范海崢

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,福建 永安 366000)

0 引 言

在隧洞掘進開采過程中，各類工程施工都對圍巖具有擾動作用，在頻繁的異源擾動作用下，易誘發(fā)臨空面的巖體失穩(wěn)破壞[1-4]，為探究異源擾動下巖石的力學(xué)特性，當(dāng)前許多研究者利用改進的霍普金森桿，對巖樣進行外部沖擊試驗：李夕兵等[5-8]和宮鳳強等[9]對巖樣進行一維外部沖擊，發(fā)現(xiàn)沖擊荷載會加快巖石劣化速度；而后金解放等[10]又對比了一維與三維沖擊下巖樣破壞模式，發(fā)現(xiàn)巖樣一維與三維狀態(tài)下的破壞模式并不相同；王春等[11]同樣進行了三維擾動試驗，將擾動下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線劃為四個階段。以上都是從應(yīng)力-應(yīng)變曲線或宏觀破壞模式角度分析得出結(jié)論，為得出更深層準(zhǔn)確的規(guī)律，王其勝等[12]與萬國香等[13]對巖石進行了帶聲發(fā)射的擾動試驗，得出聲發(fā)射數(shù)值大小與巖樣受沖擊后的破壞程度相關(guān)，李帥等[14]利用聲發(fā)射檢測不同硬度巖樣受擾動時聲發(fā)射表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)相同應(yīng)變階段下低強度砂巖比高強度花崗巖損傷大。以上大多數(shù)試驗都是錘擊擾動試驗，但在實際工況中持續(xù)性、周期性的異源擾動卻常有發(fā)生，為讓試驗更貼近實際工程狀態(tài)，試驗輔以聲發(fā)射對大理巖進行了不同單軸應(yīng)力與擾動幅值下的正交試驗，以探究異源擾動下巖樣的變形與聲發(fā)射響應(yīng)。

1 試驗條件及方法

1.1 試樣準(zhǔn)備

巖樣采用白色粗晶粒大理巖，為保證巖樣均勻性，所用巖樣均來自同一塊巖石相近區(qū)域。按國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)試驗規(guī)程建議方法制定了巖樣。試驗前，各巖樣均經(jīng)過波速測試，除波速異常試樣，保證試樣一致性。最終所選試樣如圖1所示。圖2為單軸壓縮條件下，大理巖軸向、環(huán)向全應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，為后續(xù)動力擾動試驗中確定加載應(yīng)力上限提供依據(jù)。由圖2可知，巖樣峰值應(yīng)力50MPa，擴容點在35MPa左右。

圖1 大理巖試樣圖

圖2 單軸下單調(diào)壓縮加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 試驗方法

為探究在隧洞開挖后不同屈服區(qū)對擾動的敏感性，對加工好的標(biāo)準(zhǔn)大理巖試樣進行“單軸加載+動力擾動”試驗，試驗方案如表1所示。

整個試驗應(yīng)力加載路徑如下：① 軸向加載速率保持500N/s使得軸向應(yīng)力達到預(yù)定值；② 保持軸向應(yīng)力恒定一段時間，使巖樣內(nèi)部應(yīng)力分布均勻；③ 隨后進行擾動頻率為5 Hz的異源擾動試驗，觀察巖樣變形情況，如變形無太大變化，循環(huán)擾動4500周期后停止擾動，試驗結(jié)束，如巖樣變形速率一直很大，即擾動到巖樣破壞為止。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 軸向應(yīng)變、聲發(fā)射能量—時間關(guān)系

表2 巖樣破壞情況及破壞時刻循環(huán)次數(shù)

圖3為部分單軸動力擾動下的軸向應(yīng)變、聲發(fā)射能量與時間曲線圖，由圖與表2可知：(1)隨著應(yīng)力上限與擾動幅值的增大，擾動破壞所需時間與次數(shù)也越來越短，說明應(yīng)力上限與擾動幅值的增大會大大縮減巖樣的壽命；(2)在未破壞巖樣中，擾動階段聲發(fā)射能量信號并不強烈，而在應(yīng)力比80%與擾動幅值10MPa下擾動破壞的巖樣中，擾動前中期也并未出現(xiàn)較大能量波動，整個應(yīng)力加卸過程中，聲發(fā)射能量信號大多集中在靜力加載階段和破壞時刻，且破壞時聲發(fā)射能量呈現(xiàn)爆發(fā)增長，數(shù)值上也比靜力加載段大很多。

