時(shí)滯型巖爆破壞特性研究綜述★

劉 剛 彭 有 李皓然 汪馳宇 劉哲汛 王德超 賈 蓬

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

1 概述

巖爆的滯后效應(yīng)是指深部高應(yīng)力硬巖開(kāi)挖卸荷之后往往經(jīng)過(guò)一段滯后時(shí)間才會(huì)突然破壞。這種滯后效應(yīng)在深部地下工程中較為普遍，由于其發(fā)生具有隨機(jī)性、突然性，所以往往對(duì)工程中的人員和設(shè)備安全造成更大的危害。國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于電阻率與超聲波等無(wú)損檢測(cè)手段，對(duì)各種性質(zhì)的巖石進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬，對(duì)其發(fā)生的機(jī)理進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，得到了巖石滯后效應(yīng)的相關(guān)規(guī)律和發(fā)生機(jī)理。

2 硬巖的蠕變特性及巖爆機(jī)理

在實(shí)際工程中，巖爆的滯后效應(yīng)是指巖爆往往產(chǎn)生于開(kāi)挖完成后的數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí)，具有一定的時(shí)滯性。因此，研究巖石在長(zhǎng)期荷載作用下的力學(xué)特性，具有重要的意義。早在1991年Zaretskii[1]對(duì)于巖石的蠕變?cè)?jīng)做過(guò)以下設(shè)想，想通過(guò)類比的方法研究巖石的蠕變，當(dāng)時(shí)采用了專門(mén)用于高分子材料研究所使用的類比法，尤其是應(yīng)力—時(shí)間類比和氣壓—時(shí)間類比原理。Boukharov[2]通過(guò)試驗(yàn)觀察脆性巖石，在持續(xù)荷載作用下的變化過(guò)程，這三個(gè)過(guò)程分別是彈性變形、塑性變形和膨脹變形。這三個(gè)過(guò)程在時(shí)間上不僅是相互獨(dú)立的，還是平行發(fā)生，但是它們作為影響脆性巖石蠕變應(yīng)變因素，彼此的貢獻(xiàn)卻并不相等，并且這種影響隨蠕變階段的不同而變化。鄧廣哲[3]在進(jìn)行針對(duì)巖體長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究分析過(guò)程中，通過(guò)總結(jié)發(fā)現(xiàn)了主裂紋的產(chǎn)生與時(shí)效擴(kuò)展之間的關(guān)系，這種影響是間斷裂隙巖體蠕變所造成的。王其虎等[4]提出流變特性的表現(xiàn)特征，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，擁有相對(duì)高程度損傷的松軟破碎巖石這種特征表現(xiàn)尤其突出，相對(duì)應(yīng)地，在巖石初始裂隙壓密過(guò)程中產(chǎn)生的瞬時(shí)塑性變形也會(huì)更加顯著，并且瞬時(shí)應(yīng)變與應(yīng)力水平之間的關(guān)系是非線性的，還發(fā)現(xiàn)了當(dāng)采用常規(guī)蠕變模型進(jìn)行模擬時(shí)，將會(huì)在模擬的過(guò)程中產(chǎn)生一定偏差，這個(gè)誤差對(duì)于考慮巖石所受初始損傷對(duì)于巖石流變特性產(chǎn)生的影響是具有必要性的。馬芹永等[5]通過(guò)試驗(yàn)手段對(duì)深部粉砂巖進(jìn)行分析，結(jié)果表明隨著應(yīng)力的增大，試驗(yàn)采用的巖樣煤礦深部粉砂巖的瞬時(shí)彈性模量呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)所受應(yīng)力26 GPa～35 GPa之間波動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的巖石瞬時(shí)泊松比的變化規(guī)律呈上凹增長(zhǎng)趨勢(shì)。Cao等[6]建立了一個(gè)蠕變模型來(lái)直觀解釋巖石的蠕變行為，該模型能詳細(xì)且全面地反映在不同的應(yīng)力水平下的巖石蠕變行為，包括以下幾個(gè)過(guò)程：瞬時(shí)彈性變形、減速蠕變、穩(wěn)定蠕變、加速蠕變和最終破壞。綜上所述，巖石在恒壓和固定圍巖壓力的條件下的強(qiáng)度會(huì)低于相同材料的瞬時(shí)強(qiáng)度，并且會(huì)隨著壓力的增大而減小，圍壓越大，其對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)期強(qiáng)度也會(huì)越大，而對(duì)于巖石的變形，發(fā)現(xiàn)在無(wú)圍壓情況下，軸向變形會(huì)隨著應(yīng)力的增大而增大，在有圍壓的情況下，軸向變形會(huì)減少，側(cè)向變形會(huì)增大。在巖石的時(shí)間效應(yīng)方面，凌建明和孫鈞[7]提出了脆性巖石破壞的原因是由于巖石內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展與止裂導(dǎo)致的。陳炳瑞等[8]通過(guò)分析錦屏Ⅱ級(jí)水電站現(xiàn)場(chǎng)巖爆資料和巖爆過(guò)程中的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了時(shí)滯型巖爆發(fā)生的區(qū)域是呈現(xiàn)出一定的規(guī)律的，在大量的時(shí)滯型巖爆的數(shù)據(jù)中，大多數(shù)是處在掌子面開(kāi)挖時(shí)受到開(kāi)挖應(yīng)力影響的范圍。凌建明[7]通過(guò)借助于電子顯微鏡從微細(xì)觀的角度觀察了受荷載作用的巖石從初始損傷逐步發(fā)展到最終破壞的全過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)荷載水平適當(dāng)時(shí)，巖石細(xì)觀主裂紋的擴(kuò)展的時(shí)間特性將會(huì)表現(xiàn)顯著，這點(diǎn)是巖石蠕變損傷的重要原理。于群[9]通過(guò)對(duì)于利用TBM掘進(jìn)洞段時(shí)發(fā)生的實(shí)例，從動(dòng)態(tài)裂紋發(fā)展的微細(xì)觀角度揭示了巖爆產(chǎn)生時(shí)微裂紋的變化，將巖爆的原因歸結(jié)于微裂紋的萌生、擴(kuò)展、發(fā)展，最后直至剪切帶的產(chǎn)生，在宏觀上表現(xiàn)為相失穩(wěn)破壞的機(jī)制，初步研究了微震活動(dòng)演化和巖爆孕育過(guò)程之間的關(guān)系。李棟[10]通過(guò)在蠕變?cè)囼?yàn)中利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的手段，分析了在蠕變過(guò)程中的花崗巖能量的耗散和微裂隙的擴(kuò)散規(guī)律，并以此用來(lái)解釋時(shí)滯型巖爆的孕育機(jī)理。

