循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性及破坏特征研究_张平.pdf
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1、第 44 卷第 3 期 岩 土 力 学 Vol.44 No.3 2023 年 3 月 Rock and Soil Mechanics Mar.2023 收稿日期:2022-04-05 录用日期:2022-07-17 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.52074048)。This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(52074048).第一作者简介:张平,男,1991 年生,博士研究生,主要从事隧道工程及岩爆预测等方面研究工作。E-mail: 通讯作者:任松,男,1975 年生,博士
2、,教授,主要从事岩土工程及可靠度等方面的教学与研究工作。E-mail:rs_ DOI:10.16285/j.rsm.2022.0448 循环扰动循环扰动和高温和高温作用下砂岩的岩爆倾向性及作用下砂岩的岩爆倾向性及 破坏破坏特征研究特征研究 张 平1,2,任 松1,2,张 闯1,2,吴 斐1,2,隆能增1,2,李凯鑫1,2(1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400044;2.重庆大学 资源与安全学院,重庆 400044)摘摘 要:要:为了揭示循环扰动和高温影响下砂岩的岩爆机制,开展了循环扰动和高温作用下砂岩单轴压缩试验和 CT 扫描试验,研究了不同条件下砂岩的力学特性、岩爆
3、倾向性及破坏特征,探讨了岩爆倾向性与破坏特征的关系。研究结果表明:循环扰动和高温对砂岩的力学性能及岩爆倾向性影响效果显著;无循环扰动砂岩的单轴抗压强度、弹性模量及岩爆倾向性随温度的升高呈先增加后降低的趋势,200 为该类砂岩的阈值温度,受循环扰动砂岩的力学特性及岩爆倾向性随温度的上升而降低;而砂岩的力学特性及岩爆倾向性随循环应力幅值增加而下降;随着循环应力幅值和温度的增加,砂岩破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变,同时砂岩的岩爆倾向性与裂隙三维分形维数呈良好的负相关关系;此外,高温对砂岩的力学性能、岩爆倾向性及破坏程度影响效果强于循环扰动。研究结果可为高温工程岩爆防治提供理论依据和工程参考价值。关
4、关 键键 词:词:循环扰动;高温;砂岩;力学特性;岩爆倾向性;破坏特征 中图分类号:中图分类号:TU451 文献标识码:文献标识码:A 文章编号:文章编号:10007598(2023)03077113 Rockburst tendency and failure characteristics of sandstone under cyclic disturbance and high temperature ZHANG Ping1,2,REN Song1,2,ZHANG Chuang1,2,WU Fei1,2,LONG Neng-zeng1,2,LI Kai-xin1,2(1.State K
5、ey Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,China;2.College of Resources and Safety Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)Abstract:This paper aims to reveal the rockburst mechanism of sandstone under cyclic disturbance and high tem
6、perature.The uniaxial compression tests and CT scan tests on sandstone after different cyclic amplitudes and temperatures were conducted to investigate the mechanical properties,rockburst tendency and failure characteristics of sandstone specimens.The rockburst tendency and failure characteristics o
7、f specimen were analyzed.Results showed that the effects of high temperature and cyclic disturbance on the mechanical properties and rockburst tendency of sandstone were significant.The compressive strength,elastic modulus and rockburst tendency of specimens without cyclic disturbances tended to fir
8、st increase and then decrease as temperature increased,and the threshold temperature was 200;while those with cyclic disturbances decreased as temperature increased,and the mechanical properties and rockburst tendency of sandstone decreased with increasing the cyclic stress amplitude.The uniaxial co
