時滯型巖爆破壞特性研究綜述★

劉 剛 彭 有 李皓然 汪馳宇 劉哲汛 王德超 賈 蓬

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

1 概述

巖爆的滯后效應是指深部高應力硬巖開挖卸荷之后往往經過一段滯后時間才會突然破壞。這種滯后效應在深部地下工程中較為普遍，由于其發生具有隨機性、突然性，所以往往對工程中的人員和設備安全造成更大的危害。國內外學者基于電阻率與超聲波等無損檢測手段，對各種性質的巖石進行了室內試驗以及數值模擬，對其發生的機理進行了大量的試驗研究，得到了巖石滯后效應的相關規律和發生機理。

2 硬巖的蠕變特性及巖爆機理

在實際工程中，巖爆的滯后效應是指巖爆往往產生于開挖完成后的數小時至數十小時，具有一定的時滯性。因此，研究巖石在長期荷載作用下的力學特性，具有重要的意義。早在1991年Zaretskii[1]對于巖石的蠕變曾經做過以下設想，想通過類比的方法研究巖石的蠕變，當時采用了專門用于高分子材料研究所使用的類比法，尤其是應力—時間類比和氣壓—時間類比原理。Boukharov[2]通過試驗觀察脆性巖石，在持續荷載作用下的變化過程，這三個過程分別是彈性變形、塑性變形和膨脹變形。這三個過程在時間上不僅是相互獨立的，還是平行發生，但是它們作為影響脆性巖石蠕變應變因素，彼此的貢獻卻并不相等，并且這種影響隨蠕變階段的不同而變化。鄧廣哲[3]在進行針對巖體長期穩定性的研究分析過程中，通過總結發現了主裂紋的產生與時效擴展之間的關系，這種影響是間斷裂隙巖體蠕變所造成的。王其虎等[4]提出流變特性的表現特征，在試驗中發現，擁有相對高程度損傷的松軟破碎巖石這種特征表現尤其突出，相對應地，在巖石初始裂隙壓密過程中產生的瞬時塑性變形也會更加顯著，并且瞬時應變與應力水平之間的關系是非線性的，還發現了當采用常規蠕變模型進行模擬時，將會在模擬的過程中產生一定偏差，這個誤差對于考慮巖石所受初始損傷對于巖石流變特性產生的影響是具有必要性的。馬芹永等[5]通過試驗手段對深部粉砂巖進行分析，結果表明隨著應力的增大，試驗采用的巖樣煤礦深部粉砂巖的瞬時彈性模量呈現出先增大后減小的規律，并且發現當所受應力26 GPa～35 GPa之間波動時，對應的巖石瞬時泊松比的變化規律呈上凹增長趨勢。Cao等[6]建立了一個蠕變模型來直觀解釋巖石的蠕變行為，該模型能詳細且全面地反映在不同的應力水平下的巖石蠕變行為，包括以下幾個過程：瞬時彈性變形、減速蠕變、穩定蠕變、加速蠕變和最終破壞。綜上所述，巖石在恒壓和固定圍巖壓力的條件下的強度會低于相同材料的瞬時強度，并且會隨著壓力的增大而減小，圍壓越大，其對應的長期強度也會越大，而對于巖石的變形，發現在無圍壓情況下，軸向變形會隨著應力的增大而增大，在有圍壓的情況下，軸向變形會減少，側向變形會增大。在巖石的時間效應方面，凌建明和孫鈞[7]提出了脆性巖石破壞的原因是由于巖石內部裂紋的產生、擴展與止裂導致的。陳炳瑞等[8]通過分析錦屏Ⅱ級水電站現場巖爆資料和巖爆過程中的微震監測數據統計，發現了時滯型巖爆發生的區域是呈現出一定的規律的，在大量的時滯型巖爆的數據中，大多數是處在掌子面開挖時受到開挖應力影響的范圍。凌建明[7]通過借助于電子顯微鏡從微細觀的角度觀察了受荷載作用的巖石從初始損傷逐步發展到最終破壞的全過程，發現了當荷載水平適當時，巖石細觀主裂紋的擴展的時間特性將會表現顯著，這點是巖石蠕變損傷的重要原理。于群[9]通過對于利用TBM掘進洞段時發生的實例，從動態裂紋發展的微細觀角度揭示了巖爆產生時微裂紋的變化，將巖爆的原因歸結于微裂紋的萌生、擴展、發展，最后直至剪切帶的產生，在宏觀上表現為相失穩破壞的機制，初步研究了微震活動演化和巖爆孕育過程之間的關系。李棟[10]通過在蠕變試驗中利用聲發射監測的手段，分析了在蠕變過程中的花崗巖能量的耗散和微裂隙的擴散規律，并以此用來解釋時滯型巖爆的孕育機理。

以上結論表明巖石的蠕變破壞是因為巖石內部受壓導致微裂縫的產生、擴展和連接構成破裂面造成的巖石宏觀上的破壞，并且這種宏觀上的破壞發生的時間大部分都是位于開挖后的6 d～30 d以內，驗證了巖爆具有時間效應的特性。

