深部花崗巖水力破壞機(jī)制與蓄能特性實(shí)驗(yàn)研究

由爽，李飛，孫金翠，紀(jì)洪廣，王洪濤

(1.北京科技大學(xué)城市地下空間工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京，100083)

礦業(yè)資源的開發(fā)與利用是推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，隨著資源開采的強(qiáng)度與規(guī)模不斷加大，淺層資源日漸枯竭，國(guó)家在“十三五”時(shí)期提出深地戰(zhàn)略，未來深部資源開采將成為常態(tài)[1]。資源開采在深部尤其是1 km以下硬巖地層資源開采過程中，地應(yīng)力水平提高，工程巖體處于三向高應(yīng)力狀態(tài)，具有高硬度、強(qiáng)壓縮、高蓄能的特征，表現(xiàn)出與低應(yīng)力作用下不同的力學(xué)行為[2?3]。深部硬巖地層滲流通道很少，深部水體靜儲(chǔ)量巨大而引發(fā)巖溶水壓增加，致使硬巖地層承受有效應(yīng)力升高[4]，易誘發(fā)巖爆等一系列重大工程災(zāi)害[5?7]，因此，針對(duì)高應(yīng)力高水壓條件下深部硬巖的力學(xué)行為與能量轉(zhuǎn)化特征的研究尤為關(guān)鍵。最初研究者主要研究單一應(yīng)力因素對(duì)巖石強(qiáng)度特性與能量演化規(guī)律的影響，并通過改變?cè)囼?yàn)的應(yīng)力路徑模擬不同的應(yīng)力狀態(tài)。早期的力學(xué)試驗(yàn)只是簡(jiǎn)單地增加圍壓等級(jí)，發(fā)現(xiàn)巖石的強(qiáng)度也相應(yīng)增加，表明巖石是一種壓敏材料[8]。之后，一些研究者通過循環(huán)加載卸載試驗(yàn)、單循環(huán)試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)、卸荷試驗(yàn)等多種非常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)[9?12]，獲得了不同應(yīng)力環(huán)境下工程巖體的力學(xué)性能與能量轉(zhuǎn)化特征。隨著工程圍巖賦存的地質(zhì)條件日益復(fù)雜，越來越多的研究者發(fā)現(xiàn)水壓對(duì)巖石同樣具有不可忽視的影響，因此，研究水力耦合作用下巖石的力學(xué)性質(zhì)已成為深部巖石力學(xué)領(lǐng)域研究的前沿課題。WANG 等[13]研究了水力耦合作用下煤礦砂巖和石灰?guī)r的變形破壞全過程，揭示了不同性質(zhì)巖石破壞前后力學(xué)性質(zhì)的差異。ZHOU等[14]對(duì)北山花崗巖進(jìn)行了常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)和水力耦合試驗(yàn)，研究了巖石破壞過程中的力學(xué)行為。劉剛等[15]基于單軸、三軸及孔隙水實(shí)驗(yàn)結(jié)果，闡明了圍壓與水壓影響下黃砂巖的強(qiáng)度特征與變形特性，并發(fā)現(xiàn)了受載過程中的能量演化規(guī)律。以往研究大多考慮圍壓或低圍壓低水壓共存條件，未能切實(shí)反映深部巖體所處復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境，對(duì)于高水力耦合作用下深部花崗巖的水力破壞機(jī)制與蓄能特性尚不明確。為此，本文作者以紗嶺金礦深部地層花崗巖作為研究對(duì)象，開展不同應(yīng)力條件下的三軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)比分析不同應(yīng)力條件下全應(yīng)力?應(yīng)變曲線，揭示圍壓和水壓對(duì)深部花崗石力學(xué)性能、變形特性、能量轉(zhuǎn)化特征等力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)研究方法與方案

