杜瑞鋒，裴向軍，張曉超，賈 俊,3，張 祺

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；2.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070;3.國(guó)土資源部黃土地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054)

目前，我國(guó)及世界各地礦區(qū)斜坡或采礦形成的邊坡問(wèn)題仍然是對(duì)生命、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境等的巨大威脅，歷史上此類(lèi)事故造成了人員的不幸傷亡、巨大的經(jīng)濟(jì)損失以及嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[1～2]。由于爆破作用對(duì)巖土體產(chǎn)生的影響比較復(fù)雜。當(dāng)煤礦等礦區(qū)作業(yè)時(shí)，爆破產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波隨時(shí)空變異而表現(xiàn)為沖擊波、彈塑性應(yīng)力波、彈性應(yīng)力波和地震波。沖擊波首先使巖體破碎，將消耗大部分能量；隨后沖擊波衰減之后為應(yīng)力波；最后應(yīng)力波衰減為彈性應(yīng)力波和爆炸應(yīng)力波。實(shí)踐表明，爆破應(yīng)力波的傳播會(huì)造成巖體損傷和巖體內(nèi)裂隙的擴(kuò)展延伸，從而會(huì)降低巖體的穩(wěn)定性[3～5]。因此，采動(dòng)區(qū)爆破作用引起的振動(dòng)是巖(土)質(zhì)斜坡或邊坡失穩(wěn)的主要因素，而巖質(zhì)邊坡由于地質(zhì)構(gòu)造的特殊性(軟弱結(jié)構(gòu)面、強(qiáng)烈發(fā)育節(jié)理、高地應(yīng)力等)，在動(dòng)力作用下的穩(wěn)定性問(wèn)題顯得更為復(fù)雜。

天然地震波觸發(fā)的斜坡崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害引起了學(xué)者們高度的重視和廣泛的研究，并取得了比較顯著的成果[6]，而采動(dòng)區(qū)爆破作用引起的斜坡穩(wěn)定性等問(wèn)題因“量小面窄”的原因，未能得到學(xué)術(shù)界廣泛的重視。隨著人們對(duì)生命、財(cái)產(chǎn)以及環(huán)境保護(hù)的重視，采動(dòng)區(qū)斜坡的穩(wěn)定性問(wèn)題日益得到國(guó)土部門(mén)等相關(guān)機(jī)構(gòu)的重視。雖然天然地震波與爆破地震波在頻率、持時(shí)以及幅值等方面有較大差異，但對(duì)巖土結(jié)構(gòu)體造成的作用效應(yīng)是具有可比性的。

裴向軍等[7]、羅璟等[8]在汶川地震引發(fā)大型滑坡的研究中指出，強(qiáng)烈的地震沖擊作用在短時(shí)間內(nèi)對(duì)巖體產(chǎn)生的巨大損傷以及滑坡內(nèi)在的地質(zhì)基礎(chǔ)是巖質(zhì)邊坡最終震裂、崩塌的基礎(chǔ)；王來(lái)貴等[9]研究了地震波下巖質(zhì)邊坡內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整狀態(tài)，分析引發(fā)邊坡潰崩、拋射等破壞現(xiàn)象的機(jī)理，提出邊坡震害的演化過(guò)程；Xibing Li等[10]提出動(dòng)靜荷載理論，將動(dòng)荷載視為一種“擾動(dòng)”因素，疊加上原有的臨界靜載狀態(tài)來(lái)解釋諸如巖爆、沖擊地應(yīng)力以及地震、爆破等動(dòng)力引起的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。

還有眾多學(xué)者利用巖石動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了巖石的阻尼特性、損傷規(guī)律及能量耗散特性等。何明明等[11]通過(guò)分級(jí)循環(huán)和常幅循環(huán)荷載試驗(yàn)對(duì)比分析多種巖石的阻尼特性規(guī)律，得出了巖石阻尼比隨循環(huán)次數(shù)演化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；焦德貴等[12]研究了凍土在動(dòng)三軸試驗(yàn)中的阻尼特性，揭示了滯回圈的演化規(guī)律；謝和平等[13～14]從能量角度出發(fā)討論了巖石變形破壞過(guò)程中能量耗散、釋放與巖石強(qiáng)度的內(nèi)在聯(lián)系，提出了能量耗散與可釋放原理，用于分析能量耗散與破壞、能量釋放與整體破壞之間的關(guān)系，認(rèn)為巖體破壞過(guò)程實(shí)質(zhì)上遵循從局部損傷、局部破壞乃至整體災(zāi)變的規(guī)律。

