黃順杰，李英明，劉 剛，2，程 詳

（1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開(kāi)采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150022）

在地下工程的施工中，硐室和隧道的開(kāi)挖使其周?chē)瓗r應(yīng)力平衡被打破，開(kāi)挖周邊一定范圍內(nèi)應(yīng)力重新分布[1-2]。三軸試驗(yàn)?zāi)芨玫哪M巖石在地下真實(shí)所受的力學(xué)環(huán)境[3-5]。開(kāi)采深度不同，圍巖所處的力學(xué)狀態(tài)不一致[6-7]，導(dǎo)致其力學(xué)特性發(fā)生了本質(zhì)的改變，巖石破壞過(guò)程中，伴隨著能量釋放并產(chǎn)生瞬時(shí)彈性波，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)能較好地監(jiān)測(cè)巖石損傷破壞的過(guò)程[8-12]，利于研究巖石內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展及破裂損傷演化[13-14]。張磊[15]通過(guò)對(duì)煤樣進(jìn)行聲發(fā)射及損傷特性進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)煤樣變形、破壞進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。顧義磊[16]通過(guò)對(duì)巖石進(jìn)行不同圍壓及峰后卸載過(guò)程聲發(fā)射試驗(yàn)。楊永明[17]通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)分析了巖石破壞時(shí)能量與裂紋發(fā)育規(guī)律。王思洋[18]通過(guò)對(duì)不同圍壓下大理巖破壞試驗(yàn)，分析了不同圍壓下巖石破壞過(guò)程中聲發(fā)射能量、幅值、計(jì)數(shù)變化規(guī)律。然而，巖石作為一種復(fù)雜、非均勻的材質(zhì)，其在外界擾動(dòng)下的破壞行為和裂紋發(fā)育過(guò)程中的力學(xué)機(jī)制還有待研究，特別是高圍壓下黃砂巖破壞形態(tài)、裂紋數(shù)目和聲發(fā)射計(jì)數(shù)之間的規(guī)律還有待研究。通過(guò)對(duì)已有的研究了解，利用Rock 600-50型巖石三軸流變儀對(duì)黃砂巖施加不同的圍壓，研究其加載過(guò)程和破壞后砂巖試件的力學(xué)特性和聲發(fā)射特性及破壞后的形態(tài)。此外，對(duì)聲發(fā)射計(jì)數(shù)和峰值應(yīng)力與圍壓之間的關(guān)系進(jìn)行分析，進(jìn)一步揭示巖石在不同圍壓作用下壓縮破壞的規(guī)律。

1 試樣特征及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試樣特征

試驗(yàn)采用黃砂巖為試驗(yàn)材料，按GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求將樣品加工制成φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件。加工后的試件兩端盡量保持平整，不平整度≤0.02 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用法國(guó)Rock 600-50型巖石三軸流變儀。由軸壓加載系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、ENERPAC液壓手壓泵、智能控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成?？墒┘幼畲筝S向應(yīng)力375 MPa和圍壓60 MPa。Sensor Highway II型聲發(fā)射由美國(guó)PAC與美國(guó)EPRI共同開(kāi)發(fā)的設(shè)備，具有同步的聲發(fā)射撞擊信號(hào)特征抽取及波形信號(hào)采集與頻譜分析功能。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1。

圖1 巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 試驗(yàn)方案和研究方法

為研究黃砂巖在不同圍壓下破壞特征，設(shè)置了圍壓水平分別為 0、10、20、30 MPa，加載速率為 0.05 MPa/s，每個(gè)圍壓水平做3個(gè)試件作為對(duì)照試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）把試樣裝入套囊內(nèi)，安裝環(huán)向應(yīng)變計(jì)，然后安裝密封圈（防止液壓油浸入試件，影響巖石強(qiáng)度），利用ENERPAC液壓手壓泵，把裝好試件升上端壓力腔，并用螺絲固定好，并用橡膠錘緊固螺絲，扳下開(kāi)關(guān)至Down的位置。

2）試件安裝完畢后，啟動(dòng)加壓裝置，首先關(guān)閉V1、V6和 V10，打開(kāi) V5，因?yàn)楸?1 能提供 3 MPa 的壓力，所以在泵1把壓力腔充滿后，達(dá)到靜水平壓力σ1=σ3。

3）關(guān)閉V5，打開(kāi)V7和 V9，打開(kāi)聲發(fā)射并啟動(dòng)泵3，利用泵3的高壓以0.05 MPa/s的速率施加圍壓直至達(dá)到預(yù)設(shè)值（10、20、30 MPa）。

