宋 昊,夏 敏,任光明

(地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059)

脆性破壞是指巖石在外力作用下,達到臨界應力狀態(tài)時,由于很小的應變而產(chǎn)生的非階段性破壞。巖石的脆性破壞在一定程度上能夠反映出不同巖石之間的非均質(zhì)性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異性。在地下深埋巖體開挖施工中及礦山開采過程中,常常面臨著地下硐室圍巖穩(wěn)定性評估、礦山邊坡穩(wěn)定性評估等工程地質(zhì)評價問題。因此,如何建立一種能夠有效量化巖石脆性評價方法,為地下資源開采及礦藏石油開挖等工程穩(wěn)定性評價提供技術(shù)保障具有重要的工程意義。

迄今為止,國內(nèi)外諸多學者考慮不同因素對巖石脆性指標的影響,基于不同分類依據(jù)建立了脆性指標及其計算參數(shù)(表1)。

一是V.Hucka等[1]于1974年對巖石脆性及單軸抗壓強度、抗拉強度之間的規(guī)律進行了解釋,提出了基于壓拉強度比的巖石脆性評價指標B1、B2。R.Altindag[2-3]通過對巖石進行單軸抗壓及抗拉強度試驗,從巖石強度參數(shù)對脆性進行評價,以此確定了以巖石峰值壓拉強度作為脆性評價依據(jù)的脆性指標B3、B4。王宇等[4]則對巖石單軸壓縮起裂機制進行了研究分析,認為起裂應力與低孔隙率巖石的脆性大小之間密切相關(guān),并以起裂應力水平及壓拉強度作為控制參數(shù)重新定義了脆性指標B5、B6。R.Rickman等[5]認為巖石的脆性礦物成分及占比能夠從一定程度上反映出巖石的脆性,通過礦物成分與總含量之間的比值來對脆性指標B7進行了定義。M.M.Protodyakonov[6]認為巖石的碎屑含量及巖石抗壓強度對巖石的脆性具有密切的相關(guān)性,并認為碎屑含量與抗壓強度之比越大,巖石越容易發(fā)生脆性破壞,在此基礎(chǔ)上以巖屑含量及強度參數(shù)來對脆性指標B8進行了定義。

二是A.N.Stavrogin等[7]從能量的角度出發(fā),對峰前彈性能及峰后斷裂能之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律性進行了總結(jié),并在此基礎(chǔ)上提出了脆性指標B9。張軍等[8]對巖石由受力到破壞全過程的能量演化進行試驗分析,認為巖石峰前局部斷裂產(chǎn)生的耗散能與峰后產(chǎn)生連續(xù)斷裂面的斷裂能之比與圍壓大小呈正相關(guān)性,以巖石破壞過程中的能量演化規(guī)律來對脆性指標B10、B11進行了充分說明。侯鵬等[9]對聲發(fā)射試驗中聲發(fā)射參數(shù)與巖石裂紋損傷之間的關(guān)系進行了闡述,并在此基礎(chǔ)上提出了脆性指標B12。溫韜等[10]以峰前及峰后巖石內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)變及演化特征作為切入點,研究了粉砂質(zhì)板巖在不同圍壓下的脆性變化規(guī)律,提出了能夠反映巖石脆延轉(zhuǎn)換規(guī)律的脆性評價指標B13。劉俊新等[11]則基于能量守恒法則,對巖石內(nèi)部彈性能轉(zhuǎn)化率及軸向應變特征進行了分析研究,從能量守恒角度說明了脆性指標B14在高溫高壓條件下的適用性。

