應變型巖爆試驗細微觀破壞特征研究

張 航 嚴敏嘉

(1.武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070； 2.廣西民族大學建筑工程學院，廣西 南寧 530006)

1 概述

應變型巖爆是地下工程領域最為常見的巖爆類型，是由于掘進或開挖后圍巖局部應力集中和彈性應變能聚集所導致的，在應力分布水平高的硬巖中時長發生。應變型巖爆主要受2個方面的因素控制，即巖體條件和應力場條件[1]。因此，要從本質上認識不同類型巖爆的產生過程，需從開挖前后巖體系統受力特點的角度對圍巖脆性破裂特性進行深入分析。地下硐室開挖過程中，應變型巖爆是在圍巖梯度應力變化作用下產生的[2]。目前有許多巖爆機理及其預測研究[3]，盡管許多學者考慮了圍巖應力路徑對應變型巖爆的影響，但是普遍存在忽視應力場條件中不同圍巖應力梯度對應變型巖爆及其成災機制的影響研究，對其缺乏系統的認知。而不同的應力梯度必然導致圍巖應力狀態及主應力方向的變化，從而導致圍巖裂紋產生、擴展方向及擴展模式的變化，進而影響巖爆的破壞機制及其預測的準確性。

因此，從地下硐室圍巖應力梯度分布對應變型巖爆影響的角度，開展室內巖爆模型試驗研究，基于巖爆宏觀破壞現象與巖爆碎屑的宏細觀察及試驗過程的聲發射監測，揭示圍巖應力梯度對應變型巖爆的宏細觀破壞特征，巖爆能量釋放以及圍巖承載特征的影響規律，明確圍巖應力梯度分布對應變型巖爆的影響機制，對于提高應變型巖爆機理認識及巖爆災害的防控水平，具有重要的理論價值和應用前景。

2 實驗概況

2.1 試驗系統

模型試驗是在武漢理工大學和總參工程兵科研三所聯合研制的氣液復合加載巖爆模型試驗系上進行[4]，本裝置主要由巖爆模型試驗主機、液壓控制系統、氣壓控制系統和數據采集系統四大部分組成。該裝置可以在模型的頂部施加最大載荷濃度為20 MPa，水平施加最大載荷濃度為5 MPa，并且可以在頂部和側面由多個獨立的液壓裝置加載，以實現試件的梯度加載。根據現有模型測試的結果，根據模型材料的物理力學性能要求，滿足巖爆傾向指標的要求，采用高強度石膏材料制作模型。用于巖爆模型測試。

2.2 試驗加載路徑

本文將地下巖體開挖后切向應力的分布規律簡化為y=ae-bx+c曲線來表示[5]，其中y為巖體內部某處的切向應力，x為巖體內部(試件內部)某點到暴露面(卸載面)的距離；a+c為巖體暴露面處(x=0)切向應力，c為巖體豎向初始壓力，b為應力梯度系數，表示不同的應力梯度，b=0代表豎向為均布加載，b≠0表示豎向為梯度加載，當b值越大豎向加載的梯度差也越大。為了對比均布應力加載(b=0)情況下的巖爆聲發射特性，選取b=0,2,4,6四種情況進行巖爆對比試驗。

試驗的加載路徑設計為：試驗的初始圍壓選擇c=1.5 MPa。在試驗初始階段對模型采取分級加載形式施加三向六面的初始圍壓載荷，每級荷載為0.5 MPa，穩壓時間為30 min。當模型加載至初始圍壓1.5 MPa后，保持此時的壓力狀態6 h，然后迅速撤離裝置前側限位門板，卸載一面水平圍壓，再開始進入豎向梯度應力分級加載階段。梯度加載應力通過y=ae-bx+c計算結果進行加載，直到發生巖爆。每級加載后的穩壓時間為30 min。

3 試件細微觀破壞特征分析

觀察巖石的破壞形態是研究巖體破壞機理的一種重要研究方法。通過相機拍攝巖爆斷面細節、電鏡掃描下的碎屑微觀破壞的斷面特征等信息，對比分析不同應力梯度加載下巖爆的破壞特征。通過試驗巖爆碎屑質量統計發現，隨加載應力梯度系數b的增大，板、片狀碎屑質量逐漸減小，塊狀碎屑質量逐步增加。不同應力路徑加載下的碎屑典型斷面形態有2類，即板狀碎屑與塊狀碎屑，如圖1所示。其中從巖爆碎屑斷面外觀來看，表面形態細節處存在明顯差異。如圖1a)所示的為均布應力加載下巖爆產生的主要碎屑形態，破壞斷面較為平整，肉眼可見碎屑表面有明顯的梳紋、肋紋，并且斷裂表面的外觀相對粗糙，從碎片的側面，可以看到明顯的層狀分裂結構。在梯度應力加載下，巖爆碎屑多為塊狀，且斷面比板狀碎屑復雜。表面凹凸不平如同水流波紋狀，并且細節相對平滑(如圖1b)所示)。這表明在不同的梯度應力載荷下，碎片破壞的機理存在明顯差異。

