應(yīng)變型巖爆試驗(yàn)細(xì)微觀破壞特征研究

張 航 嚴(yán)敏嘉

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070； 2.廣西民族大學(xué)建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530006)

1 概述

應(yīng)變型巖爆是地下工程領(lǐng)域最為常見的巖爆類型，是由于掘進(jìn)或開挖后圍巖局部應(yīng)力集中和彈性應(yīng)變能聚集所導(dǎo)致的，在應(yīng)力分布水平高的硬巖中時(shí)長發(fā)生。應(yīng)變型巖爆主要受2個(gè)方面的因素控制，即巖體條件和應(yīng)力場條件[1]。因此，要從本質(zhì)上認(rèn)識不同類型巖爆的產(chǎn)生過程，需從開挖前后巖體系統(tǒng)受力特點(diǎn)的角度對圍巖脆性破裂特性進(jìn)行深入分析。地下硐室開挖過程中，應(yīng)變型巖爆是在圍巖梯度應(yīng)力變化作用下產(chǎn)生的[2]。目前有許多巖爆機(jī)理及其預(yù)測研究[3]，盡管許多學(xué)者考慮了圍巖應(yīng)力路徑對應(yīng)變型巖爆的影響，但是普遍存在忽視應(yīng)力場條件中不同圍巖應(yīng)力梯度對應(yīng)變型巖爆及其成災(zāi)機(jī)制的影響研究，對其缺乏系統(tǒng)的認(rèn)知。而不同的應(yīng)力梯度必然導(dǎo)致圍巖應(yīng)力狀態(tài)及主應(yīng)力方向的變化，從而導(dǎo)致圍巖裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展方向及擴(kuò)展模式的變化，進(jìn)而影響巖爆的破壞機(jī)制及其預(yù)測的準(zhǔn)確性。

因此，從地下硐室圍巖應(yīng)力梯度分布對應(yīng)變型巖爆影響的角度，開展室內(nèi)巖爆模型試驗(yàn)研究，基于巖爆宏觀破壞現(xiàn)象與巖爆碎屑的宏細(xì)觀察及試驗(yàn)過程的聲發(fā)射監(jiān)測，揭示圍巖應(yīng)力梯度對應(yīng)變型巖爆的宏細(xì)觀破壞特征，巖爆能量釋放以及圍巖承載特征的影響規(guī)律，明確圍巖應(yīng)力梯度分布對應(yīng)變型巖爆的影響機(jī)制，對于提高應(yīng)變型巖爆機(jī)理認(rèn)識及巖爆災(zāi)害的防控水平，具有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。

2 實(shí)驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

模型試驗(yàn)是在武漢理工大學(xué)和總參工程兵科研三所聯(lián)合研制的氣液復(fù)合加載巖爆模型試驗(yàn)系上進(jìn)行[4]，本裝置主要由巖爆模型試驗(yàn)主機(jī)、液壓控制系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四大部分組成。該裝置可以在模型的頂部施加最大載荷濃度為20 MPa，水平施加最大載荷濃度為5 MPa，并且可以在頂部和側(cè)面由多個(gè)獨(dú)立的液壓裝置加載，以實(shí)現(xiàn)試件的梯度加載。根據(jù)現(xiàn)有模型測試的結(jié)果，根據(jù)模型材料的物理力學(xué)性能要求，滿足巖爆傾向指標(biāo)的要求，采用高強(qiáng)度石膏材料制作模型。用于巖爆模型測試。

2.2 試驗(yàn)加載路徑

本文將地下巖體開挖后切向應(yīng)力的分布規(guī)律簡化為y=ae-bx+c曲線來表示[5]，其中y為巖體內(nèi)部某處的切向應(yīng)力，x為巖體內(nèi)部(試件內(nèi)部)某點(diǎn)到暴露面(卸載面)的距離；a+c為巖體暴露面處(x=0)切向應(yīng)力，c為巖體豎向初始壓力，b為應(yīng)力梯度系數(shù)，表示不同的應(yīng)力梯度，b=0代表豎向?yàn)榫技虞d，b≠0表示豎向?yàn)樘荻燃虞d，當(dāng)b值越大豎向加載的梯度差也越大。為了對比均布應(yīng)力加載(b=0)情況下的巖爆聲發(fā)射特性，選取b=0,2,4,6四種情況進(jìn)行巖爆對比試驗(yàn)。

