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

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，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 Key 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 temperature.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 of 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 first 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 compression 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 mechanical 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 temperature;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 100 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 component