橫置橢圓形砂巖隧洞裂紋擴展特征與破壞征兆研究

朝文文, 徐培元, 張黎明, *, 王建新, 張素磊, 王在泉, 叢 宇

(1. 青島理工大學理學院, 山東 青島 266033; 2. 青島理工大學土木工程學院,山東 青島 266033; 3. 應急管理部國家自然災害防治研究院, 北京 100085)

0 引言

水利、交通、礦山領域的地下工程建設中,受外部荷載及開挖卸荷過程應力重分布影響,圍巖坍塌、冒頂、片幫問題頻現[1-3]。將隧道(洞)圍巖簡化為含孔洞巖體試樣,國內外學者對其裂紋擴展規律和破壞機制進行了大量的理論、試驗和數值模擬研究。杜明瑞等[4]對含預制橢圓形孔洞板狀砂巖進行了單軸壓縮試驗,發現巖樣以剪切破壞為主,橢圓長短軸比增加,峰值強度降低。周亞楠等[5]對含充填橢圓形孔洞板狀砂巖進行單軸壓縮試驗,發現隨著充填物力學性能的增強,巖樣的破壞模式由拉伸破壞向剪切破壞轉變。李地元等[6]對含不同形狀孔洞的大理巖進行單軸壓縮試驗,發現橢圓形巖樣先在孔洞拱頂和拱底同時形成2條平行于加載方向的拉伸裂紋,最終巖樣由1條剪切主裂紋和1條拉-剪混合裂紋貫通發生破壞。段進超等[7]利用MFPA2D軟件對含單孔和雙孔脆性材料單軸壓縮下的破壞過程進行模擬,發現初始裂紋不一定是最后形成宏觀貫通破壞的主裂紋,且非均質性是巖石類脆性材料發生局部破裂的根本原因。Zhong等[8]利用RFPA2D數值模擬含倒U形孔洞流紋巖的雙軸壓縮試驗,發現在孔洞側壁形成啞鈴狀壓應力集中區,且孔洞轉角處更容易產生壓縮裂紋。

巖體破壞具有某些征兆,學者們對巖石破壞前兆進行了多角度的研究。張艷博等[9]采用可見光圖像和遠紅外相結合的監測手段建立了巖爆監測的多物理場參數聯合預警方法,發現可見光圖像對巖爆的響應最為敏感。王創業等[10]對花崗巖單軸壓縮試驗過程中的AE時頻域各特征參數進行聯合分析,發現各參數的前兆響應時間存在差異,主頻出現前兆特征時間較早,累計事件數出現前兆特征最晚。Liu等[11]采用DIC技術對含有雙橢圓形孔洞砂巖進行單軸壓縮試驗,發現高應變局部化區域對應裂紋可能萌生的位置,裂紋擴展過程是高應變局部化區域的逐漸演化過程。Li等[12]利用聲發射技術和DIC(digital image correlation)對含圓形孔洞花崗巖試樣進行單軸壓縮試驗,發現試樣的力學特性、表面應變場和聲發射活動表現出一致性,聲發射能量加速釋放可作為巖石破壞的預警現象。此外,熱紅外技術[13-14]、電磁輻射技術[15]在巖體破壞預兆方面也進行了相關研究。

巖體破壞前兆現象復雜,識別困難,僅從單一角度識別破壞前兆信息有很大的局限性。因此,采用多種監測方法對巖體破壞進行綜合預警具有重要的工程指導意義。學者們開展了大量小尺寸含孔洞巖樣試驗,但鮮有涉及大尺寸真實巖體隧洞試樣破壞的試驗研究;此外,傳統的監測手段有限,在數據的采集及處理方面具有較大的局限性。

因此,本文開展大尺寸橫置橢圓形真實砂巖隧洞模型試驗,利用聲發射測試系統和DIC測試方法解析橫置橢圓形隧洞的漸進破壞過程,闡明橫置橢圓形隧洞的表面裂紋和應變場演化規律,定量描述隧洞裂紋擴展過程中的分形特征,解譯隧洞破壞時的不同物理場前兆信息。

