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側(cè)壓影響下圓形洞室?guī)r爆雙軸物理模擬試驗研究

2020-02-27 08:03郭偉耀3趙同彬3沈?qū)毺?24張東曉
關(guān)鍵詞:巖爆洞室屈曲

郭偉耀3趙同彬3沈?qū)毺?24張東曉

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地,山東 青島 266590; 2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院,山東 青島 266590;3.山東科技大學(xué) 礦業(yè)工程國家級實驗教學(xué)示范 中心,山東 青島 266590;4.澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)院能源部 昆土蘭先進(jìn)技術(shù)中心,澳大利亞 昆土蘭州 布里斯班 4069)

規(guī)律性層裂化破壞是深部工程中硬脆性巖體中的普遍現(xiàn)象,且層裂化破壞與巖爆發(fā)生密切相關(guān)[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者圍繞這類問題從案例分析、理論研究、試驗研究和數(shù)值模擬四個方面進(jìn)行了大量研究。

Fairhurst等[4]最早對這種圍巖平行于洞壁破壞的現(xiàn)象進(jìn)行描述,并將其稱之為層裂化破壞(spalling或slabbing);Martin等[5]對加拿大某硬巖礦山開采中礦柱的破壞形式進(jìn)行現(xiàn)場案例統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)V柱寬高比小于2.5時,其主要破壞形式為層裂化剝落和破壞;張傳慶等[6]對錦屏二級水電站2號試驗洞開挖后圍巖破壞形態(tài)統(tǒng)計,將破壞形態(tài)分為三種:片狀破壞、薄板狀破壞和楔形板狀破壞。理論研究方面,主要從力學(xué)角度對巖爆發(fā)生條件進(jìn)行了分析,并建立了相應(yīng)的巖爆破壞模型,如馮濤等[7]應(yīng)用斷裂力學(xué)原理分析了巖體的斷裂特征,并提出了巖爆發(fā)生機理的層裂屈曲模型;左宇軍等[8]建立了洞室層裂屈曲巖爆的突變模型,得出洞室層裂屈曲巖爆在準(zhǔn)靜態(tài)破壞條件下的演化規(guī)律;顧金才等[9]對拋擲型巖爆發(fā)生機制進(jìn)行分析研究,并進(jìn)行了相應(yīng)裝置的研發(fā)。試驗研究方面,主要研究了結(jié)構(gòu)面和不同加載條件對層裂化巖爆的影響,如周輝等[10-11]通過室內(nèi)物理實驗及數(shù)值模擬驗證的方式,研究了結(jié)構(gòu)面和開挖斷面的曲率半徑對板裂屈曲巖爆的影響。Zhao等[12]研究了單軸壓縮條件下含裂隙試樣的板裂破壞特征;何滿潮等[13-14]利用真三軸試驗系統(tǒng),對含孔洞試樣進(jìn)行真三軸巖爆模擬試驗研究。數(shù)值模擬方面,主要研究了側(cè)壓系數(shù)、擾動應(yīng)力波等因素對巷道圍巖層裂化破壞的影響,如王學(xué)濱等[15-16]分別使用FLAC和RFPA數(shù)值模擬軟件,研究了不同側(cè)壓系數(shù)下板裂圍巖的失穩(wěn)破壞特點;雷光宇等[17]利用LS-DYNA軟件,研究了擾動應(yīng)力波作用下巷幫圍巖層裂破壞特點。

上述研究極大豐富了巖爆和層裂化破壞研究,尤其是對揭示層裂屈曲巖爆機理具有重要意義。但是目前對于側(cè)壓影響下的巖爆機制研究較少,尤其是雙軸物理模擬試驗研究。鑒于此,采用含孔洞紅砂巖試樣進(jìn)行雙軸加載試驗,利用高速相機記錄孔洞破壞過程,研究側(cè)壓影響下圓形洞室破壞特征及巖爆機制。

1 試樣制備及試驗方案

圖1 試樣示意圖Fig. 1 Specimen used in the test

紅砂巖取自山東省莒南縣,首先制得尺寸為100 mm×100 mm×50 mm的長方體試樣,之后通過磨平機磨平試樣兩個端面,試樣加工精度均符合國際巖石力學(xué)學(xué)會(international society for rock mechanics,ISRM)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。然后利用巖芯取樣機制作直徑為30 mm孔洞,具體如圖1所示。該紅砂巖單軸抗壓強度為43.5 MPa,彈性模量為6.9 GPa。

采用RLJW-2000型巖石伺服壓力試驗機(如圖2)。對含孔洞紅砂巖試樣進(jìn)行單雙軸加載試驗,側(cè)壓取0、1、5、8和12 MPa 5種情況(側(cè)壓為0代表單軸壓縮實驗)。為保證試驗結(jié)果準(zhǔn)確性,試樣在每種加載情況下至少制備3塊及以上試樣進(jìn)行試驗,最終選取有效結(jié)果進(jìn)行分析。試驗過程中,在加載墊塊與試樣接觸表面之間涂抹凡士林,以減少端面效應(yīng)。單軸壓縮試驗,以0.25 mm/min加載速率施加軸向壓力直至試樣破壞;雙軸壓縮試驗,首先以0.1 MPa/s的加載速率同時施加軸向和側(cè)壓至側(cè)壓值(此時軸壓與側(cè)壓相等),之后保持側(cè)壓不變,再以0.25 mm/min的加載速率施加軸壓直至試樣破壞。

