不同初始蓄能的梯度加載巖爆模型試驗(yàn)*

祝文化，李 倫，項(xiàng)戈澤，燕 星，夏元友

( 武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

巖爆是深埋高地應(yīng)力地區(qū)地下洞室開挖過程中普遍存在的問題，巖爆產(chǎn)生的剝落、彈射、拋擲等破壞現(xiàn)象，直接威脅施工人員及設(shè)備的安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，針對工程建設(shè)過程中巖爆這一亟待解決的世界性難題，國內(nèi)外巖石力學(xué)工作者都很重視，多年來在巖爆的定義、判據(jù)、預(yù)測及機(jī)理研究方面，進(jìn)行了大量研究工作，已取得了一些研究成果，但由于巖爆問題的復(fù)雜性，還未形成成熟的理論和方法[2-8]。

當(dāng)前巖爆的研究主要通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)、數(shù)值分析、現(xiàn)場監(jiān)測和物理模擬試驗(yàn)等手段，其中，物理模型試驗(yàn)是探討巖爆機(jī)理的一種重要方法[9]。費(fèi)鴻祿、何滿潮、李夕兵、馮夏庭、李天斌等介紹了我國在巖爆物理模型試驗(yàn)領(lǐng)域的部分研究成果[10-13]，但已開展的巖爆模型試驗(yàn)多基于一些巖石試驗(yàn)機(jī)，其加載應(yīng)力路徑及能量條件與巖體實(shí)際巖爆發(fā)生條件仍有一定的差異。一般情況下，深埋高地應(yīng)力地下工程施工過程中，開挖擾動影響了圍巖應(yīng)力的重新分布，開挖擾動區(qū)內(nèi)不同位置處巖體的垂直應(yīng)力集中程度隨著其距洞室邊墻距離的增大呈梯度衰減，當(dāng)應(yīng)力集中到一定程度時(shí)，會導(dǎo)致巖爆的發(fā)生[14]，而現(xiàn)有模型試驗(yàn)(非開洞)因加載裝置的結(jié)構(gòu)限制了模型的尺寸，大多數(shù)的巖爆試驗(yàn)都采用的是均布加載，其巖爆影響條件與實(shí)際巖體孕育的巖爆環(huán)境存在一定差異，一定程度上制約了巖爆機(jī)理的研究。因此，進(jìn)行現(xiàn)場開挖擾動區(qū)應(yīng)力環(huán)境梯度加載的大尺寸模型試驗(yàn)是巖爆物理模擬試驗(yàn)的發(fā)展趨勢[15]。另一方面，早期人們認(rèn)為巖爆巖體是一種能量體，只有當(dāng)巖體積聚的能量達(dá)到一定條件時(shí)，才可能發(fā)生巖爆，對巖爆體結(jié)構(gòu)特性受荷載因素及圍巖因數(shù)的影響考慮較少，從而對巖爆發(fā)生過程中，巖塊飛射的動力學(xué)過程及巨大的能量釋放等巖爆機(jī)理解釋存在一定的局限性。唐禮忠等提出以巖石在峰值強(qiáng)度前儲存的彈性應(yīng)變能和峰值強(qiáng)度后穩(wěn)定 破壞所需的能量耗散之差(即剩余能量)與峰值強(qiáng)度后穩(wěn)定破壞所需的能量耗散之比作為剩余能量指數(shù),以反映巖石在峰值強(qiáng)度后區(qū)的動態(tài)特性[16]。伍穎等認(rèn)為彈性能量指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)和脆性指標(biāo)均可用來較好地評價(jià)或描述巖爆產(chǎn)生的巖性與應(yīng)力條件[17]。錢七虎從能量角度對應(yīng)變型巖爆的理論機(jī)制進(jìn)行概括[18]。趙菲認(rèn)為髙儲能的巖體更有可能發(fā)生巖爆，而成為髙儲能巖體的必備條件包括兩個(gè)方面，即巖體有足夠的能力儲存較大的彈性應(yīng)變能和巖體內(nèi)部產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中[19]。李春林通過提出巖爆的球-崖概念模型，從能量角度介紹了應(yīng)變巖爆和礦震巖爆的發(fā)生條件[20]。顧金才等認(rèn)為[21]，巖爆瞬間巖爆體自身積蓄的能量是有限的，不足以產(chǎn)生明顯的拋擲性巖爆現(xiàn)象，必須要有周圍巖體對巖爆體產(chǎn)生能量匯聚，從而對巖爆體破壞過程進(jìn)行快速的能量補(bǔ)充?，F(xiàn)有的巖爆試驗(yàn)系統(tǒng)多采用液壓加載系統(tǒng)，在試件破壞瞬間油路供油緩慢，很難保障較高的加載速率，實(shí)現(xiàn)對巖爆體進(jìn)行快速的能量補(bǔ)充和動力補(bǔ)充使巖體發(fā)生拋擲性巖爆。

