高地应力区岩爆岩石卸围压试验研究

高地应力区岩爆岩石卸围压试验研究

0将荷载作用和位移作用结合起来试验研究在高应力条件下，由于开挖扰动，硬和脆弱的岩体内部的弹性适应性迅速释放，岩石熔断、爆炸和破碎引起的能源灾害。过去对岩爆的岩石力学试验研究一般都采用加荷试验方式,这与岩爆发生时的应力过程并不吻合,实际工程岩体在开挖过程中既有卸压也有加压,将加卸压过程同时结合起来开展试验研究,其研究成果会更有指导意义。岩体卸载和加载条件是两种完全不同的应力路径,岩体表现出的力学特性亦有着本质区别。随着岩石力学研究的深入,人们越来越重视研究岩体在实际状态下的变形与破坏,岩石卸载条件下变形破坏的试验研究己取得较大进展[10,11,12,13,14,15,16]。本文以花岗岩为研究对象,开展不同围压、不同卸载速率条件下峰前和峰后卸围压试验,研究其卸围压的强度和变形特性并进行声发射特征分析。1三轴压压试验1.1ts电液伺服控制刚性载荷本试验采用中国科学院武汉岩土力学研究所的MTS电液伺服控制刚性试验机。声发射信号采集系统采用DISP声发射测试系统,该系统可对声发射事件自动计数、存储,实现声发射的实时监测。1.2峰前卸围压试验为研究花岗岩在不同围压下的峰值强度,首先通过不同围压的常规三轴试验确定峰值强度,再开展峰前卸围压试验,包括以下3种形式:(1)轴压σ1不变,以0.1MPa/s和0.5MPa/s的速率卸围压σ3;(2)卸围压σ3的同时以不同速率增加轴压σ1;(3)保持轴向变形不变卸围压。2试验结果2.1围压对岩样的影响(1)σ1不变,不同卸载速率卸围压σ3轴压不变,卸围压速率下0.1MPa/s和0.5MPa/s下的试验结果如图1和2。从卸围压一开始环向应变就急剧增大,其增长速率明显大于轴向应变增长速率,表现为明显的扩容。当围压卸到一定值时,σ1急剧下降,岩样破坏时还产生清脆的破裂响声,呈现比较强烈的脆性特征。在卸围压的初始阶段,岩样的环向变形增加缓慢,且环向变形和围压基本上呈线性关系,这表明此时岩样的环向变形是弹性变形,还未出现不可恢复的塑性变形(图3)。随着围压的继续降低,环向变形急剧增加,岩样出现不可恢复的环向塑性变形,试件内部的裂纹开始扩展、连通,最终形成一个贯通的裂纹而破坏。(2)卸围压σ3,σ1增加卸围压速率下0.1MPa/s和0.5MPa/s时,卸围压增加轴压的试验结果见图4和5,当围压卸到一定值时,σ1急剧下降,说明岩样突然失去承载能力,且破坏几乎是瞬时发生的;岩样破坏时产生清脆的破裂响声。比保持σ1不变卸围压破坏更加强烈,且σ3的最终卸载值大于保持σ1不变的最终值,说明增加σ1更容易发生破坏,这与隧道开挖洞壁处σ3减小、σ1增加相类似,极容易发生岩爆。(3)保持轴向位移不变卸围压从图6和7可以看出在卸围压的初始阶段,岩样的环向变形增加不大,且环向变形和围压基本上呈线性关系,表明岩样的环向变形基本上是弹性变形。随着围压的降低,岩样环向出现塑性变形。卸围压过程轴向应力的变化明显偏离直线,岩样的轴向应力σ1由于围压的降低而不断降低,岩样强度降低(图8)。当围压降低使其轴向应力低于岩样实际承载的轴向应力时,岩样发生破坏,发生大幅度的应力降。如图9所示,说明围压对轴向承载能力的影响是很显著的。常规三轴加载后保持位移不变卸围压,试验机不再对岩样压缩作功,岩样的破坏是通过自身储存的弹性变形能释放来实现的。处于三轴应力状态的工程岩体,某一方向的应力突然降低,造成岩石在较低应力状态下破坏,那么岩石实际能够吸收的能量是很小的,原岩储存的弹性应变能将对外释放。这就是说,如果对岩体缺少有效的支护(相当于围压),那么原岩释放的能量将转换为破裂岩块的动能,进而可能引起冲击或岩爆。2.2检测结果分析峰后卸围压试验典型应力应变关系曲线如图10~12所示。试验结果表明:围压越大,在保持σ1-σ3不变的情况下,卸围压后轴向应变曲线越接近于水平,说明围压越大,岩石卸围压后脆性越不明显。卸围压之前,试样就已出现侧向扩容,卸围压使得岩样侧向膨胀加速,产生显著的体积膨胀效应。说明试样内部已出现较明显的破裂面,使内部能量得以初步释放。这也是围压越大,岩石峰后卸围压脆性越不明显的原因。在卸围压之前,轴向变形已发生塑性变形,其应力应变曲线亦不如峰前卸围压试验那样非常近似于理想弹脆性模型,随着围压的增大,这种现象愈加明显。