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        白云巖力學(xué)壓縮試驗(yàn)及聲發(fā)射規(guī)律研究

        2022-06-27 10:38:30葉少波王宇博2
        交通節(jié)能與環(huán)保 2022年3期
        關(guān)鍵詞:振鈴巖樣軸向

        葉少波,王宇博2

        (1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司,四川 成都 610093;2.西南交通大學(xué),四川 成都 610031)

        0 引言

        隨著我國隧道建設(shè)的快速發(fā)展,我國公路隧道在發(fā)展規(guī)模、建設(shè)數(shù)量、修建難度上均達(dá)到世界前列。在高地應(yīng)力近水平巖層中開挖隧道時(shí),由于巖層的近水平層理的構(gòu)造特征以及巖層層間結(jié)合性的差異,隧道極易出現(xiàn)拱頂離層、掉塊、局部超挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)偏壓、初期支護(hù)混凝土開裂等現(xiàn)象,高地應(yīng)力硬脆圍巖環(huán)境下還存在巖爆隱患[1-4]。因此開展高地應(yīng)力水平巖層隧道圍巖失穩(wěn)破壞過程研究意義重大。

        目前,國內(nèi)外許多學(xué)者針對層狀巖體隧道開挖失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了研究。戴興國等[5]通過建立無張純壓拱力學(xué)模型,研究了拱頂巖梁產(chǎn)生屈曲、壓潰、剪切滑移的極限狀態(tài)。王崇革[6]結(jié)合現(xiàn)場測試和理論分析的方法,分析了近水平煤層開采引起上覆層狀巖體的變形沉降規(guī)律,發(fā)現(xiàn)開采過程中上覆巖層會形成裂隙拱,裂隙拱內(nèi)巖體發(fā)生明顯運(yùn)動變形,且裂隙拱向上部巖層的擴(kuò)展是有限的。張樂中[7]以陜北新窯溝隧道為背景,將水平圍巖的破壞類型歸納為破裂松動、膨脹內(nèi)鼓、擠壓和滑動破壞,研究了圍巖穩(wěn)定性的影響因素。閆永杰等[8]分析了隧道水平層狀頂板的變形機(jī)理,得到了拱頂層狀頂板在不均勻沉降變形下產(chǎn)生離層的結(jié)果。盧澤霖[9]依據(jù)層間結(jié)合性的差異,利用正交試驗(yàn)的方法研究了各強(qiáng)度參數(shù)的影響,對隧道破壞機(jī)理進(jìn)行歸納。涂瀚[10]以同馬山隧道水平層狀砂質(zhì)板巖圍巖穩(wěn)定性為研究背景,發(fā)現(xiàn)層狀巖體的變形主要為順層滑移和層間彎折,拱頂和邊墻是最薄弱的位置,破壞是圍巖壓力和開挖擾動一起引起的。徐國文等[11]采用離散元-有限差分耦合算法研究了層狀圍巖的破壞模式。

        現(xiàn)有的研究分析了高地應(yīng)力水平巖層隧道圍巖失穩(wěn)破壞的機(jī)理,但對巖石破壞過程的研究較少。本文依托峨眉至漢源高速公路大峽谷隧道工程,通過室內(nèi)單軸、三軸試驗(yàn),采用聲發(fā)射裝置對高地應(yīng)力近水平巖層巖石的破壞過程進(jìn)行研究。

        1 工程概況

        峨眉至漢源高速公路大峽谷隧道全長12.146 km,屬超特長隧道,也是該線的重點(diǎn)控制性工程。大峽谷隧道進(jìn)口位于樂山市金口河區(qū)文店村,出口位于烏斯河鎮(zhèn)對面涼山自治州甘洛縣烏史大橋鄉(xiāng)爾苦灘村。該隧道埋深最大可達(dá)1 944 m,是當(dāng)前“世界第一埋深”的高速公路隧道。隧道設(shè)計(jì)為左、右線分離的雙向四車道,全長12 146 m。大峽谷隧道附近最高海拔大于3 000 m,最低點(diǎn)為隧道出口,海拔約657.6 m,兩者高差近2 500 m,屬高山峽谷地貌區(qū)。

