变质砂岩卸围压破坏特征试验研究

卢自立， 邓 拓， 刘文浩， 邱汉杰， 王光壮 ， 汪华斌

(1．广东省长大公路工程有限公司，广东 广州 510620；2．湖北工业大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068；3．华中科技大学 土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074)

变质砂岩卸围压破坏特征试验研究

卢自立1， 邓 拓2， 刘文浩1， 邱汉杰1， 王光壮3， 汪华斌3

(1．广东省长大公路工程有限公司，广东 广州 510620；2．湖北工业大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068；3．华中科技大学 土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074)

山岭隧道工程高地应力岩爆现象的发生受多种因素的影响，其中岩石卸围压过程中的破坏特性是其重要的判别标志之一。本文结合二广高速公路茅田界隧道隧址变质砂岩常规三轴试验不同围压条件下峰前卸围压试验，开展岩石破坏的全过程实验研究，并结合破裂过程的声发射特征探讨了岩石的变形破坏特征，初步分析了卸载破坏诱发岩爆机理基本特征。研究结果表明：随着围压不断的增加，变质砂岩变形特性表现出低围压下的脆性向高围压下塑性的转换，说明围压的增加抑制了岩样的破坏，提高了岩样的承载能力。在相同围压条件下，较快的卸载速率使岩样破坏时释放的能量更小，说明岩样破坏前所能储存的极限储存能更少，这样岩爆就会更容易发生。此外，变质砂岩破坏初期是以张性破坏为主，峰前卸围压，高地应力下变质砂岩表现出张剪性破坏特征，且岩样表现出的脆性随围压强度增大而减小。

三轴试验； 卸荷过程； 声发射； 破坏特征

岩爆是地下工程开挖卸载发生的动力现象，而地下工程开挖是一个复杂的卸荷过程，围岩在复杂应力路径下的力学性能和破坏机制的研究已经受到了工程界的广泛重视[1]。但是，由于岩爆预测问题极为复杂，目前对岩爆发生条件以及形成机理存在许多未统一的认识，具有代表性的理论有能量理论、强度理论、刚度理论、动力扰动理论和断裂损伤理论等[2～5]。此外，数值模拟技术和应用数学等方法在岩爆预测预报中得到了广泛的应用和推广[6～9]。众所周知，地下工程开挖卸荷条件下，岩石的变形破坏特征在一定程度上决定高地应力区岩爆产生的条件和方式[10,11]。因此，加强复杂卸荷条件下岩体破坏机制和岩爆预测的研究都具有十分重要的意义。

在二广高速公路连州段茅田界隧址区内，隧道地层岩性主要为加里东期花岗闪长岩及其风化层以及震旦系大绀山组变质砂岩、板岩及其风化层。微风化花岗闪长岩、变质砂岩、板岩强度较高，总体较完整，局部较破碎；结合勘察资料分析，标高429.33～347.4 m深度内最大水平主应力值为12.38～16.84 MPa，微风化变质砂岩的单轴抗压强度标准值为70 MPa。按照公路隧道设计规范，初步判定本隧道围岩初始地应力为高应力区(埋深大于116 m)，本隧道范围存在应力集中现象，有发生岩爆的可能。

本文以茅田界隧道岩爆预测工作为研究背景，对茅田界隧道内变质砂岩进行了常规三轴试验下不同围压的峰前卸围压试验，进行声发射特征分析并研究其破坏后的变形特性。

1 变质砂岩三轴卸围压试验

1.1 试样制备

试验所用试样取自茅田界隧道深埋地段的变质砂岩。为了减少试验结果的离散性，尽量采用从一个大的岩块上密集套钻的方法来获取岩石试件，并加工成高度约100 mm，直径约50 mm的圆柱体试件。

1.2 试验方案

为研究变质砂岩在不同围压下的峰值强度，通过不同围压的常规三轴试验确定峰值强度，然后开展峰前卸围压试验。过程如下：首先选取三组事先预制好的岩样，分别以0.1 MPa/s的速率加载围压至预定值，分别是8、16、32 MPa。同时，加载轴压至接近峰值强度后，保持轴压不变，分别以0.1 MPa/s和0.2 MPa/s的速率缓慢卸载围压，直至试件破坏。试验过程中一直记录变质砂岩破裂形成的不同阶段声发射特征。

