側(cè)壓影響下圓形洞室?guī)r爆雙軸物理模擬試驗(yàn)研究

郭偉耀3趙同彬3沈?qū)毺?24張東曉

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590； 2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.山東科技大學(xué) 礦業(yè)工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范 中心，山東 青島 266590；4.澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)院能源部 昆土蘭先進(jìn)技術(shù)中心，澳大利亞 昆土蘭州 布里斯班 4069)

規(guī)律性層裂化破壞是深部工程中硬脆性巖體中的普遍現(xiàn)象，且層裂化破壞與巖爆發(fā)生密切相關(guān)[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者圍繞這類問題從案例分析、理論研究、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬四個(gè)方面進(jìn)行了大量研究。

Fairhurst等[4]最早對這種圍巖平行于洞壁破壞的現(xiàn)象進(jìn)行描述，并將其稱之為層裂化破壞(spalling或slabbing)；Martin等[5]對加拿大某硬巖礦山開采中礦柱的破壞形式進(jìn)行現(xiàn)場案例統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)V柱寬高比小于2.5時(shí)，其主要破壞形式為層裂化剝落和破壞；張傳慶等[6]對錦屏二級水電站2號試驗(yàn)洞開挖后圍巖破壞形態(tài)統(tǒng)計(jì)，將破壞形態(tài)分為三種：片狀破壞、薄板狀破壞和楔形板狀破壞。理論研究方面，主要從力學(xué)角度對巖爆發(fā)生條件進(jìn)行了分析，并建立了相應(yīng)的巖爆破壞模型，如馮濤等[7]應(yīng)用斷裂力學(xué)原理分析了巖體的斷裂特征，并提出了巖爆發(fā)生機(jī)理的層裂屈曲模型；左宇軍等[8]建立了洞室層裂屈曲巖爆的突變模型，得出洞室層裂屈曲巖爆在準(zhǔn)靜態(tài)破壞條件下的演化規(guī)律；顧金才等[9]對拋擲型巖爆發(fā)生機(jī)制進(jìn)行分析研究，并進(jìn)行了相應(yīng)裝置的研發(fā)。試驗(yàn)研究方面，主要研究了結(jié)構(gòu)面和不同加載條件對層裂化巖爆的影響，如周輝等[10-11]通過室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬驗(yàn)證的方式，研究了結(jié)構(gòu)面和開挖斷面的曲率半徑對板裂屈曲巖爆的影響。Zhao等[12]研究了單軸壓縮條件下含裂隙試樣的板裂破壞特征；何滿潮等[13-14]利用真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，對含孔洞試樣進(jìn)行真三軸巖爆模擬試驗(yàn)研究。數(shù)值模擬方面，主要研究了側(cè)壓系數(shù)、擾動(dòng)應(yīng)力波等因素對巷道圍巖層裂化破壞的影響，如王學(xué)濱等[15-16]分別使用FLAC和RFPA數(shù)值模擬軟件，研究了不同側(cè)壓系數(shù)下板裂圍巖的失穩(wěn)破壞特點(diǎn)；雷光宇等[17]利用LS-DYNA軟件，研究了擾動(dòng)應(yīng)力波作用下巷幫圍巖層裂破壞特點(diǎn)。

上述研究極大豐富了巖爆和層裂化破壞研究，尤其是對揭示層裂屈曲巖爆機(jī)理具有重要意義。但是目前對于側(cè)壓影響下的巖爆機(jī)制研究較少，尤其是雙軸物理模擬試驗(yàn)研究。鑒于此，采用含孔洞紅砂巖試樣進(jìn)行雙軸加載試驗(yàn)，利用高速相機(jī)記錄孔洞破壞過程，研究側(cè)壓影響下圓形洞室破壞特征及巖爆機(jī)制。

