白云巖力學壓縮試驗及聲發射規律研究

葉少波，王宇博2

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

0 引言

隨著我國隧道建設的快速發展，我國公路隧道在發展規模、建設數量、修建難度上均達到世界前列。在高地應力近水平巖層中開挖隧道時，由于巖層的近水平層理的構造特征以及巖層層間結合性的差異，隧道極易出現拱頂離層、掉塊、局部超挖、支護結構偏壓、初期支護混凝土開裂等現象，高地應力硬脆圍巖環境下還存在巖爆隱患[1-4]。因此開展高地應力水平巖層隧道圍巖失穩破壞過程研究意義重大。

目前，國內外許多學者針對層狀巖體隧道開挖失穩機理進行了研究。戴興國等[5]通過建立無張純壓拱力學模型，研究了拱頂巖梁產生屈曲、壓潰、剪切滑移的極限狀態。王崇革[6]結合現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律，發現開采過程中上覆巖層會形成裂隙拱，裂隙拱內巖體發生明顯運動變形，且裂隙拱向上部巖層的擴展是有限的。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、膨脹內鼓、擠壓和滑動破壞，研究了圍巖穩定性的影響因素。閆永杰等[8]分析了隧道水平層狀頂板的變形機理，得到了拱頂層狀頂板在不均勻沉降變形下產生離層的結果。盧澤霖[9]依據層間結合性的差異，利用正交試驗的方法研究了各強度參數的影響，對隧道破壞機理進行歸納。涂瀚[10]以同馬山隧道水平層狀砂質板巖圍巖穩定性為研究背景，發現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。

現有的研究分析了高地應力水平巖層隧道圍巖失穩破壞的機理，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，通過室內單軸、三軸試驗，采用聲發射裝置對高地應力近水平巖層巖石的破壞過程進行研究。

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，也是該線的重點控制性工程。大峽谷隧道進口位于樂山市金口河區文店村，出口位于烏斯河鎮對面涼山自治州甘洛縣烏史大橋鄉爾苦灘村。該隧道埋深最大可達1 944 m，是當前“世界第一埋深”的高速公路隧道。隧道設計為左、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。

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，屬極高應力水平。通過現場取樣，將白云巖巖芯帶回實驗室制作成標準試件，進行室內壓縮試驗，研究白云巖在高地應力下的破壞過程。

2 室內試驗

2.1 試驗設備

本文試驗采用MTS 815型多功能巖石三軸電液伺服控制剛性試驗機，如圖1所示。系統采用計算機控制，可實現自動數據采集及處理。試驗機配備兩套獨立的伺服系統分別控制軸壓、圍壓。為研究巖樣在加載過程中的破壞過程，在壓縮試驗中采用聲發射系統對巖樣的壓縮破裂過程進行監測。

圖1 三軸試驗設備Fig.1 Triaxial test equipment

2.2 試驗巖樣

本文試驗所用巖樣取自K83+453位置處，圍巖為微風化白云巖，呈大塊-塊狀鑲嵌結構?，F場對巖塊加工打磨后制得底部 d=50 mm、h=100 mm的14個圓柱形標準試件。為方便之后試驗和數據處理，對其進行編號（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 標準巖樣及其編號Fig.2 Standard rock samples and serial numbers

2.3 試驗方法

（1）本文試驗圍壓分別設置為0、5、10、15、20、25、30、35和 40 MPa，圍壓加載速率為 0.5 MPa/s，加載到預定值后，保持圍壓不變，全程監測聲發射數據。

（2）控制以60 kN/min的加荷速率繼續施加軸壓，當軸向荷載達到60 kN時，加載方式由軸向應力控制改變為軸向應變速率控制，應變加載速率為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。

巖石在力的作用下會產生變形和內部裂紋擴展，在裂紋擴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力波大小，經計算機轉化后，主要得到的數據有聲發射振鈴計數、能量、上升時間、幅值等，再結合軸向應力-時間曲線對比分析不同圍壓條件下巖樣的破裂演化過程。聲發射監測示意圖如圖3所示。

