

圖11 巖石蠕變階段曲線Fig.11 Phase curve of rock creep

圖12～15為時滯性單軸壓縮試驗的應變-時間曲線，由圖中可以發(fā)現(xiàn)，時滯性單軸壓縮試驗與傳統(tǒng)的巖石蠕變曲線類似，基本上都可以劃分成“3個階段”，但二者存在以下幾個方面的顯著區(qū)別：①傳統(tǒng)的蠕變試驗中，加速蠕變的應力值往往明顯低于巖石常規(guī)試驗的峰值應力；而在巖爆時滯性中，發(fā)生時滯性破壞的應力值非常接近于巖石常規(guī)試驗的峰值應力。②蠕變試驗的時間一般會持續(xù)較長的時間，而時滯性破壞的時間相對要短得多，且二者的“第 3階段”時間-應變曲線形態(tài)也有著較大的不同（如圖12～15所示）。這主要是由于巖石蠕變導致破壞是由晶體的滑移錯位引起的，而巖石時滯性破壞主要是豎向裂紋的劈裂張開所導致的。

3.5 巖樣破壞能量分析

在巖爆過程中，總是伴隨著能量的釋放，在不斷加載過程中，巖樣本身不斷累計彈性能的同時，巖樣內(nèi)的塑性應變、維持裂紋表面的張力以及其他因素也在不斷地耗散能量。巖石的時滯性破壞必然是由于能量的耗散速度遠遠低于累積速度才會導致的一種劇烈釋放方式。

圖12 巖樣1-1-6的軸向應變-時間曲線Fig.12 Uniaxial strain-time curves of sample No. 1-1-6

圖13 巖樣1-1-7的軸向應變-時間曲線Fig.13 Uniaxial strain-time curves of sample No. 1-1-7

圖14 巖樣1-1-8的軸向應變-時間曲線Fig.14 Uniaxial strain-time curves of sample No. 1-1-8

圖15 巖樣1-2-1的軸向應變-時間曲線Fig.15 Uniaxial strain-time curves of sample No. 1-2-1

在本次試驗中，時滯性單軸壓縮試驗的破壞表現(xiàn)出的破壞強度一般大于常規(guī)單軸試驗中的巖樣破壞。圖16顯示的是巖樣1-1-8破壞后實驗臺上的情景，巖樣爆裂成數(shù)塊較大的片狀碎塊，在試驗機上沾滿了巖樣碎裂后的白色粉末，巖石的碎塊彈射出了試驗機，并且?guī)r樣下部厚厚的不銹鋼墊塊被巖樣破壞釋放的能量彈出其固定槽。

圖16 巖樣1-1-8時滯性單軸壓縮試驗破壞情況Fig.16 The failure of rock sample No. 1-1-8 in time-lag uniaxial compressive experiment

4 結 論

（1）常規(guī)單軸試驗巖樣一般以達峰值后3 s左右破壞；而時滯性試驗中，巖樣基本都能保持2 min以上，甚至有的超過11 min。這說明巖石的破壞行為表現(xiàn)出明顯的時滯性。

（2）在常規(guī)的單軸試驗中，巖樣的破壞一般沿著剪切面破壞，并且剪切破壞面一般與軸向成一定的角度；而在時滯性單軸壓縮試驗中，巖樣破壞產(chǎn)生的裂紋大都沿軸向擴展，并不呈現(xiàn)出大塊的破壞，而是碎裂成許多相對較薄的片狀和大量的片狀碎屑。

（3）巖石破壞的時滯性與其環(huán)向應變充分發(fā)展有關，時滯性試驗的環(huán)向應變一般大于其自身的軸向應變，且大于常規(guī)單軸壓縮試驗破壞時的環(huán)向應變。

（4）當巖樣的環(huán)向應變開始接近并超過軸向應變時，發(fā)生破壞的幾率將大大提高。

巖爆時滯性機制是一個非常復雜的問題，本文的試驗研究還是初步的，復雜應力條件下硬脆性巖石破壞行為的時滯性特征將在后續(xù)研究中進一步深化。

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