采动应力路径下花岗岩变形破坏特性及能量演化机制.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()山东省重大科技创新工程项目().作者简介:由 爽()女辽宁鞍山人北京科技大学教授博士生导师.第卷第期 年 月东北 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.采动应力路径下花岗岩变形破坏特性及能量演化机制由 爽 李虎振 侯晓旭 耿乾逞(.北京科技大学 土木与资源工程学院 北京 .北京科技大学 城市地下空间工程北京市重点实验室 北京)摘 要:考虑千米深花岗岩在采动过程中的应力路径开展升轴压定围压、升轴压卸围压和定轴压卸围压 种应力路径下的花岗岩三轴加卸荷实验旨在获得岩石在采动卸荷作用下的变形破坏特征及能量演化规律.研究结果表明:高围压等级下岩石峰值破坏前内部储存的能量更多发生破坏时内部释放的变形能对岩石结构的冲击力度更强岩样脆性破坏更显著卸荷作用使围压对岩样的径向束缚变弱导致岩样径向扩容增强并在较低应力水平作用下发生破坏岩石变形模量和广义泊松比更快达到极值点扩容点为岩样弹性能占比由增大转为减小的转折点相较于升轴压定围压试验卸荷条件下弹性能转化为耗散能的比例更高岩石破坏程度更剧烈.关 键 词:花岗岩卸荷力学实验变形破坏能量演化中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.:.):.:随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭深部矿产资源开采已然趋于常态.而深部资源开采常伴随着岩体强烈的卸荷扰动如何安全、高效地开采深部矿产资源已成为我国资源战略需求亟须克服的重要技术瓶颈.目前针对卸荷扰动作用下深部岩体力学性质的研究已取得一系列进展.谢和平等揭示了深部不同深度岩石脆延转化力学行为的关键影响因素与差异性规律.李地元等指出不同应力路径卸荷试验中试样抗破坏的主控因素不同.金爱兵等研究发现线性卸荷条件下花岗岩的破裂特征表现为径向快速扩容及塑性特征的增强.蔡燕燕等基于应变围压增量比揭示了卸荷破坏是由强烈的径向变形和体积扩容所致.等利用声发射监测技术研究了不同应力路径下灰岩的动力损伤过程和特点.等采用数学物理模型对脆性岩石在不同应力路径下的二维卸荷机制进行了表征.等研究发现砂岩试样宏观断裂的形成与材料的不均匀性和真三轴应力状态密切相关.等针对煤矿开采卸荷过程研究了不同条件下开采速率对复合煤岩力学特性及三轴破坏准则的影响.等研究发现围压卸荷不影响岩石破坏模式但会使岩石产生强度减弱效应.变形破坏特征是岩石卸荷扰动作用下力学性质的外在表现岩石受载过程中表现出的力学行为本质上是能量分配的结果.谢和平等指出岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果.马德鹏等通过常规三轴及不同卸围压速率的三轴卸围压试验研究了煤样破坏过程中能量的演化规律.杨永杰等研究发现煤样在峰值应力前以能量的存储及耗散为主在峰值应力后以能量的释放及耗散为主.张黎明等研究发现常规三轴破坏岩样吸收总能量高于单轴压缩吸收总能量.等研究得出围压的降低会导致岩石径向变形增大岩石内部孔隙裂隙的发育会消耗更多能量.等利用耗散应变能与总应变能之比来描述岩石试样在三轴加卸载过程中的变形和破坏程度.等研究了不同应变速率对页岩断裂韧性及能量释放速率的影响.等研究发现随着初始围压的增加不同应力路径下的岩石应变能转化速率均增大.上述学者对岩石卸荷效应下的变形破坏特征及能量演化规律做出了探索但尚未揭示实时卸围压效应对岩石变形参数的影响机制未对不同应力路径下岩石各阶段能量演化特征与应力 应变之间的内在联系进行对比分析.工作面回采过程中岩体侧向应力逐步降低超前支承压力逐步升高.试验设计基于岩体应力演化过程确定应力路径以升轴压定围压试验作对比通过升轴压卸围压试验模拟硐室拱肩处岩体通过定轴压卸围压试验模拟硐室拱顶或拱脚岩体探究不同赋存深度下硐室各部位岩石卸荷作用下所表现出的力学行为及其能量演化特征研究结果对深部地下工程开挖及矿井灾害防治具有一定指导意义.