朱永建，任 恒，王 平,3，余偉健，李 鵬，張玉群

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201； 2.南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖南科技大學(xué))，湖南 湘潭 411201； 3.煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖南科技大學(xué))，湖南 湘潭 411201)

在礦井巷道及地下硐室開挖過程中，巷道圍巖應(yīng)力必然重新分布，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，同時(shí)，峰值應(yīng)力不斷向深部轉(zhuǎn)移，使得巷道圍巖受到了不同程度的損傷，產(chǎn)生巖石強(qiáng)度弱化的結(jié)果[1-2]。相較于淺部巷道圍巖，深部巷道圍巖呈大變形、難支護(hù)等特征，如何有效控制深部大變形是深部圍巖控制的熱點(diǎn)問題[3-5]。深部巷道大變形的主要力學(xué)原因在于巷道開挖過程中，巷道圍巖表面巖體三維狀態(tài)應(yīng)力不斷卸載，應(yīng)力重新分布過程中單軸再加載。巖石在不同的加卸載狀態(tài)下，往往會(huì)引起巖石變形特征，強(qiáng)度大小以及破壞形式發(fā)生明顯的變化，針對(duì)卸荷影響下巖石的力學(xué)特性問題，國內(nèi)外許多研究學(xué)者從巖石圍壓不同卸載路徑[2,6-8]、卸載速率下變形破壞[9-11]方面取得了豐富的理論研究成果。如周家文等[12]通過細(xì)觀力學(xué)分析巖石內(nèi)部微裂紋，研究了巖石應(yīng)力應(yīng)變特征曲線及斷裂損傷力學(xué)特性，得到了根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線計(jì)算損傷變量的方法；朱俊等[13]基于不同加載速率對(duì)大理巖特征應(yīng)力進(jìn)行了研究，得到了大理巖在不同加載速率下的特征應(yīng)力規(guī)律；張國凱等[14]分析了特征應(yīng)力對(duì)應(yīng)的宏-細(xì)觀表征，從多個(gè)角度共同量化了巖石損傷演化過程。巖石加載過程中原始裂隙擴(kuò)展，新生裂隙萌發(fā)、斷裂都會(huì)釋放能量，這種以彈性波形式釋放出來能量的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射，因此，聲發(fā)射與巖石力學(xué)響應(yīng)存在著密切的內(nèi)在聯(lián)系[15-17]。蘇曉波等[18]開展了單軸循環(huán)加卸載壓縮試驗(yàn)，通過聲發(fā)射手段揭示了含黏結(jié)面花崗巖的能量變化規(guī)律；程愛平等[19]對(duì)膠結(jié)充填體進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并在加載過程進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，得到應(yīng)變率與聲發(fā)射的時(shí)序關(guān)系；王平等[20]對(duì)加錨預(yù)制裂隙巖體進(jìn)行單軸破斷試驗(yàn)，并在加載過程中進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，得到錨桿與預(yù)制裂隙巖體的相互關(guān)系。

綜上，國內(nèi)外研究學(xué)者基于損傷力學(xué)理論研究巖石破壞特征成果頗為豐富，但是，建立巖石宏觀破壞特征與細(xì)觀微裂紋分布關(guān)系仍是評(píng)價(jià)巖石穩(wěn)定性的重點(diǎn)與難點(diǎn)問題。實(shí)際上，深部高應(yīng)力巷道開挖強(qiáng)卸荷擾動(dòng)下必然導(dǎo)致圍巖的損傷劣化，巷道開挖后圍巖應(yīng)力重新分布，受力狀態(tài)發(fā)生改變，圍巖繼續(xù)損傷直至破壞，對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。

