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                岩石高地应力真三轴试验※解析

                作者:四川德翔科创仪器有限公司分享:
                一、概述
                随着我国西部大开发等相关战略的实施,一批重大基础设施建设,如西电东︾送、南水北调等,正以前所未有的速度在全国展开。拟建、在建的水利水电工程多达 30 余项,且大多以地下洞室(群)作为主要的水工卐建筑物,如龙滩、小湾、三板溪、水布垭、虎跳峡、向家坝等。施工中的龙滩水电站的地下厂房尺寸为388.5 m×74.4 m×30.3m(长×宽×高)。资源开发、石油开采、地热开发等已向深々部发展,如红透山铜矿目前开采己进入900~1100m深度,而南非金矿开采深度则达3800m。西部地区的高山峡谷以及采深的增加使得高地◥应力的问题日益突出,例如,规划中的南水北调西线工程的隧洞埋深最大埋深达1150m,部分洞段将穿越高地应力区,开挖时可能会遇到△50.0 MPa 左右的高水平挤压应力。我国已有大≡量的军事高放核废物,核电站核废物到2010 年将达1.0×104 kg。深部岩体中埋置放射性核废物已列入国家的试验计划。由于经济和战略储备的需要←,深部岩层中储存石油、天然气也已引起我国政府的关注。
                高地应力条件下地下工程围岩在开挖前处于三维【应力状态,其中某1~2 个方向的主应力很高,如拉西瓦地下厂房的地应力超№过30.0 MPa。开挖后,围岩由三维应力状态转变为二维应力状态,在岩质较脆的情况下,有可能产生能量的急剧释放,围岩发生劈裂弹射破坏,这就是人们常↓说的岩爆。此外,周边洞室的开挖,有可能引起已开挖洞室围岩应力集中的加剧,导致已开挖洞室围岩在开挖一段时间以后,能量释放√率急剧增加而发生岩爆。一些学者通过常规三轴加载以及卸载试验对岩爆』进行研究,但这样复杂的应力路径的演化,常规三轴试验是不能反映的。通过真三轴加载试验对岩石的力学性能及★岩爆进行研究,目前对高地应力下岩石力学性能研究也有一定进展,但通过真三轴加■载、卸载试验模拟高地应力条▓件下地下工程开挖引起的复杂的应力路径∮的演化,并结合声发射监测来研究高地应力下岩石的力学性能及岩爆,这方面☆的报道还较为鲜见。因此,很有必要开展真三轴卸载≡试验,研究围岩在复杂的应力路径演化过程中的力学性能和破坏机制,为高地应力条件下岩石力学分析与计算奠定基础,这也是岩石力学♂学科的前沿研究课题和难点。
                二、试验及装々置
                本次试验是在中国◥科学院武汉岩土力学研究所研制的岩石真三轴试验机系统上进行的,同时应⊙用美国PAC 公司的声发射测试系统采集声发射信号。试验前,试样两侧对称地粘贴纵、横向应变片,并@固定声发射探头,试验在安静的环境下进行。
                本文以〒拉西瓦新鲜花岗岩为研究对象,该花岗岩主要矿物为石英、斜长石、微斜~微调长石,次要矿物主要为黑云母和角闪石,为中粗粒结构,呈灰白色,块状构造,岩石强度@ 高,岩体致密坚硬。试样尺寸为50 mm×50 mm×100 mm(长×宽×高),其平行度、平直度和垂直度均符合《水利水电工程岩石♀试验规程》(SL264–2001)要求。
                加载方式: 根据现场实测的地应力,确定真三轴试验的初始应◆力水平如表1 所示。

                岩石三轴
                根据拉西瓦地下厂房开挖情况,确定加载路径:
                (1) 加载σ3至初始地︻应力水平;(2) 加载σ2至初始地应力水平;(3) 加载σ1 至初始地应力水平;(4) 保持σ1 ,σ2不变,卸载σ3至0;(5) 保持σ2,σ3不变,加载σ1 至试样破坏。试验时,加载速度基本恒定。
                 
                三、强度和变形特性
                试样〇的应力–应变关系曲线(以压应▲变为正)如图1 所示。从试验结果可以看出,应力–应变关系近似直线,无明显的屈服前和屈服后的非线性段,也▃无破坏后的非线性段。虽然在峰值强度前有一定的塑性变形,但破坏仍为脆性破坏。卸载最小主应力时有明显的回弹变形。随着中间主应力▲的提高,峰值强度有明显的提高(见表2),在试验中间主应力范围内々,与单轴抗压强度相比最大提高幅度为53%,与单轴抗压强度相比,不同中间主应力时峰值强度随
                中间主应力的变化见表2,峰值强度的提高值与中间主应力σ2 的比值随中间主应力的提高而逐渐减小。在试验中,应力提高值/中间主应力的值从2.06减小至 1.15(见表2)。弹性模量随『中间主应力的提高而有所提高,但并不◥明显(见表3)。
                高地应力
                岩石三轴试验

