李夕兵，宮鳳強

(1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083; 2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

隨著淺部礦產(chǎn)資源的持續(xù)開發(fā)和深部交通、水電、鐵路以及核廢料處置工程的建設(shè)，國內(nèi)外越來越多的礦山和隧道(硐)工程趨向深部發(fā)展[1]。例如南非Witwatersrand地區(qū)的TauTona金礦開采深度已經(jīng)到地下3 900 m，成為目前世界上最深的礦山[2];新汶礦區(qū)孫村煤礦是我國開采深度最大的礦井，采深已達1 501 m[3];錦屏2級水電站引水隧硐的最大埋深達到了2 525 m[4-5];瑞士 Gotthard鐵路隧道最大埋深達到2 350 m[6]。在這眾多深部地下工程開采或開挖過程中，出現(xiàn)了很多特殊工程地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，其中尤其以巖爆、板裂破壞、沖擊地壓的危害最大[7-9]。例如2008-02-13，錦屏2級水電站隧硐拱頂左側(cè)發(fā)生巖爆，同時在隧道右側(cè)邊墻底部也出現(xiàn)了板狀擠出破裂，導(dǎo)致停工達10 d之久[10];山東玲瓏金礦西山坑口地下500 m巷道側(cè)壁發(fā)生板裂破壞和巖爆，延伸達10 m左右;該礦大開頭礦區(qū)也出現(xiàn)了類似現(xiàn)象[11];山東龍鄆煤業(yè)有限公司發(fā)生沖擊地壓事故，造成22人被困井下[12];這些工程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生機理，和深部圍巖所處的特定應(yīng)力環(huán)境即高地應(yīng)力和工程開采(或開挖)擾動有關(guān)[13-15]。利用現(xiàn)有的強度準(zhǔn)則和純靜、動載理論均無法作出合理的解釋[16]，導(dǎo)致對上述工程地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測和控制，很多時候還停留在定性階段。因此，明確上述工程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生機理，不論對于豐富巖石力學(xué)理論的發(fā)展，還是為深部礦山安全高效開采與災(zāi)害防治提供合理指導(dǎo)，都具有重要的科學(xué)價值和工程現(xiàn)實意義。

在巖石力學(xué)研究領(lǐng)域，試驗研究占有非常重要的地位。例如剛性試驗機的發(fā)明極大促進和提高了研究人員對硬巖力學(xué)行為的科學(xué)認(rèn)識。借助剛性試驗機，不但可以通過試驗獲得巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變過程，而且根據(jù)試驗可以揭示巖石在峰后的破壞性質(zhì)，促進了人們對各種巖石破壞機制科學(xué)認(rèn)識的進一步深化[17]。針對深部開采巖石力學(xué)而言，也必須開展試驗研究。開展試驗研究前，必須科學(xué)認(rèn)識深部圍巖在開采全過程中的受力狀態(tài)和特點。在開采前，深部圍巖受三維高靜應(yīng)力作用，處于平衡狀態(tài)。一旦開采，掘進工作面及工作面圍巖在沖擊鑿巖、崩礦爆破、機械切割、誘導(dǎo)崩礦等工序作業(yè)下，從受力的角度會受到卸荷擾動作用，部分工序還會對已開采的圍巖有動力擾動作用，而且在近采場區(qū)域的深部圍巖還會受到應(yīng)力調(diào)整擾動作用[14，16，18-20]。因此，從全應(yīng)力過程來說，深部開采區(qū)域的圍巖會承受“三維高靜應(yīng)力+擾動應(yīng)力”的組合作用，簡稱動靜力組合作用。這一受力狀態(tài)完全不同于傳統(tǒng)的巖石靜力學(xué)或巖石動力學(xué)范疇，并由此產(chǎn)生了“動靜組合加載巖石力學(xué)”這一學(xué)術(shù)概念。

“動靜組合加載巖石力學(xué)”學(xué)術(shù)概念是21世紀(jì)初基于我國當(dāng)時深部礦山開采及深部巖石工程開挖建設(shè)發(fā)展趨勢的時代背景提出的?！皠屿o組合加載”的學(xué)術(shù)思想最早來源于筆者等2001年在香山科學(xué)會議第175次學(xué)術(shù)討論會所作的專題報告[13]。經(jīng)過近20 a持續(xù)深入的研究，“動靜組合加載力學(xué)”在深部巖石力學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣大專家認(rèn)可，并拓展應(yīng)用于十多個領(lǐng)域[21-37]。同時，在近20 a中，動靜組合巖石力學(xué)試驗研究從概念提出到現(xiàn)在，經(jīng)歷了從一維到三維、從單純加載到考慮加卸載、從低加載率到高加載率、從試驗研究到理論研究、從研究巖石材料到考慮結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)的發(fā)展歷程，并逐漸聚焦于真三軸動靜組合巖石力學(xué)試驗研究。

巖石真三軸試驗在巖石力學(xué)研究中非常重要。傳統(tǒng)的真三軸巖石力學(xué)試驗主要研究目的是獲取巖石在三維受力狀態(tài)下的力學(xué)特性，并進一步研究巖石的強度準(zhǔn)則和破壞機制。傳統(tǒng)巖石真三軸試驗的特點是均釆用加載的方式進行，所獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線都是加載受力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。這種加載方式?jīng)]有考慮擾動應(yīng)力和應(yīng)力路徑不同帶來的影響，無法反映深部巖石在預(yù)先承受三維高靜應(yīng)力然后受開采引起的擾動作用，即動靜力組合作用。因此，研究深部巖石力學(xué)特性，特別是開采作用下的深部巖石力學(xué)響應(yīng)、破壞特性及規(guī)律，首先要科學(xué)認(rèn)識深部圍巖開采過程中所經(jīng)歷的“三維高靜應(yīng)力+擾動應(yīng)力”這一動靜組合受力狀態(tài)，開發(fā)研制能實現(xiàn)這種功能的真三軸巖石動靜組合加載試驗機。

筆者從分析深部圍巖開采全過程的受力特點出發(fā)，闡明了“動靜組合加載巖石力學(xué)”概念提出的經(jīng)過，然后分別介紹一維、二維和三維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗研究的發(fā)展歷程和取得的研究進展。綜述上述動靜組合加載巖石力學(xué)試驗研究的發(fā)展歷程時，主要以眾多研究單位開發(fā)和研制的能滿足動靜組合加載力學(xué)試驗功能的實驗系統(tǒng)作為切入點進行介紹，隨后簡要總結(jié)了在上述實驗系統(tǒng)上開展的動靜組合巖石力學(xué)試驗和獲得的研究成果。綜述上述情況后，系統(tǒng)總結(jié)了真三軸巖石動靜組合力學(xué)試驗系統(tǒng)和研究成果的共同點。最后展望了巖石動靜組合加載力學(xué)試驗未來的發(fā)展方向。

1 深部圍巖開采全過程的受力特點

1.1 淺部和深部巖石受力路徑區(qū)別

現(xiàn)有的巖石靜力學(xué)主要研究靜載范圍內(nèi)巖石的力學(xué)響應(yīng)、破壞特性和強度準(zhǔn)則[38]。常規(guī)巖石動力學(xué)主要關(guān)注動載作用下巖石的破壞、能量耗散特性、動態(tài)斷裂、本構(gòu)特征及應(yīng)力波在巖體中的傳輸規(guī)律[39]。上述巖石靜、動力學(xué)理論主要適用于淺部巖石工程，基本不考慮應(yīng)力路徑的影響，嚴(yán)格意義上和深部開采巖石力學(xué)沒有聯(lián)系。深部巖石在開采前處于三維高靜應(yīng)力環(huán)境中，后期開采是在這一始終存在的應(yīng)力環(huán)境中進行。這是和淺部巖石開采受力不同的初始條件和最顯著的區(qū)別。這一顯著區(qū)別也決定了淺部巖石可以采用加載路徑進行試驗研究，而深部巖石開采的力學(xué)響應(yīng)和規(guī)律則不能采用類似的加載路徑進行研究，必須綜合考慮卸載、加載以及組合應(yīng)力路徑的影響。