        隧道洞身穿越的巖性主要為白云巖,巖層近水平狀,洞頂巖體易沿層面掉落。隧道洞身穿越以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主,隧道Rc/σmax為2.67,屬極高應(yīng)力水平。通過現(xiàn)場取樣,將白云巖巖芯帶回實(shí)驗(yàn)室制作成標(biāo)準(zhǔn)試件,進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn),研究白云巖在高地應(yīng)力下的破壞過程。

        2 室內(nèi)試驗(yàn)

        2.1 試驗(yàn)設(shè)備

        本文試驗(yàn)采用MTS 815型多功能巖石三軸電液伺服控制剛性試驗(yàn)機(jī),如圖1所示。系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制,可實(shí)現(xiàn)自動數(shù)據(jù)采集及處理。試驗(yàn)機(jī)配備兩套獨(dú)立的伺服系統(tǒng)分別控制軸壓、圍壓。為研究巖樣在加載過程中的破壞過程,在壓縮試驗(yàn)中采用聲發(fā)射系統(tǒng)對巖樣的壓縮破裂過程進(jìn)行監(jiān)測。

        圖1 三軸試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Triaxial test equipment

        2.2 試驗(yàn)巖樣

        本文試驗(yàn)所用巖樣取自K83+453位置處,圍巖為微風(fēng)化白云巖,呈大塊-塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)?,F(xiàn)場對巖塊加工打磨后制得底部 d=50 mm、h=100 mm的14個(gè)圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試件。為方便之后試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理,對其進(jìn)行編號(1~14號),如圖2所示,其中1~11號為完整巖樣,12~14號為帶有裂紋巖樣。

        圖2 標(biāo)準(zhǔn)巖樣及其編號Fig.2 Standard rock samples and serial numbers

        2.3 試驗(yàn)方法

        (1)本文試驗(yàn)圍壓分別設(shè)置為0、5、10、15、20、25、30、35和 40 MPa,圍壓加載速率為 0.5 MPa/s,加載到預(yù)定值后,保持圍壓不變,全程監(jiān)測聲發(fā)射數(shù)據(jù)。

        (2)控制以60 kN/min的加荷速率繼續(xù)施加軸壓,當(dāng)軸向荷載達(dá)到60 kN時(shí),加載方式由軸向應(yīng)力控制改變?yōu)檩S向應(yīng)變速率控制,應(yīng)變加載速率為0.05 mm/min,直至試件完全破壞。

        (3)卸除軸向壓力和油壓,抽除三軸壓力室內(nèi)部加載油液后,提升三軸壓力室,再去除軸向壓力,取出壓壞的巖樣,觀察巖樣的破壞形態(tài)。

        巖石在力的作用下會產(chǎn)生變形和內(nèi)部裂紋擴(kuò)展,在裂紋擴(kuò)展過程中會伴隨著能量的釋放,通過采集巖石壓縮過程中的應(yīng)力波大小,經(jīng)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化后,主要得到的數(shù)據(jù)有聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、能量、上升時(shí)間、幅值等,再結(jié)合軸向應(yīng)力-時(shí)間曲線對比分析不同圍壓條件下巖樣的破裂演化過程。聲發(fā)射監(jiān)測示意圖如圖3所示。

        圖3 聲發(fā)射采集流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of acoustic emission acquisition process