目前，對(duì)于不同損傷程度巖石單軸加載下力學(xué)特性與破壞特征的研究較少，認(rèn)識(shí)還不夠深入，因此，基于三軸加載-卸載試驗(yàn)得到損傷巖石，對(duì)損傷巖石進(jìn)行單軸再加載試驗(yàn)，結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)，通過試驗(yàn)結(jié)果與理論分析，從巖石內(nèi)部細(xì)觀力學(xué)出發(fā)，對(duì)巖石宏觀力學(xué)特性進(jìn)行闡述分析，研究不同應(yīng)力條件下巖石細(xì)觀力學(xué)機(jī)制對(duì)宏觀力學(xué)特性的影響。以期對(duì)工程施工巖石穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 試件的制備與試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)所用試件均取自同一區(qū)域巖石，避免試件之間的離散性，經(jīng)過切割、鋸磨等工藝得到直徑約50 mm、高度約100 mm的圓柱試件，見圖1，試件端面不平行度小于0.05 mm，滿足煤炭工業(yè)部的測(cè)定方法要求。

圖1 部分石灰?guī)r樣照片

1.1 三軸圍壓條件下抗壓強(qiáng)度測(cè)試

首先進(jìn)行15 MPa三軸壓縮測(cè)試，圍壓與軸壓加載速率均為0.02 kN/s，同時(shí)加載，待圍壓加載至預(yù)設(shè)值時(shí)將軸壓加載速率調(diào)整為0.1 kN/s，加載至試件破壞，得到完整石灰?guī)r抗壓強(qiáng)度約為430.96 kN。

1.2 損傷巖石的制備

Martin等[21]指出，巖石載荷加載到峰值強(qiáng)度40%之后，試件內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)新的裂紋，損傷發(fā)生。根據(jù)完整石灰?guī)r特定圍壓下峰值抗壓強(qiáng)度進(jìn)行卸載試驗(yàn)，卸載點(diǎn)分別為50%、55%、60%、65%、70%峰值強(qiáng)度，累計(jì)5種工況，加載速率同上，軸向壓力加載至預(yù)設(shè)值，穩(wěn)定1 min后進(jìn)行軸壓和圍壓的卸載(下文統(tǒng)稱此條件下的巖樣為損傷巖石)，如圖2所示。另外，采用RSM-sy5智能聲波檢測(cè)儀進(jìn)行波速檢測(cè)。

圖2 損傷石灰?guī)r圖片

1.3 損傷巖石單軸再加載試驗(yàn)

軸壓加載速率均為0.02 kN/s，采用AEwin聲發(fā)射系統(tǒng)采集巖石破壞過程中聲發(fā)射數(shù)據(jù)。

1.4 完整石灰?guī)r單軸加載試驗(yàn)

加載速率同損傷巖石單軸再加載速率，對(duì)比天然無損傷巖樣與損傷巖樣的破壞變形差異。試驗(yàn)過程采用RMT-150巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，見圖3，滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)技術(shù)路線如圖4。

圖4 試驗(yàn)技術(shù)路線

2 巖石試件強(qiáng)度曲線分析

圖5給出石灰?guī)r樣損傷后單軸再加載試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變對(duì)比曲線?？v觀巖樣單軸加載特征曲線，天然巖石在應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線略向上彎曲，呈上凹形，當(dāng)應(yīng)力增加到一定值后，曲線逐漸變?yōu)橹本€，隨后瞬間跌落，沒有明顯的屈服階段，表現(xiàn)出塑-彈性體巖石性質(zhì)。經(jīng)歷50%、55%和60%峰值強(qiáng)度損傷后，巖樣單軸再加載過程中得到的曲線特征非常相近，在應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線向上彎曲，呈上凹形，當(dāng)應(yīng)力增加到一定值后，巖石變形過渡為一直線段，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳聫澢€，曲線似S型，隨后瞬間跌落，表現(xiàn)出塑-彈-塑性體巖石性質(zhì)。經(jīng)歷65%峰值強(qiáng)度損傷后，峰前應(yīng)力-應(yīng)變曲線也呈S形，不過曲線斜率較為平緩。峰值后應(yīng)力從跌落式瞬間下降轉(zhuǎn)化為臺(tái)階式緩慢下降，此類巖石具有較高的壓縮性。經(jīng)歷70%峰值強(qiáng)度損傷后，開始有很小一段甚至可以忽略的直線部分，然后很快出現(xiàn)非彈性的曲線部分，并繼續(xù)不斷地蠕變，表現(xiàn)出彈-黏性體巖石性質(zhì)。巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線差異性可以歸因于隨著卸荷點(diǎn)的增大，巖石孔隙率逐漸增加，內(nèi)聚力不斷減小。