1 橢圓形洞室試樣雙軸壓縮試驗

1.1 模型制備

在某地下能源儲備洞庫現場人工挖取大尺寸天然砂巖塊體,為減小模型邊界效應對試驗結果的影響,確定模型幾何相似比CL=15,容重相似比Cγ=1∶1。模型尺寸為500 mm×500 mm×100 mm(長×寬×厚),用水刀開鑿貫穿試樣的橢圓形孔洞,橢圓形長軸為110 mm、短軸為95 mm。隧洞原型及模型示意圖見圖1。

圖1 隧洞原型及模型示意圖(單位: mm)

采用單軸、巴西劈裂等試驗測得砂巖干密度為2.65 kg/m3,彈性模量為9.1 GPa,內摩擦角為37°,黏聚力為9.60 MPa,泊松比為0.21,抗拉強度為4.6 MPa,單軸抗壓強度為38 MPa,3 MPa圍壓下的完整砂巖強度約為43.9 MPa。

1.2 加載裝置與監測系統

試驗在巖石三軸試驗機上完成,試驗機能實時監控隧洞的荷載、變形信息,如圖2所示。在隧洞模型左右兩側放置鋼壓板與液壓泵相連,通過液壓泵施加圍壓。為保證隧洞受力均勻,隧洞頂部、底部各墊設1塊800 mm×300 mm×30 mm(長×寬×厚)鋼壓板,鋼板和隧洞上、下、左、右4個側面均涂抹凡士林油以減小摩擦。試驗機豎向加載柱中心與隧洞中心在一條垂線上,防止隧洞偏心受壓。

圖2 試驗加載裝置與監測系統(單位: mm)

采用DIC光測技術記錄隧洞表面位移場信息。隧洞表面用黑白啞光漆制作直徑2～3 mm隨機分布的黑色點狀散斑。隧洞正前方放置1臺高速攝像機,設置相機的拍攝分辨率為1 616 pixel×1 682 pixel,拍攝范圍約為圓形孔洞洞周12×9 cm2,以1 fps速度拍攝試驗過程。采用PCI-2型AE設備監測隧洞變形過程中的聲發射現象,在隧洞背面洞周粘貼聲為發射探頭,門檻值為32 dB,2/4/6前置放大器增益值40 dB,采樣頻率為1 MHz。

1.3 加載方案

隧道開挖過程中,隨著掌子面的推進,隧洞圍巖承受的應力逐漸增加,因此設計豎向荷載采用分級加載并保載的方式。對同批次其他試件相同環境下進行單軸壓縮預加載試驗,通過計算3個試件的平均值得到該批次模型的極限承載能力為20 MPa左右。

隧洞雙軸加載試驗應力路徑如圖3所示。隧洞兩側施加圍壓3 MPa,豎向荷載Fz加載路徑為: 采用應力控制,按照0.01 MPa/s的速度增加軸向應力至15 MPa,保載200 s;然后,通過位移控制方式以0.02 mm/min的速度每級增加荷載100 kN,并保載300 s,循環該加載過程,直至隧洞發生破壞。試驗過程中,同步記錄隧洞變形全過程的荷載、聲發射和DIC光測試驗數據。

2 隧洞裂紋擴展及應變場演化特征

2.1 隧洞表面宏觀裂紋及應變場演化過程

隧洞表面宏觀裂紋和應變場演化過程如圖4所示。圖中1—8代表裂紋萌生順序,實線和虛線分別代表隧洞裂紋、表面巖體鼓起的輪廓線,裂紋角度為裂紋與水平方向夾角。

圖3 隧洞雙軸加載試驗應力路徑

1)加載至第1級荷載,t=938 s(軸向應力為8.9 MPa)時,隧洞表面無裂紋萌生,拱頂和拱底出現新應變集中區,范圍小、量值較低,為0.001～0.005,如圖4(a)所示。

2)t=938～1 566 s(軸向應力為8.9～13 MPa)時,處于第1級加載及保載過程,如圖4(b)所示。拱頂、拱底分別出現1條豎向發展的張拉裂紋1和張拉裂紋2,長度分別為6、3 cm。此時,拱頂正上方和拱底下方均對應出現應變集中區,量值為0.003 0～0.006 8;而左拱腰出現1個橢圓形、小范圍應變集中區,量值為0.002～0.003。