试验条件及方案 试验条件试验所用岩样为取自三山岛工程区埋深为 花岗岩.采用国际岩石力学学会推荐标准圆柱形岩样高 直径为 试样平均密度为 /.图 为试验所用 型微机控制电液伺服试验机系统最大轴向荷载为 侧向应力最大为 .图 应力加载系统 试验方案设计通过升轴压定围压试验()获取岩石基本力学指标为后续卸荷试验作参数标定.卸荷试验分为两类:一是升轴压卸围压试验()二是定轴压卸围压试验().种应力路径具体加载方案如图 和表 所示图 为应力路径示意图 各岩样初始应力水平及卸荷速图 应力路径示意图 东北大学学报(自然科学版)第 卷 率见表.升轴压定围压试验:先以 /加载速率加载至指定围压 然后采用位移控制方式以 /加载速率加载轴压至岩样破坏.表 岩石初始应力水平与卸荷速率 应力路径初始轴压初始围压卸荷速率 升轴压定围压试验()升轴压卸围压试验()()()定轴压卸围压试验()()注:“”表示围压 时升轴压定围压试验岩石峰值强度的 .卸荷试验设计将围压加载至预定值后采用位移控制方式以 /加载轴压至岩样升轴压定围压试验峰值强度 .而后升轴压卸围压试验采用相同加载速率继续加载轴压同时以 /卸载围压至岩样破坏而定轴压卸围压试验保持轴压恒定并以 /卸载速率卸载围压至岩样破坏.强度特征分析图 是岩石升轴压定围压条件下全应力 应变曲线确定卸荷点为岩石峰值强度 .升轴压卸围压试验全应力 应变曲线如图 所示.图 为初始围压 时 种应力路径下全应力 应变曲线.从图、图 中可以发现随着围压的增加两种应力路径下岩石达到极限破坏时的峰值应力不断提升.对于升轴压定围压试验花岗岩岩样在低围压条件下轴向偏应力达到峰值应力时曲线进入应变软化阶段及峰后残余阶段.当围压高达 时岩石在峰值破坏前内部储存的能量更高导致发生破坏时内部释放的变形能极大冲击岩石结构围压起到的结构稳定作用不足以抵抗破坏时的冲击作用导致应力 应变曲线未出现残余应力阶段.结合表 可知相比升轴压定围压试验升轴压卸围压试验破坏时的轴向应变更小峰值强度更低这是由于卸围压使得围压对岩样的径向束缚变弱其主要表现为径向应变的回弹图 升轴压定围压试验全应力 应变曲线 ()应力 径向应变()应力 轴向应变.图 升轴压卸围压试验全应力 应变曲线 ()应力 径向应变()应力 轴向应变.第 期 由 爽等:采动应力路径下花岗岩变形破坏特性及能量演化机制 图 初始围压 岩石全应力 应变曲线 ()径向应变()轴向应变()体积应变.表 两种应力路径下岩样峰值应力 围压升轴压定围压升轴压卸围压与快速扩容.同时横向变形加剧导致岩石破坏岩石的轴向承载能力和轴向极限应变降低.表明卸围压降低了岩样的承载能力使岩石在较低偏应力作用下发生破坏.根据以上分析结合图 可知:随着围压等级升高升轴压定围压条件下岩样由弹 塑性特征逐渐转化为弹 脆性特征且初始围压水平越高岩样脆性破坏越显著.而卸围压试验下岩样即使初始围压水平较低时依然表现出明显的脆性破坏特征.岩石在达到峰值强度前不同应力路径下岩样的应力 应变曲线基本重合呈近线性关系随着轴压的增大不同加载路径岩石的应力 应变曲线出现差异性.升轴压定围压试验与卸围压试验相比卸围压试验峰值应力与峰值应变均小于升轴压定围压试验峰值强度后卸围压试验应力 应变曲线有明显的应力跌落段甚至呈线性跌落与加载破坏相比岩石卸荷破坏体积应变显著裂隙发展过程中扩容特征明显岩样发生脆性破坏.表明卸围压效应不仅降低了岩样承载能力而且使岩石破坏程度更加剧烈.变形特征分析卸围压导致的岩样破坏与升轴压定围压不同卸围压作用导致岩样产生径向回弹这会引起岩样轴向裂隙进一步发育此时的泊松比考虑侧向变形和围压的影响为广义泊松比公式为()()().()式中:为变形模量 为广义泊松比.综合考虑岩石卸荷初始围压与卸荷量定义卸荷比为 .()式中:为卸荷比为实时围压为初始围压.图、图 分别为升轴压卸围压路径下围压 应变关系曲线及变形参数随卸荷比变化曲线图、图 为变形参数变化曲线.观察并分析图 可知:在卸围压初始阶段岩样环向应变缓慢增加岩石处于径向压缩状态.