1 試樣制備及試驗(yàn)方案

圖1 試樣示意圖Fig. 1 Specimen used in the test

紅砂巖取自山東省莒南縣，首先制得尺寸為100 mm×100 mm×50 mm的長方體試樣，之后通過磨平機(jī)磨平試樣兩個(gè)端面，試樣加工精度均符合國際巖石力學(xué)學(xué)會(international society for rock mechanics,ISRM)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。然后利用巖芯取樣機(jī)制作直徑為30 mm孔洞，具體如圖1所示。該紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為43.5 MPa，彈性模量為6.9 GPa。

采用RLJW-2000型巖石伺服壓力試驗(yàn)機(jī)(如圖2)。對含孔洞紅砂巖試樣進(jìn)行單雙軸加載試驗(yàn)，側(cè)壓取0、1、5、8和12 MPa 5種情況(側(cè)壓為0代表單軸壓縮實(shí)驗(yàn))。為保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，試樣在每種加載情況下至少制備3塊及以上試樣進(jìn)行試驗(yàn)，最終選取有效結(jié)果進(jìn)行分析。試驗(yàn)過程中，在加載墊塊與試樣接觸表面之間涂抹凡士林，以減少端面效應(yīng)。單軸壓縮試驗(yàn)，以0.25 mm/min加載速率施加軸向壓力直至試樣破壞；雙軸壓縮試驗(yàn)，首先以0.1 MPa/s的加載速率同時(shí)施加軸向和側(cè)壓至側(cè)壓值(此時(shí)軸壓與側(cè)壓相等)，之后保持側(cè)壓不變，再以0.25 mm/min的加載速率施加軸壓直至試樣破壞。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 2 Testing system

圖3 洞室破壞點(diǎn)應(yīng)力-應(yīng)變分布特征Fig. 3 Stress-strain distribution characteristics of failure point

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同側(cè)壓下孔洞破壞過程

側(cè)壓對孔洞的破壞過程及形態(tài)影響較小，均以洞室兩側(cè)形成近似對稱的V型槽為主。以側(cè)壓5 MPa為例，結(jié)合圖3洞室破壞點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變特征和圖4高速相機(jī)記錄的照片對其破壞過程進(jìn)行描述：試驗(yàn)進(jìn)行到9′12″時(shí)(σz=29.16 MPa)，洞壁中點(diǎn)開始發(fā)生破壞；9′21″時(shí)(σz=31.18 MPa)，洞壁部分區(qū)域開始產(chǎn)生明顯鼓起；9′59″時(shí)(σz=39.26 MPa)，洞壁中點(diǎn)上方區(qū)域出現(xiàn)大面積鼓起，同時(shí)產(chǎn)生巖片滑落現(xiàn)象；10′19″時(shí)(σz=42.37 MPa)，洞壁破壞區(qū)域繼續(xù)增大，產(chǎn)生顆粒剝落現(xiàn)象；10′31″時(shí)(σz=43.48 MPa)，再次產(chǎn)生大巖片滑落現(xiàn)象；10′38″時(shí)(σz=43.36 MPa)，破壞加劇，V型槽貫穿，發(fā)生巖爆。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，可將紅砂巖巖爆過程大致可分為平靜期、剝落期、屈曲期和巖爆破壞期四個(gè)時(shí)期：

1) 平靜期：洞壁沒有產(chǎn)生宏觀破壞現(xiàn)象，處于積蓄能量時(shí)期，但此時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生較多微裂紋，如圖5(a)。Shen等[18]研究認(rèn)為，當(dāng)環(huán)向應(yīng)力與巖體單軸抗壓強(qiáng)度比值達(dá)到0.4，巖體內(nèi)部微裂隙開始產(chǎn)生并發(fā)展，微裂紋在隧洞中間區(qū)域產(chǎn)生和發(fā)展，并且微裂紋方向平行于洞壁。

2) 剝落期：洞壁表面首先產(chǎn)生顆粒、巖片剝落現(xiàn)象，隨著繼續(xù)加載，剝落現(xiàn)象增多、剝落巖片尺寸增大，初步形成剝落槽，如圖5(b)。