圖5 損傷巖石單軸加載特征曲線

上述分析表明：峰值前應(yīng)力-應(yīng)變曲線依上凹形—S形—蠕變形過渡，峰值后應(yīng)力跌落速度有所減緩依瞬間跌落—臺(tái)階狀緩慢下降過渡。巖樣表現(xiàn)出從脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)化的特征，依“塑-彈性體巖石性質(zhì)”—“塑-彈-塑性體巖石性質(zhì)”—“彈-黏性體巖石性質(zhì)”過渡。

3 初始損傷與波速的關(guān)系分析

從圖6可以看出，卸荷點(diǎn)小于55%峰值強(qiáng)度三軸加載程度，加載過程中原始裂隙壓密，新產(chǎn)生的裂紋對(duì)波速的影響小于原始裂隙，波速出現(xiàn)了增大的現(xiàn)象：大于55%峰值強(qiáng)度三軸加載程度，巖石新裂隙萌發(fā)、擴(kuò)展、逐漸貫通，出現(xiàn)明顯的擴(kuò)容現(xiàn)象，巖石體積增大，新裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)展阻礙了縱波的傳播，縱波在裂隙處發(fā)生反射、折射以及繞射，傳播路徑變長(zhǎng)，從而傳播的時(shí)間增加，波速減小。

圖6 卸荷點(diǎn)與波速關(guān)系曲線

巖石波速和聲發(fā)射特征參數(shù)的累積都是衡量巖石完整程度的指標(biāo)。本文將對(duì)波速與聲發(fā)射對(duì)巖石損傷程度評(píng)價(jià)進(jìn)行優(yōu)劣比較，以期更為準(zhǔn)確地表征巖石損傷量。制作損傷巖石前后分別進(jìn)行聲波與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，并對(duì)兩者監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

表1 巖石損傷前后試驗(yàn)結(jié)果

為了比較兩個(gè)參數(shù)的優(yōu)劣，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析[1]，方差是表示數(shù)據(jù)波動(dòng)大小的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通常用S2表示，樣本容量相同的情況下，方差值越大，數(shù)據(jù)波動(dòng)越大，偏離中心值程度越大，越不穩(wěn)定。方差計(jì)算公式為

(1)

考慮到兩參數(shù)量綱不一致，無法直接進(jìn)行比較，歸一化處理后進(jìn)行方差計(jì)算，公式變?yōu)?/p>

(2)

聲發(fā)射特征參數(shù)與波速方差表示為S1AE2和S1V2，計(jì)算結(jié)果為S1AE2=(0.041 6)

4 聲發(fā)射能量累計(jì)數(shù)分析

能量累計(jì)數(shù)是聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置在巖石破壞過程中捕捉的能量釋放量，實(shí)踐與理論表明，能量累計(jì)數(shù)可以反映巖石基本的破壞情況。

將本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制為應(yīng)力-時(shí)間-能量累計(jì)數(shù)關(guān)系曲線，如圖7所示，可以看出，卸荷點(diǎn)處于65%峰值強(qiáng)度前，聲發(fā)射能量累計(jì)數(shù)在加載過程中大致可以分為3個(gè)階段，即平穩(wěn)階段、穩(wěn)定增長(zhǎng)階段、二次平穩(wěn)階段。

圖7 不同卸荷點(diǎn)下應(yīng)力、能量累計(jì)數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