三是A.W.Bishop[12]通過對應力-應變曲線全過程進行分析,分別建立了基于峰值應力、殘余應力及峰值應變、殘余應變的脆性評價指標B15、B16。夏英杰等[13]以應力-應變曲線與坐標軸所圍成的區(qū)域面積來表征巖體在變形破壞過程中所儲存及釋放的能量,并對峰后應力跌落速率與能量比之間的內(nèi)在聯(lián)系進行闡述,以此為基礎(chǔ)提出了脆性指標B17。周輝等[14]則認為基于壓拉強度比及強度積的脆性評價方法并不能很好地表征巖石脆性,并以峰后應力降的絕對速率及大小作為控制參數(shù)提出了脆性評價指標B18,該脆性指標在不同種類巖石、不同應力狀態(tài)下均得到了較為理想的脆性評價結(jié)果。高美奔等[15]將巖石峰前起裂應變結(jié)合峰后跌落特征,分析了峰前起裂應變對巖石脆性的影響,從峰前起裂應變與峰后曲線跌落特征的角度分析了全應力-應變曲線與巖石脆性之間的關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上提出了脆性指標B19。李慶輝等[16]則從巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)出發(fā),認為脆性是巖石由于不均勻受力所產(chǎn)生的階段性破壞能力,并以頁巖作為研究對象提出了巖石脆性指標B20。匡智浩等[17]指出了不同種類巖石在單軸及三軸壓縮條件下的應力-應變曲線及破壞特征,在對巖石進行脆性評價時加入應變控制系數(shù)這一概念,并提出了一種基于曲線變化速率的巖石脆性評價指標B21。陳國慶等[18]對巖石應力增長速率及起裂應變兩方面進行總結(jié),提出了脆性評價指標B22,隨后驗證了該指標在不同圍壓、水壓條件下的適用性。楊景祥等[19]在B22的基礎(chǔ)上進行改進,提出了一種基于巖石峰后側(cè)向變形的脆性指標B23,通過該指標對不同圍壓下的花崗巖側(cè)向峰后應變特征進行對比分析,驗證了側(cè)向變形與巖石脆性之間的規(guī)律性。

表1 已有巖石脆性評價方法Table 1 Existing methods for evaluation of rock brittleness

本文在已有研究成果基礎(chǔ)上,綜合考慮巖石峰前能量演化及峰后側(cè)向變形特性,分別定量描述巖石峰前、峰后脆性指標,建立一種基于應力-應變?nèi)^程曲線巖石脆性評價方法。

2 現(xiàn)有巖石脆性評價方法討論

由表1可知,現(xiàn)有的巖石脆性評價方法主要考慮巖石強度參數(shù)、巖石礦物組成、應力—應變曲線及能量演化規(guī)律等影響因素,多數(shù)脆性指標以單一影響因素作為依據(jù)建立巖石脆性評價公式,而綜合考慮峰前能量演化、峰后應力—應變曲線特征的脆性評價方法甚少。

巖石內(nèi)部形成微裂紋直至完全破壞的整個過程中,內(nèi)部裂紋的形成、擴展與貫通與能量轉(zhuǎn)化之間存在一定規(guī)律性。脆性指標B9～B14從能量的角度對巖石脆性進行定量分析,以巖石在維持自身微裂紋擴展過程中的能量利用率作為脆性評價依據(jù),各脆性指標計算參數(shù)物理意義明確,且適用性得到了驗證,但此類指標多數(shù)是依據(jù)峰前及峰后的能量轉(zhuǎn)化效率來建立脆性公式的,因此并未對巖石內(nèi)部裂紋擴展與能量演化之間的關(guān)聯(lián)性作出合理解釋。

部分學者以應力—應變曲線來描述巖石脆性變化規(guī)律及大小,以脆性指標B18～B21為例,B18采用對數(shù)函數(shù)的形式來表征峰后跌落速率與巖石脆性之間的關(guān)系,但公式并未進行歸一化處理,計算結(jié)果相差較大,會影響脆性評價的準確性。脆性指標B19以峰前起裂應變水平作為脆性計算的控制參數(shù),該指標能夠表征出峰前裂紋擴展程度對于脆性指標的影響,但仍存在一些不足之處(圖1)。圖中,當巖樣1與巖樣2具有相同的起裂應變與峰值應變時,該指標將難以對峰前脆性大小進行有效評價。B20考慮到峰值應變及殘余應變對于巖石脆性的影響,但存在計算公式較為繁瑣、綜合脆性指數(shù)參數(shù)取值不易獲取等問題,因此公式的應用會存在一定的局限性。B21對峰前、峰后各階段應變特征對于巖石脆性之間的關(guān)聯(lián)性進行了合理解釋,但式中應變控制系數(shù)存在的合理性仍需進一步驗證。

