时滞型岩爆破坏特性研究综述★

刘 刚 彭 有 李皓然 汪驰宇 刘哲汛 王德超 贾 蓬

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

1 概述

岩爆的滞后效应是指深部高应力硬岩开挖卸荷之后往往经过一段滞后时间才会突然破坏。这种滞后效应在深部地下工程中较为普遍，由于其发生具有随机性、突然性，所以往往对工程中的人员和设备安全造成更大的危害。国内外学者基于电阻率与超声波等无损检测手段，对各种性质的岩石进行了室内试验以及数值模拟，对其发生的机理进行了大量的试验研究，得到了岩石滞后效应的相关规律和发生机理。

2 硬岩的蠕变特性及岩爆机理

在实际工程中，岩爆的滞后效应是指岩爆往往产生于开挖完成后的数小时至数十小时，具有一定的时滞性。因此，研究岩石在长期荷载作用下的力学特性，具有重要的意义。早在1991年Zaretskii[1]对于岩石的蠕变曾经做过以下设想，想通过类比的方法研究岩石的蠕变，当时采用了专门用于高分子材料研究所使用的类比法，尤其是应力—时间类比和气压—时间类比原理。Boukharov[2]通过试验观察脆性岩石，在持续荷载作用下的变化过程，这三个过程分别是弹性变形、塑性变形和膨胀变形。这三个过程在时间上不仅是相互独立的，还是平行发生，但是它们作为影响脆性岩石蠕变应变因素，彼此的贡献却并不相等，并且这种影响随蠕变阶段的不同而变化。邓广哲[3]在进行针对岩体长期稳定性的研究分析过程中，通过总结发现了主裂纹的产生与时效扩展之间的关系，这种影响是间断裂隙岩体蠕变所造成的。王其虎等[4]提出流变特性的表现特征，在试验中发现，拥有相对高程度损伤的松软破碎岩石这种特征表现尤其突出，相对应地，在岩石初始裂隙压密过程中产生的瞬时塑性变形也会更加显著，并且瞬时应变与应力水平之间的关系是非线性的，还发现了当采用常规蠕变模型进行模拟时，将会在模拟的过程中产生一定偏差，这个误差对于考虑岩石所受初始损伤对于岩石流变特性产生的影响是具有必要性的。马芹永等[5]通过试验手段对深部粉砂岩进行分析，结果表明随着应力的增大，试验采用的岩样煤矿深部粉砂岩的瞬时弹性模量呈现出先增大后减小的规律，并且发现当所受应力26 GPa～35 GPa之间波动时，对应的岩石瞬时泊松比的变化规律呈上凹增长趋势。Cao等[6]建立了一个蠕变模型来直观解释岩石的蠕变行为，该模型能详细且全面地反映在不同的应力水平下的岩石蠕变行为，包括以下几个过程：瞬时弹性变形、减速蠕变、稳定蠕变、加速蠕变和最终破坏。综上所述，岩石在恒压和固定围岩压力的条件下的强度会低于相同材料的瞬时强度，并且会随着压力的增大而减小，围压越大，其对应的长期强度也会越大，而对于岩石的变形，发现在无围压情况下，轴向变形会随着应力的增大而增大，在有围压的情况下，轴向变形会减少，侧向变形会增大。在岩石的时间效应方面，凌建明和孙钧[7]提出了脆性岩石破坏的原因是由于岩石内部裂纹的产生、扩展与止裂导致的。陈炳瑞等[8]通过分析锦屏Ⅱ级水电站现场岩爆资料和岩爆过程中的微震监测数据统计，发现了时滞型岩爆发生的区域是呈现出一定的规律的，在大量的时滞型岩爆的数据中，大多数是处在掌子面开挖时受到开挖应力影响的范围。凌建明[7]通过借助于电子显微镜从微细观的角度观察了受荷载作用的岩石从初始损伤逐步发展到最终破坏的全过程，发现了当荷载水平适当时，岩石细观主裂纹的扩展的时间特性将会表现显著，这点是岩石蠕变损伤的重要原理。于群[9]通过对于利用TBM掘进洞段时发生的实例，从动态裂纹发展的微细观角度揭示了岩爆产生时微裂纹的变化，将岩爆的原因归结于微裂纹的萌生、扩展、发展，最后直至剪切带的产生，在宏观上表现为相失稳破坏的机制，初步研究了微震活动演化和岩爆孕育过程之间的关系。李栋[10]通过在蠕变试验中利用声发射监测的手段，分析了在蠕变过程中的花岗岩能量的耗散和微裂隙的扩散规律，并以此用来解释时滞型岩爆的孕育机理。

以上结论表明岩石的蠕变破坏是因为岩石内部受压导致微裂缝的产生、扩展和连接构成破裂面造成的岩石宏观上的破坏，并且这种宏观上的破坏发生的时间大部分都是位于开挖后的6 d～30 d以内，验证了岩爆具有时间效应的特性。