1.1 試樣的選取與制備

巖心取自紗嶺金礦1 km 以下地層，基于偏光顯微圖像進(jìn)行礦巖成分分析，結(jié)果表明巖石的石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石的總質(zhì)量占整體礦物質(zhì)量的89%～92%，巖性為花崗巖。通過核磁共振試驗(yàn)分析深部花崗巖孔隙分布特征，結(jié)果表明孔隙度在1.45%～1.72%之間變化，且內(nèi)部微孔隙、小孔隙體積占總體孔隙體積的50%以上，表明深部花崗巖內(nèi)部孔隙很少，直接影響巖石的宏觀力學(xué)性質(zhì)。巖心按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)標(biāo)準(zhǔn)加工成直徑為50 mm、高度為100 mm 的圓柱體試樣[16]，并對(duì)巖樣進(jìn)行超聲檢測(cè)分析，挑選出縱波波速相近的巖樣作為試驗(yàn)樣品。

1.2 試樣儀器與試驗(yàn)方案

采用TAW-2000 型微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)完成不同圍壓、水壓作用下三軸壓縮試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)可施加的軸向荷載≤2 000 kN，圍壓≤100 MPa，水壓≤60 MPa。軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變分別采用軸向引伸計(jì)與環(huán)向引伸計(jì)進(jìn)行測(cè)定，巖樣軸向、徑向的最大變形分別為5 mm和3 mm，測(cè)量精度達(dá)1%，滿足精度要求。

考慮到深部花崗巖具有低滲性，為了保證試驗(yàn)過程中巖樣處于完全滲透狀態(tài)，在試驗(yàn)前對(duì)巖樣進(jìn)行24 h 飽水處理，確保巖樣中的原生孔隙充滿水，消除因填充孔隙水而產(chǎn)生的水流量誤差，進(jìn)行不同圍壓和水壓條件下的三軸壓縮試驗(yàn)。首先將巖樣置于試驗(yàn)機(jī)中，依次以100 N/s 加載速率對(duì)巖樣施加圍壓與水壓至預(yù)先設(shè)計(jì)值并保持恒定，再以0.015 mm/min 的加載速率施加軸向偏應(yīng)力直至巖樣發(fā)生脆性破壞或滿足研究需求為止，同時(shí)記錄并保存巖石受載過程的軸向偏應(yīng)力、軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變、滲流量等參數(shù)信息。需要說明的是，整個(gè)試驗(yàn)過程中需要時(shí)刻注意圍壓、水壓，若發(fā)生明顯波動(dòng)，則中止并重新試驗(yàn)。

不同圍壓下三軸壓縮試驗(yàn)的圍壓采用15，25和35 MPa，對(duì)應(yīng)巖樣編號(hào)分別為C-15，C-25和C-35。不同水壓下三軸壓縮試驗(yàn)的水壓采用4，8和12 MPa，圍壓恒定(即35 MPa)，對(duì)應(yīng)巖樣編號(hào)分別為H-4，H-8和H-12。

2 深部花崗巖變形破壞機(jī)制

2.1 應(yīng)力閾值計(jì)算與應(yīng)力階段劃分

開展不同圍壓、水壓條件下三軸壓縮試驗(yàn)，其應(yīng)力?應(yīng)變曲線如圖1所示。巖石在受載過程中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)持續(xù)發(fā)生變化，本質(zhì)上是能量驅(qū)動(dòng)下內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，其經(jīng)歷壓密階段、彈性階段、屈服階段、擴(kuò)容階段、應(yīng)變軟化階段以及殘余應(yīng)力階段[17?19]。而深部花崗巖內(nèi)部孔隙發(fā)育不明顯，且受到高應(yīng)力高水壓作用，呈現(xiàn)強(qiáng)壓縮特征，致使全應(yīng)力?應(yīng)變曲線中無壓密階段顯現(xiàn)。