圖1 脆性指標B19未能反映的情況Fig.1 Brittleness index B19 fails to reflect the situation

需要特別指出的是,應力—軸向應變曲線會受到伺服試驗機剛度及加載速率的影響。試驗機剛度差異會直接導致應力—軸向應變曲線形態(tài)的差異。相較而言,應力—側(cè)向應變曲線并不會因受到試驗機剛度影響而發(fā)生顯著變化[19～21]。此外,多數(shù)脆性指標多未考慮峰后側(cè)向應變特征對巖石脆性評價的影響,而巖石的脆性破壞規(guī)律可通過微裂紋的側(cè)向擴展程度來進行表征。在應力跌落至發(fā)生變形破壞的整個過程中,巖石所產(chǎn)生的側(cè)向應變特征同樣存在一定的規(guī)律性,采取應力—軸向應變曲線、應力—側(cè)向應變曲線相結(jié)合的脆性評價方法能夠有效降低軸向變形特征在脆性評價過程中的權(quán)重大小,能夠提高脆性評價結(jié)果準確性與可靠性[22]。

3 基于峰前能量演化及峰后側(cè)向變形的巖石脆性評價方法

3.1 峰前脆性評價指標Bpre的建立

巖石內(nèi)部微裂紋形成、擴展與貫通離不開內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)化,巖石內(nèi)部裂紋壓密的過程實際上是能量的積聚與釋放過程,峰前彈性能的積聚速率與巖石脆性呈正相關(guān),微裂紋壓縮過程中所產(chǎn)生的耗散能越少,巖石脆性程度越高。在微裂紋形成與擴展初期,巖石吸收部分彈性能并釋放部分耗散能來維持裂紋擴展。在形成連續(xù)斷裂面后,巖石將內(nèi)部儲存彈性能轉(zhuǎn)化為斷裂能,并通過斷裂能的消耗來產(chǎn)生新的裂紋并延續(xù)已有裂紋的貫通。巖石的脆性程度與其強度特征之間存在密切的關(guān)聯(lián)性,部分學者[7-11,23]在以應力—應變曲線對巖石脆性進行評價時,將峰前應力曲線、峰后應力曲線與坐標軸所圍成的區(qū)域面積分別表征為峰前彈性能的吸收與峰后斷裂能的釋放,而應力—應變曲線各階段的區(qū)域面積之比通常定義為能量比。

為更好地解釋峰前能量轉(zhuǎn)化與巖石脆性之間的關(guān)系,本文基于能量演化規(guī)律建立峰前脆性表征示意圖,如圖2所示。峰前應力—應變曲線表征為彈性變形階段,其中A點為巖石起裂應變拐點,該點橫、縱坐標分別對應起裂應變εci及起裂應力σci。起裂應變點作為巖石內(nèi)部微裂紋壓密與裂隙形成的分界點,與該點相對應的起裂應變值能夠在一定程度上反映出巖石在壓縮階段維持原生裂紋擴展的能力。經(jīng)峰前起裂應變拐點后,應力—應變曲線斜率降低,此后巖石內(nèi)部微裂紋壓縮過程中產(chǎn)生的耗散能增加。圖2中以Sw來表征曲線上升階段的峰前耗散能,Sw區(qū)域面積隨著起裂應變點的變化而發(fā)生改變,峰前裂紋擴展階段的做功時間越長,則起裂應變εci及峰前耗散能Sw越大。通常來說,巖石在外力作用下達到峰值強度時,發(fā)生變形破壞時自身彈性能儲量越多,其內(nèi)部維持微裂紋擴展的能力越強,那么該種巖石的變形破壞特征越明顯。峰前耗散能大小與起裂應力水平之間存在一定轉(zhuǎn)化規(guī)律,而巖石內(nèi)部微裂紋的演化是導致自身發(fā)生變形破壞的重要原因,并且?guī)r石內(nèi)部細小裂紋的形成與擴展通常伴隨著能量的耗散。在外力做功條件下,機械能的轉(zhuǎn)化效率、起裂應力及起裂應變大小均對其巖石內(nèi)部微裂紋的形成與擴展具有一定影響。巖石在彈性變形過程中對機械能的轉(zhuǎn)化效率越高,則相同起裂應力水平下所產(chǎn)生的應變量越大。