1)平穩(wěn)階段處于巖石試件初始?jí)好茈A段。聲發(fā)射能量變化極其微小，在零值附近波動(dòng)，說明在初始?jí)好茈A段幾乎沒有能量釋放。

2)穩(wěn)定增長(zhǎng)階段貫穿于新裂隙產(chǎn)生、裂隙擴(kuò)展階段。隨著裂隙的不斷增多，聲發(fā)射能量釋放量呈近似線性穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，并在裂紋逐漸貫通至宏觀裂紋時(shí)聲發(fā)射能量增長(zhǎng)速率達(dá)到最大值。在此階段，巖石內(nèi)部微裂紋萌生、擴(kuò)展、貫穿為貫通裂紋，因此，內(nèi)部不斷釋放能量，能量累計(jì)數(shù)隨巖石的破壞過程呈線性關(guān)系。

3)二次平穩(wěn)階段。巖石破壞后，能量曲線處于平穩(wěn)狀態(tài)，將其定義為二次穩(wěn)定階段，由此表明巖石已經(jīng)失去承載能力。

此外，卸荷點(diǎn)處于70%峰值強(qiáng)度時(shí)，巖石出現(xiàn)了明顯的宏觀裂隙，單軸再加載過程可以看作天然石灰?guī)r加載至殘余強(qiáng)度狀態(tài)，殘余應(yīng)力為10 MPa左右，聲發(fā)射能量累計(jì)數(shù)最大值僅為5.5×103，處于比較低的狀態(tài)，與低卸荷點(diǎn)聲發(fā)射能量累計(jì)數(shù)比較，卸荷點(diǎn)處于70%峰值強(qiáng)度巖石聲發(fā)射能量累計(jì)數(shù)極其微小，能量累計(jì)數(shù)曲線近似為線性增長(zhǎng)。因此，可以將卸荷點(diǎn)處于70%峰值強(qiáng)度巖石單軸再加載過程聲發(fā)射能量累計(jì)數(shù)變化規(guī)律囊括于二次平穩(wěn)階段。

5 巖石破壞形態(tài)及機(jī)理分析

5.1 巖石加載-卸載過程能量分布

巖石的變形破壞過程是裂紋在其內(nèi)部萌發(fā)、擴(kuò)展、貫穿的過程，從能量守恒理論角度來講，巖石受載變形破壞過程歸因于能量的積聚、耗散和釋放，單位體積的巖體單元在外力作用下產(chǎn)生變形，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，外力功產(chǎn)生的總輸入能量為

U=Ud+Ue

(3)

式中：U為外界載荷對(duì)巖石試件所做的功；Ud為單元耗散能，主要用于巖石微裂紋的萌生、擴(kuò)展和貫穿以及內(nèi)部的摩擦，導(dǎo)致不可恢復(fù)的殘余應(yīng)變；Ue為單元可釋放彈性應(yīng)變能，主要儲(chǔ)存于巖石試件內(nèi)部。

圖8為典型的峰前卸荷應(yīng)力-應(yīng)變特征曲線，巖石加載-卸載過程中經(jīng)歷了壓密階段、彈性階段、彈塑性階段、塑性階段，在此過程中，巖石變形分為可恢復(fù)變形(彈性變形)與不可恢復(fù)變形(塑性變形)，在不同階段，巖石的吸收釋放能量與破壞程度密切相關(guān)，單位體積中巖石吸收的能量U、單元耗散能Ud與彈性應(yīng)變能Ue關(guān)系如圖8所示，巖石吸收的能量U為加載曲線、x=ε表示的函數(shù)曲線和x軸所圍成的面積；單元耗散能Ud為卸載曲線、x=ε表示的函數(shù)曲線和x軸所圍成的面積。能量耗散是巖石破壞的本質(zhì)屬性，因此，損傷巖石缺陷部分變形破壞過程與能量的交換密不可分，能量積聚反映巖石在為破壞儲(chǔ)存能量，能量的耗散表示巖石承載力的衰減。