1)當(dāng)深部花崗巖開始受到軸力作用時(shí)，直接進(jìn)入彈性階段，其內(nèi)部裂紋體積幾乎不發(fā)生變化。

2)當(dāng)軸力不斷增加超過起裂應(yīng)力σci，巖石進(jìn)入屈服階段，裂隙開始萌生，但巖石體積整體呈現(xiàn)不斷緊縮狀態(tài)。

3)當(dāng)軸力到達(dá)擴(kuò)容應(yīng)力σcd時(shí)，巖石開始發(fā)生擴(kuò)容現(xiàn)象，裂隙不斷發(fā)育與貫通，巖石由緊縮狀態(tài)轉(zhuǎn)為膨脹狀態(tài)。

4)當(dāng)軸力達(dá)到峰值應(yīng)力σp時(shí)，巖石內(nèi)部裂隙聯(lián)通形成宏觀斷面，發(fā)生應(yīng)力跌落現(xiàn)象，巖石進(jìn)入應(yīng)變軟化階段。

5)當(dāng)斷面錯(cuò)動(dòng)閉合時(shí)，巖石結(jié)構(gòu)重新恢復(fù)穩(wěn)定，形成殘余應(yīng)力σr，進(jìn)入殘余應(yīng)力階段。

以編號(hào)為C-1的巖樣應(yīng)力應(yīng)變曲線為例，三軸壓縮條件下深部花崗巖不同應(yīng)力階段應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)如圖2所示。從圖2可見：深部花崗巖軸向偏應(yīng)力?軸向應(yīng)變(徑向應(yīng)變)曲線經(jīng)歷彈性階段、屈服階段、擴(kuò)容階段、應(yīng)變軟化階段以及殘余應(yīng)力階段；彈性階段與屈服階段的分界點(diǎn)為起裂點(diǎn)，對(duì)應(yīng)裂紋體積應(yīng)變?軸向應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)；屈服階段與擴(kuò)容階段的分界點(diǎn)為擴(kuò)容點(diǎn)，對(duì)應(yīng)總體積應(yīng)變?軸向應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)；擴(kuò)容階段與應(yīng)變軟化階段的分界點(diǎn)為峰值點(diǎn)，對(duì)應(yīng)軸向偏應(yīng)力?軸向應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)；應(yīng)變軟化階段與殘余應(yīng)力階段的分界點(diǎn)為殘余點(diǎn)，對(duì)應(yīng)軸向偏應(yīng)力?軸向應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)。結(jié)合相同圍壓下軟巖的應(yīng)力?應(yīng)變曲線特征進(jìn)行對(duì)比分析[20]，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力高水壓作用下深部花崗巖具有無明顯壓密階段、起裂點(diǎn)低、屈服階段較長(zhǎng)、擴(kuò)容點(diǎn)較高、峰后應(yīng)力跌落速率快與幅度大的力學(xué)特征。

圖2 三軸壓縮條件下深部花崗巖不同應(yīng)力階段應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)Fig.2 Strain development trend of deep granite in different stress stages under triaxial compression

巖樣的總體積應(yīng)變?chǔ)舦一般不能直接測(cè)定，需要通過測(cè)定的軸向應(yīng)變?chǔ)?與徑向應(yīng)變?chǔ)?計(jì)算獲得

總體積應(yīng)變曲線在彈性階段和屈服階段呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在擴(kuò)容階段、應(yīng)變軟化階段和殘余應(yīng)力階段呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其表征巖樣總體積應(yīng)變由壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)為膨脹狀態(tài)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)巖樣的擴(kuò)容點(diǎn)。

總體積應(yīng)變?chǔ)舦包括由于應(yīng)力作用下巖石發(fā)生彈性變形部分的彈性體積應(yīng)變?chǔ)舉v和同等應(yīng)力作用下巖石體內(nèi)裂隙萌生、發(fā)育與貫通引發(fā)的裂隙體積應(yīng)變?chǔ)與v：