針對現(xiàn)有巖爆模型試驗(yàn)研究方法及試驗(yàn)系統(tǒng)存在的不足，2010年作者課題組自主研發(fā)了模擬洞室圍巖應(yīng)力分布的梯度加卸載巖爆模型試驗(yàn)裝置，并于2016年對該裝置進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)了氣液復(fù)合加載，可進(jìn)行不同初始蓄能氣壓加載，以模擬不同蓄能性能巖體圍巖對巖爆體的快速動力能量補(bǔ)充[22]。基于該試驗(yàn)裝置，先后進(jìn)行了液壓梯度加卸載、氣液復(fù)合型梯度加卸載巖爆模型試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了巖爆現(xiàn)象的室內(nèi)模擬再現(xiàn)，獲得了較為合理的梯度加載方法及巖爆破壞過程的相關(guān)規(guī)律[23-26]。

針對不同類型圍巖儲存能量特性對巖爆產(chǎn)生的影響，采用三種初始蓄能氣壓模擬不同類型圍巖儲存能量特性，進(jìn)行梯度加載巖爆模型對比試驗(yàn)，對模型試件發(fā)生巖爆的宏觀破壞形態(tài)、破壞瞬間的應(yīng)變特性及聲發(fā)射特征參數(shù)進(jìn)行分析，以探討不同儲能能力類型巖體中發(fā)生巖爆破壞過程及破壞瞬間的能量釋放特性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 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)合加載巖爆物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，如圖1。

圖 1 氣液復(fù)合型加載巖爆模型試驗(yàn)裝置Fig. 1 Test device of rock burst loading by combined gas-liquid

模型試驗(yàn)系統(tǒng)可以進(jìn)行液壓與氣液復(fù)合型的梯度加載巖爆模型試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)主機(jī)頂部由四組相互獨(dú)立的氣液復(fù)合加載器組成，可實(shí)現(xiàn)對試件的梯度加載；試件破壞瞬間，氣液復(fù)合加載器蓄能腔初始蓄能氣體能夠快速響應(yīng)補(bǔ)償加載器的壓力損失，克服了液壓傳動加載速率遲緩，無法及時(shí)進(jìn)行能量補(bǔ)充的缺點(diǎn)[22-26]。不同初始蓄能氣壓可以模擬不同蓄能性能巖體圍巖對巖爆體的動能補(bǔ)充，滿足現(xiàn)場巖爆體破壞過程的能量積聚和動力快速補(bǔ)充的實(shí)際應(yīng)力環(huán)境。

