白云巖力學(xué)壓縮試驗及聲發(fā)射規(guī)律研究

葉少波，王宇博2

（1.四川公路橋梁建設(shè)集團有限公司，四川 成都 610093；2.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031）

0 引言

隨著我國隧道建設(shè)的快速發(fā)展，我國公路隧道在發(fā)展規(guī)模、建設(shè)數(shù)量、修建難度上均達到世界前列。在高地應(yīng)力近水平巖層中開挖隧道時，由于巖層的近水平層理的構(gòu)造特征以及巖層層間結(jié)合性的差異，隧道極易出現(xiàn)拱頂離層、掉塊、局部超挖、支護結(jié)構(gòu)偏壓、初期支護混凝土開裂等現(xiàn)象，高地應(yīng)力硬脆圍巖環(huán)境下還存在巖爆隱患[1-4]。因此開展高地應(yīng)力水平巖層隧道圍巖失穩(wěn)破壞過程研究意義重大。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者針對層狀巖體隧道開挖失穩(wěn)機理進行了研究。戴興國等[5]通過建立無張純壓拱力學(xué)模型，研究了拱頂巖梁產(chǎn)生屈曲、壓潰、剪切滑移的極限狀態(tài)。王崇革[6]結(jié)合現(xiàn)場測試和理論分析的方法，分析了近水平煤層開采引起上覆層狀巖體的變形沉降規(guī)律，發(fā)現(xiàn)開采過程中上覆巖層會形成裂隙拱，裂隙拱內(nèi)巖體發(fā)生明顯運動變形，且裂隙拱向上部巖層的擴展是有限的。張樂中[7]以陜北新窯溝隧道為背景，將水平圍巖的破壞類型歸納為破裂松動、膨脹內(nèi)鼓、擠壓和滑動破壞，研究了圍巖穩(wěn)定性的影響因素。閆永杰等[8]分析了隧道水平層狀頂板的變形機理，得到了拱頂層狀頂板在不均勻沉降變形下產(chǎn)生離層的結(jié)果。盧澤霖[9]依據(jù)層間結(jié)合性的差異，利用正交試驗的方法研究了各強度參數(shù)的影響，對隧道破壞機理進行歸納。涂瀚[10]以同馬山隧道水平層狀砂質(zhì)板巖圍巖穩(wěn)定性為研究背景，發(fā)現(xiàn)層狀巖體的變形主要為順層滑移和層間彎折，拱頂和邊墻是最薄弱的位置，破壞是圍巖壓力和開挖擾動一起引起的。徐國文等[11]采用離散元-有限差分耦合算法研究了層狀圍巖的破壞模式。

現(xiàn)有的研究分析了高地應(yīng)力水平巖層隧道圍巖失穩(wěn)破壞的機理，但對巖石破壞過程的研究較少。本文依托峨眉至漢源高速公路大峽谷隧道工程，通過室內(nèi)單軸、三軸試驗，采用聲發(fā)射裝置對高地應(yīng)力近水平巖層巖石的破壞過程進行研究。

1 工程概況

峨眉至漢源高速公路大峽谷隧道全長12.146 km，屬超特長隧道，也是該線的重點控制性工程。大峽谷隧道進口位于樂山市金口河區(qū)文店村，出口位于烏斯河鎮(zhèn)對面涼山自治州甘洛縣烏史大橋鄉(xiāng)爾苦灘村。該隧道埋深最大可達1 944 m，是當(dāng)前“世界第一埋深”的高速公路隧道。隧道設(shè)計為左、右線分離的雙向四車道，全長12 146 m。大峽谷隧道附近最高海拔大于3 000 m，最低點為隧道出口，海拔約657.6 m，兩者高差近2 500 m，屬高山峽谷地貌區(qū)。

隧道洞身穿越的巖性主要為白云巖，巖層近水平狀，洞頂巖體易沿層面掉落。隧道洞身穿越以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主，隧道Rc/σmax為2.67，屬極高應(yīng)力水平。通過現(xiàn)場取樣，將白云巖巖芯帶回實驗室制作成標準試件，進行室內(nèi)壓縮試驗，研究白云巖在高地應(yīng)力下的破壞過程。

2 室內(nèi)試驗

2.1 試驗設(shè)備

本文試驗采用MTS 815型多功能巖石三軸電液伺服控制剛性試驗機，如圖1所示。系統(tǒng)采用計算機控制，可實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)采集及處理。試驗機配備兩套獨立的伺服系統(tǒng)分別控制軸壓、圍壓。為研究巖樣在加載過程中的破壞過程，在壓縮試驗中采用聲發(fā)射系統(tǒng)對巖樣的壓縮破裂過程進行監(jiān)測。

圖1 三軸試驗設(shè)備Fig.1 Triaxial test equipment

2.2 試驗巖樣

本文試驗所用巖樣取自K83+453位置處，圍巖為微風(fēng)化白云巖，呈大塊-塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場對巖塊加工打磨后制得底部 d=50 mm、h=100 mm的14個圓柱形標準試件。為方便之后試驗和數(shù)據(jù)處理，對其進行編號（1～14號），如圖2所示，其中1～11號為完整巖樣，12～14號為帶有裂紋巖樣。

