楊艷霜，周 輝，張傳慶，張 凱，晏 飛

（中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071）

1 引 言

大量的工程實(shí)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(zāi)害，且大多表現(xiàn)出明顯的時(shí)滯性，即大部分巖爆并不是隨開挖而即時(shí)發(fā)生，而是會(huì)滯后開挖一段時(shí)間。如我國(guó)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(shí)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(duì)錦屏二級(jí)水電站A和B輔助洞巖爆的統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)時(shí)間也發(fā)生過多次強(qiáng)度較大的巖爆?？梢?，“時(shí)滯性”是巖爆這種時(shí)間滯后現(xiàn)象的普遍規(guī)律和內(nèi)在本質(zhì)。

關(guān)于巖爆時(shí)間效應(yīng)的研究，目前更多地還是在于通過試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際巖爆案例分析來試圖認(rèn)識(shí)這一現(xiàn)象的機(jī)制。李江騰等[2]采用位移松弛法對(duì)試件進(jìn)行亞臨界裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，通過分析得到了亞臨界裂紋擴(kuò)展的停滯速度和門檻值，為巖石穩(wěn)定的時(shí)間相依性研究提供了基本數(shù)據(jù)；一些學(xué)者從大量的巖爆案例中發(fā)現(xiàn)了巖爆時(shí)間效應(yīng)的存在[3－5]。近年來，關(guān)于巖爆滯后效應(yīng)的理論研究也取得了一些積極的進(jìn)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(shí)間才能滿足分岔集方程所致，并導(dǎo)出了巖爆最大可能滯后時(shí)間?？偟膩砜?，目前對(duì)于巖爆時(shí)滯性機(jī)制和規(guī)律的認(rèn)識(shí)尚不充分。因此，本文針對(duì)深埋地下巖石工程圍巖發(fā)生時(shí)滯性巖爆的實(shí)際應(yīng)力特征，開展錦屏二級(jí)水電站大理巖單軸壓縮時(shí)滯性破壞試驗(yàn)研究，從而為深入認(rèn)識(shí)巖爆的時(shí)滯性機(jī)制提供借鑒，并為建立時(shí)滯性巖爆的預(yù)測(cè)方法提供啟示。

2 試驗(yàn)方法

目前關(guān)于巖爆的室內(nèi)試驗(yàn)一般集中在對(duì)巖爆的物理模擬方面。Wang[7]等采用位移控制方式進(jìn)行了巖爆傾向性評(píng)估。馮濤等[8]對(duì)閃長(zhǎng)玢巖和粉砂巖的峰值載荷后的松弛試驗(yàn)，認(rèn)為應(yīng)力松弛條件下巖石斷裂達(dá)到穩(wěn)定平衡所需時(shí)間與松弛應(yīng)力成正比，應(yīng)力松弛越慢，巖爆傾向越嚴(yán)重。徐文勝等[9]認(rèn)為，巖爆模擬材料要求單軸抗壓強(qiáng)度 Rc與抗拉強(qiáng)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(yàn)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(yīng)力狀態(tài)下的巖石聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)，對(duì)不同巖性巖石的巖爆的聲發(fā)射特征進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。何滿潮等[12]研制了巖爆模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并針對(duì)巖石的開挖卸荷過程進(jìn)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(shí)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(yīng)力狀態(tài)。因此，為了反映這種應(yīng)力狀態(tài)的主要特征，將采用單軸壓縮試驗(yàn)來進(jìn)行時(shí)滯性破壞研究。

本文針對(duì)錦屏二級(jí)水電站 T2y5大理巖開展試驗(yàn)，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(yàn)。試驗(yàn)方法如下：

（1）進(jìn)行錦屏大理巖的常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)5塊，以了解該巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度，指導(dǎo)時(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)并與之對(duì)比；

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

圖2 時(shí)滯性試驗(yàn)加載曲線示意圖Fig.2 Sketch for loading path of the time-lag compressive test