以上結(jié)論表明巖石的蠕變破壞是因?yàn)閹r石內(nèi)部受壓導(dǎo)致微裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展和連接構(gòu)成破裂面造成的巖石宏觀上的破壞，并且這種宏觀上的破壞發(fā)生的時(shí)間大部分都是位于開(kāi)挖后的6 d～30 d以內(nèi)，驗(yàn)證了巖爆具有時(shí)間效應(yīng)的特性。

3 基于聲發(fā)射巖石損傷擴(kuò)展

聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)是研究巖石等脆性材料缺陷擴(kuò)展的有效便捷的手段，被廣泛用于研究巖石材料內(nèi)部的損傷和斷裂行為。Jan等[11]通過(guò)對(duì)巖石樣品進(jìn)行聲發(fā)射并統(tǒng)計(jì)其相對(duì)應(yīng)的特性，發(fā)現(xiàn)了它與單軸載荷之間的變化規(guī)律。試驗(yàn)表明，當(dāng)巖石臨近失效時(shí)，與聲發(fā)射事件的相關(guān)函數(shù)參數(shù)會(huì)發(fā)生顯著變化。潘衛(wèi)東[12]對(duì)煤巖試件進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程結(jié)合超聲波檢測(cè)技術(shù)，最終通過(guò)檢測(cè)得到的煤巖中的聲速和振幅，發(fā)現(xiàn)聲速與單軸壓力之間變化關(guān)系方程，以及振幅與壓力的關(guān)系變化方程。李浩然等[13]通過(guò)對(duì)鹽巖單軸加載和循環(huán)荷載試驗(yàn)，對(duì)鹽巖變形破壞時(shí)的特征及在受力過(guò)程中聲波、聲發(fā)射規(guī)律的量測(cè)，發(fā)現(xiàn)在單軸試驗(yàn)中，聲發(fā)射事件在裂紋加速增長(zhǎng)階段表現(xiàn)明顯；但是在循環(huán)加卸載條件下，鹽巖的應(yīng)力狀態(tài)與鹽巖的波速特征和聲發(fā)射事件的出現(xiàn)相統(tǒng)一。以上的試驗(yàn)結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)對(duì)不同種類的巖石進(jìn)行單軸試驗(yàn)，結(jié)論表明巖石聲發(fā)射事件是由于巖石內(nèi)部損傷產(chǎn)生的，并且與所受應(yīng)力具有一致性，能很好地反映出巖石的加速擴(kuò)張階段，可用于工程巖體災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)警。