1.2 模型試件

根據(jù)已進(jìn)行的模型試驗(yàn)成果，按模型材料物理力學(xué)性能需滿足巖爆傾向性指標(biāo)的要求，選用高強(qiáng)度石膏材料制作模型，模型分兩塊進(jìn)行制作，每塊尺寸為1000 mm×600 mm×200 mm(長×寬×厚)，水灰比為0.65，添加檸檬酸作緩凝劑，試件制作完成后經(jīng)常溫干燥和烘干處理。為量測試驗(yàn)過程模型試件內(nèi)部受力和變形狀況，在模型試件表面按設(shè)計(jì)布設(shè)量測應(yīng)變片[23-26]，粘貼完應(yīng)變片后，經(jīng)過保護(hù)處理，利用快干水泥將2塊試件進(jìn)行合模黏結(jié)，形成巖爆模型試驗(yàn)整塊試件(1000 mm×600 mm×400 mm)。

模型試驗(yàn)相似問題，主要考慮了幾何相似條件和應(yīng)力相似條件，根據(jù)試驗(yàn)裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸，選取幾何相似系數(shù)為1∶10，應(yīng)力相似系數(shù)為1∶10。試驗(yàn)確定的模型材料參數(shù)與根據(jù)相似比換算出的原型巖體力學(xué)參數(shù)，見表1。

表 1 模型材料及原型巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of prototye rock mass and model material

根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)，試件內(nèi)部靜態(tài)應(yīng)變測點(diǎn)布置在試件卸載面一側(cè)的豎向荷載梯度較大的區(qū)域，在梯度1加載區(qū)域頂部位置布置了3個(gè)動態(tài)應(yīng)變測點(diǎn)，其中I～I(xiàn)II為動態(tài)應(yīng)變測點(diǎn)，1～40為靜態(tài)應(yīng)變測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖 2 應(yīng)變片測點(diǎn)布置圖(單位：mm)Fig. 2 Layout of strain gauge measuring point(uint：mm)

2 試驗(yàn)加載路徑

試驗(yàn)加載過程中為了模擬實(shí)際工程巖體應(yīng)力環(huán)境，在試件頂部利用四組獨(dú)立的氣液復(fù)合加載器形成梯度加載，模擬開挖洞室邊墻臨空面豎向應(yīng)力集中程度，試件頂部最小應(yīng)力σz4與側(cè)面應(yīng)力σx及后端部應(yīng)力σv相等，且維持試件圍壓一定，模型頂部梯度加載如圖3所示。

圖 3 模型試件梯度加載Fig. 3 The gradient loading diagrams of model test

由于模型尺寸較大，為了盡可能減少側(cè)面和后端面摩擦力對于豎向應(yīng)力傳遞的影響，取單軸抗壓強(qiáng)度的1/6即1 MPa作為側(cè)壓力(σx)進(jìn)行模型試驗(yàn)[22-23]。三組試驗(yàn)對氣液復(fù)合加載器蓄能腔設(shè)置不同的初始蓄能氣壓，分別為0 MPa、2 MPa、3 MPa(換算成試件表面初始應(yīng)力為0 MPa 、0.9 MPa、1.35 MPa)。根據(jù)文獻(xiàn)[23]的研究成果，選擇距離卸載面梯度荷載差值較大的加載方法，探討不同初始蓄能氣壓條件下的梯度加載方法對試件破壞過程的能量積聚及作用規(guī)律。三組試驗(yàn)加載路徑如圖4所示。

試件1，試驗(yàn)加載前，先將試件頂部和側(cè)面的均布加載器與試件表面接觸，圍壓值控制在0.2 MPa，然后將頂部梯度1、2、3、4的荷載統(tǒng)一施加至1 MPa，穩(wěn)壓30 min；對梯度4荷載保持1 MPa不變，梯度1、2、3加載至下一級荷載1.5 MPa，同時(shí)將試件圍壓加載至1 MPa，圍壓荷載保持1 MPa直至試驗(yàn)結(jié)束，穩(wěn)壓30min；保持梯度3荷載1.5 MPa不變，梯度1、2加載至下一級荷載2 MPa，穩(wěn)壓30 min；保持梯度2荷載2 MPa不變，梯度荷載1加載至下一級荷載2.5 MPa，穩(wěn)壓30 min；最后按照每加載0.25 MPa穩(wěn)壓10 min的荷載級別，逐步加大梯度1的荷載直至試件破壞。如圖4(a)所示。