試驗(yàn)設(shè)備采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所自主研制的RMT-150C電液伺服剛性試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備可進(jìn)行單軸、三軸、間接拉伸及剪切試驗(yàn)，并且可跟蹤記錄荷載、應(yīng)力和應(yīng)變的大小。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 大理巖常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)特征

在巖石常規(guī)單軸試驗(yàn)中，巖樣的破壞形態(tài)有如下特點(diǎn)：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(yàn)破壞形態(tài)Fig.3 Failure of samples under uniaxial compressive test

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

圖4 常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves under uniaxial compressive test

另外，在常規(guī)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，巖樣在應(yīng)力峰值點(diǎn)處裂紋迅速擴(kuò)展，巖樣發(fā)生宏觀破壞的時(shí)間很短，一般只有數(shù)秒（如表1所列）。這里的時(shí)間是指巖樣從最大應(yīng)力（應(yīng)力峰值點(diǎn)）直至完全破壞所經(jīng)歷的時(shí)間。

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

3.2 時(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)的時(shí)間效應(yīng)

如表2所示，4塊巖樣中有2塊比較完整，但均在試驗(yàn)中表現(xiàn)出較明顯的時(shí)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(shí)滯性與巖樣本身的完整程度有關(guān)，與最終加載應(yīng)力接近該巖樣的峰值應(yīng)力值有關(guān)。

表2 巖樣時(shí)滯性破壞時(shí)間Table 2 Failure durations in time-lag uniaxial compressive test

3.3 大理巖時(shí)滯性單軸壓縮破壞特征

3.3.1 時(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)的宏觀破壞特征

在時(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)中，巖樣的宏觀破裂形態(tài)與常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)明顯不同：在常規(guī)的單軸壓縮試驗(yàn)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(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)中，巖樣破壞產(chǎn)生的裂紋大都沿軸向擴(kuò)展，并不呈現(xiàn)出大塊的破壞，而是碎裂成許多相對(duì)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(cè)向膨脹。巖石時(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)所表現(xiàn)出的上述宏觀破壞特征與現(xiàn)場(chǎng)時(shí)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(yàn)前巖樣表面無明顯裂紋，在加壓至91.4 MPa并保持此加載應(yīng)力11.1 min后巖樣發(fā)生破壞，巖樣破壞的時(shí)間效應(yīng)明顯，其破壞形成大量的豎向裂紋和大量片狀碎屑，巖樣側(cè)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(shí)滯性單軸破壞巖樣對(duì)比圖Fig.5 Comparison of failure modes under time-lag uniaxial compressive test and traditional uniaxial compressive test

3.3.2 時(shí)滯性單軸試驗(yàn)片狀碎屑的形成機(jī)制

在單軸壓縮或側(cè)向應(yīng)力比較小的條件下（與實(shí)際巖爆的應(yīng)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(yīng)力或與最大主應(yīng)力成一定角度的宏觀裂紋為主。在常規(guī)單軸試驗(yàn)條件下，由于一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)主導(dǎo)性裂紋擴(kuò)展速度極快，因此，在眾多裂紋還未充分?jǐn)U展的情況下，整個(gè)巖樣即破壞成數(shù)塊。而在單軸時(shí)滯性壓縮破壞條件下，由于大量的裂紋在相對(duì)較低的單軸應(yīng)力狀態(tài)下（相對(duì)于常規(guī)單軸壓縮的峰值應(yīng)力）有充分的時(shí)間緩慢擴(kuò)展，因此，最終除了形成一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)主導(dǎo)性宏觀裂紋以外，同時(shí)也會(huì)形成眾多與最大主應(yīng)力成一定角度的、不同尺度的次生裂紋，從而在整個(gè)巖樣中分裂成大量的片狀碎屑。

例如，巖樣 1-1-7在試驗(yàn)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(shí)有清脆的咔嚓聲，同時(shí)巖樣表面不斷生成豎向裂紋，從翹起到裂紋擴(kuò)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(shí)間約2.1 min，時(shí)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(biāo)注部分是巖樣完全破壞前的翹起區(qū)域。

圖6 時(shí)滯性單軸壓縮破壞試驗(yàn)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(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變特征

