大理岩单轴压缩时滞性破坏的试验研究

杨艳霜，周 辉，张传庆，张 凯，晏 飞

（中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071）

1 引 言

大量的工程实践表明：在深埋地下岩石工程的开挖过程中，岩爆是多发的工程灾害，且大多表现出明显的时滞性，即大部分岩爆并不是随开挖而即时发生，而是会滞后开挖一段时间。如我国天生桥、太平驿、二滩等大型水电站引水隧洞的岩爆一般在爆破开挖后的一定时间段内发生，岩爆高发区一般距离掌子面2～50 m[1]。对锦屏二级水电站A和B辅助洞岩爆的统计分析显示，岩爆多发生在距掌子面6～20 m的范围内，掌子面开挖后的5～45 h是岩爆发生的高峰期，在掌子面开挖65 h甚至更长时间也发生过多次强度较大的岩爆。可见，“时滞性”是岩爆这种时间滞后现象的普遍规律和内在本质。

关于岩爆时间效应的研究，目前更多地还是在于通过试验和现场的实际岩爆案例分析来试图认识这一现象的机制。李江腾等[2]采用位移松弛法对试件进行亚临界裂纹扩展试验，通过分析得到了亚临界裂纹扩展的停滞速度和门槛值，为岩石稳定的时间相依性研究提供了基本数据；一些学者从大量的岩爆案例中发现了岩爆时间效应的存在[3－5]。近年来，关于岩爆滞后效应的理论研究也取得了一些积极的进展，徐曾和等[6]指出，岩爆滞后是由于控制参数变化需要经过一段时间才能满足分岔集方程所致，并导出了岩爆最大可能滞后时间。总的来看，目前对于岩爆时滞性机制和规律的认识尚不充分。因此，本文针对深埋地下岩石工程围岩发生时滞性岩爆的实际应力特征，开展锦屏二级水电站大理岩单轴压缩时滞性破坏试验研究，从而为深入认识岩爆的时滞性机制提供借鉴，并为建立时滞性岩爆的预测方法提供启示。

2 试验方法

目前关于岩爆的室内试验一般集中在对岩爆的物理模拟方面。Wang[7]等采用位移控制方式进行了岩爆倾向性评估。冯涛等[8]对闪长玢岩和粉砂岩的峰值载荷后的松弛试验，认为应力松弛条件下岩石断裂达到稳定平衡所需时间与松弛应力成正比，应力松弛越慢，岩爆倾向越严重。徐文胜等[9]认为，岩爆模拟材料要求单轴抗压强度 Rc与抗拉强度 Rt的比值较小，以及有较大的弹性能量指数 Wet。徐林生[10]采用卸荷三轴试验方法，探讨了岩爆岩石的变形破坏特征问题。杨健等[11]采用单向和三向应力状态下的岩石声发射测试技术，对不同岩性岩石的岩爆的声发射特征进行了系统的试验研究。何满潮等[12]研制了岩爆模拟试验系统，并针对岩石的开挖卸荷过程进行模拟，并提出了岩爆的板状裂化模型（如图1所示）。

图1 岩爆板状裂化模型[12]Fig.1 Plate structure evolutionary models of rock burst[12]

深埋隧洞开挖后，发生时滞性岩爆的区域一般位于洞壁一定深度的围岩中（如图1所示），而在此区域内，由于开挖卸荷作用，围岩往往近似处于一维或二维应力状态。因此，为了反映这种应力状态的主要特征，将采用单轴压缩试验来进行时滞性破坏研究。

本文针对锦屏二级水电站 T2y5大理岩开展试验，根据弹性波速接近的原则在50块备选岩样中选取若干岩样用于试验。试验方法如下：

（1）进行锦屏大理岩的常规单轴压缩试验5块，以了解该岩样的单轴抗压强度，指导时滞性单轴压缩试验并与之对比；

（2）采用应力控制方式对大理岩岩样加载至如图2所示的A点，保持加载应力σr不变（σr是选定的一个低于峰值σc的应力值），直至达到C点发生破坏（如图2所示）。在这里σr是一个探索值，根据岩样在试验中的具体表现有所调整。

图2 时滞性试验加载曲线示意图Fig.2 Sketch for loading path of the time-lag compressive test

试验设备采用中国科学院武汉岩土力学研究所自主研制的RMT-150C电液伺服刚性试验机，该设备可进行单轴、三轴、间接拉伸及剪切试验，并且可跟踪记录荷载、应力和应变的大小。