圖8 巖石加載卸載過程能量的分布

由上可知，巖石吸收的能量U為加載曲線f(ε)、x=ε表示的函數(shù)曲線和x軸所圍成的面積，由于加載曲線方程不確定，利用積分的方法難以計(jì)算出結(jié)果，采用定積分可以計(jì)算出

(4)

單元耗散能Ud為卸載曲線f1(ε)、x=ε表示的函數(shù)曲線和x軸所圍成的面積，同樣采用定積分的方法表示為

(5)

特別地ε2≤εi≤ε3。其中：ε為總應(yīng)變，ε3為彈性應(yīng)變，ε2為殘余應(yīng)變。

進(jìn)一步，彈性應(yīng)變能為

Ue=U-Ud

(6)

圖9為不同卸荷點(diǎn)與能量的關(guān)系曲線，從能量演化角度來看，可以分為兩個(gè)階段，即能量積聚階段與能量耗散階段。能量積聚階段：總能量與彈性能曲線幾乎重合，基本上沒有能量的耗散。該階段試件內(nèi)部損傷低，外力做功主要以彈性能的形式儲(chǔ)存起來。能量耗散階段：軸向應(yīng)力不斷增大，軸向應(yīng)變?cè)黾?，因此，軸向應(yīng)力對(duì)試件做的功不斷升高，而彈性能基本保持不變，耗散能增加較快，該階段外力做的功主要用于形成巖石內(nèi)部損傷以及宏觀破壞，能量被耗散。

圖9 卸荷點(diǎn)與能量關(guān)系曲線

5.2 巖石破壞形態(tài)

圖10為天然巖石和卸荷損傷石灰?guī)r單軸壓縮破壞形態(tài)照片。可以看出，破壞特征主要為：

圖10 損傷石灰?guī)r破壞特征

1)破壞程度存在差異。在相同圍壓條件下，隨著試件卸荷點(diǎn)的增大，破碎程度呈減小趨勢(shì)。隨著卸荷點(diǎn)的增大，巖石試件損傷程度越高，即單元耗散能越高，損傷試件內(nèi)部微裂紋越發(fā)育。損傷程度較小時(shí)，巖樣內(nèi)部微裂紋較少，完整性較好，內(nèi)部微裂隙在巖石破壞過程中起次要作用，損傷試件在加載過程中，主裂紋貫通之前，試件吸收的能量處于較高水平，使得更多細(xì)觀裂紋擴(kuò)展，逐步產(chǎn)生對(duì)巖石破壞起到主導(dǎo)地位的裂隙，導(dǎo)致試件破壞程度更大；而當(dāng)損傷程度較大時(shí)，巖樣內(nèi)部微裂隙發(fā)育，甚至擴(kuò)展貫通為裂隙。損傷程度較高試件產(chǎn)生明顯的裂隙，在單軸再加載過程中，這些裂隙對(duì)于巖石的破壞起到主導(dǎo)作用，新產(chǎn)生的細(xì)觀裂紋來不及充分地?cái)U(kuò)展、貫穿，因此，試件失去承載能力時(shí)仍處于比較完整的塊度。

2)破壞形式存在差異。天然巖石在單軸加載條件下發(fā)生共軛剪切破壞，出現(xiàn)明顯的擴(kuò)容現(xiàn)象，相比較而言，損傷巖石以張拉破壞為主，并伴隨有擴(kuò)容現(xiàn)象，特別地，卸荷點(diǎn)在60%峰值強(qiáng)度之前的石灰?guī)r試件擴(kuò)容現(xiàn)象非常明顯，卸荷點(diǎn)在60%峰值強(qiáng)度之后的石灰?guī)r試件擴(kuò)容現(xiàn)象不是特別明顯，這個(gè)現(xiàn)象也可以從能量角度進(jìn)行解釋。巖石試件處于比較低的損傷水平時(shí)，試件內(nèi)部裂紋萌發(fā)數(shù)量較少，未能發(fā)育為起主導(dǎo)作用的裂隙，在單軸再加載過程中不斷吸收能量，為裂隙的擴(kuò)展、貫通儲(chǔ)存能量，直到吸收的能量足以對(duì)巖石進(jìn)行破壞，能量瞬間耗散，巖石破碎，體積出現(xiàn)明顯增大。相反，巖石試件處于較高的損傷水平時(shí)，試件內(nèi)部裂隙發(fā)育，微裂紋貫通為主導(dǎo)裂隙所需的能量較少，耗散能釋放的梯度較為平緩，主要用于巖石內(nèi)部的摩擦作用，因此，擴(kuò)容現(xiàn)象不是特別明顯。