圖2 標準巖樣及其編號Fig.2 Standard rock samples and serial numbers

2.3 試驗方法

（1）本文試驗圍壓分別設(shè)置為0、5、10、15、20、25、30、35和 40 MPa，圍壓加載速率為 0.5 MPa/s，加載到預(yù)定值后，保持圍壓不變，全程監(jiān)測聲發(fā)射數(shù)據(jù)。

（2）控制以60 kN/min的加荷速率繼續(xù)施加軸壓，當(dāng)軸向荷載達到60 kN時，加載方式由軸向應(yīng)力控制改變?yōu)檩S向應(yīng)變速率控制，應(yīng)變加載速率為0.05 mm/min，直至試件完全破壞。

（3）卸除軸向壓力和油壓，抽除三軸壓力室內(nèi)部加載油液后，提升三軸壓力室，再去除軸向壓力，取出壓壞的巖樣，觀察巖樣的破壞形態(tài)。

巖石在力的作用下會產(chǎn)生變形和內(nèi)部裂紋擴展，在裂紋擴展過程中會伴隨著能量的釋放，通過采集巖石壓縮過程中的應(yīng)力波大小，經(jīng)計算機轉(zhuǎn)化后，主要得到的數(shù)據(jù)有聲發(fā)射振鈴計數(shù)、能量、上升時間、幅值等，再結(jié)合軸向應(yīng)力-時間曲線對比分析不同圍壓條件下巖樣的破裂演化過程。聲發(fā)射監(jiān)測示意圖如圖3所示。

圖3 聲發(fā)射采集流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of acoustic emission acquisition process

3 巖石破壞過程分析

本文共對13個巖石試樣進行單軸、三軸試驗，獲得各巖樣的破壞形態(tài)，如圖4、圖5所示。

圖4 完整巖樣破壞形態(tài)Fig.4 Failure pattern of intact rock samples

圖5 存在裂紋巖樣破壞形態(tài)Fig.5 Failure pattern of cracked rock samples

在單軸情況下（圍壓0 MPa），巖樣的破壞形式主要以豎向的張拉劈裂破壞為主，裂紋基本成豎向擴展、貫通；在圍壓大于5 MPa后，隨著圍壓的逐漸增大，各巖樣的峰值強度及其對應(yīng)的軸向應(yīng)變和峰后殘余強度均逐漸增大，表明在圍壓作用下巖樣由脆性向延性的逐漸轉(zhuǎn)變，且破壞形態(tài)由張拉劈裂破壞逐漸過渡為斜向剪切破壞，張拉劈裂和斜向剪切共同存在；在圍壓大于20 MPa后，破壞演變?yōu)橐孕毕蚣羟衅茐臑橹?，破壞形態(tài)為斜向貫通裂紋。但各巖樣均不同程度表現(xiàn)出脆性破壞特點，在達到峰值強度后，伴隨巖樣破裂發(fā)出響亮聲音，ε1-σ1曲線出現(xiàn)陡然下降現(xiàn)象，這是積聚在巖樣內(nèi)的應(yīng)變能急劇釋放的結(jié)果。

本文試驗所有試件壓縮過程均采用聲發(fā)射監(jiān)測，最終選取完整巖樣在圍壓5、10、15、30 MPa下和存在裂紋巖樣在圍壓0、20、40 MPa下的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進行分析，如圖6、7所示。

圖6 完整巖樣在不同圍壓下聲發(fā)射振鈴計數(shù)、能量、RA值與ε1-σ1曲線關(guān)系圖Fig.6 The curve diagram of acoustic emission ring count，energy，RA value and ε1-σ1 of intact rock samples under different confining pressures

圖7 存在裂紋巖樣在不同圍壓下聲發(fā)射振鈴計數(shù)、能量、RA值與ε1-σ1曲線關(guān)系圖Fig.7 The curve diagram of acoustic emission ring count，energy，RA value and ε1-σ1 of cracked rock samples under different confining pressures

由圖6知，巖樣在壓縮破壞過程中的聲發(fā)射特性和能量釋放特征與破壞過程中ε1-σ1曲線高度相符，其分析過程可大致分為裂紋壓密和彈性變形階段、塑性階段、峰值階段、殘余階段，對應(yīng)地將這四個階段記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。

（1）Ⅰ階段。該階段基本是巖石內(nèi)部已存在的裂紋被壓密和彈性變形的過程，完整巖樣產(chǎn)生的聲發(fā)射事件極少，總振鈴計數(shù)值和能量釋放數(shù)值分別占其總量的1%左右，在圖中基本沒有顯示。

（2）Ⅱ階段。該階段聲發(fā)射事件表現(xiàn)為逐漸增加到瞬時突發(fā)增加的歷程，總振鈴計數(shù)值和能量釋放數(shù)值分別占其總量的25%～50%，隨著應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率的逐漸減小，聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量釋放的程度都逐漸增加，完整巖樣增長比較緩慢。