(a) 70%,5MPa

2.2 殘余應(yīng)變、聲發(fā)射能量—循環(huán)次數(shù)關(guān)系

為進一步研究殘余應(yīng)變與聲發(fā)射能量的關(guān)系，繪制了不同應(yīng)力比與不同幅值下的殘余應(yīng)變、聲發(fā)射能量、累積聲發(fā)射能量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖4所示。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)：(1)在未破壞巖樣中殘余應(yīng)變的變形階段只有衰減段和穩(wěn)定增長段，在大多數(shù)快速破壞的巖樣中只有明顯的穩(wěn)定增長段與非線性加速段；(2)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，累積聲發(fā)射能量曲線變化趨勢與殘余應(yīng)變變化趨勢相近；(3)累積能量在未破壞前大體上隨著應(yīng)力比的增大而減小，這是由于聲發(fā)射儀在記錄數(shù)據(jù)時由于破壞巖樣的全程數(shù)據(jù)量增加且前期與后期對比能量數(shù)偏小，被自動過濾，故出現(xiàn)隨著應(yīng)力比的增大，聲發(fā)射能量累積量前期偏低，但當(dāng)應(yīng)力比相同時隨著擾動幅值的增加，破壞巖樣中聲發(fā)射能量在破壞時增長劇烈。

圖4 大理巖動力擾動試驗殘余應(yīng)變、聲發(fā)射累積能量—循環(huán)次數(shù)曲線

3 巖樣破壞模式與聲發(fā)射定位分析

3.1 單軸壓縮破壞模式與聲發(fā)射定位分析

如圖5所示，為單軸壓縮下巖樣破壞圖與聲發(fā)射裂隙定位圖。

圖5 單軸壓縮下大理巖樣破壞模式與聲發(fā)射裂隙定位圖

從中可以看出，在單軸單調(diào)壓縮下大理巖樣破壞截面為典型的斜剪破壞模式，有明顯的一條宏觀剪切破裂面，巖樣破壞形態(tài)呈典型的脆性破壞特征。

3.2 高應(yīng)力下動力擾動破壞模式與聲發(fā)射定位分析

圖6給出了正交試驗下，大理巖處于單軸高應(yīng)力條件下受循環(huán)動力擾動后的損傷破壞的最終形態(tài)圖與聲發(fā)射裂隙定位圖。

圖6 不同應(yīng)力上限與不同擾動幅值下的大理巖巖樣破壞模式與聲發(fā)射裂隙定位圖

通過與單軸壓縮破壞模式的相互對比,可以發(fā)現(xiàn)：(1)單軸單調(diào)壓縮過程中，聲發(fā)射裂隙一開始發(fā)展的區(qū)域便是剪切帶附近，且并未聚集在巖樣中心區(qū)域，這與受擾動未破壞大理巖樣的裂隙主要聚集在巖樣中部區(qū)域具有相似性；(2)應(yīng)力比為70%與15MPa擾動幅值組合時和應(yīng)力比為80%與5MPa擾動幅值組合時的巖樣表面出現(xiàn)豎向細(xì)長的淺部裂隙，說明大理巖在高應(yīng)力作用下擾動對巖樣中部區(qū)域損傷更大，促進表面豎向裂隙發(fā)展；(3)高應(yīng)力比下受動力擾動破壞的大理巖巖樣破壞呈現(xiàn)劈裂破壞模式，且破壞塊體比較散碎，主破裂面斷口粗糙不平，巖樣表面以及斷口附近出現(xiàn)大量碎塊現(xiàn)象；(4)在應(yīng)力比值為90%，擾動幅值為10MPa與15MPa的加載組合下，試驗后巖樣幾乎呈現(xiàn)完全散碎狀破裂，且產(chǎn)生大量細(xì)沙型巖石粉末，無明顯斷面，聲發(fā)射裂隙定位圖上點位密集也觀察不出明顯的斷裂帶。

4 結(jié) 論

通過開展大理巖在高應(yīng)力下的擾動試驗，分析了聲發(fā)射的響應(yīng)機制并利用聲發(fā)射定位探究了擾動破壞機理，主要得到了以下結(jié)論：

(1)在超高應(yīng)力比軸向荷載和大幅值擾動荷載共同作用下，動力擾動可加快高應(yīng)力狀態(tài)下的巖樣損傷進程，大大縮短巖樣壽命。

(2)整個應(yīng)力加卸載過程中，聲發(fā)射能量信號大多集中在靜力加載階段和動力擾動階段的巖樣破壞時刻。

(3)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，累積聲發(fā)射能量曲線變化趨勢與殘余應(yīng)變變化趨勢相近。當(dāng)應(yīng)力比相同時，隨著擾動幅值的增加，破壞巖樣中破壞時聲發(fā)射能量增長越劇烈。

(4)在單軸擾動過程中由聲發(fā)射裂隙定位圖可知，擾動造成的損傷一般從中部與巖樣表面開始，隨著應(yīng)力比和擾動幅值的增大，兩者組合加載后衍生裂紋由巖樣的局部擴展至整個巖樣，巖樣呈現(xiàn)劈裂破壞，散碎程度增大，脆性破壞特征逐漸減弱。