基于胡克定律，換算得到巖石裂紋體積應(yīng)變?chǔ)與v：

式中：σ1為軸向應(yīng)力，MPa；σ3為圍壓，MPa；μ為巖樣處于彈性階段的泊松比；E為巖樣處于彈性階段的彈性模量，GPa。

裂紋體積應(yīng)變曲線在彈性階段呈現(xiàn)相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)，在屈服階段、擴(kuò)容階段、應(yīng)變軟化階段和殘余應(yīng)力階段呈現(xiàn)下降狀態(tài)，且降速在各個(gè)應(yīng)力階段表現(xiàn)不同，巖樣裂隙數(shù)量與形態(tài)在不同應(yīng)力階段發(fā)育狀態(tài)各異，因此，裂紋體積應(yīng)變曲線下降的初始點(diǎn)對(duì)應(yīng)起裂點(diǎn)。

2.2 強(qiáng)度特性與變形特性分析

基于不同圍壓、水壓條件下深部花崗巖的應(yīng)力?應(yīng)變曲線，獲取其擴(kuò)容應(yīng)力、峰值應(yīng)力以及殘余應(yīng)力與圍壓和水壓的相關(guān)關(guān)系如圖3所示。從圖3可見：當(dāng)無水壓作用時(shí)，擴(kuò)容應(yīng)力與峰值應(yīng)力均隨著圍壓增加而增大，而殘余應(yīng)力則呈現(xiàn)出相反趨勢(shì)。這表明圍壓能夠限制峰前階段裂隙發(fā)育與擴(kuò)展，直接提升巖石承載能力以及儲(chǔ)能能力，使得巖石發(fā)生體積擴(kuò)容與峰值破壞的現(xiàn)象延緩，進(jìn)而造成巖石的殘余應(yīng)力降低。

圖3 深部花崗巖應(yīng)力閾值與應(yīng)力條件的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relationship between stress thresholds and stress conditions of deep granite

當(dāng)圍壓恒定時(shí)，隨著水壓增加，擴(kuò)容應(yīng)力與峰值應(yīng)力均下降，而殘余應(yīng)力上升。這是因?yàn)樗畨嚎梢源龠M(jìn)峰前階段裂隙發(fā)育與擴(kuò)展，致使巖石較早出現(xiàn)體積擴(kuò)容以及峰值破壞現(xiàn)象，減緩了峰值破壞時(shí)深部花崗巖的應(yīng)力跌落程度。這表明水壓對(duì)于巖石力學(xué)性能具有損傷效應(yīng)，并且水壓越大，損傷效應(yīng)越顯著，直接影響巖石的強(qiáng)度特性。

彈性模量和泊松比共同決定巖石的變形特性，因此，通過對(duì)兩者的計(jì)算獲取不同應(yīng)力條件下深部花崗巖的變形參數(shù)：

式中：Δσ1為巖樣處于彈性階段軸向應(yīng)力的增量，MPa；Δε1為巖樣處于彈性階段軸向應(yīng)變的增量，%；Δε3為巖樣處于彈性階段徑向應(yīng)變的增量，%。

深部花崗巖變形參數(shù)與應(yīng)力條件的相關(guān)關(guān)系如圖4所示。從圖4可見：彈性模量和泊松比均隨著圍壓增大而增大，隨著水壓增大而減小。這是因?yàn)閲鷫簩?duì)于深部花崗巖變形特性具有強(qiáng)化效應(yīng)，而水壓具有損傷效應(yīng)。圍壓能夠增強(qiáng)巖石本身的彈性，提升其剛度，使得花崗巖的橫向變形增長(zhǎng)率比軸向變形增長(zhǎng)率高，最終導(dǎo)致巖石的彈性模量和泊松比增大。而水壓增加使得巖石的彈性變形能力減小，剛度降低，其軸向變形的增長(zhǎng)率比橫向變形的增長(zhǎng)率高，最終導(dǎo)致巖石的彈性模量和泊松比減小。

圖4 深部花崗巖變形參數(shù)與應(yīng)力條件的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Relationship between deformation parameters and stress conditions of deep granite

