侧压影响下圆形洞室岩爆双轴物理模拟试验研究

郭伟耀3赵同彬3沈宝堂124张东晓

(1.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590； 2.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；3.山东科技大学 矿业工程国家级实验教学示范 中心，山东 青岛 266590；4.澳大利亚联邦科学院能源部 昆土兰先进技术中心，澳大利亚 昆土兰州 布里斯班 4069)

规律性层裂化破坏是深部工程中硬脆性岩体中的普遍现象，且层裂化破坏与岩爆发生密切相关[1-3]。国内外学者围绕这类问题从案例分析、理论研究、试验研究和数值模拟四个方面进行了大量研究。

Fairhurst等[4]最早对这种围岩平行于洞壁破坏的现象进行描述，并将其称之为层裂化破坏(spalling或slabbing)；Martin等[5]对加拿大某硬岩矿山开采中矿柱的破坏形式进行现场案例统计分析，发现当矿柱宽高比小于2.5时，其主要破坏形式为层裂化剥落和破坏；张传庆等[6]对锦屏二级水电站2号试验洞开挖后围岩破坏形态统计，将破坏形态分为三种：片状破坏、薄板状破坏和楔形板状破坏。理论研究方面，主要从力学角度对岩爆发生条件进行了分析，并建立了相应的岩爆破坏模型，如冯涛等[7]应用断裂力学原理分析了岩体的断裂特征，并提出了岩爆发生机理的层裂屈曲模型；左宇军等[8]建立了洞室层裂屈曲岩爆的突变模型，得出洞室层裂屈曲岩爆在准静态破坏条件下的演化规律；顾金才等[9]对抛掷型岩爆发生机制进行分析研究，并进行了相应装置的研发。试验研究方面，主要研究了结构面和不同加载条件对层裂化岩爆的影响，如周辉等[10-11]通过室内物理实验及数值模拟验证的方式，研究了结构面和开挖断面的曲率半径对板裂屈曲岩爆的影响。Zhao等[12]研究了单轴压缩条件下含裂隙试样的板裂破坏特征；何满潮等[13-14]利用真三轴试验系统，对含孔洞试样进行真三轴岩爆模拟试验研究。数值模拟方面，主要研究了侧压系数、扰动应力波等因素对巷道围岩层裂化破坏的影响，如王学滨等[15-16]分别使用FLAC和RFPA数值模拟软件，研究了不同侧压系数下板裂围岩的失稳破坏特点；雷光宇等[17]利用LS-DYNA软件，研究了扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏特点。

上述研究极大丰富了岩爆和层裂化破坏研究，尤其是对揭示层裂屈曲岩爆机理具有重要意义。但是目前对于侧压影响下的岩爆机制研究较少，尤其是双轴物理模拟试验研究。鉴于此，采用含孔洞红砂岩试样进行双轴加载试验，利用高速相机记录孔洞破坏过程，研究侧压影响下圆形洞室破坏特征及岩爆机制。

1 试样制备及试验方案

图1 试样示意图Fig. 1 Specimen used in the test

红砂岩取自山东省莒南县，首先制得尺寸为100 mm×100 mm×50 mm的长方体试样，之后通过磨平机磨平试样两个端面，试样加工精度均符合国际岩石力学学会(international society for rock mechanics,ISRM)有关标准。然后利用岩芯取样机制作直径为30 mm孔洞，具体如图1所示。该红砂岩单轴抗压强度为43.5 MPa，弹性模量为6.9 GPa。

采用RLJW-2000型岩石伺服压力试验机(如图2)。对含孔洞红砂岩试样进行单双轴加载试验，侧压取0、1、5、8和12 MPa 5种情况(侧压为0代表单轴压缩实验)。为保证试验结果准确性，试样在每种加载情况下至少制备3块及以上试样进行试验，最终选取有效结果进行分析。试验过程中，在加载垫块与试样接触表面之间涂抹凡士林，以减少端面效应。单轴压缩试验，以0.25 mm/min加载速率施加轴向压力直至试样破坏；双轴压缩试验，首先以0.1 MPa/s的加载速率同时施加轴向和侧压至侧压值(此时轴压与侧压相等)，之后保持侧压不变，再以0.25 mm/min的加载速率施加轴压直至试样破坏。