3 基于声发射岩石损伤扩展

声发射测试技术是研究岩石等脆性材料缺陷扩展的有效便捷的手段，被广泛用于研究岩石材料内部的损伤和断裂行为。Jan等[11]通过对岩石样品进行声发射并统计其相对应的特性，发现了它与单轴载荷之间的变化规律。试验表明，当岩石临近失效时，与声发射事件的相关函数参数会发生显著变化。潘卫东[12]对煤岩试件进行单轴压缩实验，在实验过程结合超声波检测技术，最终通过检测得到的煤岩中的声速和振幅，发现声速与单轴压力之间变化关系方程，以及振幅与压力的关系变化方程。李浩然等[13]通过对盐岩单轴加载和循环荷载试验，对盐岩变形破坏时的特征及在受力过程中声波、声发射规律的量测，发现在单轴试验中，声发射事件在裂纹加速增长阶段表现明显；但是在循环加卸载条件下，盐岩的应力状态与盐岩的波速特征和声发射事件的出现相统一。以上的试验结合声发射技术对不同种类的岩石进行单轴试验，结论表明岩石声发射事件是由于岩石内部损伤产生的，并且与所受应力具有一致性，能很好地反映出岩石的加速扩张阶段，可用于工程岩体灾害的预测预警。

4 基于电阻率对岩石的细观研究

岩石电阻率的研究于20世纪初，20世纪60年代，Brace通过改变岩石的围压和裂隙水压力，试验发现多数岩石的电阻率与岩石形变程度之间的规律，在研究中发现水饱和度是影响电阻率的一个重要因素。1999年李德春[14]通过对于煤岩试样的试验，发现了电阻率和压力变化不同类型的关系曲线。郝锦绮等[15]采用试验的方式，发现了岩石在主破裂前影响电阻率变化的两个主要因素分别是岩石中的裂隙的存在和所含液体的饱和状态。在低应力状态下，孔隙度的变化是影响电阻率的主要因素；而在高应力状态下，由于水和孔隙之间有完全贯通的平面，此时多种导电机制都将产生影响。陈耕野等[16]利用力学参数和电学参数相结合的方法，得出了电阻—应变的曲线，并发现当岩石电阻达到最小值，此时岩石所受应力为岩石开裂应力。纪洪广等[17]根据室内岩石试验，得到了在岩石压缩的不同阶段时电阻率的变化规律，通过分析发现电阻率和弹性模量以及同岩石抗压强度之间的变化规律关系。梁天成[18]对受单轴压缩的岩石分析损伤过程中的声发射和超声波，对比分析出声发射和波速在岩石损伤过程的变化规律。王俊璇[19]根据岩石承载过程中岩石的孔隙、裂隙的变化，利用断裂力学理论和阿尔奇公式进行分析，建立起电阻率与应力之间的理论模型。杨为民[20]通过试验的手段，借助孔隙率和饱和度，发现了波速和电阻率之间变化规律，通过检验发现实际试验数据基本一致，由于地下水活动和孔隙率是影响岩石物理性质的重要因素，因此这个规律可以用于实际中电阻率与波速之间的关系的模型。Jia等[21]提出利用电阻率的各向异性有助于判别岩石潜在破裂面位置。

以上的研究着眼于岩石的电阻率变化，得出了岩石的电阻率变化的原因是由于岩石内部裂隙扩展造成的，并且较好地反映了岩石破坏过程所处阶段，在压密阶段电阻率会缓慢下降，在弹性变形阶段逐渐上升，而塑性变形阶段会略微下降。

5 利用数值模拟分析岩石蠕变破裂

李连崇等[22]在利用RFPA2D系统分析岩石破裂的基础上，充分考虑时间对于岩石损伤过程的作用，并将其引入岩石蠕变特性方程，建立起岩石破裂过程作用下的RFPA2D数值模型，这个模型考虑了岩石流变效应。肖永刚[23]用数值模拟的方法开展研究，研究了应力释放率与岩爆的关系。张世超[24]为了研究不同均匀性对岩体破坏的影响，对不同均质度下的岩样单轴加载数值试验，结果发现当岩石均质度提高时，岩石声发射模式将会由群震型向主震型发生转变，并且岩石发生滞后性破坏时对应的应力阈值也会越高。胡光辉考虑岩石的时效变形损伤时，引入了基于三维颗粒流程序(PFC3D)和细观程度上的时效损伤的应力腐蚀模型，并建立起依托于离散元方法的变形损伤破裂模型，其时效性明显[25]。

在上述的试验中，通过模拟得出了岩爆的发生与应力释放的速率有关，速率在低于30%时不会发生岩爆，而在40%～50%之间时可能发生轻微岩爆的，大于60%就有可能发生中等岩爆,此外，滞后性岩爆发生的可能性与岩石的均质度有关，均质度越高，越难以发生。

6 结论

1)岩石的蠕变性质和时效变形特征是用来评价工程岩体长期稳定性的依据。在工程中岩体的破坏失稳总是与时间因素相关联，表现为典型的时效渐进破坏过程，其破坏本质是岩石内部结构损伤。2)随着社会和计算机技术的发展，在工程中遇到的岩石所处的地质环境可能会越来越复杂，因此想要单纯地利用室内试验的方式可能没办法较好地模拟实际工程环境，得到的结论可能也不具有很好的代表性，但是如果结合计算机的数值模拟，对于岩石所处的地质环境有一个很好的模拟，在此基础上，结合相应的室内试验，这样获得的结论不仅安全可靠，还具有很大的便捷性，对于工程实践的指导意义。亦或者将多种试验手段进行相互结合，比如说将声发射和电阻率等相结合，这样对于岩石的特性会有一个更加全面的了解，对于机理的研究也更具有说服力。