3 基于能量轉(zhuǎn)化機(jī)制的深部花崗巖受載演化過程分析

3.1 深部花崗巖漸進(jìn)破壞全過程能量計(jì)算原理

基于應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系描述巖石的力學(xué)性能是較常見的一種研究方法，但通過試驗(yàn)機(jī)獲取的全應(yīng)力?應(yīng)變曲線只是對(duì)于其特定力學(xué)狀態(tài)的外在表述，而巖石受載過程中表現(xiàn)出的力學(xué)行為本質(zhì)上是能量分配的結(jié)果，因此，以能量的角度研究巖石受載演化過程可從根本上解釋巖石破壞機(jī)理[21]。外界應(yīng)力加載系統(tǒng)注入巖石的總能量分為兩部分：一部分能量成為彈性應(yīng)變能量?jī)?chǔ)存在巖石內(nèi)部，當(dāng)作用于巖石的外界荷載撤去后立即恢復(fù)變形，屬于可逆轉(zhuǎn)的能量；另一部分轉(zhuǎn)化為耗散能量，用于巖石的塑性變形以及孔隙、裂隙擴(kuò)展聯(lián)通，屬于不可逆轉(zhuǎn)的能量。基于試驗(yàn)獲得的應(yīng)力?應(yīng)變曲線，并結(jié)合熱力學(xué)定律獲得巖石受載過程的總能量密度、彈性應(yīng)變能量密度及耗散能量密度：

式中：U為總能量密度，kJ·m?3；Ue為彈性應(yīng)變能量密度，kJ·m?3；Ud為耗散能量密度，kJ·m?3；Eu為巖樣的卸載模量，GPa。需要注意的是，通常采用彈性模量代替卸載模量進(jìn)行計(jì)算。

耗散能量密度主要用于巖石損傷和塑性變形，故耗散能量密度與總能量密度的比值可以在一定程度上反映巖石內(nèi)部損傷程度，而圍壓與水壓分別對(duì)巖石內(nèi)部裂隙的發(fā)育與擴(kuò)展產(chǎn)生限制與促進(jìn)效應(yīng)，因此，引入耗散能占比γ的概念表征不同應(yīng)力階段圍壓與水壓對(duì)于巖石能量耗散特性的影響規(guī)律：

以軸向偏應(yīng)力?軸向應(yīng)變曲線為基礎(chǔ)，分別作彈性應(yīng)變能量密度?軸向應(yīng)變曲線、耗散能量密度?軸向應(yīng)變曲線以及耗散能占比?軸向應(yīng)變曲線，如圖5所示。從圖5可見：彈性應(yīng)變能量密度與耗散能量密度在彈性階段(第Ⅰ階段)均保持極低水平，總能量密度主要轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變能量密度，儲(chǔ)存于巖石體內(nèi)，因此，耗散能占比不斷降低；當(dāng)巖石處于屈服階段(第Ⅱ階段)時(shí)，內(nèi)部微裂隙開始發(fā)育，耗散能量密度緩慢增加，但相較總能量密度增速要低，因此，耗散能占比仍下降，但降速減緩；當(dāng)軸向偏應(yīng)力超過擴(kuò)容應(yīng)力時(shí)，巖石處于擴(kuò)容階段(第Ⅲ階段)，耗散能量密度開始顯著增大，這是由于在這一階段巖石內(nèi)部大量裂隙擴(kuò)展與貫通，耗散能占比的變化趨勢(shì)由下降轉(zhuǎn)為上升；巖石由于峰值破壞發(fā)生應(yīng)力跌落(第Ⅳ階段)，內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量被釋放，耗散能量密度開始劇烈增加，其主要用于宏觀斷面的形成，耗散能占比急劇上升；當(dāng)巖石處于殘余應(yīng)力階段(第Ⅴ階段)時(shí)，發(fā)生沿著斷面的摩擦滑移現(xiàn)象，彈性應(yīng)變能量密度持續(xù)減小，耗散能占比緩慢增加。

圖5 不同應(yīng)力階段深部花崗巖能量指標(biāo)的演化規(guī)律Fig.5 Evolution trend of energy indexes of deep granite in different stress stages

3.2 深部花崗巖蓄能特性的圍壓強(qiáng)化效應(yīng)