（3）Ⅲ階段。該階段相比于其他階段歷程最短，但振鈴計數(shù)和能量釋放是最劇烈的。該階段應(yīng)力應(yīng)變曲線在達到峰值后出現(xiàn)陡然下降趨勢，巖樣形成貫通裂紋破壞，振鈴計數(shù)和能量釋放瞬間達到峰值，其量值是其他階段的1.5倍以上，說明巖樣發(fā)生了劇烈的宏觀貫通破壞。

（4）Ⅳ階段。該階段完整巖樣聲發(fā)射振鈴仍然比較強烈，但能量釋放不再顯著，總振鈴計數(shù)值和能量釋放數(shù)值分別占其總量的30%～45%，說明巖樣內(nèi)仍存在裂紋擴展，但擴展程度較小。

由圖7知，存在裂紋巖樣的破壞過程與完整巖樣破壞過程類似，也可分為裂紋壓密和彈性變形階段、塑性階段、峰值階段、殘余階段4個階段。

（1）Ⅰ階段。存在裂紋的巖樣由于先天存在裂隙的發(fā)育程度較高，所以在該階段聲發(fā)射事件相對突出，總振鈴計數(shù)值和能量釋放數(shù)值分別占其總量的5%左右。12號巖樣出現(xiàn)振鈴計數(shù)和能量釋放急劇增加現(xiàn)象，這是因為在壓密過程中裂紋之間發(fā)生貫通，形成微裂隙，進而導(dǎo)致聲發(fā)射事件的增加。

（2）Ⅱ階段。無論是完整巖樣還是存在裂紋巖樣，隨著應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率的逐漸減小，聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量釋放的程度都逐漸增加，但完整巖樣增長比較緩慢，存在裂紋巖樣增長幅度較大，說明存在裂紋巖樣內(nèi)裂紋的擴展發(fā)育程度要比完整巖樣大。

（3）Ⅲ階段。與完整巖樣破壞形態(tài)類似，存在裂紋巖樣發(fā)生了劇烈的宏觀貫通破壞。

（4）Ⅳ階段。存在裂紋巖樣聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量釋放均相對顯著，說明巖樣內(nèi)仍存在裂紋擴展，且擴展程度較大。

對比不同圍壓下巖樣中最大軸向應(yīng)力的變化發(fā)現(xiàn)，最大軸向應(yīng)力隨圍壓的增大而增大。完整巖樣在圍壓5、10、30 MPa下最大軸向應(yīng)力分別為170、200、260 MPa；存在裂紋巖樣在圍壓 0、20、40 MPa下最大軸向應(yīng)力分別為 84、248、348 MPa，巖石試件的軸向應(yīng)力隨圍壓的升高而增大，說明圍壓的升高使巖石試件的軸向變形增大。

對比不同圍壓下聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量釋放的峰值出現(xiàn)時間發(fā)現(xiàn)，隨著圍壓的增大，峰值出現(xiàn)的時間延后。完整巖樣在圍壓 5、10、30 MPa下聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量釋放的峰值出現(xiàn)時間分別為 1 213 s、1 226 s、1 429 s；存在裂紋巖樣在圍壓 0、20、40 MPa下聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量釋放的峰值出現(xiàn)時間分別為 542 s、1 385 s、1 737 s，說明圍壓的增加提高了巖石的變形能力。

對比完整巖樣和存在裂紋巖樣可以發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射事件在完整巖樣中的增長幅度要明顯低于存在裂紋巖樣，且完整巖樣的振鈴計數(shù)和能量釋放峰值基本只出現(xiàn)在應(yīng)力峰值，即破壞的瞬間，說明圍巖破碎的區(qū)域受應(yīng)力的擾動更大，內(nèi)部裂隙擴展程度更劇烈，也更容易出現(xiàn)巖體內(nèi)部優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的相互貫通，而導(dǎo)致隧道的圍巖失穩(wěn)或塌方出現(xiàn)。

4 結(jié)論

本研究通過現(xiàn)場采集的巖芯進行室內(nèi)壓縮試驗結(jié)合聲發(fā)射系統(tǒng)對巖樣的破壞過程進行分析，可得到以下結(jié)論：

（1）通過對比不同巖樣的聲發(fā)射特征，聲發(fā)射RA值較高時表征張拉裂紋的形成和擴展，聲發(fā)射RA值較低時表征剪切裂紋的形成和擴展。巖石試件的軸向應(yīng)力隨圍壓的升高而增大，巖樣在低圍壓下主要為張拉劈裂破壞，中圍壓下為張拉劈裂破壞和剪切破壞共同存在，在高圍壓下主要呈剪切破壞。

（2）對比不同巖樣的聲發(fā)射特征，完整巖樣的聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量主要集中在裂紋非穩(wěn)定發(fā)展和破壞殘余階段，而存在裂隙巖樣振鈴計數(shù)和能量在各破壞階段均比較顯著，說明破裂巖體的裂紋擴展更為顯著。