1.2 靜應(yīng)力和擾動應(yīng)力的關(guān)系

在深部開采巖石力學(xué)中討論靜應(yīng)力和擾動應(yīng)力的相互關(guān)系時，首先需要明確擾動應(yīng)力的概念。相對于開采前深部巖石所承受的三維初始高靜應(yīng)力狀態(tài)而言，開采過程及后期應(yīng)力調(diào)整中引起的所有卸荷擾動、加載擾動、應(yīng)力調(diào)整擾動以及組合應(yīng)力擾動均屬于擾動應(yīng)力。因此，在“動靜組合加載巖石力學(xué)”概念中，“靜力”是指開采前或開采中及開采完成后深部圍巖始終所承受的高靜地應(yīng)力，“動力”是指掘進工作面及采動區(qū)域圍巖在開采過程中受到卸荷擾動、加載擾動、部分工序?qū)σ验_采深部圍巖帶來的動力擾動、采場區(qū)域深部圍巖受到應(yīng)力調(diào)整擾動甚至上述幾種擾動的組合，是多種擾動應(yīng)力的總稱。圖1為深部圍巖所承受的動靜組合受力狀態(tài)簡化示意[20],其中，A為一維動靜載荷組合;B為三維動靜載荷組合。

在研制動靜組合加載巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)時，要深刻把握深部圍巖開采全過程的受力特點，即作為初始狀態(tài)的高靜應(yīng)力在試驗全過程中始終存在，擾動應(yīng)力是后期加上去的。相關(guān)研究表明，受初始靜應(yīng)力(或初始靜荷載)作用的巖石受到后期擾動應(yīng)力作用發(fā)生破壞時，初始靜應(yīng)力條件在巖石破壞過程中起主導(dǎo)作用，而且決定了巖石破壞的強度水平和能量釋放水平，而擾動作用則起到誘發(fā)圍巖破壞的作用[40-42]。

2 一維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗發(fā)展歷程和進展

如前所述，“動靜組合載荷”(動靜載組合)這一學(xué)術(shù)思想和固定專業(yè)表述最早來源于筆者等2001年香山會議專題報告[13]?！皠屿o組合加載”這一力學(xué)概念首先來自于一維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗和研制新型多功能巖石破碎試驗裝置的相關(guān)論文[18-19,43-44]。在此之前，筆者等在2000—2001年研究利用聚晶金剛石切削鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact bit，PDC鉆頭)破碎硬巖時，同時考慮拉力和沖擊作用，提出了 “Combined action mode”和“Combined loads”的概念[45-46]。此外，筆者分別指導(dǎo)趙伏軍、馬春德于2004年完成了“動靜載荷耦合作用下巖石破碎理論及試驗研究”博士學(xué)位論文和“一維動靜組合加載下巖石力學(xué)特性的試驗研究”碩士學(xué)位論文[43,47]。根據(jù)不完全統(tǒng)計，截至目前，已經(jīng)有中南大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院、天津大學(xué)、東北大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)等30多所高校和科研院所的研究生完成了“動靜組合加載”作用下巖石力學(xué)及地下工程方面的研究。

2.1 一維動靜組合載荷破巖多功能試驗系統(tǒng)

筆者等[45-46]在前期研究中發(fā)現(xiàn)，沖壓和靜壓的組合能明顯提高巖石的破碎效果。基于這一科學(xué)認(rèn)識，趙伏軍等在中南大學(xué)研制了新型多功能巖石破碎試驗裝置，并在2004年的論文中介紹了該試驗裝置[44](圖2)。

圖2 切削-沖擊多功能實驗臺[44]Fig.2 Multifuntional testing device for cutting-impact[44]

多功能巖石破碎試驗裝置集成了多種功能，不但可以進行單一靜載荷或單一動載荷侵入破碎巖石的試驗，還可以進行動靜載荷組合加載破碎巖石的試驗。裝置主要由軸向靜壓加載裝置、落錘沖擊加載裝置、刀具及夾具裝置和測試系統(tǒng)等部分組成。利用該試驗機，謝世勇、趙伏軍等進行了一系列破巖試驗[48-50]。結(jié)果表明，靜壓力和沖擊力在一定范圍內(nèi)組合加載可以使破碎坑體積增加很快，進而大幅提高破巖效果;另外在預(yù)加靜載荷使部分巖石發(fā)生體積破碎之后再施加沖擊載荷，可以使巖石破碎效果最好。

2.2 基于Instron試驗機的一維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)

為了模擬深部開采過程中圍巖承受動力擾動情況下強度變化規(guī)律，筆者等[18-19]設(shè)計了能實現(xiàn)一維(單軸)“預(yù)靜應(yīng)力+低周疲勞擾動”動靜組合加載巖石力學(xué)試驗方案，并在Instron-1342電液伺服材料試驗機上對50 mm×50 mm×100 mm的長方體紅砂巖試樣進行了一維動靜組合加載試驗，試驗加載示意如圖3所示。該試驗系統(tǒng)由電液伺服控制，可以實現(xiàn)預(yù)靜載情況再施加低周疲勞擾動，擾動形式有正弦波、三角波和方波等形式，能夠滿足一維動靜組合加載的試驗要求。在紅砂巖的一維動靜組合加載試驗中，分析了動靜組合加載下紅砂巖強度和單獨動載、單獨靜載作用條件下的強度差別以及組合加載情況下預(yù)靜載應(yīng)力與最終破壞強度的對應(yīng)關(guān)系。隨后，筆者等[51]提出了動靜組合載荷作用下巖石的應(yīng)變能密度準(zhǔn)則，并采用紅砂巖一維動靜組合加載試驗結(jié)果進行了驗證;左宇軍等[52]利用突變理論分析了一維靜載巖石系統(tǒng)在動載作用下的穩(wěn)定性及變化規(guī)律，并建立了相應(yīng)的非線性動力學(xué)模型，分析了一維動靜組合載荷巖石系統(tǒng)的失穩(wěn)破壞試驗結(jié)果。

圖3 一維動靜組合加載試驗示意[18]Fig.3 Schematic diagram of one dimensional coupled static-dynamic loading test[18]

2.3 基于 SHPB 裝置的一維動靜組合加載試驗系統(tǒng)

為了研究深部高應(yīng)力圍巖在采場近區(qū)承受爆破、沖擊等動載荷的力學(xué)效應(yīng)，筆者等基于使用紡錘形沖頭的SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar，簡稱 SHPB)試驗裝置[53]，自主研發(fā)了基于SHPB裝置的一維動靜組合加載試驗系統(tǒng)[40，54](圖4)，即巖石動靜組合加載試驗機[20]，并在2005年申請了發(fā)明專利[55]。該試驗系統(tǒng)采用半正弦應(yīng)力波加載，相應(yīng)的試驗方法已經(jīng)寫入國際和國內(nèi)巖石動力特性試驗規(guī)程[56-57]。利用該試驗系統(tǒng)，不但可以實現(xiàn)高應(yīng)變率下一維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗，而且可以進行三維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗。軸向靜態(tài)預(yù)應(yīng)力裝置由鋼架組成，一端設(shè)有壓力加載裝置。壓力加載裝置由油缸、活塞和密封圈組成，如圖5所示。油缸兩端進/出油閥通過手動泵連接。當(dāng)需要施加軸向預(yù)壓應(yīng)力時，啟動圖5中的手動泵以增加腔室中的油壓，活塞移動，從而對彈性桿和試樣施加靜應(yīng)力。為了模擬地下深部巖石的應(yīng)力狀態(tài)，在實驗室將應(yīng)力控制在200 MPa以內(nèi)。在一維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗中，應(yīng)變率為10～100 s-1，可模擬深部高應(yīng)力圍壓在采場近區(qū)受到機械沖擊、爆炸載荷下的巖石動力特性[20,58]。

圖4 基于 SHPB 裝置的一維動靜組合加載試驗系統(tǒng)示意[40，54]Fig.4 Experimental system sketch of one-dimensional coupled static and dynamic loads based on SHPB device[40，54]