但随着围压继续卸载岩样环向变形急剧增大与围压呈明显的非线性关系岩样出现环向塑性变形并逐渐由径向压缩状态转为扩张状态.在卸围压过程中岩石轴向应变量很小且随围压降低基本呈线性变化规律当岩样卸围压至一定程度时发生破坏破坏时轴向应变远小于环向应变.在卸围压过程中轴向加载和环向卸载综合作用下导致东北大学学报(自然科学版)第 卷 岩样内部产生平行于轴向的裂隙大量裂隙逐步扩展形成裂纹使得岩样表现出明显的体积扩容现象因此岩石卸荷破坏主要表现为环向变形很大.而且初始围压水平越高岩样破坏时环向应变越大岩样扩容现象越显著岩石破坏程度越剧烈.图 升轴压卸围压试验围压 应变关系曲线 ()环向应变()体积应变()轴向应变.图 升轴压卸围压试验变形参数随卸荷比变化曲线 ()变形模量()广义泊松比.观察并分析图 可得:在卸围压过程中当卸围压程度较低时岩石劣化效应不明显由于围压能够对岩样产生约束作用故初始围压等级越高变形模量越大当卸围压效应达到特定程度时岩石变形模量迅速下降岩石发生破坏卸荷初始围压越大试样变形模量变化曲线的非线性特征越明显这是由于初始围压较高时岩样内部储存的能量更多较低的卸荷扰动就能引发能量突然释放导致岩石发生剧烈破坏.观察并分析图 可知:泊松比随着卸围压的进行而不断增大其开始变化速率较为平缓临近破坏时其变化速率急剧增长初始围压水平越高岩样广义泊松比越大且其变化曲线的非线性特征越明显临近破坏点时岩样泊松比超过常规值并呈继续增大的趋势这是因为在卸围压过程中岩样不仅产生回弹变形且其内部裂隙逐步扩展、贯通形成宏观裂纹岩石环向变形急剧增加故岩石发生破坏时泊松比超过极限值.观察并分析图 可知:试验初期岩样受到径向约束及轴向压缩作用其变形模量呈近似线性增大广义泊松比逐渐减小进入屈服阶段后卸荷作用导致岩样产生径向回弹这等效于给岩样施加一个径向拉应力岩石内部逐渐萌生平行于轴向的裂隙如图 所示岩样变形模量增长速率及广义泊松比减小速率均逐渐变小进入扩容阶段后裂隙进一步扩展广义泊松比由逐渐减小转为逐渐增大同时扩容点也成为变形模量值由增大转为减小的转折点随着岩样损伤程度的加剧其内部裂纹完全贯通岩石变形模量迅速劣化广义泊松比急剧升高岩石丧失承载能力.岩石初始围压等级越高试验过程中岩石内部损伤程度越大其广义泊松比数值越大卸荷条件下岩石破坏程度越剧烈.第 期 由 爽等:采动应力路径下花岗岩变形破坏特性及能量演化机制 图 升轴压卸围压试验变形参数变化曲线 ()变形模量()广义泊松比.图 初始围压 变形参数变化曲线 ()变形模量()广义泊松比.观察并分析图 可知:定轴压卸围压条件下岩样变形模量极大值点相较于另两种应力路径最小这是由于定轴压条件下岩样受到的轴向压缩应力不再继续增大卸荷导致岩石内部裂隙进一步扩展发育试样提前进入扩容阶段故定轴压卸围压条件下岩样变形模量及广义泊松比的变化趋势最早出现转折.相较于升轴压定围压试验升轴压卸围压试验条件下岩样变形模量及广义泊松比图 岩样轴向裂隙图 变化趋势曲线非线性特征更为明显卸荷效应使岩样变形模量和广义泊松比更快达到极值点卸荷作用导致的径向拉应力使岩样内部裂纹充分扩展岩石环向变形急剧增加变形模量跌落速率更快岩石损伤程度加剧失去承载能力其广义泊松比急剧增加并超过极限值故升轴压卸围压试验条件下岩样破坏最为剧烈.能量演化规律分析岩体破坏实际上是在能量驱动下的状态失稳现象岩石受载过程中表现出的力学行为本质上是能量分配的结果.根据热力学定律外力做功产生能量 为 .()式中:为外界应力加载系统注入岩石的总能量为弹性能储存在岩石内部为耗散能用于岩石的塑性变形及内部损伤.由能量守恒可知试验过程中外界对岩样所东北大学学报(自然科学版)第 卷 做功等于岩样吸收的总能量:.()结合弹性力学理论可知:().()环向变形产生的环向弹性应变能可忽略不计则简化为.()式中 为弹性模量.定义弹性能与输入能量的比值为自蓄能比即弹性能占比 用来表征岩石不同应力状态下的储能水平特征其值越大表明岩石储存可释放应变能的能力越强.()定义耗散能与输入能量的比值为自耗能比即耗散能占比 用来表征岩石不同应力状态下能量消耗水平特征反应岩石内部结构变化剧烈程度.()定义耗散能与