应变型岩爆试验细微观破坏特征研究

张 航 严敏嘉

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070； 2.广西民族大学建筑工程学院，广西 南宁 530006)

1 概述

应变型岩爆是地下工程领域最为常见的岩爆类型，是由于掘进或开挖后围岩局部应力集中和弹性应变能聚集所导致的，在应力分布水平高的硬岩中时长发生。应变型岩爆主要受2个方面的因素控制，即岩体条件和应力场条件[1]。因此，要从本质上认识不同类型岩爆的产生过程，需从开挖前后岩体系统受力特点的角度对围岩脆性破裂特性进行深入分析。地下硐室开挖过程中，应变型岩爆是在围岩梯度应力变化作用下产生的[2]。目前有许多岩爆机理及其预测研究[3]，尽管许多学者考虑了围岩应力路径对应变型岩爆的影响，但是普遍存在忽视应力场条件中不同围岩应力梯度对应变型岩爆及其成灾机制的影响研究，对其缺乏系统的认知。而不同的应力梯度必然导致围岩应力状态及主应力方向的变化，从而导致围岩裂纹产生、扩展方向及扩展模式的变化，进而影响岩爆的破坏机制及其预测的准确性。

因此，从地下硐室围岩应力梯度分布对应变型岩爆影响的角度，开展室内岩爆模型试验研究，基于岩爆宏观破坏现象与岩爆碎屑的宏细观察及试验过程的声发射监测，揭示围岩应力梯度对应变型岩爆的宏细观破坏特征，岩爆能量释放以及围岩承载特征的影响规律，明确围岩应力梯度分布对应变型岩爆的影响机制，对于提高应变型岩爆机理认识及岩爆灾害的防控水平，具有重要的理论价值和应用前景。

2 实验概况

2.1 试验系统

模型试验是在武汉理工大学和总参工程兵科研三所联合研制的气液复合加载岩爆模型试验系上进行[4]，本装置主要由岩爆模型试验主机、液压控制系统、气压控制系统和数据采集系统四大部分组成。该装置可以在模型的顶部施加最大载荷浓度为20 MPa，水平施加最大载荷浓度为5 MPa，并且可以在顶部和侧面由多个独立的液压装置加载，以实现试件的梯度加载。根据现有模型测试的结果，根据模型材料的物理力学性能要求，满足岩爆倾向指标的要求，采用高强度石膏材料制作模型。用于岩爆模型测试。

2.2 试验加载路径

本文将地下岩体开挖后切向应力的分布规律简化为y=ae-bx+c曲线来表示[5]，其中y为岩体内部某处的切向应力，x为岩体内部(试件内部)某点到暴露面(卸载面)的距离；a+c为岩体暴露面处(x=0)切向应力，c为岩体竖向初始压力，b为应力梯度系数，表示不同的应力梯度，b=0代表竖向为均布加载，b≠0表示竖向为梯度加载，当b值越大竖向加载的梯度差也越大。为了对比均布应力加载(b=0)情况下的岩爆声发射特性，选取b=0,2,4,6四种情况进行岩爆对比试验。

试验的加载路径设计为：试验的初始围压选择c=1.5 MPa。在试验初始阶段对模型采取分级加载形式施加三向六面的初始围压载荷，每级荷载为0.5 MPa，稳压时间为30 min。当模型加载至初始围压1.5 MPa后，保持此时的压力状态6 h，然后迅速撤离装置前侧限位门板，卸载一面水平围压，再开始进入竖向梯度应力分级加载阶段。梯度加载应力通过y=ae-bx+c计算结果进行加载，直到发生岩爆。每级加载后的稳压时间为30 min。

3 试件细微观破坏特征分析

观察岩石的破坏形态是研究岩体破坏机理的一种重要研究方法。通过相机拍摄岩爆断面细节、电镜扫描下的碎屑微观破坏的断面特征等信息，对比分析不同应力梯度加载下岩爆的破坏特征。通过试验岩爆碎屑质量统计发现，随加载应力梯度系数b的增大，板、片状碎屑质量逐渐减小，块状碎屑质量逐步增加。不同应力路径加载下的碎屑典型断面形态有2类，即板状碎屑与块状碎屑，如图1所示。其中从岩爆碎屑断面外观来看，表面形态细节处存在明显差异。如图1a)所示的为均布应力加载下岩爆产生的主要碎屑形态，破坏断面较为平整，肉眼可见碎屑表面有明显的梳纹、肋纹，并且断裂表面的外观相对粗糙，从碎片的侧面，可以看到明显的层状分裂结构。在梯度应力加载下，岩爆碎屑多为块状，且断面比板状碎屑复杂。表面凹凸不平如同水流波纹状，并且细节相对平滑(如图1b)所示)。这表明在不同的梯度应力载荷下，碎片破坏的机理存在明显差异。