        3 巖石破壞過程分析

        本文共對13個(gè)巖石試樣進(jìn)行單軸、三軸試驗(yàn),獲得各巖樣的破壞形態(tài),如圖4、圖5所示。

        圖4 完整巖樣破壞形態(tài)Fig.4 Failure pattern of intact rock samples

        圖5 存在裂紋巖樣破壞形態(tài)Fig.5 Failure pattern of cracked rock samples

        在單軸情況下(圍壓0 MPa),巖樣的破壞形式主要以豎向的張拉劈裂破壞為主,裂紋基本成豎向擴(kuò)展、貫通;在圍壓大于5 MPa后,隨著圍壓的逐漸增大,各巖樣的峰值強(qiáng)度及其對應(yīng)的軸向應(yīng)變和峰后殘余強(qiáng)度均逐漸增大,表明在圍壓作用下巖樣由脆性向延性的逐漸轉(zhuǎn)變,且破壞形態(tài)由張拉劈裂破壞逐漸過渡為斜向剪切破壞,張拉劈裂和斜向剪切共同存在;在圍壓大于20 MPa后,破壞演變?yōu)橐孕毕蚣羟衅茐臑橹?,破壞形態(tài)為斜向貫通裂紋。但各巖樣均不同程度表現(xiàn)出脆性破壞特點(diǎn),在達(dá)到峰值強(qiáng)度后,伴隨巖樣破裂發(fā)出響亮聲音,ε1-σ1曲線出現(xiàn)陡然下降現(xiàn)象,這是積聚在巖樣內(nèi)的應(yīng)變能急劇釋放的結(jié)果。

        本文試驗(yàn)所有試件壓縮過程均采用聲發(fā)射監(jiān)測,最終選取完整巖樣在圍壓5、10、15、30 MPa下和存在裂紋巖樣在圍壓0、20、40 MPa下的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖6、7所示。

        圖6 完整巖樣在不同圍壓下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、能量、RA值與ε1-σ1曲線關(guān)系圖Fig.6 The curve diagram of acoustic emission ring count,energy,RA value and ε1-σ1 of intact rock samples under different confining pressures

        圖7 存在裂紋巖樣在不同圍壓下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、能量、RA值與ε1-σ1曲線關(guān)系圖Fig.7 The curve diagram of acoustic emission ring count,energy,RA value and ε1-σ1 of cracked rock samples under different confining pressures

        由圖6知,巖樣在壓縮破壞過程中的聲發(fā)射特性和能量釋放特征與破壞過程中ε1-σ1曲線高度相符,其分析過程可大致分為裂紋壓密和彈性變形階段、塑性階段、峰值階段、殘余階段,對應(yīng)地將這四個(gè)階段記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。

        (1)Ⅰ階段。該階段基本是巖石內(nèi)部已存在的裂紋被壓密和彈性變形的過程,完整巖樣產(chǎn)生的聲發(fā)射事件極少,總振鈴計(jì)數(shù)值和能量釋放數(shù)值分別占其總量的1%左右,在圖中基本沒有顯示。

        (2)Ⅱ階段。該階段聲發(fā)射事件表現(xiàn)為逐漸增加到瞬時(shí)突發(fā)增加的歷程,總振鈴計(jì)數(shù)值和能量釋放數(shù)值分別占其總量的25%~50%,隨著應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率的逐漸減小,聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和能量釋放的程度都逐漸增加,完整巖樣增長比較緩慢。

        (3)Ⅲ階段。該階段相比于其他階段歷程最短,但振鈴計(jì)數(shù)和能量釋放是最劇烈的。該階段應(yīng)力應(yīng)變曲線在達(dá)到峰值后出現(xiàn)陡然下降趨勢,巖樣形成貫通裂紋破壞,振鈴計(jì)數(shù)和能量釋放瞬間達(dá)到峰值,其量值是其他階段的1.5倍以上,說明巖樣發(fā)生了劇烈的宏觀貫通破壞。

        (4)Ⅳ階段。該階段完整巖樣聲發(fā)射振鈴仍然比較強(qiáng)烈,但能量釋放不再顯著,總振鈴計(jì)數(shù)值和能量釋放數(shù)值分別占其總量的30%~45%,說明巖樣內(nèi)仍存在裂紋擴(kuò)展,但擴(kuò)展程度較小。

        由圖7知,存在裂紋巖樣的破壞過程與完整巖樣破壞過程類似,也可分為裂紋壓密和彈性變形階段、塑性階段、峰值階段、殘余階段4個(gè)階段。

        (1)Ⅰ階段。存在裂紋的巖樣由于先天存在裂隙的發(fā)育程度較高,所以在該階段聲發(fā)射事件相對突出,總振鈴計(jì)數(shù)值和能量釋放數(shù)值分別占其總量的5%左右。12號巖樣出現(xiàn)振鈴計(jì)數(shù)和能量釋放急劇增加現(xiàn)象,這是因?yàn)樵趬好苓^程中裂紋之間發(fā)生貫通,形成微裂隙,進(jìn)而導(dǎo)致聲發(fā)射事件的增加。

