白云岩力学压缩试验及声发射规律研究

叶少波，王宇博2

（1.四川公路桥梁建设集团有限公司，四川 成都 610093；2.西南交通大学，四川 成都 610031）

0 引言

随着我国隧道建设的快速发展，我国公路隧道在发展规模、建设数量、修建难度上均达到世界前列。在高地应力近水平岩层中开挖隧道时，由于岩层的近水平层理的构造特征以及岩层层间结合性的差异，隧道极易出现拱顶离层、掉块、局部超挖、支护结构偏压、初期支护混凝土开裂等现象，高地应力硬脆围岩环境下还存在岩爆隐患[1-4]。因此开展高地应力水平岩层隧道围岩失稳破坏过程研究意义重大。

目前，国内外许多学者针对层状岩体隧道开挖失稳机理进行了研究。戴兴国等[5]通过建立无张纯压拱力学模型，研究了拱顶岩梁产生屈曲、压溃、剪切滑移的极限状态。王崇革[6]结合现场测试和理论分析的方法，分析了近水平煤层开采引起上覆层状岩体的变形沉降规律，发现开采过程中上覆岩层会形成裂隙拱，裂隙拱内岩体发生明显运动变形，且裂隙拱向上部岩层的扩展是有限的。张乐中[7]以陕北新窑沟隧道为背景，将水平围岩的破坏类型归纳为破裂松动、膨胀内鼓、挤压和滑动破坏，研究了围岩稳定性的影响因素。闫永杰等[8]分析了隧道水平层状顶板的变形机理，得到了拱顶层状顶板在不均匀沉降变形下产生离层的结果。卢泽霖[9]依据层间结合性的差异，利用正交试验的方法研究了各强度参数的影响，对隧道破坏机理进行归纳。涂瀚[10]以同马山隧道水平层状砂质板岩围岩稳定性为研究背景，发现层状岩体的变形主要为顺层滑移和层间弯折，拱顶和边墙是最薄弱的位置，破坏是围岩压力和开挖扰动一起引起的。徐国文等[11]采用离散元-有限差分耦合算法研究了层状围岩的破坏模式。

现有的研究分析了高地应力水平岩层隧道围岩失稳破坏的机理，但对岩石破坏过程的研究较少。本文依托峨眉至汉源高速公路大峡谷隧道工程，通过室内单轴、三轴试验，采用声发射装置对高地应力近水平岩层岩石的破坏过程进行研究。

1 工程概况

峨眉至汉源高速公路大峡谷隧道全长12.146 km，属超特长隧道，也是该线的重点控制性工程。大峡谷隧道进口位于乐山市金口河区文店村，出口位于乌斯河镇对面凉山自治州甘洛县乌史大桥乡尔苦滩村。该隧道埋深最大可达1 944 m，是当前“世界第一埋深”的高速公路隧道。隧道设计为左、右线分离的双向四车道，全长12 146 m。大峡谷隧道附近最高海拔大于3 000 m，最低点为隧道出口，海拔约657.6 m，两者高差近2 500 m，属高山峡谷地貌区。

隧道洞身穿越的岩性主要为白云岩，岩层近水平状，洞顶岩体易沿层面掉落。隧道洞身穿越以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主，隧道Rc/σmax为2.67，属极高应力水平。通过现场取样，将白云岩岩芯带回实验室制作成标准试件，进行室内压缩试验，研究白云岩在高地应力下的破坏过程。

2 室内试验

2.1 试验设备

本文试验采用MTS 815型多功能岩石三轴电液伺服控制刚性试验机，如图1所示。系统采用计算机控制，可实现自动数据采集及处理。试验机配备两套独立的伺服系统分别控制轴压、围压。为研究岩样在加载过程中的破坏过程，在压缩试验中采用声发射系统对岩样的压缩破裂过程进行监测。

图1 三轴试验设备Fig.1 Triaxial test equipment

2.2 试验岩样

本文试验所用岩样取自K83+453位置处，围岩为微风化白云岩，呈大块-块状镶嵌结构。现场对岩块加工打磨后制得底部 d=50 mm、h=100 mm的14个圆柱形标准试件。为方便之后试验和数据处理，对其进行编号（1～14号），如图2所示，其中1～11号为完整岩样，12～14号为带有裂纹岩样。