圖 4 試件加載應(yīng)力路徑Fig. 4 Loading path of test specimen

試件2，試驗(yàn)加載前，先將試件頂部和側(cè)面均布加載器與試件表面接觸，圍壓值控制在0.2 MPa，將頂部梯度2、3、4的荷載統(tǒng)一施加至1 MPa，梯度1先對氣液復(fù)合加載器蓄能腔施加2 MPa氣壓荷載(對應(yīng)于試件表面荷載0.9 MPa)，再通過液壓加載至1 MPa，穩(wěn)壓30 min；梯度4荷載保持1 MPa不變，梯度1、2、3加載至下一級荷載1.5 MPa，同時(shí)將試件圍壓加載至1 MPa，圍壓荷載保持1 MPa直至試驗(yàn)結(jié)束，穩(wěn)壓30 min；保持梯度3荷載1.5 MPa不變，梯度1、2加載至下一級荷載2 MPa，穩(wěn)壓30 min；保持梯度2荷載2 MPa不變，梯度荷載1加載至下一級荷載2.5 MPa，穩(wěn)壓30 min；最后按照每加載0.25 MPa 穩(wěn)壓10 min的荷載級別，逐步加大梯度1的荷載直至試件破壞。如圖4(b)所示。

試件3，試驗(yàn)加載前，先將試件頂部和側(cè)面均布加載器與試件表面接觸，圍壓值控制在0.2 MPa，將頂部梯度2、3、4的荷載統(tǒng)一施加至1 MPa，梯度1先對氣液復(fù)合加載器蓄能腔施加3 MPa氣壓荷載(對應(yīng)于試件表面荷載1.35 MPa)，穩(wěn)壓30 min；梯度4荷載保持1 MPa不變，梯度1、2、3加載至下一級荷載1.5 MPa，同時(shí)將試件圍壓加載至1 MPa，圍壓荷載保持1 MPa直至試驗(yàn)結(jié)束，穩(wěn)壓30min；保持梯度3荷載1.5 MPa不變，梯度1、2加載至下一級荷載2 MPa，穩(wěn)壓30 min；保持梯度2荷載2 MPa不變，梯度荷載1加載至下一級荷載2.5 MPa，穩(wěn)壓30 min；最后按照每加載0.25 MPa 穩(wěn)壓10 min的荷載級別，逐步加大梯度1的荷載直至試件破壞。如圖4(c)所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試件宏觀破壞現(xiàn)象

模型試驗(yàn)共進(jìn)行了3組，不同初始蓄能氣壓條件下的梯度加載產(chǎn)生的巖爆現(xiàn)象具有較大的差異性，三組試件宏觀破壞現(xiàn)象如圖5所示。

圖 5 試件宏觀破壞Fig. 5 The macro damage of test specimen

(1)試件1破壞時(shí)頂部荷載梯度依次為5.0 MPa，2.0 MPa，1.5 MPa，1.0 MPa，圍壓為1.0 MPa，如圖5(a)。試件發(fā)生破壞時(shí)，首先在試件頂部右端產(chǎn)生裂紋并迅速貫穿發(fā)生脫落；左側(cè)頂部和底部發(fā)生片狀剝落，卸載面觀察有整體的塊狀從試件脫落。從兩側(cè)面來看，試件已經(jīng)產(chǎn)生從上到下的貫穿式斜裂縫，破壞主要以剝落的形式產(chǎn)生碎屑、板狀碎塊。試件1的破壞形態(tài)說明試件在加載破壞過程中，大部分能量因?yàn)樨Q向裂縫的發(fā)育而消散，沒有多余的能量轉(zhuǎn)化為動能，同時(shí)梯度荷載1沒有蓄能氣壓的能量補(bǔ)充，破壞時(shí)加載速率主要為液壓加載，以壓縮剝離破壞為主。