試驗(yàn)的加載路徑設(shè)計(jì)為：試驗(yàn)的初始圍壓選擇c=1.5 MPa。在試驗(yàn)初始階段對模型采取分級加載形式施加三向六面的初始圍壓載荷，每級荷載為0.5 MPa，穩(wěn)壓時(shí)間為30 min。當(dāng)模型加載至初始圍壓1.5 MPa后，保持此時(shí)的壓力狀態(tài)6 h，然后迅速撤離裝置前側(cè)限位門板，卸載一面水平圍壓，再開始進(jìn)入豎向梯度應(yīng)力分級加載階段。梯度加載應(yīng)力通過y=ae-bx+c計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加載，直到發(fā)生巖爆。每級加載后的穩(wěn)壓時(shí)間為30 min。

3 試件細(xì)微觀破壞特征分析

觀察巖石的破壞形態(tài)是研究巖體破壞機(jī)理的一種重要研究方法。通過相機(jī)拍攝巖爆斷面細(xì)節(jié)、電鏡掃描下的碎屑微觀破壞的斷面特征等信息，對比分析不同應(yīng)力梯度加載下巖爆的破壞特征。通過試驗(yàn)巖爆碎屑質(zhì)量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隨加載應(yīng)力梯度系數(shù)b的增大，板、片狀碎屑質(zhì)量逐漸減小，塊狀碎屑質(zhì)量逐步增加。不同應(yīng)力路徑加載下的碎屑典型斷面形態(tài)有2類，即板狀碎屑與塊狀碎屑，如圖1所示。其中從巖爆碎屑斷面外觀來看，表面形態(tài)細(xì)節(jié)處存在明顯差異。如圖1a)所示的為均布應(yīng)力加載下巖爆產(chǎn)生的主要碎屑形態(tài)，破壞斷面較為平整，肉眼可見碎屑表面有明顯的梳紋、肋紋，并且斷裂表面的外觀相對粗糙，從碎片的側(cè)面，可以看到明顯的層狀分裂結(jié)構(gòu)。在梯度應(yīng)力加載下，巖爆碎屑多為塊狀，且斷面比板狀碎屑復(fù)雜。表面凹凸不平如同水流波紋狀，并且細(xì)節(jié)相對平滑(如圖1b)所示)。這表明在不同的梯度應(yīng)力載荷下，碎片破壞的機(jī)理存在明顯差異。

材料的宏觀破壞現(xiàn)象是許多微觀破裂的綜合表現(xiàn)。為獲得不同加載路徑下典型碎屑斷口細(xì)觀形貌特征，分別從b=0和b=6兩種情況里選取典型的板狀與塊狀碎屑，采用JSM-5510LV熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行碎屑斷口的細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀察。由于石膏結(jié)構(gòu)疏松，本文選用低放大倍數(shù)來觀察巖爆破壞碎屑表面形態(tài)特征。圖2～圖4為典型碎屑破裂面碎屑微觀電鏡掃描結(jié)果，經(jīng)過對比分析，發(fā)現(xiàn)模型發(fā)生巖爆破壞后，不同應(yīng)力加載路徑加載下典型碎屑破裂面晶體的形態(tài)和排列存在明顯的差異。