圖2 巖石峰前脆性表征示意圖Fig.2 Schematic diagram of pre-peak brittleness characterization

由圖2-A與圖2-B對比可知,巖樣Ⅰ與巖樣Ⅱ具有相同的峰值強度,但由于不同種類巖石的賦存環(huán)境、礦物組成的不同,兩種巖石所表征出的強度特性也存在差異性:(1)在相同起裂應力條件下所產(chǎn)生的起裂應變大小不同,巖樣Ⅱ相較于巖樣Ⅰ更早上升至微裂紋擴展點A;(2)機械能轉(zhuǎn)化效率不同,與巖樣Ⅱ相比,巖樣Ⅰ的峰前耗散能Sw區(qū)域面積更小,能量轉(zhuǎn)化效率更高。結(jié)合前文分析可知,當巖樣Ⅰ與巖樣Ⅱ達到同一峰值應力時,巖樣Ⅰ在峰前積聚的彈性能S更多且峰前耗散能Sw更小,說明該巖樣在外荷載作用下,其自身能量轉(zhuǎn)化效率更高,更易發(fā)生脆性破壞。

基于上述研究,本文對陳國慶等[24]中式(2)進行改進,綜合考慮峰前階段機械能利用率及起裂應變水平對巖石內(nèi)部性質(zhì)的影響,提出峰前脆性評價指標Bpre:

(1)

(2)

(3)

式中:S表示峰前彈性能,Sw表示峰前耗散能。

起裂應變值以Martin等[25]所提出的裂紋體積應變法確定:

εv crack=εv-2εv elastic

(4)

式中:εv crack為裂紋體積應變值,εv為體積應變值,εv elastic為彈性體積應變值。

3.2 峰后脆性評價指標Bpost的建立

對于峰后階段,本文通過應力—側(cè)向應變曲線來對巖石脆性進行分析。通常來說,外荷載所施加的應力大小臨近峰值強度時,巖石內(nèi)部微裂紋的貫通會伴隨著自身裂隙大面積產(chǎn)生,側(cè)向應變特征變化較為明顯且波動幅度較大,而峰后側(cè)向應變特征能夠直觀的反映出不同圍壓條件下巖石的脆性大小。

在由峰值強度跌至殘余強度過程變化過程中,應力—側(cè)向應變曲線的變化速率在一定程度上可以表征為巖石在破壞過程中自身微裂紋的貫通速率,曲線跌落速率越大,則巖石內(nèi)聚力的弱化特征越顯著,越容易發(fā)生脆性變形破壞。如圖3所示,巖石在發(fā)生脆性破壞后自身應力—側(cè)向應變曲線以一定速率跌落,受內(nèi)部裂隙的形成與擴展影響,峰值附近曲線較陡,直至完全破壞即巖石內(nèi)部裂紋完全貫通后曲線趨于平緩。對此,王來貴等[26]對花崗巖進行單軸壓縮試驗,通過對巖樣在壓縮過程中的側(cè)向應變及破裂面發(fā)育特征進行觀察,發(fā)現(xiàn)巖樣的側(cè)向變形在峰后破壞階段表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化特點,隨后這一觀點得到楊景祥等[19]的證明與補充?；谏鲜鲅芯糠治?本文綜合考慮峰后應力及應變關(guān)系,建立用于表征巖石峰后段的脆性指標Bpost:

(5)

式中:εcp、εcr分別為常規(guī)三軸壓縮試驗所得應力—側(cè)向應變曲線中所對應的峰值側(cè)向應變及峰后側(cè)向殘余應變;σp、σr分別為峰值應力及殘余應力。

上述指標采用峰后應力跌落速率倒數(shù)的指數(shù)函數(shù)形式來表征巖石脆性,Bpost與巖脆性大小之間表現(xiàn)為正相關(guān)性,當Bpost為1時巖石表現(xiàn)為理想塑性狀態(tài)。相較于峰后應力變化量而言,側(cè)向應變在數(shù)值上所表現(xiàn)出的差異極小,結(jié)合指數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律,可知上述指標通常在較小幅度范圍內(nèi)波動,離散性較大的情況不易發(fā)生,因此無須進行歸一化處理。

圖3 峰后脆性表征示意圖Fig.3 Schematic diagram of post-peak brittleness characterization

3.3 基于峰前能量演化及峰后側(cè)向變形建立巖石脆性評價指標

在前文的基礎(chǔ)上,提出基于巖石全應力—應變曲線的脆性評價指標Bm:

Bm=Bpre·Bpost

(6)

本指標采用峰前、峰后脆性指標乘積的形式作為巖石脆性指標,這是由于脆性指標Bm的變化范圍為(0,1),而Bpost表征為變形模量倒數(shù)的指數(shù)函數(shù)形式,其計算結(jié)果通常大于1(Ⅱ型曲線除外),采用兩者乘積的形式能夠有效避免因峰前、峰后脆性計算結(jié)果相差較大而帶來的不利影響。若將Bpre與Bpost之和作為最終脆性評價指標,則不能很好的表現(xiàn)出峰前及峰后脆性特征之間的關(guān)聯(lián)性。此外,本文所提峰后脆性指標Bpost不僅考慮到峰前微裂紋形成、擴展過程中能量轉(zhuǎn)化效率與脆性指標之間的關(guān)系,還綜合考慮了峰后應力變化速率與脆性指標之間的關(guān)系。脆性指標Bm加強了峰前軸向應變特征與峰后側(cè)向應變特征之間的關(guān)聯(lián)性,且脆性控制參數(shù)具有明確的物理意義。

4 脆性評價指標Bm的合理性驗證

4.1 不同種類巖石的脆性評價驗證

為驗證脆性評價指標Bm的合理性,本文選取涼山州某鐵礦礦山擴能工程露天采場邊坡發(fā)育的玢巖、輝長巖及花崗巖為研究對象,開展巖石試驗常規(guī)三軸壓縮試驗。選取結(jié)構(gòu)面不發(fā)育、巖芯完整的鉆孔試樣進行環(huán)形切割制樣,試樣規(guī)格為直徑50 mm、高100 mm的標準圓柱樣。試驗設(shè)備為MTS815電伺服巖石力學試驗機,設(shè)置軸向荷載加載速率為0.01 m/min,試驗過程中圍壓設(shè)置為30 MPa,巖樣所產(chǎn)生的軸向位移變化量及側(cè)向位移變化量分別通過LVDT位移傳感儀、環(huán)形傳感器進行采集。