9、mpression failure mode shifted from splitting failure to shear failure with the increase of cyclic amplitude and temperature,and the rockburst tendency had a good negative relationship with the three-dimensional fractal dimension of fracture.In addition,the effect of high temperature on the mechanic
10、al properties,rockburst tendency and failure degree of sandstone was stronger than that of cyclic disturbance.The research results can provide theoretical basis and engineering reference for the prevention and control of rockburst in high temperature engineering.Keywords:cyclic disturbance;high temp
11、erature;sandstone;mechanical properties;rockburst tendency;failure characteristics 1 引 言 随着国民经济建设的飞速发展,人们对资源、能源及基础设施需求日益增加,近年来“一带一路”、“南水北调”及“川藏铁路”等国家重大工程不断推进,水电、交通及能源等基础设施不断向深部拓展。772 岩 土 力 学 2023 年 随着隧道工程向深部转移,由于深部岩体具有“三高一扰动”的特点,岩爆灾害问题日益显现。岩爆是处于高地应力环境下的坚硬、脆性岩体开挖过程中围岩弹性能突然释放引起岩石弹射性破裂的地质灾害现象;岩爆不仅直接威胁施
12、工人员和设备安全,而且还影响工程建设进度。由于隧道开挖过程中岩体受到不同程度的循环扰动,而高温下的温度作用效应对岩爆有一定的影响1-3,在循环扰动和高温联合作用条件下,岩爆发生的机制会更加复杂。目前,循环扰动和高温后的岩爆破坏机制尚不清楚,因此,很有必要开展循环扰动和高温后的岩爆试验研究,以期为类似隧道工程建设提供理论依据和工程参考价值。热力作用下岩体稳定性问题一直是岩土工程领域的研究热点之一,国内外不少学者开展了大量的研究工作并取得了丰富的成果。Dwivedi 等4探究了高温作用下花岗岩的热力特性;罗凯5分析了桑珠岭隧道的地应力场、温度场及岩爆破坏特征,为高地温隧道岩爆防治提供依据;李天斌等
13、6开展了热力作用下隧道岩爆的物理模型试验,研究结果表明岩爆烈度随温度的升高而增加;赵国凯等7开展了不同温度下的循环载荷试验,发现第 1 次、第2次及第50次循环加卸载的弹性模量随温度的增加总体呈现下降趋势,同时应力循环后的极限应变大于无应力循环的极限应变;胡跃飞等8对花岗岩进行温度为 100600、应力上限分别为各温度下70%和 85%单轴抗压强度的温度和应力循环试验,揭示了温度和应力循环过程中花岗岩力学特性的变化规律;严健等9采用现场测试和数值模拟相结合的手段探讨了高地温高应力隧道岩爆机制,发现热力耦合作用会加速岩爆的发生。岩爆倾向性是评价岩爆发生与否的关键性指标,岩爆烈度与破坏特征有着密切
14、联系,在岩爆倾向判别及岩爆破坏特征方面,国内外学者开展了众多研究。殷志强等10结合现有岩爆倾向性指标,建立了动静组合加载下的岩爆倾向性指标;郭建强 等11提出了基于弹性应变能的岩爆倾向性评价指数,取得了良好的岩爆预测效果;张传庆等12对岩爆倾向性评价指标做出了总体评价,改进了岩爆倾向性指数和强度脆性系数;宫凤强等13基于岩石加载全过程中能耗特性,提出了一种基于线性储能规律和剩余弹能指数的岩爆倾向性新判据。李德建 等14开展真三轴应力状态下单面突然卸载试验,获得了花岗岩岩爆碎屑的分形特征;何满潮等15利用声发射参数 RA 和 AF 特征值分析了 4 种不同卸载速率下岩爆破坏模式,揭示了裂纹类型演
15、化过程;苏国韶等16探讨了不同加载速率下岩爆弹射碎块的粒径分布特征,分析了碎块粒径与耗能特征的关系;胡杰等17探明了不同层理倾角砂岩岩爆后的整体破坏特征和岩爆碎屑特征,建立了层理倾角与破坏模式的关系。罗丹旎等18研究了不同饱水度花岗岩的岩爆破坏碎块的分布特征,结果表明随着饱水度的增加,岩爆碎块的粒径分布特征由连续分布转变为非连续分布。综上所述,国内外学者主要研究集中在热力作用下岩石力学性能、岩爆倾向判别及岩爆破坏特征方面,上述研究成果为高温岩石性质和岩爆的分析奠定了较好的基础。目前针对循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性及破坏特征研究鲜见报道,然而深部岩石工程所处的地质环境往往更为复杂,会受到
16、温度变化和应力循环扰动的双重影响,因此有必要进一步开展循环扰动和高温作用下岩爆试验研究。基于此,本文以砂岩为研究对象,借助 MTS815岩石力学试验系统及 CT 扫描系统,开展循环扰动和高温作用下砂岩的单轴压缩试验和 CT 扫描试验,研究循环扰动和高温作用下砂岩的力学特性和岩爆倾向性,揭示砂岩的破坏特征,具有重要的理论价值和工程实践意义。2 试样制备和试验方案 2.1 岩样与试件制备岩样与试件制备 试验样品取自四川省遂宁市某在建隧道的砂岩地层,岩样结构致密、无明显裂纹,其主要矿物成分及含量见表 1。所有试件均取自同一块完整均匀的岩块,按照 ISRM 国际岩石力学标准19将砂岩加工成高度为 10
17、0 mm、直径为 50 mm 的标准圆柱形试件,误差不超过 0.2 mm,加工后的砂岩试件如图 1 所示。为了降低试件的离散性,根据波速和密度20对砂岩试件进行严格筛选,选取波速和密度相近的试件进行试验,样品的平均密度为 2.20 g/cm3,平均 P 波速度为 2 382 m/s。表表 1 砂岩主要矿物成分及含量砂岩主要矿物成分及含量 Table 1 Main mineral components of sandstone 成分 石英 钠长石 绿泥石 云母 其他 含量/%60.8 28.7 6.3 1.3 2.9 2.2 试验设备试验设备 循环加载和单轴压缩试验采用重庆大学煤矿灾害动力学与控