圖2 試驗系統(tǒng)Fig. 2 Testing system

圖3 洞室破壞點應(yīng)力-應(yīng)變分布特征Fig. 3 Stress-strain distribution characteristics of failure point

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同側(cè)壓下孔洞破壞過程

側(cè)壓對孔洞的破壞過程及形態(tài)影響較小,均以洞室兩側(cè)形成近似對稱的V型槽為主。以側(cè)壓5 MPa為例,結(jié)合圖3洞室破壞點應(yīng)力應(yīng)變特征和圖4高速相機記錄的照片對其破壞過程進(jìn)行描述:試驗進(jìn)行到9′12″時(σz=29.16 MPa),洞壁中點開始發(fā)生破壞;9′21″時(σz=31.18 MPa),洞壁部分區(qū)域開始產(chǎn)生明顯鼓起;9′59″時(σz=39.26 MPa),洞壁中點上方區(qū)域出現(xiàn)大面積鼓起,同時產(chǎn)生巖片滑落現(xiàn)象;10′19″時(σz=42.37 MPa),洞壁破壞區(qū)域繼續(xù)增大,產(chǎn)生顆粒剝落現(xiàn)象;10′31″時(σz=43.48 MPa),再次產(chǎn)生大巖片滑落現(xiàn)象;10′38″時(σz=43.36 MPa),破壞加劇,V型槽貫穿,發(fā)生巖爆。

根據(jù)試驗結(jié)果分析,可將紅砂巖巖爆過程大致可分為平靜期、剝落期、屈曲期和巖爆破壞期四個時期:

1) 平靜期:洞壁沒有產(chǎn)生宏觀破壞現(xiàn)象,處于積蓄能量時期,但此時內(nèi)部產(chǎn)生較多微裂紋,如圖5(a)。Shen等[18]研究認(rèn)為,當(dāng)環(huán)向應(yīng)力與巖體單軸抗壓強度比值達(dá)到0.4,巖體內(nèi)部微裂隙開始產(chǎn)生并發(fā)展,微裂紋在隧洞中間區(qū)域產(chǎn)生和發(fā)展,并且微裂紋方向平行于洞壁。

2) 剝落期:洞壁表面首先產(chǎn)生顆粒、巖片剝落現(xiàn)象,隨著繼續(xù)加載,剝落現(xiàn)象增多、剝落巖片尺寸增大,初步形成剝落槽,如圖5(b)。

3) 屈曲期:隨著繼續(xù)加載,洞壁不再發(fā)生明顯變化,洞壁淺部層裂化破壞停止,但洞壁一定深度范圍內(nèi)的層裂結(jié)構(gòu)屈曲蓄能,如圖5(c)。

4) 巖爆期:層裂結(jié)構(gòu)屈曲變形達(dá)到其承載極限,突然失穩(wěn),產(chǎn)生巖塊飛濺、崩出現(xiàn)象,即發(fā)生巖爆,如圖5(d)。

2.2 側(cè)壓影響下洞壁垂直起裂應(yīng)力及破壞深度

假定洞室的應(yīng)力方向分別為x,y,z,其中σz為垂直應(yīng)力,σx為水平應(yīng)力,σy為沿洞室軸向方向的應(yīng)力。

圖4 側(cè)壓5 MPa洞室破壞圖Fig. 4 Damage patterns of tunnels when lateral pressure is 5 MPa

圖5 孔洞破壞過程Fig. 5 Failure process of the borehole

根據(jù)彈性力學(xué)平面應(yīng)變問題的假定,圍巖受到平行于橫截面且不沿長度變化的面力,即沿洞室軸向方向不產(chǎn)生變形,因此可以將問題看成平面應(yīng)變問題。在二向應(yīng)力狀態(tài)下,根據(jù)彈性力學(xué)公式,圓形洞室最大切應(yīng)力位于洞室兩幫中點,且σθmax=3p-q。在二向應(yīng)力狀態(tài),p=σz和q=σx,可得到最大切應(yīng)力

σθmax=3σz-σx。

(1)

表1和圖6給出了洞壁破壞時的垂直起裂應(yīng)力σz和最大切應(yīng)力σθmax及二者與側(cè)壓的關(guān)系。洞壁的垂直起裂應(yīng)力和最大切應(yīng)力均隨側(cè)壓增大呈線性增大趨勢。當(dāng)側(cè)壓為1 MPa時,垂直起裂應(yīng)力和最大切應(yīng)力分別為32.18和95.54 MPa,而當(dāng)側(cè)壓增大到12 MPa時,垂直起裂應(yīng)力和最大切應(yīng)力數(shù)值分別為48.1和132.3 MPa,分別提高了49.5%和38.5%。