(2)試件2破壞時(shí)頂部荷載梯度依次為5.4 MPa，2.0 MPa，1.5 MPa，1.0 MPa，圍壓為1.0 MPa，如圖5(b)。試件2發(fā)生巖爆破壞前，試件左邊中部出現(xiàn)一條裂縫，右邊頂部出現(xiàn)弧形裂紋，而后瞬間發(fā)生巖爆現(xiàn)象，碎屑及板塊迅速被彈出，碎屑的彈射距離達(dá)0.5m，并伴隨有明顯破裂聲響，形成比較明顯的拋擲現(xiàn)象。梯度荷載1的均布加載器初始蓄能氣壓的能量補(bǔ)充，促進(jìn)了加載過程中試件內(nèi)部積聚能量瞬間快速釋放，使卸載面巖塊或巖片產(chǎn)生彈射或剝落。

(3)試件3破壞時(shí)頂部荷載梯度依次為5.6 MPa，2.0 MPa，1.5 MPa，1.0 MPa，圍壓為1.0 MPa。如圖5(c)。試件3破壞時(shí)發(fā)生較強(qiáng)的巖爆，巖爆瞬間伴有非常響亮的聲音，試件上部破壞碎片迸射而出，碎屑大小均勻，碎片最遠(yuǎn)拋擲距離達(dá)1 m以上。但試件左側(cè)局部在破壞前產(chǎn)生了豎向貫穿裂紋，形成板狀碎片，消耗了加載過程積聚的能量，導(dǎo)致破壞碎片沒有從試件母體上彈出。

三組不同初始蓄能氣壓的梯度加載巖爆模型試驗(yàn)，在試件發(fā)生巖爆破壞時(shí)，模型頂部最大荷載為單軸抗壓強(qiáng)度的0.8左右的荷載范圍時(shí)發(fā)生巖爆，與Russeenes巖爆判別準(zhǔn)則及現(xiàn)場實(shí)例統(tǒng)計(jì)結(jié)果相一致，說明氣液復(fù)合的梯度加載模型試驗(yàn)方法符合現(xiàn)場工程巖體的實(shí)際受荷狀態(tài)[23]。

3.2 試件應(yīng)變特性分析

試驗(yàn)時(shí)對荷載較大的梯度1、2的加載區(qū)域分別布置了垂直和水平應(yīng)變片。本文列出了距離卸載面的梯度荷載1對應(yīng)區(qū)域的應(yīng)變實(shí)測結(jié)果。應(yīng)變片V1、V2、V3、V4、V5是從試件頂部到底部垂直布置，相應(yīng)于測試洞室邊墻的豎向應(yīng)變；應(yīng)變片H1、H2、H3、H4、H5是從試件頂部到底部水平布置，相應(yīng)于測試洞室邊墻的徑向應(yīng)變。3組模型試驗(yàn)距離卸載面的荷載梯度1加載區(qū)域的第一、二列的測點(diǎn)應(yīng)變變化特征如圖6、圖7、圖8所示。

圖 6 試件1應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig. 6 Strain-time curve of Specimen 1

圖 7 試件2應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig. 7 Strain-time curve of Specimen 2

從三組試件的應(yīng)變—時(shí)間關(guān)系曲線及表2、表3梯度1加載區(qū)域的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)可以看出，隨著各級荷載的加載，試件內(nèi)各測點(diǎn)應(yīng)變呈現(xiàn)明顯的階梯式增長，垂直向各測點(diǎn)應(yīng)變階梯式增長趨勢較水平向各測點(diǎn)更為顯著；試件破壞時(shí)距離卸載面的荷載梯度1加載區(qū)域的垂直向壓應(yīng)變最大值由小到大分別為試件1、試件2、試件3，說明氣液復(fù)合加載在試件破壞瞬間的能量補(bǔ)充比較顯著，保障了破壞瞬間的荷載加載速率，初始蓄能氣壓越大，試件發(fā)生巖爆破壞的現(xiàn)象越顯著；水平向拉應(yīng)變最大值由小到大分別為試件2、試件3、試件1，同時(shí)水平向應(yīng)變顯示，第二列各測點(diǎn)應(yīng)變值明顯大于第一列，說明在梯度加載條件下，試件內(nèi)部介質(zhì)向卸載面方向有明顯的水平擠壓作用，擠壓巖爆體并為其補(bǔ)充能量，與現(xiàn)場實(shí)際巖爆過程中的巖體應(yīng)力條件基本吻合，水平向作用力越大，破壞時(shí)的巖爆烈度越大。

