卸载岩爆过程数值试验研究_黄志平(3)

Step 1

Step 149

Step 150(1)

Step 150(2)

Step 150(3)

Step 150(4)

(a) 声发射

Step 150(5)

Step 150(6)

Step 1

Step 149

Step 150(1)

Step 150(2)

Step 150(3)

Step 150(4)

Step 150(5)

(b) 弹性模量

Step 150(6)

Step 1

Step 149

Step 150(1)

Step 150(2)

Step 150(3)

Step 150(4)

Step 150(5)

Step 150(6)

图8 试样卸载岩爆破坏过程模拟结果

Fig.8 Numerical simulation failure process of rock specimen for unloading rock burst

第30卷增1 黄志平等：卸载岩爆过程数值试验研究 ? 3127 ?

合。破坏时的压应力只能达到岩石的强度值。在本试验中，前者出现了2次峰值荷载值，而后者峰值卸载后近于垂直下降。同样，与何满潮等[12]的试验中岩爆破坏时有明显的垂直应力降而无明显水平应力降，且应力降时间短暂的现象吻合。另外，王瑞红等[17]试验结果与本数值模拟结果也一致。在试样的自由面，试样I单轴加载破坏以拉应力为主，试样II卸载破坏以压应力为主。

分析图4和7的声发射事件和能量释放情况可知，单轴加载破坏过程中，不断有声发射事件发生，而卸载岩爆试验在卸载之前几乎没有声发射事件发生。特别是能量释放，单轴加载破坏试验中试样释放能量分散且总能量不大，而卸载岩爆试验中试样释放的能量远远大于前者，且集中、突然释放。两者产生的声发射事件相差不大，但释放能量差别甚远。何满潮等[12]同样观察到试验加载初期听不到试样发出的声响，试样发出较大清脆声响是在卸载后至岩爆发生前，同时说明试样在卸载后，一面临空的情况下其内部会发生裂纹开裂、扩展、贯通直至突然失稳。岩爆是高应力下岩体开挖后沿临空面瞬间释放能量而破坏的过程，与单轴或真三轴压缩岩石的破坏特征显著不同。同时，通过数值试验可知，双轴卸载岩爆试验表明岩爆不只是试样本身破坏而产生的能量，更多的是周围介质积蓄的弹性能量参与作用的结果。

从试样的破坏过程(见图5，8)可以看出，试样微破裂的位置和裂纹的扩展趋势以及试样最后的破坏模式为：(1) 单轴加载试验的破坏过程以渐进式的微破裂发展为主，且微破裂主要集中在局部破裂面上。破裂面则以拉伸应力作用下的劈裂为主。在主破裂发生之前，有许多微破裂前兆声发射现象，是典型的渐进破裂诱发失稳的岩爆模式。(2) 双轴加载时的围压卸载试验所表现的破坏过程主要以突然、高密度的能量释放为主，破坏模式则以大面积剪切破坏与局部拉裂破坏的组合破坏模式为主。与单轴加载的情况相反，在主破裂发生前，几乎没有任何微破裂前兆，是典型的瞬时岩爆破坏模式。岩爆破坏面特征不明显，微裂纹密集，破坏区域表现为一个面域而不是某一条贯通裂纹线，而一般岩石的破坏具有剪切面或张裂面等贯通裂纹，以及以块状崩落破坏形式为主，对应着较强烈的岩爆，瞬时岩爆对应着瞬间较大的能量释放。

岩体卸荷破坏与加载破坏是不同应力路径的岩体在卸荷条件下的变形受到应力路径和应力状态的影响，和加载有不同的变化规律。图9显示了不同应力路径下试样横向变形结果，试样在加载条件下破坏时，主应力降是试样的产生破坏主要原因，其横向变形由0.53 mm增加到0.80 mm，同样，卸荷条件下主应力降是试样产生破坏的主要原因，其横向变形由－0.01 mm突然增加到0.90 mm，远远大于加载破坏产生的横向变形。由图8(b)和9可知，岩体卸荷破坏时表现出沿卸荷方向强烈扩容破坏特征，岩体产生明显的侧向膨胀，侧面中部向外鼓出呈鼓状，主要表现为张剪破坏。破坏面之间含有许多细微裂纹，与王瑞红等[17]的试验结果十分吻合。

1.0横向变形/mm

0.80.60.40.2－

图9 不同应力路径下试样横向变形

Fig.9 Transverse displacements of specimens under different

stress paths

7 结论

采用岩石破坏过程数值分析软件RFPA2D进行岩石岩爆发生机制数值试验研究，得出如下主要结论：

(1) 卸载岩爆破坏机制与单轴压缩破坏机制完全不同，双轴加载时的围压卸载主要以压剪裂破坏为主，单轴破坏则以拉伸破裂为主。

(2) 双轴加载时的围压卸载岩爆破坏模式表现为试样大面积剪切破坏与自由面附近局部拉裂破坏的组合破坏模式，单轴加载试验时的破坏模式为拉应力作用下的以劈裂为主的渐进破裂诱发失稳的岩爆模式。

(3) 围压对岩爆的发生及破坏形式有重要影响，围压使周围介质积蓄巨大的弹性应变能，在岩石发生卸载岩爆过程中是一个十分重要的因素。

(4) 岩石损伤过程对应声发射事件的发生，双轴卸载岩爆表现出集中、快速的声发射事件和能量释放，单轴加载破坏表现为分散声发射事件，前者

? 3128 ? 岩石力学与工程学报 2011年

破坏时释放的能量时远远大于后者破坏时释放的能量。

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(5) 卸载破坏没有脆性向延性的转化，破坏非常突然，脆性特征十分明显，破坏程度更为强烈，产生的裂纹较多，破碎程度高。

(6) 岩体卸荷破坏时表现出沿卸荷方向强烈扩容破坏特征，岩体产生明显的侧向膨胀，侧面中部向外鼓出，呈鼓状。

(7) 卸载岩爆过程数值试验所得结果与物理试验结果吻合较好，说明RFPA2D数值软件可以作为分析岩爆的一种新的研究手段。

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