2 试验结果

2.1 峰前卸围压

在本次实验中，考虑围压为8、16、32 MPa的情况下，轴压保持不变，分别以0.1 MPa/s和0.2 MPa/s的速率卸围压，获取的轴向应变和应力之间的关系如图1、图2和图3所示。

图1 轴压不变峰前卸围压曲线(围压8 MPa)

图2 轴压不变峰前卸围压曲线(围压16 MPa)

图3 轴压不变峰前卸围压曲线(围压32 MPa)

在围压为8 MPa和卸荷速率分别为0.1、0.2 MPa/s的情况下，从图1可以清楚地发现卸围压速率越快，应力反应相对来说较为灵敏。同样，其他围压条件下卸荷试验结果可以表明：如果保持轴压不变的时间越短暂，卸围压过快会使岩样内能量更快地释放，而破坏也会更迅速。

此外，从图1、图2和图3可以发现如下共同规律：在低围压下，岩样能承载的应力相对较小，表现出比较明显的脆性特性；加载时，随着围压的增加，岩样的屈服应力也随之提高，塑性变形逐渐增大，其变形特性表现出低围压下的脆性向高围压下塑性的转换，说明围压的增加抑制了岩样的破坏，提高了岩样的承载能力。

2.2 声发射实验

图4 不同围压下卸荷速率为0.1 MPa/s的 声发射次数特征

本文试验结果表明：变质砂岩在试验过程中，在低围压下轴压应力的增长速率明显大于其他围压下的增长速率。当轴压达到峰值强度后，如果保持轴压不变再缓慢卸载围压，我们发现应力急剧下降并逐渐平缓，岩样发生破坏并伴随清脆的破裂响声。从图4我们不难发现：在围压为8 MPa和32 MPa、卸荷速率为0.1 MPa/s的情况下，岩样发生破碎，声发射参数急剧增加到0.18，而在16MPa的围压下，随着应变的增加，声发射参数仅维持在0.06，岩样没有发生破碎。

此外，在卸荷速率为0.2 MPa/s的情况下，只在围压高的条件下岩样发生破碎，并伴随着清脆的响声(图5)。随着卸围压速率的增加，岩样破坏的现象并不是特别显著。

一般情况下，岩样在卸载破坏时会产生清脆的破裂响声，说明有能量的释放。因而，结合岩石试验过程中的声发射特征从能量的角度可以在一定程度上分析岩爆现象的变化规律，试验结果如图6所示。

从图6可以发现，围压对岩样破坏前的极限储存能有很大的影响，如果在相同的卸载速率下，通过常规加载条件下卸围压，岩样的极限储存能几乎成线性形态，说明岩样破坏所需的能量有一定规律可循：在相同围压下，较快的卸载速率使岩样破坏时释放的能量更小，说明岩样破坏前所能储存的极限储存能更少，这样岩爆就会更容易发生。所以，不同的卸载速率对应不同的极限能量值，卸载速率越快，岩石的极限储存能越小。

2.3 破坏特征分析

图7～9是本次试验过程中获取的岩石试样典型破坏形式，综合对比分析可知：

(1)如图7所示，岩样在8 MPa围压的卸荷状态下，受到轴向应力影响较大，均发生与轴向基本平行的张性破裂，试验过程中我们发现破坏时可听到岩样内部发出清脆的破裂声。

(2)如图8所示，在16 MPa围压下岩样试验过程中形成除主剪切面之外还存在少量的局部剪切破坏面现象，并且岩样存在一定数量与轴向斜交的劈裂面，岩样表现出张剪性破坏的特征。

图5 不同围压下卸荷速率为0.2MPa/s的 声发射次数特征

图6 不同卸载速率下能量与围压拟合线

图7 围压8 MPa下岩石试样破坏形式

图8 围压16 MPa下岩石试样破坏形式

(3)如图9所示，随着围压继续增大，岩样卸荷破坏的张剪性破裂角逐渐增大，破裂性质也逐渐向剪切破坏过渡，破裂面相当明显，破坏时能够听到岩样内部迸发出剧烈的破裂声。

图9 围压32 MPa下岩石试样破坏形式

3 结 论

(1)在低围压下，变质砂岩脆性十分明显。而在高围压下，岩石峰前卸围压的脆性并不明显，岩石有由脆性向塑性转化的趋势。说明围压的增加抑制了岩石的破坏，提高了岩石的承载能力。