3.4.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

大理巖時(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)與常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)明顯不同，存在一段“平穩(wěn)的變形擴(kuò)展段”，即在應(yīng)力不變的條件下，巖樣的軸向應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變和體積應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of sample No.1-1-6

圖8 試樣1-1-7的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of sample No.1-1-7

圖9 試樣1-1-8的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curves of sample No.1-1-8

圖10 試樣1-2-1的全應(yīng)力-應(yīng)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(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較可以發(fā)現(xiàn)，在時(shí)滯性單軸壓縮破壞時(shí)，巖樣的環(huán)向應(yīng)變和體積應(yīng)變的發(fā)展更為充分，表3所列為不同巖樣在破壞時(shí)的應(yīng)變值對(duì)比。

由表3和圖7～10中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)：

表3 巖石在破壞時(shí)的應(yīng)變值對(duì)比Table 3 The contrast of strains under different conditions

（1）與常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)不同，時(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)中巖樣無明顯的“應(yīng)力峰值點(diǎn)”，而是經(jīng)歷了一段應(yīng)力不變而應(yīng)變?cè)黾拥碾A段后才發(fā)生整體破壞。

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

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

3.4.3 大理巖時(shí)滯性破壞與蠕變的區(qū)別

圖11為典型蠕變的應(yīng)變-時(shí)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(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)變-時(shí)間曲線，由圖中可以發(fā)現(xiàn)，時(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)與傳統(tǒng)的巖石蠕變曲線類似，基本上都可以劃分成“3個(gè)階段”，但二者存在以下幾個(gè)方面的顯著區(qū)別：①傳統(tǒng)的蠕變?cè)囼?yàn)中，加速蠕變的應(yīng)力值往往明顯低于巖石常規(guī)試驗(yàn)的峰值應(yīng)力；而在巖爆時(shí)滯性中，發(fā)生時(shí)滯性破壞的應(yīng)力值非常接近于巖石常規(guī)試驗(yàn)的峰值應(yīng)力。②蠕變?cè)囼?yàn)的時(shí)間一般會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，而時(shí)滯性破壞的時(shí)間相對(duì)要短得多，且二者的“第 3階段”時(shí)間-應(yīng)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(dǎo)致破壞是由晶體的滑移錯(cuò)位引起的，而巖石時(shí)滯性破壞主要是豎向裂紋的劈裂張開所導(dǎo)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(jì)彈性能的同時(shí)，巖樣內(nèi)的塑性應(yīng)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(shí)滯性破壞必然是由于能量的耗散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于累積速度才會(huì)導(dǎo)致的一種劇烈釋放方式。

圖12 巖樣1-1-6的軸向應(yīng)變-時(shí)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(yīng)變-時(shí)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(yīng)變-時(shí)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(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.15 Uniaxial strain-time curves of sample No. 1-2-1

在本次試驗(yàn)中，時(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)的破壞表現(xiàn)出的破壞強(qiáng)度一般大于常規(guī)單軸試驗(yàn)中的巖樣破壞。圖16顯示的是巖樣1-1-8破壞后實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的情景，巖樣爆裂成數(shù)塊較大的片狀碎塊，在試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)，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(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)破壞情況Fig.16 The failure of rock sample No. 1-1-8 in time-lag uniaxial compressive experiment

4 結(jié) 論

（1）常規(guī)單軸試驗(yàn)巖樣一般以達(dá)峰值后3 s左右破壞；而時(shí)滯性試驗(yàn)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(shí)滯性。

（2）在常規(guī)的單軸試驗(yàn)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(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)中，巖樣破壞產(chǎn)生的裂紋大都沿軸向擴(kuò)展，并不呈現(xiàn)出大塊的破壞，而是碎裂成許多相對(duì)較薄的片狀和大量的片狀碎屑。

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

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

巖爆時(shí)滯性機(jī)制是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，本文的試驗(yàn)研究還是初步的，復(fù)雜應(yīng)力條件下硬脆性巖石破壞行為的時(shí)滯性特征將在后續(xù)研究中進(jìn)一步深化。

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