材料的宏观破坏现象是许多微观破裂的综合表现。为获得不同加载路径下典型碎屑断口细观形貌特征，分别从b=0和b=6两种情况里选取典型的板状与块状碎屑，采用JSM-5510LV热场发射扫描电子显微镜进行碎屑断口的细观结构观察。由于石膏结构疏松，本文选用低放大倍数来观察岩爆破坏碎屑表面形态特征。图2～图4为典型碎屑破裂面碎屑微观电镜扫描结果，经过对比分析，发现模型发生岩爆破坏后，不同应力加载路径加载下典型碎屑破裂面晶体的形态和排列存在明显的差异。

图2是模型岩爆板状碎屑断面SEM图，可以看出板状碎屑破坏表面有肋纹状凸起结构，且整个结构面孔状密布(见图2a)，50倍)。放大300倍后(见图2b))，可以看到该横截面主要是由许多长针型结构杂乱交错分布，层层堆叠在一起，朝向并无规律性，交织松散处形成气孔结构，针状体结构完整，结构体清晰且边缘尖锐。图3是岩爆块状碎屑断面SEM图，可以看出碎屑断面截面相对平滑(见图3a)，50倍)，放大300倍后，可以看到破坏面上的石膏晶体颗粒为短柱状，排列致密紧凑。晶体的排列朝向较为一致，边缘相对于均布加载破坏面晶体颗粒的尖锐感表现得更加圆钝，许多小型晶体碎屑分布在体积较大的晶体颗粒之间(见图3b))。从块状碎屑的划痕的SEM图(如图4所示)可以看出，当放大倍数为50倍时，破坏面分布有许多划痕，清晰可见(见图4a))，而当放大倍数为300倍时，划痕处的晶体呈现颗粒型或粉末结构，致密排列，裂缝处呈台阶状(见图4b))。

根据碎屑破坏面的断裂产状进行分析发现，板状碎屑，碎屑脱落物与母体在分离面处重叠的针状晶体互相分离，断裂面处晶体结构清晰尖锐，整体呈现为粗糙不规则的形态，且排列较为松散，是典型的拉裂破坏机制。而块状碎屑的断裂面的晶体颗粒排列更加平整，从断裂路径可看出破坏时有剪切滑移，原本连接在一起的石膏晶体在剪切破坏过程中会被剪断，原本针状晶体的完整性受到破坏，形成许多小粉末状晶体颗粒散布在表面，在脱落物和母体发生分离时，破坏面上长柱状晶体的朝向会偏向剪切力的方向，说明是典型的剪切破坏机制。另外，在断裂面上划痕处分布的台阶状纹理即是由滑动裂纹形成的痕迹。

基于以上分析，可以发现不同的应力加载路径导致了岩爆破坏机制产生差异。板状碎屑是拉裂破坏所致，块状碎屑是剪切破坏所致。在均布加载(b=0)下，典型岩爆碎屑体积较大呈现板块状，明显可见块体与母体之间的分裂或剥落，对应于片状劈裂的宏观破坏现象，主要岩爆碎屑断裂面粗糙不规则，晶体颗粒排列松散，岩爆破坏以拉裂破坏为主。随着加载应力梯度的增大，岩爆动力破坏现象越明显，产生小块状和粉末状碎屑越多，碎屑抛掷距离越远。块状碎屑断裂面遍布划痕，电镜下可见碎屑断裂面表面晶体结构被折断而不完整，是典型剪切滑移作用所致。因此，随加载应力梯度系数的增大，岩爆破坏的剪切破坏特征越明显。

4 结论

本文采用大型真三轴梯度与气液复合加载岩爆装置，进行了不同应力梯度加载条件下岩爆模型对比试验研究，结合试验过程岩爆碎屑细微观特征，系统研究了围岩应力梯度对应变型岩爆破坏特征影响，主要结论可归纳如下：

1)通过分析试件破坏现象发现，随竖向加载应力梯度系数增大，试件岩爆碎屑由大块板状为主过渡到以小块片状、块状与粉末状为主。

2)通过分析破坏碎屑样品及断面微观SEM结构图特征发现，随竖向加载应力梯度系数的逐步增大，岩爆破坏由拉裂破坏为主逐渐过渡到以剪切破坏为主。