(2)在相同的卸载速率下，变质砂岩的极限储存能几乎成线性形态，说明岩石破坏所需的能量在一定条件下有一定的规律可循；而在相同围压下，不同的卸载速率对应不同的极限能量值，卸载速率越快，岩石的极限储存能越小。

(3)变质砂岩破坏初期是以张性破坏为主，在峰值强度后卸荷破坏多表现出张剪性破裂的特征。

[1] 徐林生，王兰生，李天斌. 国内外岩爆研究现状综述[J]. 长江科学院院报，1999，16(4)：24-27.

[2] 罗先启, 舒茂修. 岩爆的动力断裂判据-D判据[J]. 中国地质灾害与防治学报，1996，7(2)：1-5.

[3] 潘 岳，王志强. 圆形硐室岩爆的折迭突变模型[J]. 岩土力学，2005，26(2)：175-181.

[4] 谢和平，彭瑞东，鞠 杨. 岩石变形破坏过程中的能量耗散分析仁[J]. 岩石力学与工程学报，2004，23(21)：3565-3570.

[5] 谢和平，W G Pariseau. 岩爆的分形特征和机理[J]. 岩石力学与工程学报，1993，12(1)：28-37.

[6] 蔡美峰，王金安，王双红. 玲珑金矿深部开采岩体能量分析与岩爆综合预测[J]. 岩石力学与工程学报，2001，20(1)：38-42.

[7] 王 斌，李夕兵，马春德，等. 基于三维地应力测量的岩爆预测问题研究[J]. 岩土力学，2011，32(3)：849-854.

[8] 赵延喜，李 浩. 基于断裂力学及随机有限元的隧道岩爆风险分析[J]. 长江科学院院报，2011，28(6)：59-62 .

[9] 王元汉, 李卧东, 李启光，等. 岩爆预测的模糊数学综合评判方法[J]. 岩石力学与工程学报，1998，17(5)：493-501.

[10]尤明庆，华安增. 岩石试样的三轴卸围压试验[J]. 岩石力学与工程学报，1998，17(1)：24-29.

[11]张黎明，王在泉，贺俊征，等. 卸荷条件下岩爆机理的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24(s1)：4769-4773.

Testing on Unloading Confining Pressure for Characteristics of the Metamorphic Sandstone

LUZi-li1,DENGTuo2,LIUWen-hao1,QIUHan-jie1,WANGGuang-zhuang3,WANGHua-bin3

(1.Guangdong Provincial Changda Highway Engineering Co Ltd, Guangzhou 510620, China；2.School of Civil Engineering and Architecture, Hubei University of Technology,Wuhan 430068, China； 3.School of Civil Engineering and Mechanics,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Rock burst is a dynamic phenomenon and can be induced by multiple factors in excavation unloading of underground engineering. The process of unloading confining pressure can identify the characteristics of rock fracture. Based on the analysis of actual stress states on surrounding rocks, conventional triaxial and different unloading confining stress tests were conducted after the peak strength of metamorphic sandstones in the Maotianjie tunnel site of the ErGuang highway. The process of rock failure was studied with the monitoring of acoustic emission, while characteristics of rock fracture were analyzed in case of rock bursting. The experiment results show that brittle facture can be identified in a lower confining pressure, and the plastic deformation was the main feature after the increasing of confining pressures. It can be concluded that the capacity of metamorphic sandstone was increased due to the increasing of confining pressures. Meanwhile, a rapid unloading rate can make less energy released for rock fracture, which can induce the occurrence of rock bursting. Furthermore, the metamorphic sandstone can be presented as tensile shear failure in case of a high earth stress if the confining pressure was unloaded after the peak strength, and the brittleness can decrease with the increasing of confining pressures.

triaxial test; unloading process; acoustic emission; failure characteristic

2014-04-09

2014-07-27

卢自立(1974-), 男， 广东英德人, 高级工程师, 研究方向为公路工程施工与管理(Email:gdluzili@163.com)

TU425

A

2095-0985(2014)04-0029-04