本文針對(duì)山西省靈石縣典型煤礦采動(dòng)區(qū)中巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，結(jié)合爆破地震波的動(dòng)力特性以及研究方法和手段[5，15]，開(kāi)展了泥質(zhì)砂巖的動(dòng)三軸試驗(yàn)，重點(diǎn)分析其阻尼特性及能量耗散等規(guī)律，為后期的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究做好基礎(chǔ)性準(zhǔn)備。

1 試驗(yàn)方案

1.1 工程地質(zhì)背景

研究區(qū)位于山西省呂梁山區(qū)靈石縣的丘陵地帶，為采煤企業(yè)生產(chǎn)基地。多年來(lái)在爆破作用等影響下，山體出現(xiàn)松動(dòng)、斜坡崩塌、拉裂、滑動(dòng)以及地裂縫地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象等。圖1a所示為研究區(qū)內(nèi)典型的受影響巖質(zhì)斜坡，紅線(xiàn)標(biāo)明其周?chē)吔纾细采w層依次為第四系更新統(tǒng)黃土、二疊系石河子組泥質(zhì)砂巖，圖1b為斜坡巖體典型的拉裂縫。

圖1 研究區(qū)斜坡地質(zhì)地貌及典型的拉裂縫Fig.1 Geological landform in the study area and typical tensile crack of the slope

1.2 試驗(yàn)方案

如圖2所示，試驗(yàn)中泥質(zhì)砂巖樣取自斜坡露頭巖層內(nèi)，呈青灰色、泥質(zhì)膠結(jié)。經(jīng)DMAX-3C衍射儀分析礦物成分，石英占53%、高嶺土等其它礦物成分占47%。按照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5368—2007)中的要求進(jìn)行制樣，巖樣規(guī)格為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體，平均縱波波速為3 071.96 m/s。

圖2 制備的泥質(zhì)砂巖巖樣Fig.2 Specimens of argillaceous sandstone

試驗(yàn)中采用MTS 815型程控伺服剛性試驗(yàn)機(jī)，具有性能穩(wěn)定、控制精度高以及測(cè)試數(shù)據(jù)精度高的特點(diǎn)。經(jīng)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得，單軸抗壓強(qiáng)度為53.75 MPa，彈性模量為7.40 GPa，泊松比為0.11；動(dòng)三軸試驗(yàn)中施加的波形為正弦波，頻率為1 Hz，振動(dòng)循環(huán)50次。動(dòng)應(yīng)力上、下限分別取為相應(yīng)圍巖下常規(guī)三軸試驗(yàn)峰值強(qiáng)度的0.6，0.3倍，主要考慮在該段應(yīng)力區(qū)間內(nèi)巖樣處于彈性階段且未發(fā)生擴(kuò)容現(xiàn)象，這與巖體實(shí)際的應(yīng)力狀態(tài)是相符的。圍壓為2，4，6 MPa，軸向應(yīng)變率保持在10-3s-1水平，其余加載段的應(yīng)變率保持在10-5s-1水平，分別屬于中等應(yīng)變率和低應(yīng)變率范圍[16～17]。試驗(yàn)中軸向應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)和軸向應(yīng)變率時(shí)程曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 應(yīng)力時(shí)程和應(yīng)變率時(shí)程Fig.3 Curve of stress vs time and strain rate vs time

1.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

泥質(zhì)砂巖巖樣在不同圍壓下均表現(xiàn)出較好的塑性，軸向應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變以及體積應(yīng)變曲線(xiàn)飽滿(mǎn)。圖4為巖樣的全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，其中的子圖為滯回圈的應(yīng)力-應(yīng)變范圍。

圖4 不同圍壓下泥質(zhì)砂巖動(dòng)三軸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.4 Stress-strain curves of argillaceous sandstone in the dynamic tri-axial compression test with different confining stress

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 動(dòng)彈性模量及阻尼特性

巖石是彈塑性材料，加卸載過(guò)程中滯回圈必然表現(xiàn)為不閉合的特點(diǎn)。如圖5所示，AB為加載段，BC為卸載段。動(dòng)彈性模量Ed、動(dòng)泊松比μd、阻尼比λ、阻尼系數(shù)C計(jì)算公式從略。文獻(xiàn)[18]、[19]給出了有關(guān)滯回圈面積的正確算法，即滯回圈面積A應(yīng)為加載段AB、卸載段BC以及加載段起點(diǎn)A與卸載段終點(diǎn)C連線(xiàn)AC所包圍的面積，再加上梯形AA′C′C的面積，圖中As則代表巖樣釋放的彈性能。