3 试验结果分析

3.1 大理岩常规单轴压缩试验特征

在岩石常规单轴试验中，岩样的破坏形态有如下特点：①岩样的破坏具有明显的剪切破裂面，如图3所示；②岩样破坏产生的碎屑较少，岩样一般破裂成数块。

图3 常规单轴压缩试验破坏形态Fig.3 Failure of samples under uniaxial compressive test

常规单轴压缩试验的应力-应变曲线如图 4所示，具有如下特点：①岩样一般呈脆性破坏，应力峰值后应力迅速跌落；②在应力峰值点处岩样的轴向应变一般大于其环向应变。

图4 常规单轴压缩试验全应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves under uniaxial compressive test

另外，在常规单轴压缩实验中，岩样在应力峰值点处裂纹迅速扩展，岩样发生宏观破坏的时间很短，一般只有数秒（如表1所列）。这里的时间是指岩样从最大应力（应力峰值点）直至完全破坏所经历的时间。

表1 常规单轴压缩试验破坏时间统计Table 1 Failure durations under uniaxial compressive test

3.2 时滞性单轴压缩试验的时间效应

如表2所示，4块岩样中有2块比较完整，但均在试验中表现出较明显的时滞性。特别是较完整的岩样1-2-1，在91.3 MPa的轴压下保持11.1 min发生破裂。可见，时滞性与岩样本身的完整程度有关，与最终加载应力接近该岩样的峰值应力值有关。

表2 岩样时滞性破坏时间Table 2 Failure durations in time-lag uniaxial compressive test

3.3 大理岩时滞性单轴压缩破坏特征

3.3.1 时滞性单轴压缩试验的宏观破坏特征

在时滞性单轴压缩试验中，岩样的宏观破裂形态与常规单轴压缩试验明显不同：在常规的单轴压缩试验中，岩样的破坏一般沿着剪切面破坏，并且剪切破坏面一般与轴向成一定的角度；而在时滞性单轴压缩试验中，岩样破坏产生的裂纹大都沿轴向扩展，并不呈现出大块的破坏，而是碎裂成许多相对较薄的片状和大量的片状碎屑，并且岩样宏观上表现出明显的侧向膨胀。岩石时滞性单轴压缩试验所表现出的上述宏观破坏特征与现场时滞性岩爆的岩石破坏特征是非常相似的。

以岩样1-2-1为例（如图5(b)所示），试验前岩样表面无明显裂纹，在加压至91.4 MPa并保持此加载应力11.1 min后岩样发生破坏，岩样破坏的时间效应明显，其破坏形成大量的竖向裂纹和大量片状碎屑，岩样侧向膨胀明显，其破坏形态与常规单轴压缩破坏的形态（如图5(a)所示）显著不同。

图5 常规单轴破坏与时滞性单轴破坏岩样对比图Fig.5 Comparison of failure modes under time-lag uniaxial compressive test and traditional uniaxial compressive test

3.3.2 时滞性单轴试验片状碎屑的形成机制

在单轴压缩或侧向应力比较小的条件下（与实际岩爆的应力特征类似），岩样的破坏形态主要以形成平行于最大主应力或与最大主应力成一定角度的宏观裂纹为主。在常规单轴试验条件下，由于一个或少数几个主导性裂纹扩展速度极快，因此，在众多裂纹还未充分扩展的情况下，整个岩样即破坏成数块。而在单轴时滞性压缩破坏条件下，由于大量的裂纹在相对较低的单轴应力状态下（相对于常规单轴压缩的峰值应力）有充分的时间缓慢扩展，因此，最终除了形成一个或少数几个主导性宏观裂纹以外，同时也会形成众多与最大主应力成一定角度的、不同尺度的次生裂纹，从而在整个岩样中分裂成大量的片状碎屑。

例如，岩样 1-1-7在试验过程中并不是突然的破坏，首先在岩样的表层有了片状的翘起，翘起的同时有清脆的咔嚓声，同时岩样表面不断生成竖向裂纹，从翘起到裂纹扩展孕育的阶段持续了近1 min，最后在沿着贯穿岩样的主要裂纹面突然破坏。岩样在加载的最高值停留时间约2.1 min，时滞性和过程性均表现明显。岩石破坏的形式如图6所示，标注部分是岩样完全破坏前的翘起区域。

图6 时滞性单轴压缩破坏试验岩样1-1-7Fig.6 The failure of sample No. 1-7-1 in time-lag uniaxial compressive test