        (2)Ⅱ階段。無論是完整巖樣還是存在裂紋巖樣,隨著應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率的逐漸減小,聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和能量釋放的程度都逐漸增加,但完整巖樣增長比較緩慢,存在裂紋巖樣增長幅度較大,說明存在裂紋巖樣內(nèi)裂紋的擴(kuò)展發(fā)育程度要比完整巖樣大。

        (3)Ⅲ階段。與完整巖樣破壞形態(tài)類似,存在裂紋巖樣發(fā)生了劇烈的宏觀貫通破壞。

        (4)Ⅳ階段。存在裂紋巖樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和能量釋放均相對顯著,說明巖樣內(nèi)仍存在裂紋擴(kuò)展,且擴(kuò)展程度較大。

        對比不同圍壓下巖樣中最大軸向應(yīng)力的變化發(fā)現(xiàn),最大軸向應(yīng)力隨圍壓的增大而增大。完整巖樣在圍壓5、10、30 MPa下最大軸向應(yīng)力分別為170、200、260 MPa;存在裂紋巖樣在圍壓 0、20、40 MPa下最大軸向應(yīng)力分別為 84、248、348 MPa,巖石試件的軸向應(yīng)力隨圍壓的升高而增大,說明圍壓的升高使巖石試件的軸向變形增大。

        對比不同圍壓下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和能量釋放的峰值出現(xiàn)時(shí)間發(fā)現(xiàn),隨著圍壓的增大,峰值出現(xiàn)的時(shí)間延后。完整巖樣在圍壓 5、10、30 MPa下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和能量釋放的峰值出現(xiàn)時(shí)間分別為 1 213 s、1 226 s、1 429 s;存在裂紋巖樣在圍壓 0、20、40 MPa下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和能量釋放的峰值出現(xiàn)時(shí)間分別為 542 s、1 385 s、1 737 s,說明圍壓的增加提高了巖石的變形能力。

        對比完整巖樣和存在裂紋巖樣可以發(fā)現(xiàn),聲發(fā)射事件在完整巖樣中的增長幅度要明顯低于存在裂紋巖樣,且完整巖樣的振鈴計(jì)數(shù)和能量釋放峰值基本只出現(xiàn)在應(yīng)力峰值,即破壞的瞬間,說明圍巖破碎的區(qū)域受應(yīng)力的擾動更大,內(nèi)部裂隙擴(kuò)展程度更劇烈,也更容易出現(xiàn)巖體內(nèi)部優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的相互貫通,而導(dǎo)致隧道的圍巖失穩(wěn)或塌方出現(xiàn)。

        4 結(jié)論

        本研究通過現(xiàn)場采集的巖芯進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn)結(jié)合聲發(fā)射系統(tǒng)對巖樣的破壞過程進(jìn)行分析,可得到以下結(jié)論:

        (1)通過對比不同巖樣的聲發(fā)射特征,聲發(fā)射RA值較高時(shí)表征張拉裂紋的形成和擴(kuò)展,聲發(fā)射RA值較低時(shí)表征剪切裂紋的形成和擴(kuò)展。巖石試件的軸向應(yīng)力隨圍壓的升高而增大,巖樣在低圍壓下主要為張拉劈裂破壞,中圍壓下為張拉劈裂破壞和剪切破壞共同存在,在高圍壓下主要呈剪切破壞。

        (2)對比不同巖樣的聲發(fā)射特征,完整巖樣的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和能量主要集中在裂紋非穩(wěn)定發(fā)展和破壞殘余階段,而存在裂隙巖樣振鈴計(jì)數(shù)和能量在各破壞階段均比較顯著,說明破裂巖體的裂紋擴(kuò)展更為顯著。

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