3)t=1 566～1 918 s(軸向應力為13～14.58 MPa)時,處于第2級加載及保載過程,如圖4(c)所示。裂紋1、裂紋2未擴展。應力向兩側遠端轉移,在隧洞距左拱腰3 cm處出現1條沿80°斜向右下發展的剪切裂紋3,長度約12 cm。拱頂上方應變集中區無明顯變化;拱底下方應變集中區范圍縮小,量值減小為0.002 2～0.006 1;左拱腰原有橢圓形應變集中區沿80°斜向右下發展,量值為0.002 8～0.006 4。

4)t=1 918～2 218 s(軸向應力為14.58～15.6 MPa)時,處于第3級加載及保載過程,如圖4(d)所示。裂紋1在剪切裂紋3出現后停止擴展,裂紋2閉合; 裂紋3從上端發展至隧洞洞口,長度增至14 cm。隧洞表面右側壁上發生了細小巖塊的剝落現象,同時隧洞右上方新萌生從上向下發展的遠場裂紋4,與裂紋1平行,長度約6 cm。隧洞左拱腰應變集中區范圍變大,量值增大為0.003～0.011;右上方出現新應變集中區,量值較低,為0.003～0.007 5。

5)t=2 218～2 487 s(軸向應力15.6～16.06 MPa)時,處于第3級保載過程,如圖4(e)所示。裂紋1無明顯變化,裂紋3沿下端向下發展至15 cm; 裂紋4下端沿120°發展至隧洞洞口,與附近微小裂紋貫通切割表面巖體剝落,巖體沿右側洞壁向洞室底部滑落。隧洞右下方萌生遠場裂紋5,長度約6 cm。隧洞拱頂應變集中區量值減小為0.001～0.006,但左、右兩側拱腰應變量值均有增大,分別為0.005～0.018、0.010～0.017。

(a) t=938 s,Fz=445 kN

(b) t=938～1 566 s,Fz=650 kN

(c) t=1 566～1 918 s,Fz=729 kN

(d) t=1 918～2 218 s,Fz=780 kN

(e) t=2 218～2 487 s,Fz=804.38 kN

(f) t=2 487～3 094 s,Fz=917.11 kN

(g) t=3 094～3 462 s,Fz=961.41 kN

6)t=2 487～3 094 s(軸向應力16.06～18.34 MPa)時,處于第4級加載及保載過程,如圖4(f)所示。裂紋3無明顯變化,裂紋1寬度變窄,裂紋4附近出現微裂紋且巖體表面輕微鼓起,裂紋5繼續豎直向下發展至長度14 cm。隧洞左側拱腰處萌生1條沿150°斜向左下方發展的剪切裂紋6,且裂紋6下端附近巖體表面發生輕微鼓起。隧洞左、右兩側洞壁出現巖體板裂現象。隧洞拱頂應變集中區范圍縮小,左拱腰應變集中區范圍增大,右下方豎向應變集中區范圍增大,右拱腰上方應變集中區范圍不變,應變集中區量值變化均很小。

7)t=3 094～3 462 s(軸向應力18.34～19.24 MPa)時,處于第5級加載過程,如圖4(g)所示。裂紋1閉合,裂紋3、4、5無變化。裂紋3上端與洞口交匯處萌生1條沿左下方100°方向發展的剪切裂紋7,長度約3 cm;裂紋4右側萌生新微小裂紋8,長度約2.5 cm; 裂紋6左下方、裂紋4與裂紋8附近巖體鼓起,并有小體積巖體開始剝落。隧洞發生嚴重脆性破壞,發出“砰”的聲響。隧洞表面應變集中區范圍無變化,每個應變集中區量值增大0.002左右。