5.3 巖石破壞機(jī)理

研究表明，巖石內(nèi)部存在大量微裂紋，微裂紋的擴(kuò)展對(duì)宏觀破壞特性影響特別明顯，因此，以下基于彈塑性斷裂力學(xué)對(duì)斷裂擴(kuò)展力學(xué)特性進(jìn)行分析。

在靜力載荷條件下，裂紋尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ>KⅠC時(shí)，在裂紋尖端位置會(huì)沿著主應(yīng)力方向產(chǎn)生翼裂紋。

大量試驗(yàn)結(jié)果表明，裂紋起裂方向與最大拉應(yīng)力方向垂直，因此，按Ⅰ型裂紋擴(kuò)展，如圖11所示。

圖11 巖石內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展模式

裂紋面上所承受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為(這里取壓應(yīng)力為正)[22]：

σne=σsin2ψ

(7)

(8)

式中ψ為裂紋面與主應(yīng)力的夾角。

由最大周向正應(yīng)力理論可知，翼裂紋沿周向最大正應(yīng)力方向擴(kuò)展。翼型裂紋尖端瞬時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子可以表示為

(9)

(10)

式中：fe為裂紋面摩擦因數(shù)，a為裂紋跡長(zhǎng)。當(dāng)KⅠ>KⅠC時(shí)，裂紋起裂。

巖石內(nèi)部微裂紋隨機(jī)分布，縱向排列裂紋與橫向排列裂紋交錯(cuò)存在，對(duì)于單軸壓縮下裂紋面擴(kuò)展，在外部載荷達(dá)到裂紋斷裂擴(kuò)展條件時(shí)，裂紋尖端發(fā)生起裂，通常符合下式：

θi+ψi≈90°

(11)

式中：θi為裂紋傾角，ψi為裂紋擴(kuò)展角度。

巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展模式如圖11所示，可以看出，單軸壓縮下裂紋擴(kuò)展基本符合式(11)，巖石內(nèi)部微裂紋相互作用概念模式如表2，巖石內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致翼裂紋相互影響的斷裂力學(xué)作用，縱向裂紋擴(kuò)展主要反映在巖石單裂隙劈裂破壞特征(如65%卸荷點(diǎn)巖石實(shí)際破壞模式)，橫向裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致巖石出現(xiàn)多裂紋劈裂擴(kuò)展(如50%卸荷點(diǎn)巖石實(shí)際破壞模式)。裂紋尖端應(yīng)力狀態(tài)以及裂紋分布的差異，造成巖石實(shí)際破壞形態(tài)存在差異性。但不難看出，巖石內(nèi)部微裂紋的力學(xué)特性對(duì)宏觀破壞形態(tài)影響非常明顯。

表2 石灰?guī)r破壞概念模式

相比損傷巖石，完整巖石可假設(shè)為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的材料。在單軸加載過程中，巖石上下邊界存在摩擦力，導(dǎo)致巖石試件上下端部處于三向應(yīng)力狀態(tài)下，巖石破壞特征表現(xiàn)為錐形破壞，與王平等[2]研究結(jié)果一致。

綜上，未損傷巖石變形破壞以X共軛剪切破壞為主，損傷巖石存在單裂隙劈裂破壞與多裂紋劈裂擴(kuò)展破壞兩種模式，此研究結(jié)果對(duì)工程實(shí)踐具有一定的理論借鑒意義，但巖樣內(nèi)部微裂紋的存在形式、擴(kuò)展方向還需要進(jìn)一步研究。