4）以0.05 MPa/s的加載速率施加軸壓直至試件破壞。試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉聲發(fā)射并保存數(shù)據(jù)，取出試樣，描述破壞特征。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

通過(guò)試驗(yàn)得出的單軸壓縮和不同圍壓下三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2（圖中：σ1為軸壓，σ3為圍壓）。黃砂巖試件力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1（最大離差值=（最大抗壓強(qiáng)度-平均抗壓強(qiáng)度）/強(qiáng)度平均值×100%;峰值點(diǎn)應(yīng)變：試件在達(dá)到應(yīng)力峰值破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量）。

圖2 不同圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖2和表1可以看出，隨圍壓的增大，三軸抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、軸向峰值應(yīng)變逐漸增大，徑向峰值應(yīng)變?cè)龃蟛幻黠@。從體應(yīng)變來(lái)看，圖中都表現(xiàn)出了體應(yīng)變隨偏應(yīng)力的增大而增大，表現(xiàn)出了明顯的擴(kuò)容。當(dāng)黃砂巖試件達(dá)到峰值應(yīng)力后，出現(xiàn)塑性破壞，體應(yīng)變開(kāi)始減小。從試驗(yàn)曲線得出，黃砂巖破壞經(jīng)歷了4個(gè)階段。

1）壓實(shí)階段。巖石內(nèi)部原始微裂隙，在圍壓和軸壓相互作用下被壓縮。此階段在單軸壓縮中非常明顯，在三軸壓縮中此過(guò)程不太明顯，主要是原始裂隙在施加圍壓的過(guò)程中已經(jīng)被壓密。圍壓越大，這種特征表現(xiàn)越不明顯。

表1 不同圍壓下巖石試件力學(xué)參數(shù)表

2）彈性階段。從圖2可以看出明顯的線性彈性階段。此過(guò)程應(yīng)變隨著圍壓的增加而線性增加。

3）塑性階段。此階段應(yīng)變?cè)黾?，體應(yīng)變達(dá)到最大，此階段隨圍壓的增大而延長(zhǎng)。

4）破壞階段。軸向應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力后，軸向應(yīng)力迅速減小，說(shuō)明此時(shí)試件已經(jīng)失去承載能力。

圍壓越大，此過(guò)程經(jīng)歷時(shí)間越短，應(yīng)力衰減速率越快。在10 MPa圍壓下，軸向應(yīng)變?cè)诜搴蟪试龃筅厔?shì)，在10 MPa和20 MPa圍壓下，軸向應(yīng)變先略微增加，然后減小，最終呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)峰后殘余強(qiáng)度分析，單軸壓縮時(shí)由于沒(méi)有圍壓的束縛，殘余應(yīng)力為 3.16 MPa，10、20、30 MPa圍壓下殘余應(yīng)力分別為 76.2、138.09、160.32 MPa。

從表1可以看出，峰值應(yīng)力與圍壓正相關(guān)，相鄰圍壓間峰值應(yīng)力增量為△σ，△σ0-10<△σ10-20<△σ20-30，單軸壓縮沒(méi)有圍壓的束縛，當(dāng)軸壓超過(guò)試件的承載能力時(shí)，便發(fā)生破壞，展現(xiàn)出了黃砂巖脆性特性。當(dāng)施加圍壓后，由于圍壓的束縛，試件內(nèi)部的裂隙被壓縮，增大巖石內(nèi)部的摩擦力，因此，承載能力增大。隨著圍壓的增加，峰值應(yīng)力增加量減少。并且隨著圍壓的增大，軸向應(yīng)變峰值呈增大趨勢(shì)。從最大離差值可以看出本試驗(yàn)黃砂巖的材料還是比較均勻的。

3.2 聲發(fā)射和應(yīng)力及時(shí)間曲線

三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及聲發(fā)射曲線如圖3。從圖中可以看出，聲發(fā)射經(jīng)歷了3個(gè)階段。

圖3 三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及聲發(fā)射曲線

1）穩(wěn)定階段。聲發(fā)射信號(hào)很微弱，此時(shí)主要為巖石壓密階段，細(xì)小的裂紋和致密的空隙慢慢被擠壓融合，聲發(fā)射呈現(xiàn)出非常弱的信號(hào)。