3.4 大理岩时滞性单轴压缩试验的应力应变特征

3.4.1 应力-应变曲线

大理岩时滞性单轴压缩试验的应力-应变曲线形态与常规单轴压缩试验明显不同，存在一段“平稳的变形扩展段”，即在应力不变的条件下，岩样的轴向应变、侧向应变和体积应变都在不断发展演化，如图7～10所示。

图7 试样1-1-6的全应力-应变曲线Fig.7 Stress-strain curves of sample No.1-1-6

图8 试样1-1-7的全应力-应变曲线Fig.8 Stress-strain curves of sample No.1-1-7

图9 试样1-1-8的全应力-应变曲线Fig.9 Stress-strain curves of sample No.1-1-8

图10 试样1-2-1的全应力-应变曲线Fig.10 Stress-strain curves of sample No.1-2-1

3.4.2 变形特征分析

通过与常规单轴压缩试验的应力-应变曲线比较可以发现，在时滞性单轴压缩破坏时，岩样的环向应变和体积应变的发展更为充分，表3所列为不同岩样在破坏时的应变值对比。

由表3和图7～10中的应力-应变曲线可以发现：

表3 岩石在破坏时的应变值对比Table 3 The contrast of strains under different conditions

（1）与常规单轴压缩试验不同，时滞性单轴压缩试验中岩样无明显的“应力峰值点”，而是经历了一段应力不变而应变增加的阶段后才发生整体破坏。

（2）时滞性单轴压缩破坏时，岩样的环向应变一般大于其轴向应变，而在常规单轴压缩试验中恰好相反。

（3）在时滞性单轴压缩破坏时，岩样的环向应变一般大于常规单轴压缩破坏时的环向应变值。

3.4.3 大理岩时滞性破坏与蠕变的区别

图11为典型蠕变的应变-时间曲线。从曲线形态上来看，蠕变分为初始蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段。

图11 岩石蠕变阶段曲线Fig.11 Phase curve of rock creep

图12～15为时滞性单轴压缩试验的应变-时间曲线，由图中可以发现，时滞性单轴压缩试验与传统的岩石蠕变曲线类似，基本上都可以划分成“3个阶段”，但二者存在以下几个方面的显著区别：①传统的蠕变试验中，加速蠕变的应力值往往明显低于岩石常规试验的峰值应力；而在岩爆时滞性中，发生时滞性破坏的应力值非常接近于岩石常规试验的峰值应力。②蠕变试验的时间一般会持续较长的时间，而时滞性破坏的时间相对要短得多，且二者的“第 3阶段”时间-应变曲线形态也有着较大的不同（如图12～15所示）。这主要是由于岩石蠕变导致破坏是由晶体的滑移错位引起的，而岩石时滞性破坏主要是竖向裂纹的劈裂张开所导致的。

3.5 岩样破坏能量分析

在岩爆过程中，总是伴随着能量的释放，在不断加载过程中，岩样本身不断累计弹性能的同时，岩样内的塑性应变、维持裂纹表面的张力以及其他因素也在不断地耗散能量。岩石的时滞性破坏必然是由于能量的耗散速度远远低于累积速度才会导致的一种剧烈释放方式。

图12 岩样1-1-6的轴向应变-时间曲线Fig.12 Uniaxial strain-time curves of sample No. 1-1-6

图13 岩样1-1-7的轴向应变-时间曲线Fig.13 Uniaxial strain-time curves of sample No. 1-1-7

图14 岩样1-1-8的轴向应变-时间曲线Fig.14 Uniaxial strain-time curves of sample No. 1-1-8

图15 岩样1-2-1的轴向应变-时间曲线Fig.15 Uniaxial strain-time curves of sample No. 1-2-1

在本次试验中，时滞性单轴压缩试验的破坏表现出的破坏强度一般大于常规单轴试验中的岩样破坏。图16显示的是岩样1-1-8破坏后实验台上的情景，岩样爆裂成数块较大的片状碎块，在试验机上沾满了岩样碎裂后的白色粉末，岩石的碎块弹射出了试验机，并且岩样下部厚厚的不锈钢垫块被岩样破坏释放的能量弹出其固定槽。

图16 岩样1-1-8时滞性单轴压缩试验破坏情况Fig.16 The failure of rock sample No. 1-1-8 in time-lag uniaxial compressive experiment

4 结 论

（1）常规单轴试验岩样一般以达峰值后3 s左右破坏；而时滞性试验中，岩样基本都能保持2 min以上，甚至有的超过11 min。这说明岩石的破坏行为表现出明显的时滞性。