18、制国家重点实验室的 MTS815 岩石 第 3 期 张 平等:循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性及破坏特征研究 773 图图 1 砂岩样品砂岩样品 Fig.1 Sandstone specimens 力学试验系统(如图 2(a)所示),该设备能够测试岩石在复杂应力条件下的力学性质,测试精度高、性能稳定,可以采用力、位移、轴向应变及横向应变等控制方式。高温加热采用SX2-10-12A智能箱式马弗炉(如图 2(b)所示)。该设备可实现恒定速率升温和自动化保温,马弗炉的额定功率为 10 kW,最高温度可达1 200,温度误差为 1。采用上海西门子医疗器械有限公司研制的Somatom CT扫描仪用于
19、分析砂岩试件的内部结构,该扫描仪由 X 射线源、扫描框架、图像采集系统和图像显示系统组成(见图 2(c))。该装置的最大扫描 (a)MTS815 岩石力学试验系统 (b)马弗炉 (c)CT 扫描系统 图图 2 试验设备试验设备 Fig.2 The experimental equipment 时间为 100 s,扫描长度为 1 530 mm,图像厚度为 0.6 mm,其探测器排数为 24 排,探测器 16 断层。2.3 试验方案和步骤试验方案和步骤 试验包括预处理试验、单轴压缩试验和 CT 扫描试验。2.3.1 预处理试验 预处理试验包括循环加载试验和高温加热试验,首先对砂岩试件进行不同应力幅
20、值的循环加载,然后对处理后的试件进行不同温度的加热。具体试验步骤如下:(1)试验前对加工好的试件进行编号并分组(如表 2 所示),测得 3 个原始试件的平均单轴抗压强度(unconfined compressive strength,简称 UCS)为70 MPa。(2)将编号的试件均分 4 组,在 MTS 815 岩石力学试验系统开展 3 种不同循环应力幅值的等荷载循环加卸载试验,如图 3 所示,循环应力的下限和 表表 2 试件分组试件分组 Table 2 Grouping of specimens 试件编号 循环加载幅度/%温度/A1 0 25 A2 0 200 A3 0 400 A4 0
21、600 A5 0 800 B1 20 25 B2 20 200 B3 20 400 B4 20 600 B5 20 800 C1 40 25 C2 40 200 C3 40 400 C4 40 600 C5 40 800 D1 60 25 D2 60 200 D3 60 400 D4 60 600 D5 60 800 774 岩 土 力 学 2023 年 上限分别为 014 MPa(20%UCS)、028 MPa(40%UCS)和 042 MPa(60%UCS),每个试件循环加载 50 次,加载速率为 0.5 kN/s,循环加载频率值设为 10 Hz,无循环加载组为对照组。(3)循环加载完成后
22、,每个循环条件下的试件分为 5 组,将分组的试件放入马弗炉进行高热加热,加热方案如图 4 所示,设置温度分别为 200、400、600、800,此外还包括常温(25)为对照组,为了模拟隧道火灾爆发速度21,加热速率为8/min。为确保试件内部受热均匀,到达目标温度后保温 3 h,保温完成后,在炉内自然冷却至室温(25)。图图 3 循环循环加载应力路径加载应力路径 Fig.3 Cyclic loading path curves 图图 4 高温加热方案高温加热方案 Fig.4 High temperature heating scheme 2.3.2 单轴压缩及 CT 扫描试验 循环加载和高温处
23、理后的试件在 MTS815 岩石力学试验系统上进行单轴压缩试验,采用位移加载控制方式,加载速率为 0.1 mm/min,直到试件失稳破坏。将单轴压缩破坏后的试件进行 CT 扫描试验,以获得包含裂隙、有机质和矿物的砂岩内部结构信息。3 试验结果及分析 3.1 力学力学特性特性 3.1.1 应力应变曲线分析 图 5 为不同循环扰动和高温作用后砂岩的全应力应变曲线,结合表 2 中的试件编号,由图 5 可知,砂岩试件从加载到破坏可划分为 3 个阶段,分别为压密阶段、弹性阶段及破坏阶段。(a)循环应力幅值为 0%和 20%(b)循环应力幅值为 40%和 60%图图 5 不同循环扰动和高温作用后砂岩全应力
24、不同循环扰动和高温作用后砂岩全应力应变曲线应变曲线 Fig.5 Stress-strain curves of sandstones subjected to cyclic disturbances and high temperatures (1)压密阶段:此阶段应力应变曲线呈上凹形,这是由于试件内部由循环荷载和高温损伤产生的微裂隙被压密实;随着温度和循环应力幅度的增加,压密阶段时间变长,说明循环应力幅度越大、温度越高,试件内部裂隙越多。(2)弹性阶段:此阶段应力应变呈线性关系,满足胡克定律。(3)破坏阶段:此阶段试件表面开始出现裂纹,并伴随有大量的声响,当应力达到峰值强度时,裂纹贯穿整个试
25、件,试件瞬间发生破坏。0 保温 3 h 400 600 800 温度/自然冷却 至室温 3 加热时间/h 加热速率(8/min)200 25 o 50 次 时间 t 20%UCS 40%UCS 60%UCS UCS 50 次 50 次 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 20 40 60 80 单轴抗压强度/MPa 轴向应变/103 A1 A2 A3 A4 B5 A5 B4 B3 B2 B1 0 4 8 12 16 20 0 20 40 60 80 单轴抗压强度/MPa C1 C2 C3 D4 C5 D5 C4 D3 D2 D1 轴向应变/103 第 3 期 张 平等:循环扰动和高
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