圖5 滯回圈示意圖 Fig.5 Schematic diagram of the hysteresis loop

對(duì)滯回圈數(shù)據(jù)進(jìn)行了精細(xì)分析，應(yīng)用MATLAB軟件平臺(tái)編制了動(dòng)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析程序。泥質(zhì)砂巖的滯回圈在荷載翻轉(zhuǎn)處均表現(xiàn)為尖葉狀，說(shuō)明在動(dòng)荷載作用下反向時(shí)巖樣的彈性變形響應(yīng)迅速、塑性變形量極小，主要原因是本次試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)力幅值水平較低所致。篇幅所限，圖6僅列出巖樣1—6的第10個(gè)滯回圈。

圖6 巖樣1—6的第10個(gè)滯回圈Fig.6 The 10th hysteresis loop of specimen 1—6

圖7 各巖樣動(dòng)參數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship of the dynamic parameters with circle times of different rock specimen

巖石內(nèi)部相鄰的礦物晶粒之間緊密接觸構(gòu)成固體骨架，晶粒之間分布著許多細(xì)微空隙。在動(dòng)荷載作用下，礦物晶粒間互相摩擦、擠壓，必將引起能量耗散，宏觀上即表現(xiàn)為巖石的阻尼效應(yīng)。試驗(yàn)中計(jì)算所得的動(dòng)彈性模量、動(dòng)泊松比以及阻尼參數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖7所示，結(jié)果表明動(dòng)泊松比、阻尼比及阻尼系數(shù)的規(guī)律性較強(qiáng)，而動(dòng)彈性模量總體趨勢(shì)是降低的，但規(guī)律性較差，如巖樣1—7、1—8表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)，1—6則表現(xiàn)為相反的發(fā)展趨勢(shì)；而阻尼參數(shù)出現(xiàn)“突增”現(xiàn)象，呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)的兩段；動(dòng)泊松比則表現(xiàn)為規(guī)律性較強(qiáng)的下降趨勢(shì)。

2.2 耗能特性分析

巖體結(jié)構(gòu)在承受特定的荷載過(guò)程中，其內(nèi)部發(fā)生著能量的存貯，也伴隨著能量的消耗。巖石材料的損傷劣化與內(nèi)部能量耗散有關(guān)[20]。耗散能可與損傷變量建立起理論聯(lián)系，可以預(yù)測(cè)巖體結(jié)構(gòu)的破損程度或破損范圍等。巖體結(jié)構(gòu)的突發(fā)破壞與巖體的可釋放能有關(guān)。由能量守恒定律可知，對(duì)于某類(lèi)巖石，可由已知的耗散能可推知釋放應(yīng)變能的大小，或由總輸入能推知可釋放能的大小。

能量耗散是巖石變形破壞的本質(zhì)屬性，反映了巖石內(nèi)部微缺陷的不斷閉合、新生裂隙發(fā)展演化以及材料本征強(qiáng)度不斷弱化并最終喪失的過(guò)程[21]。如圖5所示，巖樣在動(dòng)應(yīng)力作用下，加載段與橫軸所包圍的面積為體積能，表示外力對(duì)巖樣所做的功；卸載段與橫軸所圍面積為彈性能；加載段、卸載段之間與橫軸所圍面積為耗散能，即通常所指的滯回圈面積，主要用于礦物顆粒之間的摩擦生熱等耗損以及裂紋的擴(kuò)展和產(chǎn)生。滯回圈面積代表軸向阻尼振動(dòng)消耗的能量，其面積越大代表耗散的能量越多，巖樣內(nèi)部的累計(jì)損傷越大，巖樣就越容易破壞。為了全面考察這3種能量的消耗關(guān)系，將它們分別表示在圖8中。

圖8 各巖樣的單位體積能、單位體積彈性能以及單位體積耗散能與循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.8 Relationship of the volumetric, elastic and dissipated energy of the different rock specimen