圖5 一維動靜組合加載試驗機中的軸壓裝置[20]Fig.5 Axial compressive stress apparatus in experimental system under one-dimensional coupled static and dynamic loads[20]

筆者利用一維動靜組合加載試驗裝置，針對砂巖系統(tǒng)地開展了一維動靜組合加載下的動力學(xué)特性試驗研究[40,54]。在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)變率相同時，巖石抗壓強度會隨著軸壓比(預(yù)靜應(yīng)力和巖石單軸抗壓強度之比)的增加表現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律，并且在軸壓比處于0.6～0.7內(nèi)達到最大值。當(dāng)軸壓相同時，巖石抗壓強度會隨著應(yīng)變率的增加而增加，呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。而且當(dāng)軸壓比合適時，隨著入射能的增加，巖石試樣在破壞過程中先后會表現(xiàn)出“吸收能量—釋放能量—吸收能量”3個階段，首次確認(rèn)了“一維靜應(yīng)力+沖擊擾動”組合加載下室內(nèi)“巖爆”的釋放能量現(xiàn)象。上述結(jié)果揭示了礦柱型巖爆的發(fā)生機理，并為巖爆能與人工誘導(dǎo)碎裂能的互換模型和誘導(dǎo)技術(shù)提供了理論依據(jù)[40]。

利用該巖石動靜組合加載裝置，劉少虹等[59-61]研究了動靜組合加載下應(yīng)力波在煤巖結(jié)構(gòu)中的傳播機制、能量耗散特性、煤巖動態(tài)破壞特性和破壞失穩(wěn)突變模型以及混沌機制。研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤巖組合體承受的靜載值大于“臨界靜載”時，外界施加很少的動載能量就能使煤巖組合體產(chǎn)生破壞;同時，基于試驗結(jié)果，認(rèn)為動載沖擊地壓可以分為動載主導(dǎo)型和動載誘發(fā)型，前者能量源主要來自于動載，后者能量源來自于靜載，確定動載沖擊地壓的類型對于如何防治沖擊地壓更加有針對性和高效性。金解放和唐禮忠等[62-63]對巖石預(yù)先施加一維靜應(yīng)力情況下進行多次循環(huán)沖擊作用，考察了軸向靜應(yīng)力、沖擊次數(shù)對巖石組合抗壓強度、變形模量以及能耗參數(shù)的影響。王文等[26，64]考察了含水煤樣在一維動靜組合受力情況下的破碎塊度、能量耗散特征和動靜組合抗壓強度的變化情況。周子龍和滿軻等[65-66]分別對紅砂巖和花崗巖進行了一維動靜組合加載下巴西劈裂試驗，考察了預(yù)靜載和沖擊動載對巖石抗拉強度的影響。宮鳳強等[67]對花崗巖進行了一維預(yù)靜載下的沖擊斷裂試驗，試驗結(jié)果表明在不同預(yù)靜載下巖石承受沖擊擾動，會發(fā)生明顯的斷裂強度弱化效應(yīng)。利用該試驗機，還有很多研究人員分別開展了一維動靜組合加載巖石力學(xué)和能耗特性方面的研究，取得了不少研究成果。

3 二維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗發(fā)展歷程和進展

3.1 基于Instron試驗機的二維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)

在一維動靜組合加載試驗研究基礎(chǔ)上，左宇軍等[68]將特制的一維水平靜壓裝置和Instron 電液伺服材料試驗機組合，開發(fā)了二維動靜組合加載試驗機，加載示意如圖6所示。二維動靜組合加載試驗機由雙軸靜載試驗裝置和動力擾動試驗裝置組成，全部在Fast Track 8800 型 Instron 電液伺服控制試驗系統(tǒng)上經(jīng)過改造完成。經(jīng)過改造，該系統(tǒng)在水平方向增加了一個由液壓伺服控制的可以獨立進行側(cè)向靜壓加載的裝置。利用該試驗裝置，可以在精確控制情況下實現(xiàn) 0～10 MPa內(nèi)固定側(cè)向靜壓、豎向動力擾動作用的二維動靜組合加載試驗。圖7 為二維動靜組合加載試驗機裝置圖。

圖6 二維動靜組合加載試驗示意[68]Fig.6 Schematic diagram of two dimensional coupled static-dynamic loading test[68]

利用上述試驗機，左宇軍等[68]針對紅砂巖進行了二維動靜組合加載下的破壞試驗，來模擬深部巖體在二維高靜力情況下再承受周期載荷等動力擾動作用的力學(xué)響應(yīng)和破壞特征。研究中發(fā)現(xiàn)，和巖樣在周期荷載作用情況下相比，在相同靜載條件下再承受動載荷作用后，盡管紅砂巖在應(yīng)力-應(yīng)變曲線的滯回圈數(shù)和全應(yīng)變均不相同，但是疲勞破壞的極限變形規(guī)律卻一致，而且破壞過程中巖樣所消耗的有效全應(yīng)變能有趨向相同值的發(fā)展趨勢。同時，還分析了動載一定時紅砂巖在不同水平靜載和不同豎向靜載下破壞的基本規(guī)律和特征，為深部采礦和礦柱等的穩(wěn)定性分析提供理論與試驗依據(jù)。馬春德等[69]為了模擬開采后的深部在高應(yīng)力條件下圍巖的受力情況，也進行了類似的試驗。試驗過程中首先對紅砂巖試樣靜力加載到屈服狀態(tài)，然后在某一受壓方向再施加正弦疲勞動荷載，采用定頻不同應(yīng)力幅值的形式，模擬動力擾動作用，直至試樣破壞。研究中發(fā)現(xiàn)，在不同應(yīng)力幅值的循環(huán)擾動荷載作用下，紅砂巖試樣主要沿著受水平靜壓方向發(fā)生破裂，破壞模式表現(xiàn)為剪切破壞為主，而且隨著擾動荷載應(yīng)力幅值的增大，巖石破碎程度會逐漸增大。特別是當(dāng)擾動載荷幅值較大時，當(dāng)試樣整體發(fā)生宏觀破壞時，在臨空面兩側(cè)上會產(chǎn)生巖片彈射的室內(nèi)“巖爆”現(xiàn)象。

3.2 基于SHPB的不同向二維動靜組合加載試驗系統(tǒng)

PENG J Y等[70]借助SHPB試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了方體巖樣在二維靜載條件下承受正面沖擊動載試驗。加載試驗系統(tǒng)如圖8所示，靜載裝置和動載裝置相互獨立。

圖8 巖石雙向靜載沖擊加載試驗系統(tǒng)[70]Fig.8 Impact loading test system for rock specimen under biaxial static loading[70]

試驗前，先對試樣在水平和豎直2個方向上施加靜力，然后利用SHPB系統(tǒng)中的入射桿施加與靜載垂直的水平向沖擊動載。該試驗方法和前面的動靜組合加載裝置相比，顯著區(qū)別是靜載方向和動載方向相互垂直，而前述的一維或二維動靜組合加載裝置則是靜、動載在同方向上加載。利用該試驗裝置進行試驗，研究中發(fā)現(xiàn)，在不均勻的雙向靜載荷作用下，裂紋首先沿主應(yīng)力方向擴展，最后形成一個橢圓形的破壞區(qū)。在等雙軸靜載荷作用下，表面裂紋呈弧形擴展，最終形成圓形破壞區(qū)。破壞區(qū)的周長和體積隨著靜應(yīng)力的增加而增大。因此，在深部工程中，合適方向的高地應(yīng)力會增大巖石破壞區(qū)的大小，通過精心設(shè)計爆破方案與地應(yīng)力場的匹配，可以減少炸藥的消耗。

3.3 雙桿式二維霍布金森壓桿力學(xué)試驗系統(tǒng)

雙桿式二維霍布金森壓桿力學(xué)試驗在三軸霍普金森桿試驗系統(tǒng)上完成[71]。三軸霍普金森桿試驗系統(tǒng)由澳大利亞Monash大學(xué)研制完成(圖9)[72]。最近東南大學(xué)也安裝了一套雙桿式二維霍布金森壓桿力學(xué)試驗系統(tǒng)(圖10)。