綜上,隧洞受荷過程中出現3種裂紋形式。1)初始裂紋: 加載過程中,隧洞周邊拉應力集中區形成的張拉裂紋。2)遠場裂紋: 隧洞洞周遠端形成的裂紋,屬于張-剪復合裂紋。3)剪切裂紋: 隧洞附近壓應力集中形成的剪切裂紋。據此對隧洞表面出現的裂紋類型進行判別,裂紋1、2形成于裂紋萌生階段,出現在隧洞拱頂、拱底位置,屬于張拉裂紋;裂紋3、4、6、7受到壓應力集中作用,萌生于隧洞兩側拱腰,屬于剪切裂紋;裂紋5、8萌生于隧洞遠端,屬于遠場裂紋。

2.2 表面應變場方差演化規律

隧洞受荷過程中,表面應變場出現的局部應變集中區是一種應變分異現象,而應變場方差可綜合反映水平、垂直和剪切應變場的應變分量數據偏離其均值的程度,應變場方差越大,應變分異現象越明顯[16]。

隧洞應變場方差計算步驟為: 導出水平、豎向及剪切應變場數據矩陣,由式(1)計算應變場方差矩陣,然后由式(2)計算應變場方差。

(1)

應變場方差

(2)

式中: |·|為矩陣行列式;p為張量維度,應變為二維張量,所以p=2。

隧洞變形過程應變場方差-軸向應變曲線如圖5所示,表現出明顯的階段性變化。

圖5 隧洞表面應變場方差-軸向應變關系曲線

應變分量的方差矩陣

1)OA段(t=0～938 s,Fz=0～445 kN)。方差在0附近,隧洞處于內部微裂隙壓密階段,表面變形均勻,無應變集中區出現。

2)AB段(t=938～1 566 s,Fz=445～650 kN)。方差緩慢增加,隧洞拱頂和拱底出現應變集中區,表面應變場產生應變分異現象。

3)BC段(t=1 566～1 918 s,Fz=650～729 kN)。方差曲線由緩增轉為陡增,隧洞拱頂及左拱腰出現應變集中區,拱底下方的應變集中區量值增大,故方差開始迅速增大。

4)CD段(t=1 918～3 462 s,Fz=729～962 kN)。方差呈現“緩增—陡增”的變化趨勢,隧洞表面出現多個應變集中區,宏觀上洞周遠端出現遠場裂紋。此后,隧洞表面應變集中區范圍變化不明顯,僅是應變數值不斷增大。達到峰值荷載前隧洞表面裂紋開始不穩定發展,應變集中區貫通,形成大尺度的宏觀裂紋,導致應變場分異程度陡增。

3 隧洞變形過程的聲發射特征

3.1 聲發射特征參數分析

巖體在變形過程中釋放的聲發射信號能反映巖體內部微裂紋的變化。圖6和圖7分別為隧洞加載過程中聲發射振鈴計數、幅值隨時間變化曲線。

圖6 聲發射振鈴計數-時間曲線

圖7 聲發射幅值-時間曲線

1)初始期(t=0～1 500 s,Fz<645 kN)。0～1 500 s時為加載初期,巖體內部微裂紋閉合產生了一些較弱的聲發射事件,振鈴計數在0～90次、幅值在0～59 dB波動。

2)上升期(t=1 500～3 100 s,Fz=645～920 kN)。t=1 500～1 566 s(Fz=645～650 kN)時,振鈴計數和幅值出現第1次躍升(圖中標注①),躍升時振鈴計數為150次、幅值為63 dB,隧洞出現張拉裂紋1、張拉裂紋2(見圖4(b))。t=1 566～2 218 s(Fz=650～780 kN)時,振鈴計數和幅值出現第2次躍升(圖中標注②),振鈴計數達到200次、幅值為65 dB,隧洞萌生剪切裂紋3、遠場裂紋4,左側洞壁巖體剝落(見圖4(d))。t=2 218～2 487 s(Fz=780～805 kN)時,振鈴計數和幅值出現第3次躍升(圖中標注③),躍升時振鈴計數為321次、幅值為75 dB,隧洞萌生新的遠場裂紋5,右側洞壁巖體發生剝落(見圖4(e))。t=2 487～3 094 s(Fz=805～917 kN)時,振鈴計數和幅值出現第4次躍升(圖中標注④),躍升時振鈴計數為225次、幅值為70 dB,隧洞左側洞壁出現新的剪切裂紋6(見圖4(f))。