（2）在常规的单轴试验中，岩样的破坏一般沿着剪切面破坏，并且剪切破坏面一般与轴向成一定的角度；而在时滞性单轴压缩试验中，岩样破坏产生的裂纹大都沿轴向扩展，并不呈现出大块的破坏，而是碎裂成许多相对较薄的片状和大量的片状碎屑。

（3）岩石破坏的时滞性与其环向应变充分发展有关，时滞性试验的环向应变一般大于其自身的轴向应变，且大于常规单轴压缩试验破坏时的环向应变。

（4）当岩样的环向应变开始接近并超过轴向应变时，发生破坏的几率将大大提高。

岩爆时滞性机制是一个非常复杂的问题，本文的试验研究还是初步的，复杂应力条件下硬脆性岩石破坏行为的时滞性特征将在后续研究中进一步深化。

[1]徐林生, 王兰生. 二郎山公路隧道岩爆特征与防治措施研究[J]. 中国公路学报, 2003, 16(1): 74－76.XU Lin-sheng, WANG Lan-sheng. Research on rockburst character and prevention measure of Erlang Mountain highway tunnel[J]. China Journal of Highway and Transport, 2003, 16(1): 74－76.

[2]李江腾, 曹平, 袁海平. 岩石亚临界裂纹扩展试验及门槛值研究[J]. 岩土工程学报, 2006, 28(3): 415－418.LI Jiang-teng, CAO Ping, YUAN Hai-ping. Study on subcritical crack growth and thresholds of rocks[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006,28(3): 415－418.

[3]冯夏庭, 王泳嘉. 深部开采诱发的岩爆及其防治策略的研究进展[J]. 中国矿业, 1998, 7(5): 42－45.FENG Xia-ting, WANG Yong-jia. New development in researching rockburst induced by mining at great depth and its control strategies[J]. China Mining, 1998, 7(5):42－45.

[4]张镜剑, 傅冰骏. 岩爆及其判据和防治[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(10): 2034－2042.ZHANG Jing-jian, FU Bing-jun. Rockburst and its criteria and control[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(10): 2034－2042.

[5]徐则民, 黄润秋, 范柱国, 等. 长大隧道岩爆灾害研究进展[J]. 自然灾害学报, 2004, 13(2): 16－24.XU Ze-min, HUANG Run-qiu, FAN Zhu-guo, et al.Progress in research on rock burst of hazard of long tunnel with large section[J]. Journal of Natural Disasters, 2004, 13(2): 16－24.

[6]徐曾和, 徐小荷. 柱式开采岩爆发生条件与时间效应的尖点突变[J]. 中国有色金属学报, 1997, 7(2): 17－23.XU Zeng-he, XU Xiao-he. Cusp catastrophe occurrence conditions and hysteresis of rockbursts in pillar workings[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 1997, 7(2): 17－23.WANG J A, PARK H D. Comprehensive prediction of rockburst based on analysis of strain energy in rocks[J].Tunneling and Underground Space Technology, 2001,16(1): 49－57.

[7]冯涛, 王文星, 潘长良. 岩石应力松弛试验及两类岩爆研究[J]. 湘潭矿业学院学报, 2000, 15(1): 27－31.FENG Tao, WANG Wen-xing, PAN Chang-liang. Load relaxation tests of rock and research on two types of rockbursts[J]. Journal of Xiangtan Mining Industry,2000, 15(1): 27－31.

[8]徐文胜, 许迎年, 王元汉, 等. 岩爆模拟材料的筛选试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2000, 19(增刊): 873－877.XU Wen-sheng, XU Ying-nian, WANG Yuan-han, et al.Experimental study on simulation materials of rockburst[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2000, 19(Supp.): 873－877.

[9]徐林生. 卸荷状态下岩爆岩石力学试验[J]. 重庆交通学院学报, 2003, 22(1): 1－4.XU Lin-sheng. Research on the experimental rock mechanics of rockburst under unloading condition[J].Journal of Chongqing Jiaotong Institute, 2003, 22(1):1－4.

[10]杨健, 王连俊. 岩爆机理声发射试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(20): 3796－3802.YANG Jian, WANG Lian-jun. Study on mechanism of rock burst by acoustic emission testing[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005,24(20): 3796－3802.

[11]何满潮, 苗金丽, 李德建, 等. 深部花岗岩试样岩爆过程实验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(5): 865－876.HE Man-chao, MIAO Jin-li, LI De-jian, et al.Experimental study on rockburst processes of granite specimen at great depth[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(5): 865－876.