側壓影響下圓形洞室巖爆雙軸物理模擬試驗研究

郭偉耀3趙同彬3沈寶堂124張東曉

(1.山東科技大學 礦山災害預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 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590；3.山東科技大學 礦業工程國家級實驗教學示范 中心，山東 青島 266590；4.澳大利亞聯邦科學院能源部 昆土蘭先進技術中心，澳大利亞 昆土蘭州 布里斯班 4069)

規律性層裂化破壞是深部工程中硬脆性巖體中的普遍現象，且層裂化破壞與巖爆發生密切相關[1-3]。國內外學者圍繞這類問題從案例分析、理論研究、試驗研究和數值模擬四個方面進行了大量研究。

Fairhurst等[4]最早對這種圍巖平行于洞壁破壞的現象進行描述，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行現場案例統計分析，發現當礦柱寬高比小于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統計，將破壞形態分為三種：片狀破壞、薄板狀破壞和楔形板狀破壞。理論研究方面，主要從力學角度對巖爆發生條件進行了分析，并建立了相應的巖爆破壞模型，如馮濤等[7]應用斷裂力學原理分析了巖體的斷裂特征，并提出了巖爆發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靜態破壞條件下的演化規律；顧金才等[9]對拋擲型巖爆發生機制進行分析研究，并進行了相應裝置的研發。試驗研究方面，主要研究了結構面和不同加載條件對層裂化巖爆的影響，如周輝等[10-11]通過室內物理實驗及數值模擬驗證的方式，研究了結構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，對含孔洞試樣進行真三軸巖爆模擬試驗研究。數值模擬方面，主要研究了側壓系數、擾動應力波等因素對巷道圍巖層裂化破壞的影響，如王學濱等[15-16]分別使用FLAC和RFPA數值模擬軟件，研究了不同側壓系數下板裂圍巖的失穩破壞特點；雷光宇等[17]利用LS-DYNA軟件，研究了擾動應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行雙軸加載試驗，利用高速相機記錄孔洞破壞過程，研究側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學會(international society for rock mechanics,ISRM)有關標準。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行單雙軸加載試驗，側壓取0、1、5、8和12 MPa 5種情況(側壓為0代表單軸壓縮實驗)。為保證試驗結果準確性，試樣在每種加載情況下至少制備3塊及以上試樣進行試驗，最終選取有效結果進行分析。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。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壓至側壓值(此時軸壓與側壓相等)，之后保持側壓不變，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Fig. 2 Testing system

圖3 洞室破壞點應力-應變分布特征Fig. 3 Stress-strain distribution characteristics of failure point

2 試驗結果分析

2.1 不同側壓下孔洞破壞過程

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

根據試驗結果分析，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：洞壁沒有產生宏觀破壞現象，處于積蓄能量時期，但此時內部產生較多微裂紋，如圖5(a)。Shen等[18]研究認為，當環向應力與巖體單軸抗壓強度比值達到0.4，巖體內部微裂隙開始產生并發展，微裂紋在隧洞中間區域產生和發展，并且微裂紋方向平行于洞壁。

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

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

4) 巖爆期：層裂結構屈曲變形達到其承載極限，突然失穩，產生巖塊飛濺、崩出現象，即發生巖爆，如圖5(d)。

2.2 側壓影響下洞壁垂直起裂應力及破壞深度

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

圖4 側壓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

根據彈性力學平面應變問題的假定，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生變形，因此可以將問題看成平面應變問題。在二向應力狀態下，根據彈性力學公式，圓形洞室最大切應力位于洞室兩幫中點，且σθmax=3p-q。在二向應力狀態，p=σz和q=σx，可得到最大切應力

σθmax=3σz-σx。

(1)

表1和圖6給出了洞壁破壞時的垂直起裂應力σz和最大切應力σθmax及二者與側壓的關系。洞壁的垂直起裂應力和最大切應力均隨側壓增大呈線性增大趨勢。當側壓為1 MPa時，垂直起裂應力和最大切應力分別為32.18和95.54 MPa，而當側壓增大到12 MPa時，垂直起裂應力和最大切應力數值分別為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力和最大切應力

圖7給出了洞壁破壞深度與側壓的關系。隨著側壓增大，洞壁破壞深度呈線性增大趨勢，如側壓為1 MPa時，洞壁破壞深度僅為2.1 mm，而側壓增大到12 MPa時，洞壁破壞深度達5.3 mm，增大152%。文獻[19]的現場案例分析表明，圍巖破壞深度隨洞壁最大切應力增大而呈線性增大趨勢，結合“洞壁最大切應力隨側壓增大呈線性增大趨勢”這一結論，可佐證該試驗結果。破壞深度與洞室半徑比值可以達到1.35，這與Martin等[20]現場監測結果相近。

圖6 洞壁垂直起裂應力及最大切應力與側壓的關系圖Fig. 6 Curve of vertical initiation stress, maximum tangential stress and lateral pressure

圖7 洞壁破壞深度與側壓的關系圖Fig. 7 Relationship between borehole failure depth and lateral pressure

3 側壓影響下洞室巖爆機制分析

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

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

當側壓較低時，如圖9(a)所示，洞壁沿水平方向應力梯度小，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力也較小，圍巖蓄能低，故圍巖破壞深度小；當側壓較高時，如圖9(b)所示，洞壁沿水平方向應力梯度大，洞壁淺部區域破壞機制與側壓較低時類似，但洞壁深部區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，不同側壓下巖爆過程各階段時間占比見表2。隨著側壓增大，平靜期持續時間及占比增大，而破壞期時間及占比反而減小，如側壓從1 MPa增大到12 MPa時，平靜期持續時間及占比分別增加了519 s和10.44%，而破壞期持續時間及占比分別減小了40 s和10.44%。該結果表明，隨著側壓增大，圍巖積聚能量增加，而釋放能量時間持續減小，會造成洞壁破壞時單位時間內釋放的能量增加，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

水平應力/MPa平靜期持續時間/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 結論

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

2) 側壓較低時，洞壁沿水平方向應力梯度小，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；側壓較高時，洞壁沿水平方向應力梯度大，洞壁淺部區域破壞機制與側壓較低時類似，但洞壁深部區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) 側壓對洞壁能量積聚和釋放有重要影響，隨著側壓增大，平靜期持續時間增加、破壞期持續時間減小，即圍巖積聚能量增加、釋放能量持續時間減小，造成洞壁破壞時單位時間內釋放能量增加，使巖爆發生更加劇烈。