圖9 三軸霍普金森桿試驗系統(tǒng)[71]Fig.9 Triaxial Hopkinson bar test system[71]

圖10 東南大學(xué)雙桿式霍普金森桿試驗系統(tǒng)Fig.10 Biaxial Hopkinson bar test system in Southeast university

三軸霍普金森桿系主要由液壓約束組成單元、動態(tài)加載單元、能量吸收單元、3對獨立的方形鋼筋、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用6塊高強度鋼制反力框架和1個堅固的框架支撐平臺。試樣被封裝在3對鋼質(zhì)墊塊中，其中X方向(入射桿和透射桿)、Y方向(2個輸出桿)和Z方向(2個輸出桿)的加載裝置相互獨立。進行二維動靜組合加載試驗時，在X方向和Y方向先施加一定的預(yù)靜載，再在X方向施加沖擊動載。

利用Monash大學(xué)三軸霍普金森桿試驗系統(tǒng)，LIU K等[71]進行了二維動靜組合沖擊試驗，試驗中發(fā)現(xiàn)，在相同的二維靜應(yīng)力作用下，砂巖的動雙軸抗壓強度隨應(yīng)變速率的增大而增大，同時觀察到了2種類型的巖石動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，這與峰值后的破裂特征有關(guān)。在二維動靜組合壓縮試驗中，巖石的應(yīng)力狀態(tài)由一定的靜應(yīng)力和動荷載組合施加，而深部巖爆過程一般也是由高地應(yīng)力和較小的動荷載共同作用產(chǎn)生的，因此2者的失效和彈射機制在某種程度上是相似的。試驗中也觀察到了巖片實時彈射現(xiàn)象，而且“V”形槽出現(xiàn)在了巖石試樣的雙面。

4 常規(guī)三維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗發(fā)展歷程和進展

這里總結(jié)的三維巖石動靜組合加載巖石力學(xué)試驗機是從試驗機本身的功能出發(fā)的，認(rèn)為只要是巖石試樣受三維靜力情況下能實現(xiàn) “預(yù)靜力+擾動”(包括卸載擾動、低頻周期擾動、沖擊擾動、應(yīng)力調(diào)整擾動等)，均可看作是三維巖石動靜組合加載巖石力學(xué)試驗機。另外，本節(jié)所說的常規(guī)三維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗是相對于下一節(jié)真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)試驗而言的。

4.1 基于SHPB的三維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗機

如前所述，在常規(guī)SHPB系統(tǒng)上，筆者等自主開發(fā)研制了三維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)[20]。三維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)示意如圖11所示[73]，其中軸壓裝置如圖5所示，圍壓裝置如圖12所示，軸壓裝置和圍壓裝置相互獨立。圖12所示的圍壓構(gòu)件由鋼架組成，配有油缸、橡膠套、底座、進油/出油閥等。在彈性桿端部和試樣之間，安裝保護性鋼塊防止彈性桿表面受損。當(dāng)需要施加高圍壓時，可以通過手動泵送操作來增加腔室中的油壓。圍壓設(shè)計值在0～200 MPa。三維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗中，應(yīng)變率為10～100 s-1。

在該試驗系統(tǒng)上，宮鳳強等[73]系統(tǒng)地開展了三維動靜組合加載下砂巖的動力學(xué)特性試驗研究。試驗研究結(jié)果表明，在一定的圍壓條件下，當(dāng)軸壓比在 0.52～0.87內(nèi)時，砂巖的抗壓強度都會隨著軸壓的增大而逐步減小。而且在有圍壓的情況下，當(dāng)軸壓比合適時，巖石破壞過程中也會釋放出能量。試驗結(jié)果確認(rèn)了“三維靜應(yīng)力+沖擊擾動”組合加載下巖爆的釋能現(xiàn)象，提出了深部巖石在三維靜應(yīng)力和沖擊加載聯(lián)合作用下發(fā)生巖爆的一種新觀點。這一現(xiàn)象跟錢七虎[74]的研究結(jié)論“巖爆不僅發(fā)生在硐壁，也可能發(fā)生在遠離硐壁的地方”結(jié)論類似。利用該試驗機，宮鳳強等[32，75]對砂巖首先進行了高應(yīng)變率范圍內(nèi)動態(tài)三軸試驗(試驗前，軸向靜壓等于圍壓，然后施加軸向沖擊作用)，得到了不同σ3和不同應(yīng)變率下的動態(tài)偏差強度(相當(dāng)于σ1-σ3)變化規(guī)律，并分別提出了基于應(yīng)變率效應(yīng)的動態(tài)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和Hoek-Brown準(zhǔn)則，拓展了巖石動態(tài)強度準(zhǔn)則的率效應(yīng)研究范圍[76-77]。周宗紅等[78]、張偉等[79]、王文等[80]和馬少森等[81]利用該試驗機也分別對白云巖、砂漿、含水煤樣、花崗巖等進行了三維動靜組合加載試驗，得到了相關(guān)研究結(jié)論。

圖11 基于 SHPB 裝置的三維動靜組合加載試驗系統(tǒng)示意[73]Fig.11 Experimental system sketch of 3D coupled static and dynamic loads based on SHPB apparatus[73]

圖12 三維動靜組合加載試驗系統(tǒng)中的圍壓裝置[20]Fig.12 Confining pressure apparatus in experimental system under 3D coupled static and dynamic loads[20]

殷志強等[82]利用該試驗機，對砂巖進行了“三維加載-圍壓卸載-軸向沖擊”應(yīng)力路徑下的動力試驗，研究了試樣臨界破壞時的特性。研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸向靜應(yīng)力為零或軸向靜應(yīng)力較低時，試樣動態(tài)破壞時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為典型的I型曲線，而且試樣必須從外界吸收能量用于破壞。但是隨著軸向靜應(yīng)力的增大，試樣破壞時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸變化為II型曲線，此時試樣破壞反而釋放出能量，類似于宮鳳強等[40]試驗中的室內(nèi)“巖爆”現(xiàn)象。宮鳳強等[83]總結(jié)了三軸SHPB巖石材料動力學(xué)特性試驗研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，認(rèn)為非常有必要建立統(tǒng)一的SHPB試驗建議方法或者規(guī)范。

4.2 TFD-2000/D 型動態(tài)擾動電液伺服巖石三軸試驗系統(tǒng)

陳旭和張俊文[84]報道了TFD-2000/D 型動態(tài)擾動電液伺服巖石三軸試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)在原有的常規(guī)三軸試驗系統(tǒng)基礎(chǔ)上經(jīng)過改造而成。該試驗系統(tǒng)能達到的最大軸向荷載為2 000 kN，最大圍壓為70 MPa，所能施加的最大擾動荷載為300 kN，擾動荷載的最高頻率可達到70 Hz。運用所研制的試驗系統(tǒng)，對大理巖進行了單軸壓縮過程中的動態(tài)擾動試驗。試驗結(jié)果表明:當(dāng)擾動荷載頻率相同時，振幅越大，擾動至巖樣破壞時經(jīng)歷的時間越短;反之，振幅越小，擾動至破壞時經(jīng)歷的時間越長。從破壞模式來看，擾動力作用下大理巖破壞較為散碎，擾動荷載振幅越小，散碎程度越高。