不同圍壓下深部花崗巖受載全過程耗散能占比與軸向應(yīng)變的相關(guān)關(guān)系如圖6所示。縱向?qū)Ρ炔煌瑖鷫合聨r石峰前階段、殘余應(yīng)力階段耗散能占比的變化特征，分析圍壓對(duì)深部花崗巖蓄能能力的影響作用。從圖6可見：深部花崗巖在達(dá)到峰值應(yīng)變以前，其耗散能占比隨著軸向應(yīng)變?cè)黾映尸F(xiàn)先減后增趨勢(shì)，二者呈二次函數(shù)關(guān)系，且圍壓越大，同一應(yīng)變水平對(duì)應(yīng)的耗散能占比越小；而當(dāng)巖石處于殘余應(yīng)力階段時(shí)，耗散能占比與軸向應(yīng)變呈線性關(guān)系，且圍壓越大，同一應(yīng)變水平對(duì)應(yīng)的耗散能占比越大。試驗(yàn)結(jié)果表明，在峰前階段，總能量密度轉(zhuǎn)化為耗散能密度的比例隨著圍壓增大而減小，這是因?yàn)閲鷫合拗谱饔脤?dǎo)致裂紋發(fā)育程度減弱，表明圍壓具有顯著增強(qiáng)巖石峰前儲(chǔ)能能力的作用。但由于高圍壓導(dǎo)致深部花崗巖峰前儲(chǔ)存能量量級(jí)較大，致使峰值破壞時(shí)內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性應(yīng)變能量釋放量增多，對(duì)于巖石結(jié)構(gòu)沖擊性變強(qiáng)，巖石應(yīng)力跌落幅度隨之增大。

圖6 不同圍壓下深部花崗巖受載全過程耗散能占比與軸向應(yīng)變的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Relationship between proportion of dissipated energy and axial strain of deep granite under different confining pressures

深部花崗巖在峰值破壞時(shí)內(nèi)部積聚的能量(彈性應(yīng)變能量)釋放，對(duì)于巖石整體結(jié)構(gòu)具有一定的沖擊影響，因此，研究巖石在峰值應(yīng)力處的儲(chǔ)能量級(jí)以及巖爆傾向性具有重要意義。峰值應(yīng)力處能量密度與圍壓的相關(guān)關(guān)系如圖7所示。從圖7可見：隨著圍壓等級(jí)增加，巖石峰值處總能量密度和內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性應(yīng)變能量密度均呈線性上升。這是因?yàn)楫?dāng)圍壓增加時(shí)，巖石能夠承擔(dān)的軸向應(yīng)力相應(yīng)升高(如圖1所示)，其彈性可變形的范圍也隨之?dāng)U大，因此，巖石峰值應(yīng)力處總能量密度以及儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能量密度均相應(yīng)提高。

圖7 峰值應(yīng)力處能量密度指標(biāo)與圍壓的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Relationship between energy density indexes at peak stress and confining pressures

引入改進(jìn)后的峰值能量沖擊性指數(shù)研究巖石發(fā)生峰值破壞時(shí)能量沖擊現(xiàn)象[22]，該指標(biāo)認(rèn)為巖石發(fā)生峰值破壞時(shí)并非是全部的輸入能量對(duì)巖石結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而是由于內(nèi)部彈性應(yīng)變能量的釋放對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而發(fā)生巖爆現(xiàn)象。峰值能量沖擊性指數(shù)公式如下：

式中：A′CF為峰值能量沖擊性指數(shù)。當(dāng)A′CF<2.0 時(shí)，巖石無巖爆傾向；當(dāng)2.0≤A′CF≤5.0時(shí)，有巖爆傾向；當(dāng)A′CF>5.0時(shí)，有強(qiáng)巖爆傾向。