图2 试验系统Fig. 2 Testing system

图3 洞室破坏点应力-应变分布特征Fig. 3 Stress-strain distribution characteristics of failure point

2 试验结果分析

2.1 不同侧压下孔洞破坏过程

侧压对孔洞的破坏过程及形态影响较小，均以洞室两侧形成近似对称的V型槽为主。以侧压5 MPa为例，结合图3洞室破坏点应力应变特征和图4高速相机记录的照片对其破坏过程进行描述：试验进行到9′12″时(σz=29.16 MPa)，洞壁中点开始发生破坏；9′21″时(σz=31.18 MPa)，洞壁部分区域开始产生明显鼓起；9′59″时(σz=39.26 MPa)，洞壁中点上方区域出现大面积鼓起，同时产生岩片滑落现象；10′19″时(σz=42.37 MPa)，洞壁破坏区域继续增大，产生颗粒剥落现象；10′31″时(σz=43.48 MPa)，再次产生大岩片滑落现象；10′38″时(σz=43.36 MPa)，破坏加剧，V型槽贯穿，发生岩爆。

根据试验结果分析，可将红砂岩岩爆过程大致可分为平静期、剥落期、屈曲期和岩爆破坏期四个时期：

1) 平静期：洞壁没有产生宏观破坏现象，处于积蓄能量时期，但此时内部产生较多微裂纹，如图5(a)。Shen等[18]研究认为，当环向应力与岩体单轴抗压强度比值达到0.4，岩体内部微裂隙开始产生并发展，微裂纹在隧洞中间区域产生和发展，并且微裂纹方向平行于洞壁。

2) 剥落期：洞壁表面首先产生颗粒、岩片剥落现象，随着继续加载，剥落现象增多、剥落岩片尺寸增大，初步形成剥落槽，如图5(b)。

3) 屈曲期：随着继续加载，洞壁不再发生明显变化，洞壁浅部层裂化破坏停止，但洞壁一定深度范围内的层裂结构屈曲蓄能，如图5(c)。

4) 岩爆期：层裂结构屈曲变形达到其承载极限，突然失稳，产生岩块飞溅、崩出现象，即发生岩爆，如图5(d)。

2.2 侧压影响下洞壁垂直起裂应力及破坏深度

假定洞室的应力方向分别为x，y，z，其中σz为垂直应力，σx为水平应力，σy为沿洞室轴向方向的应力。

图4 侧压5 MPa洞室破坏图Fig. 4 Damage patterns of tunnels when lateral pressure is 5 MPa

图5 孔洞破坏过程Fig. 5 Failure process of the borehole

根据弹性力学平面应变问题的假定，围岩受到平行于横截面且不沿长度变化的面力，即沿洞室轴向方向不产生变形，因此可以将问题看成平面应变问题。在二向应力状态下，根据弹性力学公式，圆形洞室最大切应力位于洞室两帮中点，且σθmax=3p-q。在二向应力状态，p=σz和q=σx，可得到最大切应力

σθmax=3σz-σx。

(1)

表1和图6给出了洞壁破坏时的垂直起裂应力σz和最大切应力σθmax及二者与侧压的关系。洞壁的垂直起裂应力和最大切应力均随侧压增大呈线性增大趋势。当侧压为1 MPa时，垂直起裂应力和最大切应力分别为32.18和95.54 MPa，而当侧压增大到12 MPa时，垂直起裂应力和最大切应力数值分别为48.1和132.3 MPa，分别提高了49.5%和38.5%。