3)平靜期(t=3 100～3 400 s,Fz=920～953 kN)。聲發射活動進入平靜期,振鈴計數穩定在0次附近,幅值在32 dB左右波動,隧洞表面宏觀裂紋無明顯變化。

4)活躍期(t=3 400～3 500 s,Fz=953～762 kN)。振鈴計數和幅值快速增至最大值,振鈴計數623次、幅值90 dB,裂紋之間相互貫通,隧洞表面出現多條長裂紋(見圖4(g))。

3.2 聲發射b值特征

聲發射b值(裂紋擴展尺度的函數)變化能夠反映巖石內部微裂紋尺度的演化。b值增大,聲發射小事件所占比例增加,以小尺度微破裂為主;b值不變,大小事件的分布不變,不同尺度的微破裂狀態比較穩定;b值減小,大事件的比例增加,大尺度的破裂增多[17]。

采用最小二乘法計算b值,見式(3)。計算過程中,選取震級分檔間距Δm=0.5,每100個聲發射事件為1組數據,以50個事件為滑動窗口,得到隧洞變形全過程的聲發射b值變化曲線如圖8所示。

(3)

式中:Mi為第i檔聲發射事件的中數;Ni為第i時間段的聲發射頻度。

圖8 聲發射b值隨時間變化曲線

初始期,聲發射b值由0.24緩慢增加至0.35,隧洞內部的孔隙和微裂紋閉合。上升期,b值在0.12～0.4波動明顯,聲發射大小所占比例處于不停變化中,說明隧洞尺度不一的初始裂紋和新生裂紋發展不穩定。平靜期,b值由0.35下降至0.25后趨于平穩,大事件比例稍有增加;隨后,大小聲發射事件分布不變,隧洞表面裂紋不再擴展。活躍期,臨近峰值荷載時,b值大幅下降至0.04,聲發射大事件所占比例增大,內部裂紋迅速擴展,相互貫通為更大的裂紋,隧洞發生脆性破壞。

3.3 聲發射熵值特征

聲發射熵值能夠反映隧洞變形過程中聲發射事件的變化及能量的耗散[18]。試驗獲得的聲發射信號是一個離散的樣本空間X={xi},其中i=1,2,3,…,n,(n∈N)。每種信號出現的概率可表示為Pi=P(xi),且有:

(4)

式中0

在時間序列上定義一個時間窗口,以窗口末尾時間作為計算熵值的時刻。設初始窗口寬為w∈N,窗口的移動因子σ∈N,則第m個滑動窗口內聲發射事件數取值狀態出現的概率

(5)

由式(4)、(5)得出第m個滑動窗口對應的累計熵值

(6)

式中:M(i)為歸一化熵值;k為常數,k=1/log(i)(k≥0)。

編制Matlab程序計算聲發射熵值。每100個聲發射事件數為滑動窗口,得到隧洞變形全過程的聲發射熵值變化如圖9所示。

圖9 聲發射熵值隨時間變化曲線

初始期和上升期,熵值在0.7～0.87波動,表明聲發射事件少、能量小,隧洞裂紋漸進式擴展; 平靜期,熵值保持在0.8附近,表明聲發射事件不變,隧洞裂紋不發生變化; 活躍期,熵值瞬時突增至最大值1.21,表明聲發射事件大量產生,能量突增,小裂紋擴展形成大尺寸裂紋,隧洞發生破壞。

4 隧洞表面宏觀裂紋擴展的分形表征

分形維數廣泛用于描述巖體破裂面的形貌特征,采用盒維數法[19]計算圖像分形維數,公式為:

(7)

式中:D為分形維數;Nr(A)為用于測量分形結構大小的函數;r為盒子的尺寸。

將高速攝像機獲得的數字圖像裁剪成相同尺寸的圖像,通過Matlab編程實現隧洞宏觀裂紋圖像的讀取和二值化處理,將得到的裂紋RGB圖像轉化為灰度圖像。為避免隧洞空洞對圖像采集的影響,圖像處理時首先提取巖體的顏色對隧洞區域進行填充,然后計算其分形維數(見圖10)。