4.3 單雙向約束擺錘式?jīng)_擊動力加載試驗裝置

趙洪寶等[85]自行研制開發(fā)了一種能實現(xiàn)三維動靜組合加載功能的單&雙向約束下利用擺錘進行沖擊動力加載的試驗裝置。需要說明的是，這一裝置和3.2節(jié)中的裝置類似，動載與靜載方向相互垂直，不是同方向的動靜組合加載。試驗前，通過調(diào)節(jié)裝置可實現(xiàn)對煤樣先施加豎直方向的單向以及水平和豎直方向的雙向約束力，擺錘垂直于約束方向，擺錘質(zhì)量和擺角大小可以進行調(diào)節(jié)，從而形成不同的沖擊能量施加動載，進而實現(xiàn)試樣周向靜載和軸向動載的試驗。利用該試驗裝置，趙洪寶等[85]分別進行了單向和雙向約束條件下沖擊荷載對煤樣漸進破壞規(guī)律的系統(tǒng)試驗研究。研究結(jié)果表明:隨著沖擊次數(shù)的增加，煤樣損傷量表現(xiàn)為倒“S”型累積增長模式;在單向約束條件下，當(dāng)軸向應(yīng)力為 1 MPa 時煤樣累積損傷最大，隨著軸向應(yīng)力提高，煤樣損傷量顯著減小;而在雙向約束條件下，當(dāng)水平約束與軸向約束應(yīng)力比為1∶1時，此時煤樣最不容易發(fā)生損傷，保持水平約束應(yīng)力不變，并逐漸增大軸向應(yīng)力，煤樣在試驗初期就會出現(xiàn)損傷加劇，最終損傷量明顯變大。

5 真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)試驗發(fā)展歷程和進展

在進行深部開采巖石力學(xué)試驗研究時，由于傳統(tǒng)的三軸試驗機不適用于研究考慮初始應(yīng)力環(huán)境和應(yīng)力路徑下的動靜組合加載巖石力學(xué)，為此國內(nèi)很多單位開發(fā)研制了能實現(xiàn)真三軸靜力加載下考慮擾動作用的真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)。

5.1 深部巖爆過程實驗系統(tǒng)

為了在實驗室條件下能夠再現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，2007年何滿潮等設(shè)計構(gòu)思了深部巖爆過程模擬實驗系統(tǒng)，并由中國礦業(yè)大學(xué)(北京)等單位開發(fā)研制[86-87]。該實驗系統(tǒng)能實現(xiàn)真三軸加載和真三軸卸載功能，用于模擬巷道圍巖某一方向突然卸載進而可能發(fā)生巖爆破壞的過程，試驗系統(tǒng)如圖13所示。利用該實驗系統(tǒng)，何滿潮等[86]對花崗巖進行了加載巖爆和卸載巖爆實驗，在實驗室條件下成功地再現(xiàn)了花崗巖的巖爆過程。在加載巖爆模擬試驗中，首先對試樣進行三向加載，然后對一個方向水平應(yīng)力進行迅速卸載，使試樣在該方向有臨空面，然后再增加垂直向最大主應(yīng)力使試樣發(fā)生破壞，用于模擬深部巖體開挖后切向應(yīng)力集中發(fā)生巖爆的過程。在卸載巖爆試驗?zāi)M中，在試樣進行三向加載，然后快速卸載1個或2個水平方向的應(yīng)力，使試樣暴露表面來模擬深部積聚能量的巖體在巷道開挖后卸載產(chǎn)生臨空面后發(fā)生巖爆的過程。

圖13 深部巖爆過程模擬實驗系統(tǒng)[86]Fig.13 Experimental system for simulation of rockburst process at great depth[86]

5.2 TRW-3000型巖石真三軸電液伺服誘變(擾動)實驗系統(tǒng)

為了開展深部礦山初始高應(yīng)力作用下巖石誘導(dǎo)致裂方法、動靜組合加載作用下巖石優(yōu)化匹配以及高應(yīng)力巖石誘變性能的測試，2012年中南大學(xué)和朝陽試驗儀器廠聯(lián)合自主研制了 TRW-3000型巖石真三軸電液伺服誘變(擾動)實驗系統(tǒng)[39，88]。該實驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)真三軸加載條件下卸載試驗、卸載后施加擾動試驗，擾動形式分為局部面擾動和點擾動。該試驗系統(tǒng)還配備了高速攝像儀和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，可以對試樣動力破壞過程進行實時記錄和監(jiān)測。真三軸擾動誘變實驗系統(tǒng)示意、實物圖和擾動載荷施加方式如圖14所示。

圖14 真三軸擾動誘變實驗系統(tǒng)實物[88]Fig.14 Physical picture of true triaxial disturbance mutation experiment system[88]

5.2.1應(yīng)力組合條件下的真三軸卸荷及擾動試驗

在該實驗系統(tǒng)上，筆者、周子龍、杜坤等[89-92]開展了在真三軸初始高應(yīng)力條件下卸荷及擾動誘發(fā)巖石破壞的研究。三軸卸荷試驗結(jié)果表明，當(dāng)σ3=0時，巖石強度隨中間主應(yīng)力σ2的增大而增大。采用冪律關(guān)系的真三軸強度準(zhǔn)則可以對試驗數(shù)據(jù)進行擬合。立方體試樣高寬比引起的端部效應(yīng)對真三軸試驗結(jié)果影響不大。真三軸卸荷條件下，立方體試樣的強度和破壞模式均受中間主應(yīng)力的影響。斷裂角的變化表明，當(dāng)σ2增加到臨界值時，巖石的破壞模式可能由剪切變?yōu)閷恿?。張晨陽等[93]利用該實驗系統(tǒng)對煤巖組合體進行了真三軸加卸載條件下發(fā)生沖擊破壞的試驗研究，得到了不同煤厚比例組合體的力學(xué)行為響應(yīng)特征，并分析了煤厚比例對組合體沖擊破壞特征的影響規(guī)律。

5.2.2考慮卸荷速率的真三軸卸荷巖爆模擬試驗

司雪峰和宮鳳強[94]在該試驗機上對花崗巖進行了考慮卸荷速率的真三軸卸荷巖爆模擬試驗。研究中發(fā)現(xiàn)，卸荷會產(chǎn)生明顯的強度弱化效應(yīng)，而圍巖強度弱化是巖爆發(fā)生的主要原因。對于恒定的卸載速率，圍壓越高，發(fā)生巖爆時越劇烈。當(dāng)圍壓一定時，降低卸荷速率有利于減少圍巖的強度弱化程度，承載力會越高使得更多的彈性能量將積累和儲存在巖石中，一旦發(fā)生巖爆，巖爆的強度將更劇烈。

卸荷速度越快，導(dǎo)致圍巖強度弱化越顯著，進而承載力越低，儲存的彈性能也越低，發(fā)生巖爆時劇烈程度越低。巖爆強度和發(fā)生可能性大小是反向關(guān)系。 在真三軸應(yīng)力條件下，巖石破壞模式為剪切破壞。二維應(yīng)力狀態(tài)下，巖石破壞模式是剪切-張拉破壞(剪切為主)。在真三軸壓縮卸荷下，隨著圍壓的增加，巖石破壞模式逐漸從剪切-張拉破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧儚埨茐?，圖15是40 MPa/s卸載速率下花崗巖試樣的整體破壞圖。圍巖破壞模式由剪切-張拉向純張拉模式轉(zhuǎn)換是造成圍巖強度弱化的根本原因，而高應(yīng)力卸荷應(yīng)力路徑是引起圍巖破壞模式轉(zhuǎn)換的力學(xué)解釋。

圖15 卸載速率40 MPa/s下花崗巖試樣的整體破壞[94]Fig.15 Overall failure diagrams of granite specimens under different confining pressures and unloading rates unloading rate of 40 MPa/s[94]

5.2.3考慮空間效應(yīng)的真三軸“靜應(yīng)力+應(yīng)力調(diào)整擾動”組合作用下巖爆和板裂模擬試驗

利用該試驗系統(tǒng)，宮鳳強等[95-100]進行了一系列含預(yù)制孔洞(圓形、矩形和直墻拱形)的真三軸加載試驗，模擬深部洞室圍巖在開采后承受應(yīng)力調(diào)整發(fā)生巖爆、板裂破壞的現(xiàn)象。對于圓形孔洞，在三軸加載下兩邊側(cè)壁會發(fā)生平行于加載方向的板裂或巖爆現(xiàn)象;對于矩形孔洞和直墻拱形孔洞，兩邊側(cè)壁也會發(fā)生平行于加載方向的板裂現(xiàn)象。側(cè)壁破壞激烈程度跟巖性和高應(yīng)力環(huán)境相關(guān)。不論哪種孔洞，只要加載力足夠大，兩邊側(cè)壁最終都會形成垂直于加載方向的對稱型“V”型槽。圖16為花崗巖圓孔側(cè)壁發(fā)生巖爆時高速攝像儀記錄的照片跟天生橋水電站[101]和AECL-URL試驗隧洞[102]發(fā)生巖爆位置對比圖。