                四、声发射特征
                岩石声发射是指岩石材料在受荷变形过程中内部晶格错位或微裂纹扩展而引起︼瞬态弹性波的现象。通过声发射测试系统采集声发射活动的波形,经包络检波后,波形超过预设的阈值电压形成一个矩形脉冲,一个矩形脉冲就称为一个声发〓射数。单位时间的声发射数称为声发射计数率。试样的声发射数特征曲线与应力∩路径见图2。
                三轴试验
                从以上试验结果可以看出,试样在试验中有明显的声发射现象,在分析时取声发射数作为声发射活动的指标。(1)同等最小主应力在卸载◢时,声发射计数率增加的幅度随中间主应力的增加而逐渐提高,卸载最小主应力前、后声发射计数↑率之比见表4。
                 
                高低应力三轴试验
                (2) 试验过程中声发射活ζ动有明显的峰值。声发射计数率峰值对应的最大主应力σ2 见表5。当应力达到强度极限〖的30%~50%时,声发射活动首次明显加强,表示岩石中微→观裂缝的产生;当应力达
                三轴试验机

                到强度极限的80%~95%时,声发射计数率达到最大,代表岩石中破裂面的出现。(3) 若不∏考虑最后与破坏面形成对应的声发射计数率峰值,声发射Ψ计数率的峰值次数与破坏后主裂缝的条数是相对应的,声发射Ψ计数率的峰值次数与破坏后主裂缝的条数见表6。
                 
                岩石三轴试验机
                (4) 5#试样的声发射特征与上述规律不符,可能由于第1 条宏观裂缝正好在AE 探头附近,从而影响声发射信号∑的采集。
                 
                五、破坏机制
                试样的破坏形态如图 3 所示。卸载最小主应力「后,随着最大主应力的增加,岩石斜截面上的剪应力和平行于最小主々应力方向的拉伸应变逐渐增大,岩石的破坏就是㊣ 在斜截面上的剪应力或拉伸应变的作用下,岩石矿物颗粒之间发生相对位移。岩石破坏时表现为受拉破〖坏或剪切破坏,取决于截面上↓的剪应力或拉伸应变达到其极限值。部分试样的破坏呈剪切破坏,是由于破坏面上的剪应力达到极限值引起的。此时,又可分为2 种破坏形式,一种为“X”状共轭斜面剪切破坏(如1# ,2# 试样),一种为单∴斜面剪切破坏(如4#,7#试样),为∞剪切破坏机制。部分试样(如3# 试样)呈劈裂破坏,是在最大主应力作用下产生沿最小主应力方向的拉伸应变达到极限值引起的。破坏面粗☉糙,且平行于最小主应力作用面,破坏时发生类似岩
                力学岩石三轴试验①
                爆为片状剥离,属张拉破坏。部分试样(如5#,6#和8#试样)呈拉–破坏,既有剪应力引起的※斜裂缝,又有拉伸应变引起的竖向裂缝。试样破坏时伴随巨大声响,为脆性破坏。
                 
                高地应力条件下地下▆工程开挖引起的复杂应力路径演化,通过真三轴试验可方便模拟。在设定的加载方式下,拉西瓦新鲜花岗岩的试验结果表明:(1) 卸载时岩∑ 石发生回弹变形,峰值强度随中间主应力的增加有所提高,峰值强度的提高值与中间主应力的比值随中间主应力的提高逐渐减小。(2) 卸载最小主应力时岩石发生回弹变形,声发射计数率比卸载前显著增★加,增加的幅度随中间主应力的增加而逐渐提高;声发射计数率的峰值与应力水平有关,当应力达到强度极限〖的30%~50%时,声发射活动首次明显加强,表示岩石中主裂缝的产生;当应力达到强度极限◎的80%~95%时,声发射计数率达到最大,表明岩石中破裂面的出现。(3) 声发射计数率峰值的次数是与破坏后主裂缝的条ζ 数相对应的,并与岩石的破坏机制有关。岩石破坏时表现为张拉破坏、剪切破坏或拉–剪破坏,取决于截面上的剪应力还是拉伸应变先达到其极限值。