6 討 論

通過對(duì)試樣定位結(jié)果與破壞特征的比較發(fā)現(xiàn)，巖石聲發(fā)射定位系統(tǒng)可以較好地反應(yīng)破壞特征。實(shí)際上，巖石試件為非均質(zhì)體，其特征為非連續(xù)、各向異性，因此，破壞特征與理論分析存在一定的差異性。從圖12(a)可以看出定位點(diǎn)的分布極不均勻，從而出現(xiàn)了一側(cè)破壞嚴(yán)重、另一側(cè)破壞輕微的特點(diǎn)，如圖12(c)和12(d)。整體看來，巖石試件破壞模式主要為劈裂破壞，其原因在于主裂隙的擴(kuò)展、貫通帶動(dòng)翼裂紋的發(fā)展，翼裂紋之間亦產(chǎn)生相互作用。從圖12(d)看出，巖石出現(xiàn)了剪切與劈裂組合的破壞形式，從而可以得出，巖石的破壞模式與細(xì)觀巖石力學(xué)關(guān)系比較復(fù)雜，主裂紋與主裂紋的關(guān)系、翼裂紋與翼裂紋的關(guān)系以及主裂紋與翼裂紋的交互關(guān)系還需要進(jìn)一步的研究分析。

圖12 定位點(diǎn)與巖石破壞對(duì)比

從前面分析可知，理論假設(shè)破壞概念模型與實(shí)際破壞特征存在差異，主要由于巖石內(nèi)部微裂紋分布決定宏觀力學(xué)特性，本文單抽離出來縱向裂紋擴(kuò)展與橫向裂紋擴(kuò)展對(duì)巖石宏觀破壞的影響，實(shí)際上，巖石內(nèi)部微裂紋的存在錯(cuò)綜復(fù)雜，裂紋擴(kuò)展相互影響，為了更進(jìn)一步研究巖石的宏觀破壞機(jī)理，還需建立在細(xì)觀力學(xué)很好的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)之上。

7 結(jié) 論

1)損傷巖石單軸加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明，初始損傷巖石單軸加載抗壓峰值強(qiáng)度隨著卸荷點(diǎn)的增加而呈非線性規(guī)律減小。隨著卸荷點(diǎn)的增加，石灰?guī)r由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)化，且轉(zhuǎn)化過程在70%卸荷點(diǎn)發(fā)生突變，充分體現(xiàn)了巖石卸荷效應(yīng)。

2)根據(jù)應(yīng)力-時(shí)間-能量累計(jì)數(shù)關(guān)系曲線，聲發(fā)射能量累計(jì)數(shù)與巖石受壓全過程對(duì)應(yīng)良好，在巖石彈性變形階段到非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段范圍，聲發(fā)射能量累計(jì)數(shù)呈近似線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，在孔隙裂隙壓密階段及峰后階段，聲發(fā)射能量累計(jì)數(shù)處于平穩(wěn)發(fā)展階段。此外，從70%峰值強(qiáng)度卸荷點(diǎn)損傷巖石來看，石灰?guī)r峰后階段能量累計(jì)數(shù)平穩(wěn)發(fā)展階段實(shí)際上是處于較低增長(zhǎng)率的發(fā)展階段。

3)基于彈塑性斷裂力學(xué)對(duì)細(xì)觀微裂紋力學(xué)特性進(jìn)行分析。微裂紋分布狀態(tài)影響翼裂紋的擴(kuò)展形式，從而決定了巖石宏觀破壞模式，未損傷巖石變形破壞以X共軛剪切破壞為主，損傷巖石存在單裂隙劈裂破壞與多裂紋劈裂擴(kuò)展破壞兩種模式，巖石細(xì)觀力學(xué)特性對(duì)宏觀力學(xué)響應(yīng)影響明顯。