試驗所得應力—應變曲線與試驗結(jié)果參數(shù)分別如圖4、表2所示。巖樣的應力—應變曲線具體可以分為以下幾個變形階段:(1)彈性變形初期。巖石在該階段過程中各巖樣均表現(xiàn)出較強的能量轉(zhuǎn)化效率,3種巖石應力—應變曲線之間并未表現(xiàn)出顯著差異。(2)裂紋擴展階段。巖石內(nèi)部微裂紋的演化為能量耗散提供了更多的應力路徑,此時外部機械能轉(zhuǎn)化效率降低,應力—應變曲線斜率呈現(xiàn)出下降趨勢,而玢巖由于自身耗散能的積聚速率顯著大于其他2種巖樣,因此其應力—應變曲線表現(xiàn)出顯著的下凹特點。(3)應力跌落階段。自身所儲能量通過維持裂紋的貫通來進行釋放,峰前所吸收彈性能越多,則能量釋放過程中所形成的破裂面面域越大,在軸向荷載與自身破裂面貫通共同影響下,各巖樣均產(chǎn)生不同程度上的側(cè)向膨脹,其中以花崗巖的側(cè)向變形特征最為明顯。

表2 常規(guī)三軸壓縮作用下三種巖石的試驗數(shù)據(jù)Table 2 Test data of three kinds of rocks under conventional triaxial compression

圖5為3種巖樣的變形破壞特征圖。由圖可見,本文所選3種巖樣在30 MPa圍壓條件下均形成較為明顯的宏觀破壞特征,其中花崗巖的脆性破壞特征最為顯著,其斷裂面自上而下形成大面積貫通,破裂面范圍較大且裂紋數(shù)量較多,剪切破壞及劈裂破壞特征明顯。輝長巖自上端部至下端部形成明顯剪切破壞面,斷裂面深度大、范圍廣,其破壞模式以剪切破壞為主。玢巖表現(xiàn)出一定的剪切破壞特征,但內(nèi)部裂紋延伸路徑單一,且破裂面范圍較小,剪切斷裂面自上端部延伸到巖石中部,并未形成自上而下的大面積貫通,因此相較于花崗巖及輝長巖而言,玢巖的脆性破壞特征并不明顯。

本文將脆性評價方法B15～B18、B23與本文所提的脆性指標Bm進行對比驗證,結(jié)果見表3及圖6所示。由表、圖可見,基于B16、B23計算的脆性特征曲線并未呈現(xiàn)出顯著單調(diào)特征,其脆性評價結(jié)果與實際情況存在一定差異,難以劃分上述3種巖石的脆性程度。采用B15計算的脆性特征曲線變化趨勢較為平緩,不同巖性的脆性指標差異較小,這是由于公式中各計算參數(shù)之間的量級相差過大所導致的,因此該結(jié)果亦不能較好地反應脆性特征。采用B17、B18與Bm評價的3種巖樣脆性特征較吻合,且評價結(jié)果符合巖石的宏觀變形破壞特征。綜上,采用本文所提的脆性指標Bm能夠?qū)r石脆性程度進行合理有效的評定,且Bm值與巖石脆性程度呈正相關(guān),脆性評價指標Bm值越大,巖石脆性程度越高。

圖5 常規(guī)三軸壓縮作用下三種巖石的破壞特征Fig.5 Failure characteristics of three kinds of rocks under conventional triaxial compression

表3 三種巖石的脆性指標計算結(jié)果Table 3 Calculation results of brittleness index of three kinds of rocks

圖6 三種巖石的脆性指標評價結(jié)果Fig.6 Evaluation results of brittleness indexes of three kinds of rocks

4.2 同種巖石在不同圍壓條件下的脆性評價驗證

采用脆性指標Bm驗證圍壓對巖石脆性特征的影響,選取輝長巖試樣開展5、10、15、20、30 MPa五級圍壓下的常規(guī)三軸壓縮試驗,所得應力—應變曲線及試驗數(shù)據(jù)分別如圖7、表4所示。

圖7 常規(guī)三軸壓縮作用下輝長巖的應力—應變曲線Fig.7 Stress-strain curves of gabbro sample under five different confining pressures