表1 洞壁破坏时的垂直起裂应力和最大切应力

图7给出了洞壁破坏深度与侧压的关系。随着侧压增大，洞壁破坏深度呈线性增大趋势，如侧压为1 MPa时，洞壁破坏深度仅为2.1 mm，而侧压增大到12 MPa时，洞壁破坏深度达5.3 mm，增大152%。文献[19]的现场案例分析表明，围岩破坏深度随洞壁最大切应力增大而呈线性增大趋势，结合“洞壁最大切应力随侧压增大呈线性增大趋势”这一结论，可佐证该试验结果。破坏深度与洞室半径比值可以达到1.35，这与Martin等[20]现场监测结果相近。

图6 洞壁垂直起裂应力及最大切应力与侧压的关系图Fig. 6 Curve of vertical initiation stress, maximum tangential stress and lateral pressure

图7 洞壁破坏深度与侧压的关系图Fig. 7 Relationship between borehole failure depth and lateral pressure

3 侧压影响下洞室岩爆机制分析

图8给出了低侧压(1 MPa)和高侧压(8 MPa)下洞壁的破坏形态。当侧压较低时，洞壁以劈裂破坏为主，破坏深度小；当侧压较高时，洞壁浅部区域以劈裂破坏为主，而深部区域以剪切破坏为主，破坏深度大。

图8 洞室破坏形态及其素描图Fig. 8 Cave failure pattern and its sketch

当侧压较低时，如图9(a)所示，洞壁沿水平方向应力梯度小，即水平方向约束力较小，受力类似单轴压缩，以拉伸破坏机制为主，而此时洞壁最大切应力也较小，围岩蓄能低，故围岩破坏深度小；当侧压较高时，如图9(b)所示，洞壁沿水平方向应力梯度大，洞壁浅部区域破坏机制与侧压较低时类似，但洞壁深部区域受力类型三轴压缩，以剪切破坏机制为主，而此时洞壁最大切应力较大，围岩蓄能高，故围岩破坏深度大。

岩爆过程可以大致分为平静期、剥落期、屈曲期和岩爆期四个时期，其中平静期为聚能期、剥落期和岩爆期是释能期，通过分析各阶段的时间占比能反映岩爆演化过程中的能量变化特征，不同侧压下岩爆过程各阶段时间占比见表2。随着侧压增大，平静期持续时间及占比增大，而破坏期时间及占比反而减小，如侧压从1 MPa增大到12 MPa时，平静期持续时间及占比分别增加了519 s和10.44%，而破坏期持续时间及占比分别减小了40 s和10.44%。该结果表明，随着侧压增大，围岩积聚能量增加，而释放能量时间持续减小，会造成洞壁破坏时单位时间内释放的能量增加，即岩爆更加剧烈。

图9 洞室破坏模式示意图Fig. 9 Failure model of borehole

表2 岩爆过程各阶段时间占比Tab. 2 Time proportion of rockburst at different stages

水平应力/MPa平静期持续时间/s平静期阶段时间占比/%洞室初始破坏到岩爆喷射阶段时间/s洞室初始破坏到岩爆喷射阶段时间占比/%153184.1510015.85555386.009014.00875091.91668.09121 05094.59605.41

4 结论

1) 岩爆破坏过程中经历四个典型的阶段：平静期、剥落期、屈曲期和岩爆期。随着侧压增大，洞壁垂直起裂应力线性增加，同时岩爆发生后造成的V型坑深度也线性增加。

2) 侧压较低时，洞壁沿水平方向应力梯度小，水平方向约束小，受力类似单轴压缩，以拉伸破坏机制为主，洞壁破坏深度小；侧压较高时，洞壁沿水平方向应力梯度大，洞壁浅部区域破坏机制与侧压较低时类似，但洞壁深部区域受力类似三轴压缩，以剪切破坏机制为主，洞壁破坏深度大。

3) 侧压对洞壁能量积聚和释放有重要影响，随着侧压增大，平静期持续时间增加、破坏期持续时间减小，即围岩积聚能量增加、释放能量持续时间减小，造成洞壁破坏时单位时间内释放能量增加，使岩爆发生更加剧烈。