圖10 隧洞表面裂紋的分形維數-時間關系

隧洞裂紋擴展過程的分形維數變化可分為3個階段。1)線性階段(Ⅰ)。隧洞處于彈性變形階段,無肉眼可見的裂紋出現(見圖4(a)),分形維數維持在0附近。2)裂紋穩定擴展階段(Ⅱ)。隧洞拱頂及拱底萌生張拉裂紋(見圖4(b)),分形維數快速增至1.11(K1點);隨后,隧洞左拱腰出現剪切裂紋(見圖4(c)),裂紋分形維數增長速率加快,增至1.34(K2點);隧洞遠端萌生遠場裂紋后(見圖4(d)),裂紋分形維數增至1.43(K3點);裂紋逐步擴展,分形維數發生突增,由1.58增至1.72(d點),分形維數曲線斜率增長至最大值約為0.001 2,此時隧洞表面出現新的微小裂紋且發生巖體剝落,破壞區域增大。3)峰后跌落階段(Ⅲ)。隧洞發生破壞,裂紋基本不再擴展,分形維數維持在1.81附近保持不變。

因此,分形維數接近于0時,裂紋所在區域是隧洞表面離散分布的一些小區域;分形維數接近1.1時,表明裂紋所在區域趨向于沿隧洞表面內的直線分布;分形維數接近于2時,表明裂紋所在區域趨向于整個隧洞表面分布,隧洞即將破壞。

5 隧洞破壞預兆及破壞特征

5.1 不同參數的破壞預警時間

不同預警參數對應的隧洞破壞預警時間不同,預警時間為2 829～3 283 s,預警荷載為峰值荷載的87%～97%,見表1。應變場方差陡增預警時間為3 283 s,對應峰值荷載的97%(見圖5)。聲發射平靜期預警時間為3 119 s,對應峰值荷載的88%,持續時長246 s(見圖6)。聲發射b值大幅下降預警時間為2 829 s,對應峰值荷載的87%(見圖8)。聲發射熵值陡增預警時間為3 240 s,對應峰值荷載的92%(見圖9)。裂紋分形維數突增預警時間為2 966 s,對應峰值荷載的87%(見圖10)。聲發射b值預警時間最早,應變場方差預警時間最晚,二者相差454 s。實驗室條件下得出試驗結果的預警時間是有局限性的,但同時能給隧洞工程一個參考,預判隧洞破壞時間。

表1 不同參數對應的隧洞破壞預警時間統計表

5.2 裂紋擴展機制分析

隧洞表面裂紋的擴展過程表明,隧洞短軸上下方首先出現沿豎向加載方向延伸的應變局部化區域,說明隧洞的拱頂和拱底先出現拉應力。當拉應力超過砂巖的抗拉強度時,隧洞拱頂及拱底首先出現張拉裂紋,且張拉裂紋沿著與軸向應力平行的方向穩定擴展。隨著荷載的增大,隧洞兩側曲率半徑最小的拱腰位置出現壓應力集中,當壓應力集中大于巖體抗剪強度時,剪切裂紋擴展、切割巖體,圍巖發生剝落,隧洞拱腰處發生板裂狀破壞,形成V形槽。洞周裂紋逐步擴展,隧洞內部應力不斷調整,在隧洞兩側萌生遠場裂紋。此時,隨著與洞周邊界距離的增加,拱底和拱頂的拉應力逐漸減小,張拉裂紋擴展至拉應力為0的位置后便停止發展。然而,受遠場裂紋發展的側向壓縮作用影響,張拉裂紋會逐漸閉合。最終,隧洞兩側遠場裂紋向頂、底部及V形槽擴展,使得隧洞發生脆性破壞。