各圍壓作用下深部花崗巖峰值應(yīng)力處的能量沖擊性指數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表1可見：深部花崗巖在低圍壓條件下(圍壓在15～25 MPa 范圍內(nèi))不發(fā)生巖爆現(xiàn)象，而在相對(duì)高圍壓條件下(圍壓為35 MPa)發(fā)生巖爆。這是因?yàn)樯畈炕◢弾r內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性應(yīng)變能量量級(jí)隨著圍壓增大而增大，當(dāng)巖石發(fā)生峰值破壞時(shí)，內(nèi)部彈性應(yīng)變能量的釋放對(duì)巖石整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成沖擊，因此，巖石發(fā)生巖爆的可能性相應(yīng)提高，這與巖石峰后應(yīng)力跌落現(xiàn)象表現(xiàn)相一致(如圖1所示)。

表1 不同圍壓下深部花崗巖峰值應(yīng)力處能量沖擊性指數(shù)及巖爆傾向性Table 1 Energy impact index and rockburst tendency of deep granite at peak stress under different confining pressures

3.3 深部花崗巖的水損傷效應(yīng)

不同水壓下深部花崗巖耗散能占比?軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖8所示。從圖8可見：水壓顯著影響深部花崗巖受載過程中的能量轉(zhuǎn)化特征；總體上，水壓不會(huì)改變耗散能占比的曲線形態(tài)，但是會(huì)明顯影響不同應(yīng)力階段巖石耗散能占比；在峰前階段，深部花崗巖的耗散能占比隨著水壓增大而提高；在峰后階段，受水壓影響，耗散能占比增長(zhǎng)程度逐漸減??；當(dāng)水壓達(dá)到12 MPa 時(shí)，耗散能占比在應(yīng)變軟化階段甚至?xí)霈F(xiàn)較平緩上升。

圖8 不同水壓下深部花崗巖耗散能占比的演化規(guī)律Fig.8 Evolution trend of proportion of dissipated energy in deep granite under different porewater pressures

研究不同應(yīng)力階段深部花崗巖耗散能量密度的增幅情況，可以獲得巖石在特定應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下能量密度增幅特征。耗散能量密度增幅的計(jì)算式為

式中：ζ為耗散能量密度的增幅；ΔUd為巖石各應(yīng)力階段耗散能量密度的增量，kJ/m3；UTd為巖石總耗散能量密度，kJ/m3。

不同水壓下深部花崗巖各應(yīng)力階段耗散能量密度增幅情況如圖9所示。從圖9可見：當(dāng)深部花崗巖處于彈性階段和屈服階段時(shí)，所有水壓作用下耗散能量密度增幅均不明顯，均處于較低水平；而低水壓(4 MPa)和無水壓作用下巖石的耗散能量密度增幅略增加；當(dāng)巖石進(jìn)入擴(kuò)容階段時(shí)，在高水壓等級(jí)(8 MPa和12 MPa)作用下巖石的耗散能量密度開始明顯上升；當(dāng)巖石處于應(yīng)變軟化階段時(shí)，高水壓等級(jí)下巖石耗散能量密度增幅的增速與擴(kuò)容階段的增速幾乎一致，而低水壓和無水壓作用下巖石耗散能量密度增幅劇烈增加。這是因?yàn)樵诓煌瑧?yīng)力階段，深部花崗巖的應(yīng)力狀態(tài)各異，其內(nèi)部裂隙數(shù)量以及形態(tài)發(fā)生變化(如圖2所示)；當(dāng)軸力低于擴(kuò)容應(yīng)力時(shí)，巖石的體積不斷緊縮，水壓對(duì)于巖石的損傷作用減弱，因此，有無水壓對(duì)于巖石耗散能的增加并無明顯影響；當(dāng)花崗巖內(nèi)部出現(xiàn)裂隙時(shí)，高水壓作用下水能夠充分地賦存其中，導(dǎo)致對(duì)巖石結(jié)構(gòu)的損傷效應(yīng)更加顯著，使巖石在峰前階段用于裂隙產(chǎn)生和塑性變形的耗散能量密度增加，儲(chǔ)能極限值隨之降低，其峰值破壞時(shí)內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量密度對(duì)巖石結(jié)構(gòu)沖擊產(chǎn)生的影響減小，耗散能量密度的增幅速率更加穩(wěn)定。