表 2 梯度1加載區(qū)垂直向應(yīng)變Table 2 Vertical strain of Gradient 1 loading zone

表 3 梯度1加載區(qū)水平向應(yīng)變Table 3 Horiontal strain of Gradient 1 loading zone

結(jié)合試件宏觀破壞現(xiàn)象，三組試件不同的初始蓄能氣壓影響試件內(nèi)部破壞瞬間的能量集聚及能量釋放速率，對巖爆的破壞范圍和破壞程度有較大的促進(jìn)作用。初始蓄能氣壓越大，試件在破壞點(diǎn)處應(yīng)變變化幅值越大，試件破壞瞬間轉(zhuǎn)化為碎屑彈射的動能越多，破壞歷時(shí)越短，巖爆破壞越顯著。

3.3 傳感器應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

為了解試件在加載過程中的受力狀態(tài)，在試件內(nèi)部按設(shè)計(jì)布置應(yīng)力傳感器，1號測點(diǎn)為試件頂部應(yīng)力傳感器，臨近頂部均布加載器，2號測點(diǎn)為試件中部位置應(yīng)力傳感器，3號測點(diǎn)為試件底部位置應(yīng)力傳感器，傳感器的布置見圖9，應(yīng)力傳感器的實(shí)測結(jié)果見圖10。

圖10為試件(2)測試結(jié)果，三個(gè)測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)力曲線一致性較好，明顯反映了試件內(nèi)部應(yīng)力值在加載過程中隨埋設(shè)深度增大呈遞減的變化規(guī)律，試件破壞時(shí)實(shí)際加載為5.4 MPa，1號傳感器實(shí)測荷載為5.2 MPa，2號為4.6 MPa，3號為4.0 MPa。同一時(shí)刻，試件內(nèi)部受力與實(shí)際加載存在一定的差異，且從上至下呈遞減的趨勢，1、2、3號測點(diǎn)減小的比例分別為3.7%、14.8%、26%，說明試件加載過程中側(cè)面的摩擦力對試件內(nèi)部的應(yīng)力傳遞有較大的影響，反映在試驗(yàn)結(jié)果上，直接影響了試件的宏觀破壞區(qū)域，使巖爆破壞時(shí)多處于試件卸載面的中上部位。后續(xù)試驗(yàn)時(shí)還需重點(diǎn)進(jìn)行減少摩擦力的相關(guān)措施研究工作。

3.4 動態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析

巖爆發(fā)生的瞬間，極短時(shí)間內(nèi)應(yīng)變的變化非常迅速，靜態(tài)電阻應(yīng)變儀無法捕捉到巖爆發(fā)生時(shí)的瞬間應(yīng)變數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)嘗試在頂部梯度1加載區(qū)域臨近試件頂部位置布置3個(gè)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)豎向應(yīng)變片(見圖2)，采用TS3801動態(tài)應(yīng)變儀，設(shè)置了相關(guān)采集參數(shù)，對三組模型試件破壞瞬間的動態(tài)應(yīng)變進(jìn)行采集，動態(tài)應(yīng)變實(shí)測結(jié)果如圖11所示。

圖 8 試件3應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig. 8 Strain-time curve of Specimen 3

圖 9 傳感器布置圖(單位：mm)Fig. 9 Layout of sensor(unit：mm)