5.2.4動靜組合加載下誘導(dǎo)破巖試驗和采礦工程現(xiàn)場應(yīng)用

為探索高地應(yīng)力硬巖礦山誘導(dǎo)致裂非爆連續(xù)開采的破巖機理[103]，在真三軸電液伺服誘變(擾動)試驗系統(tǒng)平臺上，筆者等開展了動靜組合加載下截齒破巖實驗，研究了截齒作用參數(shù)、巖石特性、巖石受力環(huán)境等因素對截齒破巖特性的影響[104-106]，得到:動靜組合加載條件下，鎬型截齒對硬巖的截割性隨著預(yù)靜載的增大而增大，采礦實踐中在保持破巖機械原有靜載截割能力的前提下，通過向截齒施加一定的動態(tài)擾動，可提高機械破巖效率。因此，在深部高應(yīng)力硬巖機械開采時，需要開挖誘導(dǎo)工程，增加礦巖體的臨空面數(shù)量，將雙軸圍壓應(yīng)力環(huán)境改變?yōu)閱屋S圍壓應(yīng)力環(huán)境，并通過有效的支護及能量調(diào)控措施使臨空面礦巖體在單軸應(yīng)力下發(fā)生應(yīng)力釋放效應(yīng)，產(chǎn)生受限應(yīng)力較低和裂紋發(fā)育的松動區(qū)，或者通過臨空面切槽、鉆孔、預(yù)裂爆破等工降質(zhì)手段解除臨空面礦巖體內(nèi)的應(yīng)力，構(gòu)造可采區(qū)域，從而通過機械刀具連續(xù)旋轉(zhuǎn)切割礦巖，實現(xiàn)高地應(yīng)力硬巖礦山誘導(dǎo)致裂非爆連續(xù)開采。

圖16 現(xiàn)場圍巖典型V形槽及模擬試驗Fig.16 Typical V-shaped notches of the on-site surrounding rock and simulation experiment

以上述研究結(jié)論為指導(dǎo)，針對深部開采的誘導(dǎo)破巖問題，在貴州開磷集團馬路坪礦640中段(垂直深度超過800 m)布置試驗采場，開展了不同采礦應(yīng)力環(huán)境下截齒破巖實驗和現(xiàn)場機械化破巖試驗(圖17，18)[107]。通過開挖誘導(dǎo)工程，增加礦巖體臨空面數(shù)量，誘導(dǎo)深部高應(yīng)力產(chǎn)生受限應(yīng)力較低和裂紋發(fā)育的松動區(qū)，在此基礎(chǔ)上利用懸臂式掘進機對松動區(qū)礦體進行連續(xù)旋轉(zhuǎn)切割，平均切割效率達到107.7 t/h，顯著提高了非爆連續(xù)開采破巖效率。

5.3 沖擊巖爆試驗系統(tǒng)

何滿潮等[108]研發(fā)了沖擊巖爆試驗系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)具備三向獨立加載系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)三向異步加、卸載，還可以在三向或者其中任意2個方向同步加載或卸載(圖19)。該實驗系統(tǒng)還配備了模擬開挖爆破、斷層滑動誘發(fā)巖爆的16種模擬擾動波形。

圖17 馬路坪礦640中段試驗采場情況[107]Fig.17 Layout of mining test stope in 640 middle section of Maluping Mine[107]

圖18 懸臂式掘進機連續(xù)切割礦柱[107]Fig.18 Continuous cutting pillar with cantilevered roadheader[107]

根據(jù)該實驗系統(tǒng)的性能，何滿潮等針對砂巖立方體試樣(中間預(yù)先開圓孔)進行了三向加載下動態(tài)擾動誘發(fā)沖擊巖爆試驗，并用高速攝像儀拍攝的沖擊巖爆試驗過程圖片。研究中發(fā)現(xiàn)沖擊巖爆發(fā)生前的彈射現(xiàn)象不太明顯、有少量片狀剝離并發(fā)生損傷，當(dāng)發(fā)生巖爆時有大量顆粒從損傷部位彈射出，彈射方向比較相對集中。

5.4 真三軸巖爆試驗系統(tǒng)

為模擬深部巖體經(jīng)過開挖后發(fā)生切向應(yīng)力集中，并且與低頻周期擾動荷載聯(lián)合作用下的發(fā)生巖爆過程，蘇國韶等[109-111]自主研發(fā)了真三軸巖爆試驗系統(tǒng)(圖20)。該試驗系統(tǒng)在3 個垂直方向可以進行獨立伺服加載，并采用了剛性推頭直接加載的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)6面壓縮、單面臨空5面壓縮、6面壓縮1面突然卸載等真三軸試驗功能。此外，可以通過伺服控制系統(tǒng)對各向油缸輸送動力波加載命令，進而施加低頻動力擾動荷載。試驗系統(tǒng)還同時配置了高速攝像機、聲發(fā)射儀以及紅外熱像等視頻、圖像記錄與信號監(jiān)測裝置。

圖20 真三軸巖爆試驗系統(tǒng)[109]Fig.20 True triaxial rockburst experimental system[109]

利用該實驗系統(tǒng)，蘇國韶等[109]對花崗巖材料加工成200 mm×100 mm×100 mm尺寸，進行了三向5面受力靜載條件下的擾動加載試驗，試驗中考察了軸向靜力、第3主應(yīng)力、擾動荷載幅值和擾動荷載頻率對花崗巖巖爆的影響。

5.5 新式Mogi型真三軸實驗系統(tǒng)

馮夏庭等[112]設(shè)計開發(fā)了真三軸實驗系統(tǒng)(Lavender 508)，用于研究脆性硬巖在加載和卸載應(yīng)力路徑下的破裂行為。Lavender 508tta系統(tǒng)包括加載框架、限制單元、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制器和液壓系統(tǒng)以及軟件，應(yīng)力路徑可使用內(nèi)部開發(fā)的軟件包編程。圖21為Lavender 508真三軸試驗系統(tǒng)示意和實物圖。

圖21 Lavender 508真三軸試驗系統(tǒng)[112]Fig.21 Schematic of the Lavender 508 true triaxial apparatus showing the loading directions of the specimen[112]

馮夏庭等[112]采用σ3卸荷應(yīng)力路徑對花崗巖試樣進行了真三軸試驗。研究結(jié)果表明，在加載階段可以觀察到明顯的彈性應(yīng)變，但進入σ3階段卸載時，塑性應(yīng)變顯著，近似于流動狀態(tài)，直至試樣破壞。根據(jù)現(xiàn)場觀測，在發(fā)生突然脆性破壞之前，一些深部硬巖的破壞往往伴隨著大變形，這可能與卸載應(yīng)力路徑有關(guān)。

XU H等[113]對錦屏大理巖進行了真三軸壓縮條件下的最小主應(yīng)力卸載試驗，研究了初始應(yīng)力和卸荷速率對巖石變形破壞的影響機理。分析了初始應(yīng)力和卸載速率對錦屏大理巖承載力和變形破壞特征的影響。

5.6 真三軸擾動卸荷巖石測試系統(tǒng)

許文松等[114-115]報道了安徽理工大學(xué)研制的真三軸擾動卸荷巖石測試系統(tǒng)(圖22)，用于模擬地下工程開挖之后生成臨空面和巖體積聚能量往臨空面方向進行釋放導(dǎo)致破壞的現(xiàn)象。該測試系統(tǒng)在3 個相互垂直方向設(shè)置獨立加載，而在水平方向的1個面可以單獨突然卸載，暴露出試樣側(cè)表面，而后在豎向加載。利用該試驗機，對大理巖巖樣進行了第3主應(yīng)力單面卸荷加、卸載試驗研究[103]。研究中發(fā)現(xiàn)，巖樣卸荷破壞強度是單純加載破壞強度的80%，說明巖體在卸荷情況下比加載更容易發(fā)生破壞。