5.3 隧洞破壞形態對比

學者對含橢圓形孔洞真實巖體的破壞進行了研究,Li等[20]對含不同傾向橢圓形孔洞的棱柱狀大理巖試樣進行單軸壓縮試驗,發現孔洞正上、正下方首先萌生2條張拉裂紋并沿加載方向擴展,隨著孔洞左右側剪切裂紋的萌生與擴展,2條拉伸裂紋逐漸閉合(見圖11(a))。李堯[21]進行了橢圓孔洞大理巖單軸壓縮試驗,發現隧洞破壞模式為孔洞左右兩端萌生向下端擴展的拉伸-剪切混合型裂紋,左端出現向上端擴展的拉伸裂紋(見圖11(b))。張栩栩[22]開展了類巖石材料含橢圓形孔洞試樣的單軸壓縮試驗,發現孔洞上、下部短軸端點首先萌生沿主應力方向擴展的拉伸裂紋,最終試樣長軸端點或遠端產生剪切裂紋,與孔洞貫通形成宏觀破壞面(見圖11(c))。與本文砂巖隧洞破壞形態相比(見圖11(d)),橫置橢圓形隧洞的破壞均是先出現張拉裂紋,隨后出現剪切破壞;而本文砂巖隧洞并未形成大的剪切破壞面,圍壓抑制了張拉作用,壓剪作用逐漸增強,最終表現出拉-剪混合破壞。

(a) 大理巖[20] (b) 大理巖[21]

(c) 類巖石[22] (d) 本文砂巖隧洞

本文開展的相同試驗條件下另2個橢圓形隧洞的破壞形態如圖12所示。

(a) 模型2 (b) 模型3

對比3個模型的破壞形態,相同點為: 隧洞破壞形態不對稱,破壞時左右兩側拱腰裂紋都沿主應力方向發展至隧洞底部。不同點為: 模型1右側拱腰衍生1條拉-剪復合裂紋發展至洞頂,隧洞左下方和右上方表面巖體鼓起;模型2在右側拱腰下方表面巖體輕微鼓起;模型3表面無巖體鼓起,但左側拱腰出現1條沿70°向右上方發展的拉-剪復合裂紋。因此,盡管橢圓形隧洞的形狀、邊界條件、外荷載都對稱,但由于巖體的非均勻性,隧洞宏觀裂紋的發展和破壞形態并不對稱。

6 結論與討論

1)隧洞受荷載過程中,拱頂和拱底先出現張拉裂紋,隨后左側拱腰出現剪切裂紋,隧洞右上方和右下方出現遠場裂紋,伴隨表面巖體剝落。隧洞兩側的遠場裂紋最終擴展至頂部和底部,并與拱腰裂紋貫通,最終導致隧洞發生脆性破壞。隧洞表面應變場呈現明顯的局部化應變特征,應變集中區先于宏觀裂紋出現,最終形成覆蓋裂紋擴展路徑的應變集中區。

2)隧洞變形過程中,聲發射振鈴計數和幅值變化趨勢具有一致性。第1次躍升,對應已有裂紋擴展和新裂紋萌生;第2～4次躍升,對應大尺寸裂紋出現及表面巖體鼓起、剝落;經歷一段平靜期后,聲發射振鈴計數和幅值再次躍升至各自峰值,隧洞發生破壞。

3)隧洞表面裂紋的分形維數與裂紋萌生、擴展過程緊密相關。當分形維數達到1.1時,隧洞表面出現宏觀裂紋;當分形維數大于1.8且趨于穩定時,隧洞發生完全破壞。

4)隧洞破壞前會出現聲發射平靜期、b值突降、熵值突增、應變場方差突增、裂紋分形維數突增等前兆信息。不同物理場監測數據的預警時間不同步,預警時間為3 119～3 283 s,預警荷載為峰值荷載的87%～97%。其中,聲發射b值預警時間最早,應變場方差預警時間最晚。

試驗過程中數據的采集方法及采集精準程度有待進一步研究;此外,由于實際隧洞工程巖體的非均質性及破壞的復雜性,實際應用時應將聲發射信號的平靜期和熵值2個參數相結合作為巖體破壞的前兆特征。下一步擬對模型試驗中預警部分的引用進行深化研究,編程開發一個可供工程應用的預警系統。