圖 10 試件傳感器應(yīng)力圖(試件2)Fig. 10 Sensor stress of specimens

從圖11中可以看出三組試件破壞瞬間的動態(tài)應(yīng)變差異較大，試件1(初始蓄能氣壓0 MPa)破壞時(shí)的動態(tài)應(yīng)變值在2500 με左右，破壞過程長達(dá)1.5 s，從開始出現(xiàn)應(yīng)變增長到試件破壞，應(yīng)變緩慢增長；試件2(初始蓄能氣壓2 MPa)動態(tài)應(yīng)變值為4000 με左右，試件破壞過程0.6 s左右，應(yīng)變值達(dá)峰值后回落；試件3(初始蓄能氣壓3 MPa)破壞時(shí)動態(tài)應(yīng)變值最大，達(dá)6000 με，試件破壞過程僅用了0.3 s左右的時(shí)間，破壞瞬間應(yīng)變值向上突變。

圖 11 三組試件動態(tài)應(yīng)變圖Fig. 11 Dynamic strain of three specimens

對比三組試件的動態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以看出蓄能氣壓越大，試件破壞瞬間的應(yīng)變值越大，應(yīng)變值變化越陡峭，同時(shí)經(jīng)歷的時(shí)間也就越短。破壞時(shí)卸載面應(yīng)力集中程度越高，在單位時(shí)間內(nèi)彈性應(yīng)變能的釋放更為集中，試件破壞時(shí)就可能出現(xiàn)強(qiáng)烈?guī)r爆現(xiàn)象。

4 試件聲發(fā)射能量特征分析

聲發(fā)射(AE)是指巖石受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂破壞，以應(yīng)力波形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象，在一定程度上代表了其脆性破裂過程中能量釋放和損傷程度[27-29]。聲發(fā)射能量定義了單位時(shí)間內(nèi)采集到的聲發(fā)射事件產(chǎn)生的能量綜合，因其更加敏感的特性，聲發(fā)射能量比聲發(fā)射事件數(shù)更加適合衡量巖石的破壞強(qiáng)度，可以有效的反應(yīng)巖體內(nèi)部破壞特征[30]。以試件合模縫為中線，在試件卸載面由上至下均勻布置聲發(fā)射傳感器探頭，共五個(gè)測點(diǎn)。聲發(fā)射傳感器的布置見圖12。聲發(fā)射能量-時(shí)間-累積能量見圖13。

圖 12 聲發(fā)射傳感器布置圖(單位：cm)Fig. 12 Layout of AE sensors(unit：cm)

圖 13 聲發(fā)射能量-時(shí)間-累積能量圖Fig. 13 Relation curves of AE energy-time-cumulative energy

聲發(fā)射測試結(jié)果如表4，試件1初始蓄存氣壓為0 MPa，加載過程中試件聲發(fā)射事件數(shù)和能量隨加載逐步遞增，試件內(nèi)部產(chǎn)生破壞裂紋，直至形成貫穿裂縫到完全破壞。

表 4 試件聲發(fā)射能量參數(shù)Table 4 AE energy parameters

根據(jù)測得各通道最大能量釋放時(shí)間，試件完全破壞經(jīng)歷的時(shí)間達(dá)1.5 s，因?yàn)樵嚰茐牡臍v時(shí)長，大量彈性應(yīng)變能被裂縫的擴(kuò)展所消耗，破壞形式以剝落為主，產(chǎn)生大量碎塊。試件2初始蓄存氣壓為2 MPa，試件破壞前出現(xiàn)了一定量的聲發(fā)射事件數(shù)，但聲發(fā)射事件數(shù)和能量主要集中在試件破壞瞬間，在試件發(fā)生巖爆時(shí)大部分彈性能轉(zhuǎn)化為破壞時(shí)碎屑的動能，試件破壞過程持續(xù)0.6 s。試件3初始蓄存氣壓為3 MPa，發(fā)生巖爆破壞前各通道彈性能耗散較少，其累積能量相對較大，巖爆過程歷時(shí)0.3 s，能量釋放速率最快，大部分彈性能在極短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為破壞時(shí)碎屑的彈射動能，發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆現(xiàn)象。

