卸载岩爆过程数值试验研究_黄志平(2)

图2 卸载岩爆岩石试样的几何参数

Fig.2 Geometrical parameters of rock specimen for unloading

rock burst test

表1 试样的物理力学参数[12]

Table 1 Physico-mechanical parameters of specimen[12]

弹性模量/GPa

单轴抗压强度/MPa

泊松比

密度/(kg·m3)

－

mm，由210×210个细观单元组成，其中岩石试样高度和宽度均为150 mm，划分为150×150个单元，每个单元有4个节点。对试样I，II分别进行单轴压缩破坏试验和双轴卸载岩爆试验。试样周围是一个钢板框架，钢架上、下两板厚各30 mm，两侧板厚各20 mm，在试样右侧和钢架之间加入一块钢板垫块，其高度为150 mm，宽度为20 mm，当撤掉垫块后，使试样右侧产生临空自由面。根据单轴压缩试验得到的花岗岩试样基本物理力学参数如表1[12]

66.7 165 0.33 2 700

4 单轴加载试验结果

对花岗岩试样进行单轴加载压缩破坏试验，试样I中点A，B位置的荷载曲线如图3所示。由图3(a)

荷载/MPa

所示。花岗岩非均匀试样细观单元力学性质Weibull分布参数与数值试样宏观参数之间对应关系详见朱万成等[15-16]的研究结果。

2040

6080加载步

100 120

(a) 点A

200150荷载/MPa

100500－

加载步

(b) 点B

图1 单轴压缩岩石试样的几何参数

Fig.1 Geometrical parameters of rock specimen for unaxial

compression test

图3 试样I点A，B处的荷载曲线 Fig3 Load curves of points A and B for specimen I

第30卷增1 黄志平等：卸载岩爆过程数值试验研究 ? 3123 ?

可知，试样破坏过程经历2次峰值荷载，分别为第第二次应力峰值对应的应力降没有第一次大。总之，每一次较大的声发射数和能量释放，必然对应一个较大的应力降。荷载在峰值和低谷之间时，其对应声发射事件不断产生，但声发射事件数不大，说明在应力调整过程中部分微单元继续破坏，裂纹尖端处有应力集中，从而裂纹产生后有继续扩展、贯通的趋势。比较图4(a)，(b)可知，试样声发射数目的集中程度及其数值的大小对应着能量释放的快慢与能量值的大小，声发射数目多则释放的能量大。

图5为试样单轴加载压缩破坏过程模拟结果。图5(a)中，每一个圆圈代表一个声发射事件，圆圈的位置表示声发射事件发生的位置，圆圈越密集表示声发射事件越多，圆圈的大小代表声发射事件释放能量的多少。浅色圆圈表示压缩破裂，深色圆圈表示拉伸破裂。由图5(a)可知，应力越过峰值后试样开始破裂，第69步产生的声发射事件最多；其中微单元声发射事件以拉破裂为主，同时有少量的压缩破坏。图5(b)中比较明了地显示出试样微裂纹破裂位置和裂纹扩展过程，单元的损伤必然导致单元弹性模量的降低，因此，通过弹性模量图可以看出整个试样的破裂形态，在该图中，颜色灰度表示单元弹性模量的相对大小，亮的部位表示弹性模量较大。在开始破裂时，有大量声发射事件产生，主要的声发射事件的发生由不同位置处发生微单元破坏引起，宏观贯通裂纹很少，当微裂纹逐渐增多且逐渐延伸时，微裂纹逐渐贯通的过程愈强烈。图5(c)中，颜色灰度反映了单元剪应力的相对大小，亮的部分表示剪应力较大。试样破裂的过程中，应力主要集中于裂纹处，随着裂纹的扩展，应力都随时重新调整，直到新的应力平衡。

68加载步的荷载值(189.2 MPa)和第95加载步的荷载值(193.9 MPa)。说明岩石试样在单轴加载压缩破坏过程中，第一次破坏后不一定立即失去承载能力，而完全破坏。由图3(b)可以看出，第一次竖向主应力(最大主应力)达到峰值荷载163.7 MPa时，横向的最小主应力达到最大值－34.2 MPa，该拉应力是岩石自由面产生拉伸破坏的主要原因，由于试样的抗拉强度比抗压抗剪强度要低，侧向部分自由面产生拉伸破坏；试样破坏后，最大主应力下降较快。试样两端与试验机承压钢板之间的摩擦力，使试样端面部分区域形成了“箍”的作用，使得靠近上、下端的三角形区域内为压应力，试样中部表现为拉应力，产生的破坏形式呈锥形，当施加的荷载达到峰值荷载时，产生剪切拉伸破坏。

图4为试样I释放能量和声发射事件曲线。由图4可知，产生声发射数目最多的加载步(第69步)并不与试样承受荷载最大值(第68步)一致，加载应力在第68步达到最大值，第69步应力值立即下降产生破坏，该破坏步的声发射也就最多。因此，应力降与声发射事件具有一致性，大的声发射数对应大的应力降。试样一旦出现裂纹，则试样承载力下降，进行应力重新分布。试样第二次应力峰值虽然比第一次峰值要大，但声发射数目没有表现出增大的现象，第二次应力峰值对应的声发射事件数仅次于第一次应力峰值对应的声发射事件，主要是因为