表1 洞壁破壞時的垂直起裂應(yīng)力和最大切應(yīng)力

圖7給出了洞壁破壞深度與側(cè)壓的關(guān)系。隨著側(cè)壓增大,洞壁破壞深度呈線性增大趨勢,如側(cè)壓為1 MPa時,洞壁破壞深度僅為2.1 mm,而側(cè)壓增大到12 MPa時,洞壁破壞深度達(dá)5.3 mm,增大152%。文獻(xiàn)[19]的現(xiàn)場案例分析表明,圍巖破壞深度隨洞壁最大切應(yīng)力增大而呈線性增大趨勢,結(jié)合“洞壁最大切應(yīng)力隨側(cè)壓增大呈線性增大趨勢”這一結(jié)論,可佐證該試驗結(jié)果。破壞深度與洞室半徑比值可以達(dá)到1.35,這與Martin等[20]現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果相近。

圖6 洞壁垂直起裂應(yīng)力及最大切應(yīng)力與側(cè)壓的關(guān)系圖Fig. 6 Curve of vertical initiation stress, maximum tangential stress and lateral pressure

圖7 洞壁破壞深度與側(cè)壓的關(guān)系圖Fig. 7 Relationship between borehole failure depth and lateral pressure

3 側(cè)壓影響下洞室?guī)r爆機制分析

圖8給出了低側(cè)壓(1 MPa)和高側(cè)壓(8 MPa)下洞壁的破壞形態(tài)。當(dāng)側(cè)壓較低時,洞壁以劈裂破壞為主,破壞深度小;當(dāng)側(cè)壓較高時,洞壁淺部區(qū)域以劈裂破壞為主,而深部區(qū)域以剪切破壞為主,破壞深度大。

圖8 洞室破壞形態(tài)及其素描圖Fig. 8 Cave failure pattern and its sketch

當(dāng)側(cè)壓較低時,如圖9(a)所示,洞壁沿水平方向應(yīng)力梯度小,即水平方向約束力較小,受力類似單軸壓縮,以拉伸破壞機制為主,而此時洞壁最大切應(yīng)力也較小,圍巖蓄能低,故圍巖破壞深度??;當(dāng)側(cè)壓較高時,如圖9(b)所示,洞壁沿水平方向應(yīng)力梯度大,洞壁淺部區(qū)域破壞機制與側(cè)壓較低時類似,但洞壁深部區(qū)域受力類型三軸壓縮,以剪切破壞機制為主,而此時洞壁最大切應(yīng)力較大,圍巖蓄能高,故圍巖破壞深度大。

巖爆過程可以大致分為平靜期、剝落期、屈曲期和巖爆期四個時期,其中平靜期為聚能期、剝落期和巖爆期是釋能期,通過分析各階段的時間占比能反映巖爆演化過程中的能量變化特征,不同側(cè)壓下巖爆過程各階段時間占比見表2。隨著側(cè)壓增大,平靜期持續(xù)時間及占比增大,而破壞期時間及占比反而減小,如側(cè)壓從1 MPa增大到12 MPa時,平靜期持續(xù)時間及占比分別增加了519 s和10.44%,而破壞期持續(xù)時間及占比分別減小了40 s和10.44%。該結(jié)果表明,隨著側(cè)壓增大,圍巖積聚能量增加,而釋放能量時間持續(xù)減小,會造成洞壁破壞時單位時間內(nèi)釋放的能量增加,即巖爆更加劇烈。

圖9 洞室破壞模式示意圖Fig. 9 Failure model of borehole

表2 巖爆過程各階段時間占比Tab. 2 Time proportion of rockburst at different stages

水平應(yīng)力/MPa平靜期持續(xù)時間/s平靜期階段時間占比/%洞室初始破壞到巖爆噴射階段時間/s洞室初始破壞到巖爆噴射階段時間占比/%153184.1510015.85555386.009014.00875091.91668.09121 05094.59605.41

4 結(jié)論

1) 巖爆破壞過程中經(jīng)歷四個典型的階段:平靜期、剝落期、屈曲期和巖爆期。隨著側(cè)壓增大,洞壁垂直起裂應(yīng)力線性增加,同時巖爆發(fā)生后造成的V型坑深度也線性增加。

2) 側(cè)壓較低時,洞壁沿水平方向應(yīng)力梯度小,水平方向約束小,受力類似單軸壓縮,以拉伸破壞機制為主,洞壁破壞深度小;側(cè)壓較高時,洞壁沿水平方向應(yīng)力梯度大,洞壁淺部區(qū)域破壞機制與側(cè)壓較低時類似,但洞壁深部區(qū)域受力類似三軸壓縮,以剪切破壞機制為主,洞壁破壞深度大。

3) 側(cè)壓對洞壁能量積聚和釋放有重要影響,隨著側(cè)壓增大,平靜期持續(xù)時間增加、破壞期持續(xù)時間減小,即圍巖積聚能量增加、釋放能量持續(xù)時間減小,造成洞壁破壞時單位時間內(nèi)釋放能量增加,使巖爆發(fā)生更加劇烈。

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