三組試件梯度加載路徑相同，但由于初始蓄能氣壓不同，導(dǎo)致試件破壞瞬間卸載面的應(yīng)力集中程度不同，破壞現(xiàn)象也完全不同，初始蓄能氣壓的大小在巖爆發(fā)生破壞瞬間的能量補(bǔ)充對巖爆現(xiàn)象有顯著影響，能量釋放的速率越快，則巖爆現(xiàn)象越強(qiáng)烈。

5 結(jié)論

利用改進(jìn)后的氣液復(fù)合加載巖爆模型試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了不同初始蓄能氣壓條件下的梯度加載巖爆模型對比試驗(yàn)，模擬不同類型圍巖儲存能量特性對巖爆的影響，得出以下結(jié)論：

(1)三組試件梯度加載路徑相同，但由于初始蓄能氣壓不同(巖爆圍巖儲能不同)，顯著影響試件破壞瞬間內(nèi)部的能量集聚及能量釋放速率。初始蓄能氣壓越大，在巖爆發(fā)生破壞瞬間，試件內(nèi)部積聚的能量越大，破壞瞬間釋放的速率越快，巖爆現(xiàn)象越強(qiáng)烈。這一現(xiàn)象與現(xiàn)場不同蓄能能力巖體發(fā)生巖爆的強(qiáng)烈程度基本一致。

(2)三組不同初始蓄能氣壓的梯度加載巖爆模型試驗(yàn)，在試件發(fā)生破壞時(shí)，模型頂部豎向應(yīng)力在單軸抗壓強(qiáng)度的0.8左右的荷載范圍時(shí)發(fā)生巖爆，與相關(guān)現(xiàn)場實(shí)例統(tǒng)計(jì)結(jié)果及巖爆判別準(zhǔn)則相一致，說明氣液復(fù)合的梯度加載模型試驗(yàn)方法與實(shí)際工程巖體的應(yīng)力環(huán)境基本相似。

(3)三組試件的水平向應(yīng)變—時(shí)間關(guān)系曲線顯示，試件內(nèi)部(第二列)各測點(diǎn)水平應(yīng)變值明顯大于卸載面(第一列)，說明在梯度加載條件下，試件內(nèi)部介質(zhì)向卸載面方向有明顯的水平擠壓作用，擠壓巖爆體并為其補(bǔ)充能量，與現(xiàn)場實(shí)際巖爆過程中的巖體應(yīng)力條件基本吻合。

(4)三組試件破壞瞬間的動態(tài)應(yīng)變差異較大，初始蓄能氣壓的大小決定了試件在破壞瞬間的應(yīng)變大小及應(yīng)變梯度。初始蓄能氣壓越大，試件破壞瞬間的應(yīng)變值越大，破壞經(jīng)歷的時(shí)間也越短，破壞時(shí)卸載面應(yīng)力集中程度越高，在單位時(shí)間內(nèi)彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為更多的碎屑彈射動能，巖爆破壞越顯著。

(5)試件內(nèi)部的應(yīng)力傳感器實(shí)測結(jié)果表明，試件內(nèi)部受力與實(shí)際加載存在一定的差異，且隨著傳感器位置的不同，應(yīng)力實(shí)測值從試件上部至下部呈遞減分布，破壞時(shí)下部應(yīng)力傳感器的實(shí)測值與實(shí)際破壞荷載減少了近1/3，說明試件加載過程中側(cè)面的摩擦力對試件內(nèi)部的應(yīng)力傳遞有較大影響，直接影響了試件的宏觀破壞區(qū)域，使巖爆破壞時(shí)多處于試件卸載面的中上部位。另外，初始蓄能氣壓如何定量反映不同類型圍巖儲存能量特性，這些都是后續(xù)試驗(yàn)工作需重點(diǎn)解決的問題。