圖22 真三軸擾動卸荷巖石測試系統(tǒng)[114-115]Fig.22 True-triaxial unloading disturbance testing system[114-115]

5.7 多功能真三軸流固耦合試驗系統(tǒng)

為研究深部開采動靜載荷條件下沖擊地壓的發(fā)生機制，重慶大學(xué)研制了“多功能真三軸流固耦合試驗系統(tǒng)”(圖23)[116]。該試驗系統(tǒng)加載方式為“兩向剛性+一向柔性或剛性”，可以進行6面加載、單面臨空5面加載、6面壓縮任意一面卸載等真三軸應(yīng)力條件下煤巖動靜力學(xué)特性等試驗研究。利用該試驗機，尹光志等[116]以層狀復(fù)合煤巖體作為試驗，進行了考慮靜應(yīng)力組合等試驗條件下的真三軸試驗。試驗過程中，觀察到了煤巖小面積顆粒彈射、塊片彈射、煤體拋出、煤巖大面積拋出及試樣失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖23 多功能真三軸流固耦合試驗系統(tǒng)[116]Fig.23 True triaxial fluid-solid coupling experiment system[116]

利用該試驗機，張俊文等對砂巖進行了真三軸不同應(yīng)力路徑下力學(xué)特性的試驗研究。試驗中首先還原了不同深度的深部初始高地應(yīng)力狀態(tài)，然后對砂巖進行了不同應(yīng)力路徑下的真三軸正交力學(xué)試驗，獲取了真三軸不同工況下砂巖變形全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，考察了深部礦井巷道開挖后圍巖的漸進變形演化特征及其漸進破壞力學(xué)機制[117-119]。

5.8 三軸 Hopkinson bar系統(tǒng)

如前所述，澳大利亞Monash大學(xué)研制了三軸 Hopkinson bar系統(tǒng)[72]，可對立方體試樣進行三維靜應(yīng)力下的沖擊試驗，試驗系統(tǒng)實物如圖9所示。三軸 Hopkinson bar系統(tǒng)包括1個動態(tài)加載系統(tǒng)、1個氣槍和1個圓柱形撞桿，3個垂直方向上的3對獨立的方形鋼桿，3個液壓缸(壓力能力高達100 MPa)、1個堅固的平臺、6個高強度鋼反作用框架和1個多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。方形桿在X,Y和Z方向上正交對齊。沿X軸方向，有沖擊桿(1.5 m)、入射桿(2.5 m)、傳輸桿(2.0 m)、吸收桿(0.5 m)。在Y和Z軸方向，使用4根輸出桿(2.0 m)通過液壓加載缸施加圍壓，并監(jiān)測輸出波?？偟膩碚f，儀器的總尺寸為水平X方向長8 m，水平Y(jié)方向?qū)? m，垂直Z方向高5 m。在試驗過程中，通過2個水平液壓缸和1個垂直液壓缸在1個立方體試樣上施加3個相互獨立的正交方向的預(yù)靜應(yīng)力，并通過在氣槍中發(fā)射撞桿來施加動載荷。最近，深圳大學(xué)在謝和平院士主導(dǎo)下，正在開發(fā)三維高應(yīng)力下三維動載同時加載試驗系統(tǒng)，將會使巖石動靜組合加載實驗達到一個新高度。利用該試驗系統(tǒng)，LIU K等[72]對砂巖進行了3個方向預(yù)靜應(yīng)力條件下的一維沖擊試驗，試驗結(jié)果表明，在相同的沖擊速度下，砂巖的動力特性(如動強度、彈性模量、斷裂模式)表現(xiàn)出圍壓效應(yīng)。沿沖擊方向，動態(tài)強度隨軸向預(yù)應(yīng)力σ1的增大而減小，隨側(cè)向預(yù)應(yīng)力σ2和σ3的增大而增大。

6 真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)試驗機特點

(1)真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)試驗機均為剛性試驗機，而且配備了高速攝像機、聲發(fā)射以及紅外探測設(shè)備等。剛性試驗機的特點是適用于硬巖的力學(xué)試驗。很多深部工程中出現(xiàn)巖爆災(zāi)害，而且均發(fā)生在強度比較高的硬巖中，因此真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)實驗系統(tǒng)可以用于巖爆模擬研究。利用剛性試驗機對硬巖進行動靜組合加載試驗，可以得到巖樣破壞后的峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線。巖爆是典型的巖石脆性破壞，結(jié)合高速攝像機拍攝的巖樣瞬間破壞過程、聲發(fā)射以及紅外探測設(shè)備等監(jiān)測信號，根據(jù)峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線可以更加全面的分析巖樣脆性破壞時的變形和能量特征。

(2)真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)試驗機不但具有加載功能，而且增加了卸載和擾動功能。傳統(tǒng)的真三軸試驗機普遍只具備加載功能，主要關(guān)注巖石材料在加載狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)和強度特征，僅可用于模擬深部巖體在三維高靜力作用下的破壞，無法來模擬深部圍巖在開采過程中的受力全過程，尤其是一般不具備卸載和施加擾動功能。真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)試驗機不但具備加載功能，而且可以進行獨立的卸載或者施加低頻擾動或沖擊擾動。利用該類試驗機，可以進行“三維初始靜應(yīng)力(考慮應(yīng)力方向、大小組合)+擾動應(yīng)力(如卸載擾動、低頻周期擾動、沖擊擾動、應(yīng)力調(diào)整擾動等)”等多種組合條件下的力學(xué)試驗，模擬深部巖石在復(fù)雜開采環(huán)境和路徑下的力學(xué)響應(yīng)和破壞規(guī)律，深化對深部開采巖石力學(xué)的科學(xué)認(rèn)識。

(3)真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)試驗機的研制，均受深部開采動靜組合受力這一科學(xué)認(rèn)識的指導(dǎo)，而且絕大部分是我們國家的研究人員自主研制的。傳統(tǒng)的巖石力學(xué)主要是單純的靜力學(xué)或動力學(xué)，而且都是以單一路徑的加載理念構(gòu)建理論體系和設(shè)計試驗系統(tǒng)，科學(xué)認(rèn)識相對單一。巖石動靜組合加載力學(xué)完全不同于傳統(tǒng)的巖石靜力學(xué)或動力學(xué)，但是也和兩者密切相關(guān)。正是意識到傳統(tǒng)的巖石靜力學(xué)或動力學(xué)理論無法科學(xué)指導(dǎo)深部開采巖石力學(xué)，而傳統(tǒng)的巖石力學(xué)試驗機也無法滿足深部開采巖石力學(xué)的試驗要求，世界上也沒有現(xiàn)成的動靜組合加載巖石力學(xué)試驗機可以借鑒，因此以動靜組合加載巖石力學(xué)的科學(xué)理念作為指導(dǎo)，進而自行研制或聯(lián)合開發(fā)了相關(guān)的試驗機。

(4)研制真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)試驗機的目的比較一致，都是為了解決常規(guī)試驗機無法真實模擬深部圍巖在開采過程中的力學(xué)響應(yīng)或破壞特征(特別是巖爆現(xiàn)象)而研制的。因此，有部分試驗機以“真三軸+擾動或沖擊”命名，有的試驗機則以“真三軸+巖爆”命名，都帶有明確的試驗主旨特征和特色，這和傳統(tǒng)試驗機命名方式很不相同。真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)實驗系統(tǒng)還有一個特點是，在該類試驗機上也可以完成常規(guī)真三軸試驗。相對于傳統(tǒng)真三軸試驗機，真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)試驗機拓展了試驗加載方式和功能。