以峰前卸围压与峰后卸围压(围压都是40MPa、卸载速率为0.1MPa/s)声发射对比,如图13所示。峰前卸围压在卸载前声发射能量数很小,在破坏时突然增加,岩石试样表现为明显的脆性破坏;峰后卸围压试验中,由于卸载前试样已经达到峰值强度,此时试样已经出现破裂面,声发射能量数变大,卸载后最终破坏时能量数并没有明显增加,脆性破坏特征没有峰前卸围压强烈。试验结束后把岩样从橡胶密封套中取出时可以看到试样表面附近有卸荷剥落的张性落片,这说明峰后卸围压过程中卸荷时试样己出现较为明显的破裂面,岩样破坏不如峰前卸围压那么剧烈,如图14所示,这是由于已出现的破裂区使试样所储存能量有所释放的结果,虽然岩样存在一个贯穿整个岩样的主剪切破坏面,但多数岩样除主剪切面之外还存在少量的局部剪切破坏面,并且岩样沿轴向存在相当数量的平行于轴向应力口方向的劈裂面,试样表现出张剪性破坏的特征。从图15中可以看出,峰后卸围压岩样破坏时的轴向应力与围压之间近似成线性关系,且峰前卸围压回归直线的斜率大于峰后卸围压回归直线斜率,这说明峰后卸围压过程围压对轴向承载能力的影响不如峰前卸围压敏感。3将剥离的“能量”转换为爆破,引起岩爆地下隧道在开挖卸荷过程中,隧道周边围岩的径向应力被卸除,应力发生重分布。当调整后的应力状态达到岩体极限状态时,岩体发生破坏。如果成巷时模型内部的应力水平较高,岩体的破坏表现出较高的脆性,卸荷作用使得岩体的承载力快速的下降。由此,岩体内部各种因素的相互作用促使岩体的卸荷时表现出了溃决式破坏,导致岩爆的发生。处于三轴应力状态下的工程岩体如果某一方向的应力突然降低,造成岩石在较低应力状态下破坏,岩石实际能够吸收的能量是很小的,原岩储存的弹性应变能将对外释放。如果对岩体缺少有效的支护(相当于围压),释放的能量将转换为破裂岩块的动能,进而可能引起岩爆。由上述岩爆机制分析可知,隧道开挖后,岩体破坏初期是以张性破坏为主,随后发生剪切,剩余能量则以弹射方式释放。根据以往现场岩爆观测资料,结合室内三轴卸围压岩石力学试验,认为岩爆发生过程是能量积聚–释放的过程,据此可分为:能量积聚、微裂纹形成与扩展、裂纹贯通与爆裂。(1)能量积聚隧道开挖前,岩体在三向应力平衡状态下,处于“压密”状态,储存有大量的弹性应变能。隧道开挖,岩体径向应力解除、岩体径向约束减小,岩体沿径向方向向隧道内发生移动,但由于围岩二次应力分异,尤其是切向应力增加,以及围岩沿径向向隧道发生位移的约束端应力集中,局部能量增加。(2)微裂纹形成与扩展岩石内部存在大量的微缺陷,由于开挖卸荷,围岩应力发生重分布,在裂纹的尖端应力发生高度集中,当尖端的集中应力大于岩石的临界破坏强度,微裂纹扩展,同时释放应变能,当释放出来的弹性应变能大于形成新的微裂纹所需的能量,微裂纹发生不稳定扩展。随着微裂纹的不断扩展以及形成新的微裂纹,邻近微裂纹相互连接贯通。邻近微裂纹相互贯通,形成宏观上的裂纹。(3)裂纹贯通裂纹不断扩展增大,最后贯穿。岩爆发生,剩余的弹性应变能转化为动能,使破裂的岩块以剥落、抛掷、弹射等不同的运动方式脱离母体。另外,岩爆的发生与卸围压的速率密切相关。地下洞室开挖时,一次开挖的进度愈大,释放的能量也愈大;开挖的速率愈高,能量释放速率也愈高。尤其当开挖面前方接近变形不连续面时,开挖面与变形不连续面之间的应力更加集中,应变能大量聚集在两者之间,围岩应变能将增加,而其极限存储能却降低,此时,稍有不慎就可能导致开挖面与变形不连续面之间的岩石破碎,甚至向外抛出,形成岩爆。因此通过调整施工速度,比如减少一次开挖的进度,或者采用合理的施工步骤,可以减缓或降低岩爆的发生。4考虑强度的扩(1)卸围压更容易导致岩石发生破裂,其破坏程度也更为强烈,且岩样破坏表现出的脆性峰前卸围压比峰后卸围压更强烈。(2)岩样加载破坏是吸收试验机的能量,而卸围压破坏无论是峰前还是峰后卸围压,试件都是通过自身释放能量实现的,并且卸载破坏岩样释放的能力小于加载破坏岩样储存的能量。(3)卸围压速率较快时,裂隙的传播和应力的转移不充分,最终承载能力越大,但由于能量得不到充分的释放,在破坏时释放的能量越大,脆性破坏越明显,破坏强度越大。在地下工程的施工开挖过程中,可以通过调整施工速度,控制围岩的位移来减缓或降低岩爆的发生。(4)增加σ1