限于本次試驗(yàn)中圍壓、應(yīng)力幅值水平較低，耗散能占體積能的比例較小，但總的發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，這將有助于下一步全面了解泥質(zhì)砂巖的耗散能特性，將通過(guò)理論分析，建立耗散能與巖體損傷變量之間的理論關(guān)系，可用于分析爆破地震波作用下巖體的損傷等問(wèn)題。

圍壓、應(yīng)力幅值對(duì)巖樣耗散能特性有直接的影響[22]，本試驗(yàn)中三者之間的變化關(guān)系如表1所示，并將耗散能分別與圍壓、應(yīng)力幅值之間擬合成冪函數(shù)，如圖9所示，可見(jiàn)擬合程度較好。耗散能隨著圍壓、應(yīng)力幅值的增大而增大，對(duì)于不同性質(zhì)巖石而言，同樣的圍壓或應(yīng)力幅值下，其釋放的耗散能是不相同的。文獻(xiàn)[20]指出，對(duì)于軟弱巖石，其內(nèi)部耗散能與總吸收能(即單位體積能)相比，占較大的比例，與實(shí)際相符，如硬巖強(qiáng)度高于軟巖強(qiáng)度，因而硬巖的儲(chǔ)能能力比軟巖強(qiáng)，使得硬巖比軟巖更容易在應(yīng)力突變的環(huán)境中更容易發(fā)生災(zāi)變，如巖爆、地震或爆破引發(fā)的山體滑動(dòng)。

2.3 “突增或突減”現(xiàn)象分析

由滯回圈應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算所得的阻尼、能量等參量的曲線(xiàn)表現(xiàn)為“突增或突減”現(xiàn)象。本次試驗(yàn)的泥質(zhì)砂巖表現(xiàn)為欠壓密性、多孔隙性等特征，在動(dòng)應(yīng)力反復(fù)作用下，巖樣具有的蓄能特性，再加上動(dòng)應(yīng)力的“觸發(fā)效應(yīng)”和“累計(jì)效應(yīng)”，使可釋放彈性能在某個(gè)時(shí)刻集中釋放出來(lái)。這與實(shí)踐中的巖石斜坡在天然或爆破地震波作用下會(huì)產(chǎn)生崩塌、失穩(wěn)等現(xiàn)象的機(jī)理相一致。

表1 耗散能總量與圍壓、應(yīng)力幅值變化關(guān)系

圖9 耗散能總量與圍壓、應(yīng)力幅值的擬合曲線(xiàn)Fig.9 Fitting of the total dissipated energy vs the confining pressure and stress amplitude

3 結(jié)論

(1)本試驗(yàn)應(yīng)用動(dòng)三軸試驗(yàn)初步研究了單一頻率動(dòng)應(yīng)力作用下泥質(zhì)砂巖的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，雖然三軸動(dòng)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力波頻譜特征不及爆破地震波的豐富，但在一定的等效原則基礎(chǔ)上，動(dòng)三軸試驗(yàn)仍能定性地模擬爆破地震波作用下的動(dòng)彈性模量、阻尼以及能量耗散特性。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)歷一定的動(dòng)循環(huán)次數(shù)后泥質(zhì)砂巖會(huì)變得更加致密，力學(xué)性質(zhì)上有強(qiáng)化的反應(yīng)，即表現(xiàn)為動(dòng)彈性模量的增加，動(dòng)泊松比逐步減小。但隨著動(dòng)循環(huán)的不斷進(jìn)行，泥質(zhì)砂巖內(nèi)部受到實(shí)質(zhì)性損傷，出現(xiàn)劣化表現(xiàn)，動(dòng)彈性模量逐步下降。同時(shí)泥質(zhì)砂巖具有蓄能的特性，隨著外界能量的不斷輸入，在動(dòng)應(yīng)力的“觸發(fā)效應(yīng)”和“累積效應(yīng)”下，巖樣會(huì)突然釋放出彈性能，導(dǎo)致相關(guān)參數(shù)變化的突增或突減。

(3)試驗(yàn)中揭示了三軸應(yīng)力狀態(tài)下泥質(zhì)砂巖的能量演化規(guī)律以及耗散能總量與圍壓、應(yīng)力幅值之間的變化規(guī)律，但限于動(dòng)應(yīng)力水平較低及循環(huán)次數(shù)較少，本次試驗(yàn)未能全面揭示泥質(zhì)砂巖的耗散能特性，后續(xù)試驗(yàn)中將進(jìn)一步深入研究。