声发射能量/J

0.150.050

累积声发射能/J

0.25

60加载步

80100

120

5 双轴卸载岩爆试验结果

岩体在卸荷条件下的力学特性研究一直是工程界研究的热点问题之一。愈来愈多学者认为，对于岩爆，就其破坏机制而言，在许多情况下是一种开挖卸荷条件下高地应力区岩体自身和围岩积蓄的大量弹性应变能突然猛烈释放所造成的拉张脆性或张

剪脆性并存的急剧破坏。本数值试验在整个系统外围钢框上通过位移加载施加一个初始围压，然后保持施加的位移不变，在竖直方向继续等增量施加位移，达到预定设计值后，保持该位移值不变，最后突然卸掉试样与钢架之间的钢板，使试样右侧形成

(a) 声发射能量

累积声发射数/(103 次)

声发射数/次 0

406080100 120

加载步(b) 声发射事件

图4 试样I释放能量和声发射事件曲线

Fig.4 Curves of released energy and AE events on specimen I

? 3124 ? 岩石力学与工程学报 2011年

Step 1

Step 63

Step 64

Step 69

Step 71

Step 82

(a) 声发射

Step 98

Step 99

Step 1

Step 63

Step 64

Step 69

Step 71

Step 82

Step 98

(b) 弹性模量

Step 99

Step 1

Step 63

Step 64

Step 69

Step 71

Step 82

Step 98

Step 99

图5 试样单轴压缩破坏过程模拟结果

Fig.5 Numerical simulation failure process of rock specimen under uniaxial compression

第30卷增1 黄志平等：卸载岩爆过程数值试验研究 ? 3125 ?

自由面来模拟卸载岩爆。从图6所示的试样II的点

声发射能，累积声发射能/J

201510A，B位置荷载曲线图可知，在试样II的点A处产生围压荷载，最大主应力为83 MPa，最小主应力为

73 MPa；当最大主应力荷载为996 MPa，最小主应力荷载为479 MPa时开始卸载围压，可以看出σ1和

σ3表现为垂直下降。在试样II的点B处，除了应力

陡降，最小主应力变成了负值，即产生拉应力状态。数值试验结果表明，和加载破坏相比，岩样并没有随围压的增大而出现明显的屈服平台，无脆性向延性的转化。从峰后曲线来看，岩样破坏时从峰值强度跌落至残余强度的荷载曲线急剧跌落，脆性特征非常明显，表明卸荷更容易导致岩石破坏。

0153045607590105120 135150

加载步

(a) 声发射能量

1 000荷载/MPa

8765432100

声发射数，累积声发射数/(103 次)

153045607590 105120135150

加载步

(b) 声发射事件

图7 试样II释放能量和声发射事件曲线 Fig.7 The curves of released energy and AE events on

specimen II

1 16 3146617691106 121136 151

加载步

(a) 点A

荷载/MPa

－ (b) 点B

图8为试样卸载岩爆破坏过程模拟结果。本模拟中step150(1)表示在计算步第150步时，外界条件没有变化的情况下，由于该步计算中，试样发生破坏后，内部应力重新调整，当有的单元继续满足破坏准则时，仍然进行该步中裂纹演化进程中的破坏计算，一直到所有单元都不满足破坏准则为止，结束该步计算过程，因此，150(1)～150(6)表示第150步中应力多次调整达到平衡时相应裂纹多次逐步演化的过程。由图8(a)可知，卸载前试样基本没有发生声发射事件，当突然卸载时，在自由面区域发生密集的微单元破裂，主要产生大面积压缩破坏，靠近自由面破坏的区域有部分微单元是拉伸破坏。微裂纹破坏及扩展形式从弹性模量图中可以显示出。应力图中清楚显示该试样卸载时应力集中在自由面附近区域，表明卸载岩爆试验中试样内部应力产生奇异分布。

图6 卸载岩爆试样II 点A，B处荷载曲线 Fig.6 Load curves of points A and B for unloading rockburst

specimen

图7为卸载岩爆试验试样II释放能量和声发射事件曲线。由图7可知，试样II在卸载步(第150步) 的声发射事件为6 985个，总的累积声发射事件数为6 993个，可以看出试样II的声发射事件和能量集中在卸载步发生，在加载步过程中几乎没有发生；卸载步释放的能量为16.84 J，而总能量释放16.89 J，能量基本集中在卸载步完全释放，因此在卸载岩爆过程中，岩样的破坏表现出非常突然、猛烈且集中声发射事件和能量释放。

6 结果讨论

从图3，6可知，单轴破坏峰值荷载远远低于双轴卸载岩爆荷载值，这与何满潮等[12]的试验现象吻

? 3126 ? 岩石力学与工程学报 2011年