2）緩慢增加階段。隨著軸壓不斷增大，聲發(fā)射計(jì)數(shù)有增加趨勢(shì)，但整體上可以看出此階段前期和中期比較穩(wěn)定。并隨著圍壓的增大，此階段的上升起點(diǎn)需要時(shí)間更久。主要是因?yàn)榇诉^(guò)程應(yīng)力還是相對(duì)較小，有圍壓的束縛，不足以使黃砂巖試件產(chǎn)生新的裂紋和破損。

3）活躍階段。接近應(yīng)力峰值，聲發(fā)射信號(hào)瞬間越強(qiáng)。聲發(fā)射計(jì)數(shù)跳躍式增大，并間斷性的活躍，原因是軸壓的持續(xù)增加，黃砂巖內(nèi)部原始裂紋發(fā)育并開(kāi)始產(chǎn)生新的裂紋。曲線上升出現(xiàn)拐點(diǎn)，說(shuō)明試件將要破壞的信號(hào)。試樣破壞時(shí)，主裂紋貫通，試件由整體變成碎裂，從而造成試件承載能力迅速下降，這點(diǎn)從應(yīng)力曲線可以看出，聲發(fā)射信號(hào)計(jì)數(shù)達(dá)到最大。計(jì)數(shù)峰值隨圍壓的增大而增加，持續(xù)時(shí)間與圍壓呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)試樣破壞后，結(jié)合表1數(shù)據(jù)可以看出應(yīng)力曲線出現(xiàn)迅速的下降，聲發(fā)射計(jì)數(shù)數(shù)量明顯下降，但殘余強(qiáng)度隨圍壓的增加，增大明顯。但圍壓的存在使得試件內(nèi)部的摩擦力增大，從而出現(xiàn)二次破壞或者多次破壞。

3.3 不同圍壓下砂巖破壞形態(tài)

不同圍壓下砂巖壓縮破壞形態(tài)（每組為1個(gè)試件完整的破壞形態(tài)）如圖4。

試驗(yàn)結(jié)束后取出試件，能明顯的看到膠套出現(xiàn)膨脹變形，環(huán)向應(yīng)變計(jì)發(fā)生明顯的擴(kuò)張。單軸壓縮中（σ3=0 MPa）1條斜切主裂紋，在其中部附近還有部分小裂紋。σ3=10 MPa時(shí)呈現(xiàn)雙“V”破壞形態(tài)，1條主裂紋貫穿整個(gè)試件，另外2條大裂紋與其斜交，并且在試件頂部軸向應(yīng)力施加處破壞更嚴(yán)重，裂紋數(shù)目增加。σ3=20 MPa時(shí)既有雙“V”破壞，也有“X”破壞，主裂紋并未貫穿整個(gè)試件，而是貫穿一部分與另1條裂紋相交，在三維空間形成網(wǎng)絡(luò)形狀。σ3=30 MPa時(shí)破壞程度較弱些，一條主裂紋貫穿整個(gè)試件，試件下部有小裂紋近乎平行試件高度的方向，未形成裂紋網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。綜合分析，圍壓是影響黃砂巖破壞重要因素，高圍壓下破碎程度降低，裂紋數(shù)量和次生裂紋減少，由很復(fù)雜的裂紋形態(tài)變?yōu)榻浦本€裂紋。破碎程度隨著圍壓的增加而減小，也從側(cè)面反映出試件的承載力隨圍壓增加而增加。

圖4 不同圍壓黃砂巖試樣典型破壞形態(tài)

4 結(jié)論

1）在三軸壓縮試驗(yàn)中，圍壓增大，巖石抗壓強(qiáng)度、彈性模量和軸向峰值應(yīng)變相應(yīng)都明顯增大。

2）試件破壞過(guò)程中聲發(fā)射計(jì)數(shù)峰值與圍壓正相關(guān)，聲發(fā)射活躍范圍主要集中在峰值應(yīng)力前。試件破壞后聲發(fā)射計(jì)數(shù)急劇下降，表明時(shí)間已經(jīng)破壞。

3）單軸壓縮條件下，峰后應(yīng)力下降迅速；三軸壓縮條件下，峰后應(yīng)力出現(xiàn)部分線性降低區(qū)，峰后殘余強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大。圍壓增加破裂面間摩擦力，并出現(xiàn)二次或者多次破壞。

4）圍壓是影響試件破壞形態(tài)的主要因素，單軸壓縮破壞為斜切破壞，破壞形態(tài)為1條近45°的主裂紋，中部產(chǎn)生部分次生裂紋。三軸壓縮試驗(yàn)中破壞不僅有“V”和“X”型剪切破壞形態(tài)。