4 基于電阻率對(duì)巖石的細(xì)觀研究

巖石電阻率的研究于20世紀(jì)初，20世紀(jì)60年代，Brace通過(guò)改變巖石的圍壓和裂隙水壓力，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多數(shù)巖石的電阻率與巖石形變程度之間的規(guī)律，在研究中發(fā)現(xiàn)水飽和度是影響電阻率的一個(gè)重要因素。1999年李德春[14]通過(guò)對(duì)于煤巖試樣的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電阻率和壓力變化不同類型的關(guān)系曲線。郝錦綺等[15]采用試驗(yàn)的方式，發(fā)現(xiàn)了巖石在主破裂前影響電阻率變化的兩個(gè)主要因素分別是巖石中的裂隙的存在和所含液體的飽和狀態(tài)。在低應(yīng)力狀態(tài)下，孔隙度的變化是影響電阻率的主要因素；而在高應(yīng)力狀態(tài)下，由于水和孔隙之間有完全貫通的平面，此時(shí)多種導(dǎo)電機(jī)制都將產(chǎn)生影響。陳耕野等[16]利用力學(xué)參數(shù)和電學(xué)參數(shù)相結(jié)合的方法，得出了電阻—應(yīng)變的曲線，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)巖石電阻達(dá)到最小值，此時(shí)巖石所受應(yīng)力為巖石開(kāi)裂應(yīng)力。紀(jì)洪廣等[17]根據(jù)室內(nèi)巖石試驗(yàn)，得到了在巖石壓縮的不同階段時(shí)電阻率的變化規(guī)律，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)電阻率和彈性模量以及同巖石抗壓強(qiáng)度之間的變化規(guī)律關(guān)系。梁天成[18]對(duì)受單軸壓縮的巖石分析損傷過(guò)程中的聲發(fā)射和超聲波，對(duì)比分析出聲發(fā)射和波速在巖石損傷過(guò)程的變化規(guī)律。王俊璇[19]根據(jù)巖石承載過(guò)程中巖石的孔隙、裂隙的變化，利用斷裂力學(xué)理論和阿爾奇公式進(jìn)行分析，建立起電阻率與應(yīng)力之間的理論模型。楊為民[20]通過(guò)試驗(yàn)的手段，借助孔隙率和飽和度，發(fā)現(xiàn)了波速和電阻率之間變化規(guī)律，通過(guò)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，由于地下水活動(dòng)和孔隙率是影響巖石物理性質(zhì)的重要因素，因此這個(gè)規(guī)律可以用于實(shí)際中電阻率與波速之間的關(guān)系的模型。Jia等[21]提出利用電阻率的各向異性有助于判別巖石潛在破裂面位置。

以上的研究著眼于巖石的電阻率變化，得出了巖石的電阻率變化的原因是由于巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)展造成的，并且較好地反映了巖石破壞過(guò)程所處階段，在壓密階段電阻率會(huì)緩慢下降，在彈性變形階段逐漸上升，而塑性變形階段會(huì)略微下降。

5 利用數(shù)值模擬分析巖石蠕變破裂

李連崇等[22]在利用RFPA2D系統(tǒng)分析巖石破裂的基礎(chǔ)上，充分考慮時(shí)間對(duì)于巖石損傷過(guò)程的作用，并將其引入巖石蠕變特性方程，建立起巖石破裂過(guò)程作用下的RFPA2D數(shù)值模型，這個(gè)模型考慮了巖石流變效應(yīng)。肖永剛[23]用數(shù)值模擬的方法開(kāi)展研究，研究了應(yīng)力釋放率與巖爆的關(guān)系。張世超[24]為了研究不同均勻性對(duì)巖體破壞的影響，對(duì)不同均質(zhì)度下的巖樣單軸加載數(shù)值試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)巖石均質(zhì)度提高時(shí)，巖石聲發(fā)射模式將會(huì)由群震型向主震型發(fā)生轉(zhuǎn)變，并且?guī)r石發(fā)生滯后性破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力閾值也會(huì)越高。胡光輝考慮巖石的時(shí)效變形損傷時(shí)，引入了基于三維顆粒流程序(PFC3D)和細(xì)觀程度上的時(shí)效損傷的應(yīng)力腐蝕模型，并建立起依托于離散元方法的變形損傷破裂模型，其時(shí)效性明顯[25]。

在上述的試驗(yàn)中，通過(guò)模擬得出了巖爆的發(fā)生與應(yīng)力釋放的速率有關(guān)，速率在低于30%時(shí)不會(huì)發(fā)生巖爆，而在40%～50%之間時(shí)可能發(fā)生輕微巖爆的，大于60%就有可能發(fā)生中等巖爆,此外，滯后性巖爆發(fā)生的可能性與巖石的均質(zhì)度有關(guān)，均質(zhì)度越高，越難以發(fā)生。

6 結(jié)論

1)巖石的蠕變性質(zhì)和時(shí)效變形特征是用來(lái)評(píng)價(jià)工程巖體長(zhǎng)期穩(wěn)定性的依據(jù)。在工程中巖體的破壞失穩(wěn)總是與時(shí)間因素相關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)為典型的時(shí)效漸進(jìn)破壞過(guò)程，其破壞本質(zhì)是巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷。2)隨著社會(huì)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在工程中遇到的巖石所處的地質(zhì)環(huán)境可能會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，因此想要單純地利用室內(nèi)試驗(yàn)的方式可能沒(méi)辦法較好地模擬實(shí)際工程環(huán)境，得到的結(jié)論可能也不具有很好的代表性，但是如果結(jié)合計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬，對(duì)于巖石所處的地質(zhì)環(huán)境有一個(gè)很好的模擬，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合相應(yīng)的室內(nèi)試驗(yàn)，這樣獲得的結(jié)論不僅安全可靠，還具有很大的便捷性，對(duì)于工程實(shí)踐的指導(dǎo)意義。亦或者將多種試驗(yàn)手段進(jìn)行相互結(jié)合，比如說(shuō)將聲發(fā)射和電阻率等相結(jié)合，這樣對(duì)于巖石的特性會(huì)有一個(gè)更加全面的了解，對(duì)于機(jī)理的研究也更具有說(shuō)服力。