圖2是模型巖爆板狀碎屑斷面SEM圖，可以看出板狀碎屑破壞表面有肋紋狀凸起結(jié)構(gòu)，且整個(gè)結(jié)構(gòu)面孔狀密布(見圖2a)，50倍)。放大300倍后(見圖2b))，可以看到該橫截面主要是由許多長針型結(jié)構(gòu)雜亂交錯(cuò)分布，層層堆疊在一起，朝向并無規(guī)律性，交織松散處形成氣孔結(jié)構(gòu)，針狀體結(jié)構(gòu)完整，結(jié)構(gòu)體清晰且邊緣尖銳。圖3是巖爆塊狀碎屑斷面SEM圖，可以看出碎屑斷面截面相對平滑(見圖3a)，50倍)，放大300倍后，可以看到破壞面上的石膏晶體顆粒為短柱狀，排列致密緊湊。晶體的排列朝向較為一致，邊緣相對于均布加載破壞面晶體顆粒的尖銳感表現(xiàn)得更加圓鈍，許多小型晶體碎屑分布在體積較大的晶體顆粒之間(見圖3b))。從塊狀碎屑的劃痕的SEM圖(如圖4所示)可以看出，當(dāng)放大倍數(shù)為50倍時(shí)，破壞面分布有許多劃痕，清晰可見(見圖4a))，而當(dāng)放大倍數(shù)為300倍時(shí)，劃痕處的晶體呈現(xiàn)顆粒型或粉末結(jié)構(gòu)，致密排列，裂縫處呈臺階狀(見圖4b))。

根據(jù)碎屑破壞面的斷裂產(chǎn)狀進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，板狀碎屑，碎屑脫落物與母體在分離面處重疊的針狀晶體互相分離，斷裂面處晶體結(jié)構(gòu)清晰尖銳，整體呈現(xiàn)為粗糙不規(guī)則的形態(tài)，且排列較為松散，是典型的拉裂破壞機(jī)制。而塊狀碎屑的斷裂面的晶體顆粒排列更加平整，從斷裂路徑可看出破壞時(shí)有剪切滑移，原本連接在一起的石膏晶體在剪切破壞過程中會被剪斷，原本針狀晶體的完整性受到破壞，形成許多小粉末狀晶體顆粒散布在表面，在脫落物和母體發(fā)生分離時(shí)，破壞面上長柱狀晶體的朝向會偏向剪切力的方向，說明是典型的剪切破壞機(jī)制。另外，在斷裂面上劃痕處分布的臺階狀紋理即是由滑動(dòng)裂紋形成的痕跡。

基于以上分析，可以發(fā)現(xiàn)不同的應(yīng)力加載路徑導(dǎo)致了巖爆破壞機(jī)制產(chǎn)生差異。板狀碎屑是拉裂破壞所致，塊狀碎屑是剪切破壞所致。在均布加載(b=0)下，典型巖爆碎屑體積較大呈現(xiàn)板塊狀，明顯可見塊體與母體之間的分裂或剝落，對應(yīng)于片狀劈裂的宏觀破壞現(xiàn)象，主要巖爆碎屑斷裂面粗糙不規(guī)則，晶體顆粒排列松散，巖爆破壞以拉裂破壞為主。隨著加載應(yīng)力梯度的增大，巖爆動(dòng)力破壞現(xiàn)象越明顯，產(chǎn)生小塊狀和粉末狀碎屑越多，碎屑拋擲距離越遠(yuǎn)。塊狀碎屑斷裂面遍布劃痕，電鏡下可見碎屑斷裂面表面晶體結(jié)構(gòu)被折斷而不完整，是典型剪切滑移作用所致。因此，隨加載應(yīng)力梯度系數(shù)的增大，巖爆破壞的剪切破壞特征越明顯。

4 結(jié)論

本文采用大型真三軸梯度與氣液復(fù)合加載巖爆裝置，進(jìn)行了不同應(yīng)力梯度加載條件下巖爆模型對比試驗(yàn)研究，結(jié)合試驗(yàn)過程巖爆碎屑細(xì)微觀特征，系統(tǒng)研究了圍巖應(yīng)力梯度對應(yīng)變型巖爆破壞特征影響，主要結(jié)論可歸納如下：

1)通過分析試件破壞現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，隨豎向加載應(yīng)力梯度系數(shù)增大，試件巖爆碎屑由大塊板狀為主過渡到以小塊片狀、塊狀與粉末狀為主。

2)通過分析破壞碎屑樣品及斷面微觀SEM結(jié)構(gòu)圖特征發(fā)現(xiàn)，隨豎向加載應(yīng)力梯度系數(shù)的逐步增大，巖爆破壞由拉裂破壞為主逐漸過渡到以剪切破壞為主。