图2 标准岩样及其编号Fig.2 Standard rock samples and serial numbers

2.3 试验方法

（1）本文试验围压分别设置为0、5、10、15、20、25、30、35和 40 MPa，围压加载速率为 0.5 MPa/s，加载到预定值后，保持围压不变，全程监测声发射数据。

（2）控制以60 kN/min的加荷速率继续施加轴压，当轴向荷载达到60 kN时，加载方式由轴向应力控制改变为轴向应变速率控制，应变加载速率为0.05 mm/min，直至试件完全破坏。

（3）卸除轴向压力和油压，抽除三轴压力室内部加载油液后，提升三轴压力室，再去除轴向压力，取出压坏的岩样，观察岩样的破坏形态。

岩石在力的作用下会产生变形和内部裂纹扩展，在裂纹扩展过程中会伴随着能量的释放，通过采集岩石压缩过程中的应力波大小，经计算机转化后，主要得到的数据有声发射振铃计数、能量、上升时间、幅值等，再结合轴向应力-时间曲线对比分析不同围压条件下岩样的破裂演化过程。声发射监测示意图如图3所示。

图3 声发射采集流程示意图Fig.3 Schematic diagram of acoustic emission acquisition process

3 岩石破坏过程分析

本文共对13个岩石试样进行单轴、三轴试验，获得各岩样的破坏形态，如图4、图5所示。

图4 完整岩样破坏形态Fig.4 Failure pattern of intact rock samples

图5 存在裂纹岩样破坏形态Fig.5 Failure pattern of cracked rock samples

在单轴情况下（围压0 MPa），岩样的破坏形式主要以竖向的张拉劈裂破坏为主，裂纹基本成竖向扩展、贯通；在围压大于5 MPa后，随着围压的逐渐增大，各岩样的峰值强度及其对应的轴向应变和峰后残余强度均逐渐增大，表明在围压作用下岩样由脆性向延性的逐渐转变，且破坏形态由张拉劈裂破坏逐渐过渡为斜向剪切破坏，张拉劈裂和斜向剪切共同存在；在围压大于20 MPa后，破坏演变为以斜向剪切破坏为主，破坏形态为斜向贯通裂纹。但各岩样均不同程度表现出脆性破坏特点，在达到峰值强度后，伴随岩样破裂发出响亮声音，ε1-σ1曲线出现陡然下降现象，这是积聚在岩样内的应变能急剧释放的结果。

本文试验所有试件压缩过程均采用声发射监测，最终选取完整岩样在围压5、10、15、30 MPa下和存在裂纹岩样在围压0、20、40 MPa下的声发射数据进行分析，如图6、7所示。

图6 完整岩样在不同围压下声发射振铃计数、能量、RA值与ε1-σ1曲线关系图Fig.6 The curve diagram of acoustic emission ring count，energy，RA value and ε1-σ1 of intact rock samples under different confining pressures

图7 存在裂纹岩样在不同围压下声发射振铃计数、能量、RA值与ε1-σ1曲线关系图Fig.7 The curve diagram of acoustic emission ring count，energy，RA value and ε1-σ1 of cracked rock samples under different confining pressures

由图6知，岩样在压缩破坏过程中的声发射特性和能量释放特征与破坏过程中ε1-σ1曲线高度相符，其分析过程可大致分为裂纹压密和弹性变形阶段、塑性阶段、峰值阶段、残余阶段，对应地将这四个阶段记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。

（1）Ⅰ阶段。该阶段基本是岩石内部已存在的裂纹被压密和弹性变形的过程，完整岩样产生的声发射事件极少，总振铃计数值和能量释放数值分别占其总量的1%左右，在图中基本没有显示。

（2）Ⅱ阶段。该阶段声发射事件表现为逐渐增加到瞬时突发增加的历程，总振铃计数值和能量释放数值分别占其总量的25%～50%，随着应力应变曲线斜率的逐渐减小，声发射振铃计数和能量释放的程度都逐渐增加，完整岩样增长比较缓慢。