3) 屈曲期：隨著繼續(xù)加載，洞壁不再發(fā)生明顯變化，洞壁淺部層裂化破壞停止，但洞壁一定深度范圍內(nèi)的層裂結(jié)構(gòu)屈曲蓄能，如圖5(c)。

4) 巖爆期：層裂結(jié)構(gòu)屈曲變形達(dá)到其承載極限，突然失穩(wěn)，產(chǎn)生巖塊飛濺、崩出現(xiàn)象，即發(fā)生巖爆，如圖5(d)。

2.2 側(cè)壓影響下洞壁垂直起裂應(yīng)力及破壞深度

假定洞室的應(yīng)力方向分別為x，y，z，其中σz為垂直應(yīng)力，σx為水平應(yīng)力，σy為沿洞室軸向方向的應(yīng)力。

圖4 側(cè)壓5 MPa洞室破壞圖Fig. 4 Damage patterns of tunnels when lateral pressure is 5 MPa

圖5 孔洞破壞過程Fig. 5 Failure process of the borehole

根據(jù)彈性力學(xué)平面應(yīng)變問題的假定，圍巖受到平行于橫截面且不沿長度變化的面力，即沿洞室軸向方向不產(chǎn)生變形，因此可以將問題看成平面應(yīng)變問題。在二向應(yīng)力狀態(tài)下，根據(jù)彈性力學(xué)公式，圓形洞室最大切應(yīng)力位于洞室兩幫中點(diǎn)，且σθmax=3p-q。在二向應(yīng)力狀態(tài)，p=σz和q=σx，可得到最大切應(yīng)力

σθmax=3σz-σx。

(1)

表1和圖6給出了洞壁破壞時(shí)的垂直起裂應(yīng)力σz和最大切應(yīng)力σθmax及二者與側(cè)壓的關(guān)系。洞壁的垂直起裂應(yīng)力和最大切應(yīng)力均隨側(cè)壓增大呈線性增大趨勢。當(dāng)側(cè)壓為1 MPa時(shí)，垂直起裂應(yīng)力和最大切應(yīng)力分別為32.18和95.54 MPa，而當(dāng)側(cè)壓增大到12 MPa時(shí)，垂直起裂應(yīng)力和最大切應(yīng)力數(shù)值分別為48.1和132.3 MPa，分別提高了49.5%和38.5%。

表1 洞壁破壞時(shí)的垂直起裂應(yīng)力和最大切應(yīng)力

圖7給出了洞壁破壞深度與側(cè)壓的關(guān)系。隨著側(cè)壓增大，洞壁破壞深度呈線性增大趨勢，如側(cè)壓為1 MPa時(shí)，洞壁破壞深度僅為2.1 mm，而側(cè)壓增大到12 MPa時(shí)，洞壁破壞深度達(dá)5.3 mm，增大152%。文獻(xiàn)[19]的現(xiàn)場案例分析表明，圍巖破壞深度隨洞壁最大切應(yīng)力增大而呈線性增大趨勢，結(jié)合“洞壁最大切應(yīng)力隨側(cè)壓增大呈線性增大趨勢”這一結(jié)論，可佐證該試驗(yàn)結(jié)果。破壞深度與洞室半徑比值可以達(dá)到1.35，這與Martin等[20]現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果相近。

圖6 洞壁垂直起裂應(yīng)力及最大切應(yīng)力與側(cè)壓的關(guān)系圖Fig. 6 Curve of vertical initiation stress, maximum tangential stress and lateral pressure

圖7 洞壁破壞深度與側(cè)壓的關(guān)系圖Fig. 7 Relationship between borehole failure depth and lateral pressure

3 側(cè)壓影響下洞室?guī)r爆機(jī)制分析

圖8給出了低側(cè)壓(1 MPa)和高側(cè)壓(8 MPa)下洞壁的破壞形態(tài)。當(dāng)側(cè)壓較低時(shí)，洞壁以劈裂破壞為主，破壞深度?。划?dāng)側(cè)壓較高時(shí)，洞壁淺部區(qū)域以劈裂破壞為主，而深部區(qū)域以剪切破壞為主，破壞深度大。