3 基于聲發射巖石損傷擴展

聲發射測試技術是研究巖石等脆性材料缺陷擴展的有效便捷的手段，被廣泛用于研究巖石材料內部的損傷和斷裂行為。Jan等[11]通過對巖石樣品進行聲發射并統計其相對應的特性，發現了它與單軸載荷之間的變化規律。試驗表明，當巖石臨近失效時，與聲發射事件的相關函數參數會發生顯著變化。潘衛東[12]對煤巖試件進行單軸壓縮實驗，在實驗過程結合超聲波檢測技術，最終通過檢測得到的煤巖中的聲速和振幅，發現聲速與單軸壓力之間變化關系方程，以及振幅與壓力的關系變化方程。李浩然等[13]通過對鹽巖單軸加載和循環荷載試驗，對鹽巖變形破壞時的特征及在受力過程中聲波、聲發射規律的量測，發現在單軸試驗中，聲發射事件在裂紋加速增長階段表現明顯；但是在循環加卸載條件下，鹽巖的應力狀態與鹽巖的波速特征和聲發射事件的出現相統一。以上的試驗結合聲發射技術對不同種類的巖石進行單軸試驗，結論表明巖石聲發射事件是由于巖石內部損傷產生的，并且與所受應力具有一致性，能很好地反映出巖石的加速擴張階段，可用于工程巖體災害的預測預警。

4 基于電阻率對巖石的細觀研究

巖石電阻率的研究于20世紀初，20世紀60年代，Brace通過改變巖石的圍壓和裂隙水壓力，試驗發現多數巖石的電阻率與巖石形變程度之間的規律，在研究中發現水飽和度是影響電阻率的一個重要因素。1999年李德春[14]通過對于煤巖試樣的試驗，發現了電阻率和壓力變化不同類型的關系曲線。郝錦綺等[15]采用試驗的方式，發現了巖石在主破裂前影響電阻率變化的兩個主要因素分別是巖石中的裂隙的存在和所含液體的飽和狀態。在低應力狀態下，孔隙度的變化是影響電阻率的主要因素；而在高應力狀態下，由于水和孔隙之間有完全貫通的平面，此時多種導電機制都將產生影響。陳耕野等[16]利用力學參數和電學參數相結合的方法，得出了電阻—應變的曲線，并發現當巖石電阻達到最小值，此時巖石所受應力為巖石開裂應力。紀洪廣等[17]根據室內巖石試驗，得到了在巖石壓縮的不同階段時電阻率的變化規律，通過分析發現電阻率和彈性模量以及同巖石抗壓強度之間的變化規律關系。梁天成[18]對受單軸壓縮的巖石分析損傷過程中的聲發射和超聲波，對比分析出聲發射和波速在巖石損傷過程的變化規律。王俊璇[19]根據巖石承載過程中巖石的孔隙、裂隙的變化，利用斷裂力學理論和阿爾奇公式進行分析，建立起電阻率與應力之間的理論模型。楊為民[20]通過試驗的手段，借助孔隙率和飽和度，發現了波速和電阻率之間變化規律，通過檢驗發現實際試驗數據基本一致，由于地下水活動和孔隙率是影響巖石物理性質的重要因素，因此這個規律可以用于實際中電阻率與波速之間的關系的模型。Jia等[21]提出利用電阻率的各向異性有助于判別巖石潛在破裂面位置。

以上的研究著眼于巖石的電阻率變化，得出了巖石的電阻率變化的原因是由于巖石內部裂隙擴展造成的，并且較好地反映了巖石破壞過程所處階段，在壓密階段電阻率會緩慢下降，在彈性變形階段逐漸上升，而塑性變形階段會略微下降。

5 利用數值模擬分析巖石蠕變破裂

李連崇等[22]在利用RFPA2D系統分析巖石破裂的基礎上，充分考慮時間對于巖石損傷過程的作用，并將其引入巖石蠕變特性方程，建立起巖石破裂過程作用下的RFPA2D數值模型，這個模型考慮了巖石流變效應。肖永剛[23]用數值模擬的方法開展研究，研究了應力釋放率與巖爆的關系。張世超[24]為了研究不同均勻性對巖體破壞的影響，對不同均質度下的巖樣單軸加載數值試驗，結果發現當巖石均質度提高時，巖石聲發射模式將會由群震型向主震型發生轉變，并且巖石發生滯后性破壞時對應的應力閾值也會越高。胡光輝考慮巖石的時效變形損傷時，引入了基于三維顆粒流程序(PFC3D)和細觀程度上的時效損傷的應力腐蝕模型，并建立起依托于離散元方法的變形損傷破裂模型，其時效性明顯[25]。

在上述的試驗中，通過模擬得出了巖爆的發生與應力釋放的速率有關，速率在低于30%時不會發生巖爆，而在40%～50%之間時可能發生輕微巖爆的，大于60%就有可能發生中等巖爆,此外，滯后性巖爆發生的可能性與巖石的均質度有關，均質度越高，越難以發生。

6 結論

1)巖石的蠕變性質和時效變形特征是用來評價工程巖體長期穩定性的依據。在工程中巖體的破壞失穩總是與時間因素相關聯，表現為典型的時效漸進破壞過程，其破壞本質是巖石內部結構損傷。2)隨著社會和計算機技術的發展，在工程中遇到的巖石所處的地質環境可能會越來越復雜，因此想要單純地利用室內試驗的方式可能沒辦法較好地模擬實際工程環境，得到的結論可能也不具有很好的代表性，但是如果結合計算機的數值模擬，對于巖石所處的地質環境有一個很好的模擬，在此基礎上，結合相應的室內試驗，這樣獲得的結論不僅安全可靠，還具有很大的便捷性，對于工程實踐的指導意義。亦或者將多種試驗手段進行相互結合，比如說將聲發射和電阻率等相結合，這樣對于巖石的特性會有一個更加全面的了解，對于機理的研究也更具有說服力。