（3）Ⅲ阶段。该阶段相比于其他阶段历程最短，但振铃计数和能量释放是最剧烈的。该阶段应力应变曲线在达到峰值后出现陡然下降趋势，岩样形成贯通裂纹破坏，振铃计数和能量释放瞬间达到峰值，其量值是其他阶段的1.5倍以上，说明岩样发生了剧烈的宏观贯通破坏。

（4）Ⅳ阶段。该阶段完整岩样声发射振铃仍然比较强烈，但能量释放不再显著，总振铃计数值和能量释放数值分别占其总量的30%～45%，说明岩样内仍存在裂纹扩展，但扩展程度较小。

由图7知，存在裂纹岩样的破坏过程与完整岩样破坏过程类似，也可分为裂纹压密和弹性变形阶段、塑性阶段、峰值阶段、残余阶段4个阶段。

（1）Ⅰ阶段。存在裂纹的岩样由于先天存在裂隙的发育程度较高，所以在该阶段声发射事件相对突出，总振铃计数值和能量释放数值分别占其总量的5%左右。12号岩样出现振铃计数和能量释放急剧增加现象，这是因为在压密过程中裂纹之间发生贯通，形成微裂隙，进而导致声发射事件的增加。

（2）Ⅱ阶段。无论是完整岩样还是存在裂纹岩样，随着应力应变曲线斜率的逐渐减小，声发射振铃计数和能量释放的程度都逐渐增加，但完整岩样增长比较缓慢，存在裂纹岩样增长幅度较大，说明存在裂纹岩样内裂纹的扩展发育程度要比完整岩样大。

（3）Ⅲ阶段。与完整岩样破坏形态类似，存在裂纹岩样发生了剧烈的宏观贯通破坏。

（4）Ⅳ阶段。存在裂纹岩样声发射振铃计数和能量释放均相对显著，说明岩样内仍存在裂纹扩展，且扩展程度较大。

对比不同围压下岩样中最大轴向应力的变化发现，最大轴向应力随围压的增大而增大。完整岩样在围压5、10、30 MPa下最大轴向应力分别为170、200、260 MPa；存在裂纹岩样在围压 0、20、40 MPa下最大轴向应力分别为 84、248、348 MPa，岩石试件的轴向应力随围压的升高而增大，说明围压的升高使岩石试件的轴向变形增大。

对比不同围压下声发射振铃计数和能量释放的峰值出现时间发现，随着围压的增大，峰值出现的时间延后。完整岩样在围压 5、10、30 MPa下声发射振铃计数和能量释放的峰值出现时间分别为 1 213 s、1 226 s、1 429 s；存在裂纹岩样在围压 0、20、40 MPa下声发射振铃计数和能量释放的峰值出现时间分别为 542 s、1 385 s、1 737 s，说明围压的增加提高了岩石的变形能力。

对比完整岩样和存在裂纹岩样可以发现，声发射事件在完整岩样中的增长幅度要明显低于存在裂纹岩样，且完整岩样的振铃计数和能量释放峰值基本只出现在应力峰值，即破坏的瞬间，说明围岩破碎的区域受应力的扰动更大，内部裂隙扩展程度更剧烈，也更容易出现岩体内部优势结构面的相互贯通，而导致隧道的围岩失稳或塌方出现。

4 结论

本研究通过现场采集的岩芯进行室内压缩试验结合声发射系统对岩样的破坏过程进行分析，可得到以下结论：

（1）通过对比不同岩样的声发射特征，声发射RA值较高时表征张拉裂纹的形成和扩展，声发射RA值较低时表征剪切裂纹的形成和扩展。岩石试件的轴向应力随围压的升高而增大，岩样在低围压下主要为张拉劈裂破坏，中围压下为张拉劈裂破坏和剪切破坏共同存在，在高围压下主要呈剪切破坏。

（2）对比不同岩样的声发射特征，完整岩样的声发射振铃计数和能量主要集中在裂纹非稳定发展和破坏残余阶段，而存在裂隙岩样振铃计数和能量在各破坏阶段均比较显著，说明破裂岩体的裂纹扩展更为显著。