圖8 洞室破壞形態(tài)及其素描圖Fig. 8 Cave failure pattern and its sketch

當(dāng)側(cè)壓較低時(shí)，如圖9(a)所示，洞壁沿水平方向應(yīng)力梯度小，即水平方向約束力較小，受力類似單軸壓縮，以拉伸破壞機(jī)制為主，而此時(shí)洞壁最大切應(yīng)力也較小，圍巖蓄能低，故圍巖破壞深度小；當(dāng)側(cè)壓較高時(shí)，如圖9(b)所示，洞壁沿水平方向應(yīng)力梯度大，洞壁淺部區(qū)域破壞機(jī)制與側(cè)壓較低時(shí)類似，但洞壁深部區(qū)域受力類型三軸壓縮，以剪切破壞機(jī)制為主，而此時(shí)洞壁最大切應(yīng)力較大，圍巖蓄能高，故圍巖破壞深度大。

巖爆過程可以大致分為平靜期、剝落期、屈曲期和巖爆期四個(gè)時(shí)期，其中平靜期為聚能期、剝落期和巖爆期是釋能期，通過分析各階段的時(shí)間占比能反映巖爆演化過程中的能量變化特征，不同側(cè)壓下巖爆過程各階段時(shí)間占比見表2。隨著側(cè)壓增大，平靜期持續(xù)時(shí)間及占比增大，而破壞期時(shí)間及占比反而減小，如側(cè)壓從1 MPa增大到12 MPa時(shí)，平靜期持續(xù)時(shí)間及占比分別增加了519 s和10.44%，而破壞期持續(xù)時(shí)間及占比分別減小了40 s和10.44%。該結(jié)果表明，隨著側(cè)壓增大，圍巖積聚能量增加，而釋放能量時(shí)間持續(xù)減小，會造成洞壁破壞時(shí)單位時(shí)間內(nèi)釋放的能量增加，即巖爆更加劇烈。

圖9 洞室破壞模式示意圖Fig. 9 Failure model of borehole

表2 巖爆過程各階段時(shí)間占比Tab. 2 Time proportion of rockburst at different stages

水平應(yīng)力/MPa平靜期持續(xù)時(shí)間/s平靜期階段時(shí)間占比/%洞室初始破壞到巖爆噴射階段時(shí)間/s洞室初始破壞到巖爆噴射階段時(shí)間占比/%153184.1510015.85555386.009014.00875091.91668.09121 05094.59605.41

4 結(jié)論

1) 巖爆破壞過程中經(jīng)歷四個(gè)典型的階段：平靜期、剝落期、屈曲期和巖爆期。隨著側(cè)壓增大，洞壁垂直起裂應(yīng)力線性增加，同時(shí)巖爆發(fā)生后造成的V型坑深度也線性增加。

2) 側(cè)壓較低時(shí)，洞壁沿水平方向應(yīng)力梯度小，水平方向約束小，受力類似單軸壓縮，以拉伸破壞機(jī)制為主，洞壁破壞深度小；側(cè)壓較高時(shí)，洞壁沿水平方向應(yīng)力梯度大，洞壁淺部區(qū)域破壞機(jī)制與側(cè)壓較低時(shí)類似，但洞壁深部區(qū)域受力類似三軸壓縮，以剪切破壞機(jī)制為主，洞壁破壞深度大。

3) 側(cè)壓對洞壁能量積聚和釋放有重要影響，隨著側(cè)壓增大，平靜期持續(xù)時(shí)間增加、破壞期持續(xù)時(shí)間減小，即圍巖積聚能量增加、釋放能量持續(xù)時(shí)間減小，造成洞壁破壞時(shí)單位時(shí)間內(nèi)釋放能量增加，使巖爆發(fā)生更加劇烈。