圖9 不同水壓下深部花崗巖各應(yīng)力階段耗散能增幅情況Fig.9 Increment of dissipated energy of deep granite in different stress stages under different porewater pressures

基于深部花崗巖各應(yīng)力階段能量轉(zhuǎn)化特征，發(fā)現(xiàn)水壓對(duì)巖石具有顯著的損傷效應(yīng)即水損傷效應(yīng)。進(jìn)一步通過各應(yīng)力閾值處耗散能占比的變化計(jì)算水損傷指標(biāo)能夠反映水損傷效應(yīng)的程度，計(jì)算式為

式中：δ為水損傷指標(biāo)；Δγid為不同水壓下巖石i應(yīng)力閾值處耗散能占比的增量；γid為無水壓下巖石i應(yīng)力閾值處耗散能占比。

不同水壓下深部花崗巖的水損傷指標(biāo)與應(yīng)力閾值的相關(guān)關(guān)系如圖10所示。從圖10可見：水損傷指標(biāo)呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，這是由于巖石內(nèi)部裂隙不斷增多，水能夠更多地賦存于裂隙當(dāng)中，導(dǎo)致水壓促進(jìn)裂隙發(fā)育的效果增強(qiáng)；同一應(yīng)力閾值處水壓越大，其損傷程度越高，表明在峰前階段，水損傷程度與水壓等級(jí)呈正比關(guān)系，且在臨近巖石破壞的擴(kuò)容階段中水力影響最大，而在峰后階段，水壓變化對(duì)于巖石損傷效應(yīng)影響很小。

圖10 不同水壓下深部花崗巖的水損傷指標(biāo)與應(yīng)力閾值的相關(guān)關(guān)系Fig.10 Relationship between hydraulic damage index and stress threshold of deep granite under different porewater pressures

4 結(jié)論

1)深部花崗巖的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)受到其本身物性及高圍壓高水壓作用的雙重影響，表現(xiàn)出無明顯壓密階段、起裂點(diǎn)低、屈服階段較長(zhǎng)、擴(kuò)容點(diǎn)較高、峰后應(yīng)力跌落速率快與幅度大的力學(xué)特征。

2)擴(kuò)容應(yīng)力、峰值應(yīng)力均隨圍壓增加而增大，殘余應(yīng)力隨圍壓增加而減小；而擴(kuò)容應(yīng)力、峰值應(yīng)力均隨水壓增加而減小，殘余應(yīng)力隨圍壓增加而增大。

3)在峰前階段，隨著軸向應(yīng)變?cè)黾?，深部花崗巖的彈性應(yīng)變能量密度、耗散能量密度表現(xiàn)出不同程度的增大趨勢(shì)，耗散能占比呈現(xiàn)先降后升趨勢(shì)。在同一軸向應(yīng)變下，圍壓越大，耗散能占比相應(yīng)減小。在殘余應(yīng)力階段，軸向應(yīng)變?cè)黾?，耗散能占比持續(xù)增加，且在同一軸向應(yīng)變下，耗散能占比隨著圍壓增大而增大。圍壓會(huì)明顯提升深部花崗巖極限儲(chǔ)能能力，致使其巖爆傾向性增強(qiáng)。

4)高水壓能夠提高峰前階段深部花崗巖的損傷程度，導(dǎo)致耗散能量密度增幅增加，且峰后階段耗散能量密度增幅速度與峰前擴(kuò)容階段耗散能量密度增幅速度幾乎一致。而低水壓和無水壓作用下深部花崗巖峰前耗散能量密度增長(zhǎng)幅度較小，在峰值破壞時(shí)耗散能量密度增幅顯著增加。水損傷指標(biāo)呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，在峰前階段，水損傷指標(biāo)與水壓呈正比，而在峰后階段，水壓變化對(duì)于深部花崗巖損傷效應(yīng)影響很小。