(5)已獲得的真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)試驗結(jié)果，拓展了人們對深部圍巖在開采過程中力學(xué)響應(yīng)方面及能量特征方面的科學(xué)認(rèn)識。比如很多真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)試驗中都模擬了室內(nèi)“巖爆”現(xiàn)象的發(fā)生，也有試驗研究了板裂破壞現(xiàn)象。實際上，在很多深部工程現(xiàn)場，巖爆和板裂聯(lián)系緊密，甚至在同一地點發(fā)生。已有的研究有的也認(rèn)為板裂是巖爆的前奏。上述動靜組合加載試驗結(jié)果也說明，雖然很多試驗機都模擬出了巖爆現(xiàn)象，但是巖爆問題本質(zhì)上受巖性、初始高應(yīng)力環(huán)境、卸荷路徑和速度、擾動形式及加載快慢、圍巖初始受力狀態(tài)等眾多因素的影響，導(dǎo)致明確其發(fā)生機理異常復(fù)雜，這也是導(dǎo)致巖爆機理成為世界科學(xué)難題的原因。因此，未來巖爆機理的探索還需要更加深入、系統(tǒng)的研究。

7 動靜組合加載巖石力學(xué)試驗未來的發(fā)展趨勢

經(jīng)過近20 a的發(fā)展，在動靜組合加載巖石力學(xué)試驗方面，不論是試驗系統(tǒng)研制，還是創(chuàng)新性的研究成果和人們對深部開采巖石力學(xué)的科學(xué)認(rèn)識，都取得了很大的進步?；诂F(xiàn)有的試驗系統(tǒng)功能和條件，動靜組合加載巖石力學(xué)試驗未來發(fā)展的方向有如下幾點:

(1)發(fā)展能實現(xiàn)“三維高靜應(yīng)力+卸載+沖擊擾動”功能的真三軸SHPB動靜組合加載試驗機。目前澳大利亞Monash大學(xué)已經(jīng)有三軸Hopkinson試驗機，能夠?qū)崿F(xiàn)在三維或二維及一維加載下的動靜組合加載試驗。目前東南大學(xué)已組裝了雙桿式SHPB試驗系統(tǒng)，按照設(shè)計可以實現(xiàn)二維加載一個方向卸載后的沖擊試驗。將來可進一步改進真三軸SHPB試驗系統(tǒng)，真正實現(xiàn)真三軸條件下“三維高靜應(yīng)力+卸載+沖擊擾動”動靜組合加載力學(xué)試驗，模擬深部圍巖爆破開采下的力學(xué)響應(yīng)、能量規(guī)律和破壞機理。中南大學(xué)獲批的國家重大科研儀器研制項目“深部多場耦合巖體致災(zāi)能量誘變試驗系統(tǒng)”也將在這方面進行嘗試。

(2)發(fā)展大尺寸巖石內(nèi)部卸荷真三軸試驗機。目前對于巖石材料在各種動靜組合加載條件下的力學(xué)試驗開展的最多，研究的也最充分，但是對于考慮洞室空間結(jié)構(gòu)的深部圍巖破壞相對較少。尤其是在大尺寸真三軸巖石試樣內(nèi)部卸荷條件下的動靜組合加載試驗鮮有報道。常規(guī)的內(nèi)部預(yù)制孔洞的真三軸動靜組合加載試驗，采用的是“先開孔、后加載”的方式，只能在一定程度上模擬深部巷道圍巖開采完成后承受各種擾動的動靜組合受力狀態(tài)，跟深部圍巖開采過程的“先加載、后開孔”還存在較大差距，無法更加真實的模擬深部開采過程中圍巖的全受力狀態(tài)。因此，必須發(fā)展大尺寸巖石內(nèi)部卸荷真三軸試驗系統(tǒng)。目前，司雪峰和宮鳳強[120]已在TRW-3000型巖石真三軸電液伺服誘變(擾動)實驗系統(tǒng)上，實現(xiàn)了二維靜應(yīng)力條件下內(nèi)部卸荷的巖爆模擬試驗(圖24)，觀察到了鉆孔卸荷帶來的明顯強度弱化效應(yīng)。在未來，應(yīng)該很快可以實現(xiàn)三維高靜應(yīng)力條件下內(nèi)部卸荷真三軸試驗機的研制。

圖24 預(yù)靜載條件下巖石內(nèi)部鉆孔卸荷試驗裝置[120]Fig.24 Rock internal borehole unloading test device under pre-static load condition[120]

(3)基于三維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗聚焦深部圍巖發(fā)生巖爆災(zāi)害的能量機理。目前多數(shù)動靜組合加載巖石力學(xué)試驗主要關(guān)注巖爆發(fā)生的力學(xué)特征及判據(jù)。巖爆本質(zhì)上是深部圍巖破壞過程中的能量釋放過程，力學(xué)判據(jù)只能說明巖爆發(fā)生的條件，無法定量刻畫釋放出能量的大小。宮鳳強等[121-124]在研究巖石巖爆傾向性及煤巖沖擊傾向性過程中，發(fā)現(xiàn)了線性儲能規(guī)律，并提出了基于剩余彈性能指數(shù)的巖爆傾向性判據(jù)。目前的研究成果顯示，線性儲能規(guī)律對各種巖石均適用，并且在拉伸、斷裂試驗及二維三維壓縮試驗中也存在[125-128]。在未來的巖爆機理研究中，可進一步結(jié)合動靜組合加載試驗，利用線性儲能規(guī)律科學(xué)定量的計算出三維條件下巖石內(nèi)部存儲的能量以及破壞后剩余彈性應(yīng)變能，用于定量評估巖爆釋放能量的大小，進而完善以能量為準(zhǔn)則的判據(jù)[39]。

(4)開展深部原位保真取芯的三維動靜組合加載巖石力學(xué)試驗。進行深部開采巖石力學(xué)的研究，最理想的情況是根據(jù)謝和平等首先提出的深部原位取芯技術(shù)[129-131]，最大程度維持巖芯深部原位賦存環(huán)境與狀態(tài)，然后再施加動力擾動，從而實現(xiàn)真正意義上的動靜組合加載力學(xué)試驗。深部巖石初始狀態(tài)都是三維受力，在能夠?qū)崿F(xiàn)原位保真取芯的基礎(chǔ)上，開展真三軸動靜組合加載力學(xué)試驗才能真正模擬深部開采圍巖的真實受力狀態(tài)。

8 結(jié) 語

傳統(tǒng)巖石力學(xué)體系是以淺部開采背景發(fā)展起來的，很少考慮圍巖所在初始應(yīng)力環(huán)境和所經(jīng)歷的應(yīng)力路徑。隨著對深部開采或開挖巖石力學(xué)科學(xué)認(rèn)識的不斷深入和提高，巖石力學(xué)學(xué)術(shù)界逐漸形成共識:必須同時考慮深部圍巖開采前所承受的靜力狀態(tài)和開采過程及開采完成后所受的擾動狀態(tài)，即必須研究動靜組合加載巖石力學(xué)，才能全面深入科學(xué)的了解深部圍巖在開采全過程中的力學(xué)特性和規(guī)律。動靜組合加載巖石力學(xué)，這是一種全新的巖石力學(xué)體系，完全不同于傳統(tǒng)的巖石力學(xué)體系。在這方面，以深部開采工程為背景，圍繞巖爆、板裂等深部圍巖的特殊破壞現(xiàn)象發(fā)生機理，我國眾多科學(xué)家和單位從研制、開發(fā)動靜組合加載巖石力學(xué)試驗機入手，率先開始了對動靜組合加載巖石力學(xué)的研究，并且取得了很多研究成果。筆者介紹了“動靜組合加載巖石力學(xué)”從概念提出到相關(guān)試驗機研制的發(fā)展歷程，總結(jié)了一維、二維和三維動靜組合加載狀態(tài)下開展的相關(guān)巖石力學(xué)試驗情況，并重點概述了真三軸動靜組合加載巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)地研制情況和取得的研究進展。最后結(jié)合人們對深部開采巖石力學(xué)不斷深入的科學(xué)認(rèn)識，提出了動靜組合加載巖石力學(xué)未來的發(fā)展趨勢和研究方向。