曲線特征表現(xiàn)為:(1)在彈性變形階段,相較于軸向應變而言,壓縮初期所產(chǎn)生的側(cè)向應變特征并不明顯。(2)由起裂應變增大至峰值應變的過程中,由于巖樣內(nèi)部新生裂紋的產(chǎn)生導致峰前耗散能增加,應力-應變曲線整體呈下凹形態(tài),隨著圍壓的升高,起裂應變及應力、峰值應變及應力均表現(xiàn)為上升趨勢。(3)臨近峰值強度時,出現(xiàn)顯著的側(cè)向變形,其應力-側(cè)向應變曲線表現(xiàn)出較為明顯的屈服特性。(4)峰后出現(xiàn)應力降特征,隨著裂紋的大面積貫通與巖石內(nèi)部斷裂能急劇釋放,應力降顯著,圍壓為30 MPa時巖石的峰后應力降幅最小,表明圍壓對巖石脆性特性有抑制作用。

表4 常規(guī)三軸壓縮作用下輝長巖的試驗數(shù)據(jù) Table 4 Test data of gabbro under conventional triaxial compression

與前文相同,分別選取B15～B18、B23與本文所提的脆性指標Bm進行對比驗證,計算結(jié)果見表4及圖8?？梢?隨著圍壓的增大,采用B15、B16、B18計算所得脆性指標整體表現(xiàn)為增大、減小又增大的變化特點,表明脆性程度與圍壓未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。由B23所得巖石脆性指標在不同圍壓條件下的變化幅度較小,亦不能很好的反應圍壓對巖石脆性程度的影響。B17、Bm所評價的脆性特征表明隨著圍壓增加巖樣脆性程度下降,揭示了圍壓對于巖石脆性特征起抑制作用。綜上,基于峰前能量演化及峰后側(cè)向變形的脆性評價指標Bm具有較強的適用性,在5～30 MPa的圍壓變化條件下,該脆性指標合理的揭示巖石脆性隨圍壓增大而減小的規(guī)律,能夠?qū)^低圍壓條件下的巖石脆性程度進行評價。

表5 不同圍壓條件下輝長巖的脆性指標計算結(jié)果Table 5 Calculation results of brittleness index of gabbro under different confining pressure

圖8 不同圍壓條件下輝長巖的脆性指標評價結(jié)果Fig.8 Evaluation results of brittleness index of gabbro under different confining pressure conditions

5 結(jié) 論

a.以峰前能量轉(zhuǎn)化效率與起裂應變水平作為脆性評價依據(jù)建立了峰前脆性指標Bpre;以應力-側(cè)向應變曲線的峰后跌落速率表征了峰后脆性指標Bpost,將峰前、峰后脆性指標乘積的形式定義為最終脆性指標Bm。脆性指標Bm考慮了峰前起裂應變與能量轉(zhuǎn)化率、峰后側(cè)向應力與應變之間的相互關(guān)系,且Bm越大,巖石脆性特征越顯著。

b.開展不同種類巖石(玢巖、輝長巖及花崗巖)的常規(guī)三軸壓縮試驗,以多種脆性評價方法(B15～B18、B23)對試樣進行脆性評價。結(jié)果表明,采用本文所提脆性指標Bm的脆性評價結(jié)果與實際情況相符,能夠較為準確的評定不同種類巖石的脆性特征。

c.開展了輝長巖在不同圍壓條件下的常規(guī)三軸壓縮試驗,以脆性指標Bm對不同圍壓條件下的試樣的脆性程度進行了評價,結(jié)果表明,在5～30 MPa的圍壓變化條件下,脆性指標Bm表現(xiàn)出較強的適用性,該脆性指標能夠合理的反應巖石脆性隨圍壓增大而減小的規(guī)律,能夠?qū)Φ蛧鷫簵l件下的巖石脆性進行有效評價。

d.本文采用脆性指標Bm僅對涼山州某鐵礦礦山擴能工程露天采場邊坡發(fā)育的玢巖、輝長巖及花崗巖的脆性指標進行驗證,是否適合所有巖性還值得深究,也需要大量的巖石力學試驗數(shù)據(jù)支撐。此外,作者僅對較低圍壓條件下的脆性評價結(jié)果進行了驗證,該指標在高應力條件下的適用性待進一步考究。