材料的宏觀破壞現象是許多微觀破裂的綜合表現。為獲得不同加載路徑下典型碎屑斷口細觀形貌特征，分別從b=0和b=6兩種情況里選取典型的板狀與塊狀碎屑，采用JSM-5510LV熱場發射掃描電子顯微鏡進行碎屑斷口的細觀結構觀察。由于石膏結構疏松，本文選用低放大倍數來觀察巖爆破壞碎屑表面形態特征。圖2～圖4為典型碎屑破裂面碎屑微觀電鏡掃描結果，經過對比分析，發現模型發生巖爆破壞后，不同應力加載路徑加載下典型碎屑破裂面晶體的形態和排列存在明顯的差異。

圖2是模型巖爆板狀碎屑斷面SEM圖，可以看出板狀碎屑破壞表面有肋紋狀凸起結構，且整個結構面孔狀密布(見圖2a)，50倍)。放大300倍后(見圖2b))，可以看到該橫截面主要是由許多長針型結構雜亂交錯分布，層層堆疊在一起，朝向并無規律性，交織松散處形成氣孔結構，針狀體結構完整，結構體清晰且邊緣尖銳。圖3是巖爆塊狀碎屑斷面SEM圖，可以看出碎屑斷面截面相對平滑(見圖3a)，50倍)，放大300倍后，可以看到破壞面上的石膏晶體顆粒為短柱狀，排列致密緊湊。晶體的排列朝向較為一致，邊緣相對于均布加載破壞面晶體顆粒的尖銳感表現得更加圓鈍，許多小型晶體碎屑分布在體積較大的晶體顆粒之間(見圖3b))。從塊狀碎屑的劃痕的SEM圖(如圖4所示)可以看出，當放大倍數為50倍時，破壞面分布有許多劃痕，清晰可見(見圖4a))，而當放大倍數為300倍時，劃痕處的晶體呈現顆粒型或粉末結構，致密排列，裂縫處呈臺階狀(見圖4b))。

根據碎屑破壞面的斷裂產狀進行分析發現，板狀碎屑，碎屑脫落物與母體在分離面處重疊的針狀晶體互相分離，斷裂面處晶體結構清晰尖銳，整體呈現為粗糙不規則的形態，且排列較為松散，是典型的拉裂破壞機制。而塊狀碎屑的斷裂面的晶體顆粒排列更加平整，從斷裂路徑可看出破壞時有剪切滑移，原本連接在一起的石膏晶體在剪切破壞過程中會被剪斷，原本針狀晶體的完整性受到破壞，形成許多小粉末狀晶體顆粒散布在表面，在脫落物和母體發生分離時，破壞面上長柱狀晶體的朝向會偏向剪切力的方向，說明是典型的剪切破壞機制。另外，在斷裂面上劃痕處分布的臺階狀紋理即是由滑動裂紋形成的痕跡。

基于以上分析，可以發現不同的應力加載路徑導致了巖爆破壞機制產生差異。板狀碎屑是拉裂破壞所致，塊狀碎屑是剪切破壞所致。在均布加載(b=0)下，典型巖爆碎屑體積較大呈現板塊狀，明顯可見塊體與母體之間的分裂或剝落，對應于片狀劈裂的宏觀破壞現象，主要巖爆碎屑斷裂面粗糙不規則，晶體顆粒排列松散，巖爆破壞以拉裂破壞為主。隨著加載應力梯度的增大，巖爆動力破壞現象越明顯，產生小塊狀和粉末狀碎屑越多，碎屑拋擲距離越遠。塊狀碎屑斷裂面遍布劃痕，電鏡下可見碎屑斷裂面表面晶體結構被折斷而不完整，是典型剪切滑移作用所致。因此，隨加載應力梯度系數的增大，巖爆破壞的剪切破壞特征越明顯。

4 結論

本文采用大型真三軸梯度與氣液復合加載巖爆裝置，進行了不同應力梯度加載條件下巖爆模型對比試驗研究，結合試驗過程巖爆碎屑細微觀特征，系統研究了圍巖應力梯度對應變型巖爆破壞特征影響，主要結論可歸納如下：

1)通過分析試件破壞現象發現，隨豎向加載應力梯度系數增大，試件巖爆碎屑由大塊板狀為主過渡到以小塊片狀、塊狀與粉末狀為主。

2)通過分析破壞碎屑樣品及斷面微觀SEM結構圖特征發現，隨豎向加載應力梯度系數的逐步增大，巖爆破壞由拉裂破壞為主逐漸過渡到以剪切破壞為主。