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

3 巖石破壞過程分析

本文共對13個巖石試樣進行單軸、三軸試驗，獲得各巖樣的破壞形態，如圖4、圖5所示。

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

圖5 存在裂紋巖樣破壞形態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，各巖樣的峰值強度及其對應的軸向應變和峰后殘余強度均逐漸增大，表明在圍壓作用下巖樣由脆性向延性的逐漸轉變，且破壞形態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，破壞演變為以斜向剪切破壞為主，破壞形態為斜向貫通裂紋。但各巖樣均不同程度表現出脆性破壞特點，在達到峰值強度后，伴隨巖樣破裂發出響亮聲音，ε1-σ1曲線出現陡然下降現象，這是積聚在巖樣內的應變能急劇釋放的結果。

本文試驗所有試件壓縮過程均采用聲發射監測，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下的聲發射數據進行分析，如圖6、7所示。

圖6 完整巖樣在不同圍壓下聲發射振鈴計數、能量、RA值與ε1-σ1曲線關系圖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射振鈴計數、能量、RA值與ε1-σ1曲線關系圖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，對應地將這四個階段記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。

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

（2）Ⅱ階段。該階段聲發射事件表現為逐漸增加到瞬時突發增加的歷程，總振鈴計數值和能量釋放數值分別占其總量的25%～50%，隨著應力應變曲線斜率的逐漸減小，聲發射振鈴計數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，但振鈴計數和能量釋放是最劇烈的。該階段應力應變曲線在達到峰值后出現陡然下降趨勢，巖樣形成貫通裂紋破壞，振鈴計數和能量釋放瞬間達到峰值，其量值是其他階段的1.5倍以上，說明巖樣發生了劇烈的宏觀貫通破壞。

（4）Ⅳ階段。該階段完整巖樣聲發射振鈴仍然比較強烈，但能量釋放不再顯著，總振鈴計數值和能量釋放數值分別占其總量的30%～45%，說明巖樣內仍存在裂紋擴展，但擴展程度較小。

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個階段。

（1）Ⅰ階段。存在裂紋的巖樣由于先天存在裂隙的發育程度較高，所以在該階段聲發射事件相對突出，總振鈴計數值和能量釋放數值分別占其總量的5%左右。12號巖樣出現振鈴計數和能量釋放急劇增加現象，這是因為在壓密過程中裂紋之間發生貫通，形成微裂隙，進而導致聲發射事件的增加。

（2）Ⅱ階段。無論是完整巖樣還是存在裂紋巖樣，隨著應力應變曲線斜率的逐漸減小，聲發射振鈴計數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裂紋的擴展發育程度要比完整巖樣大。

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

（4）Ⅳ階段。存在裂紋巖樣聲發射振鈴計數和能量釋放均相對顯著，說明巖樣內仍存在裂紋擴展，且擴展程度較大。

對比不同圍壓下巖樣中最大軸向應力的變化發現，最大軸向應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下最大軸向應力分別為 84、248、348 MPa，巖石試件的軸向應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射振鈴計數和能量釋放的峰值出現時間發現，隨著圍壓的增大，峰值出現的時間延后。完整巖樣在圍壓 5、10、30 MPa下聲發射振鈴計數和能量釋放的峰值出現時間分別為 1 213 s、1 226 s、1 429 s；存在裂紋巖樣在圍壓 0、20、40 MPa下聲發射振鈴計數和能量釋放的峰值出現時間分別為 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現，聲發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數和能量釋放峰值基本只出現在應力峰值，即破壞的瞬間，說明圍巖破碎的區域受應力的擾動更大，內部裂隙擴展程度更劇烈，也更容易出現巖體內部優勢結構面的相互貫通，而導致隧道的圍巖失穩或塌方出現。

4 結論

本研究通過現場采集的巖芯進行室內壓縮試驗結合聲發射系統對巖樣的破壞過程進行分析，可得到以下結論：

（1）通過對比不同巖樣的聲發射特征，聲發射RA值較高時表征張拉裂紋的形成和擴展，聲發射RA值較低時表征剪切裂紋的形成和擴展。巖石試件的軸向應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射特征，完整巖樣的聲發射振鈴計數和能量主要集中在裂紋非穩定發展和破壞殘余階段，而存在裂隙巖樣振鈴計數和能量在各破壞階段均比較顯著，說明破裂巖體的裂紋擴展更為顯著。