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深部花岗岩岩爆过程实验

测试材料: 花岗岩

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利用自行设计的深部岩爆过程实验系统对深部高应力条件下的花岗岩岩爆过程进行实验研究,模拟实际工程的开挖条件,对加载至三向应力状态下的板状花岗岩试件快速卸载一个方向的水平应力,采集实验过程中三个方向应力随时间的变化数据,获得了花岗岩岩爆全过程应力曲线。根据实验结果,将花岗岩岩爆全过程分为平静期、小颗粒弹射、片状及颗粒状混合弹射、全面崩垮四个阶段;将花岗岩岩爆的破坏形式分为局部片状及颗粒弹射的张裂破坏、局部颗粒及片状弹射的阶梯状劈裂折断和片状及颗粒弹射的整体劈裂破坏;分析了发生岩爆后花岗岩试件的微观结构破坏特征;根据卸载后发生岩爆的最大主应力与岩石单轴抗压强度的比值对岩爆强度进行了分类;根据卸载后至发生岩爆现象的时间将岩爆分为滞后岩爆、标准岩爆和瞬时岩爆,并对花岗岩岩爆发生机制进行了初步探讨。
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方案实施
    花岗岩岩爆实验采用板状结构试件,岩爆过程实验前首先进行单轴压缩实验,获得岩石基本力学参数。为了与岩爆实验的加载方式相对应,采用分级加载方式进行单轴压缩实验,在试件的两个侧表面沿纵横方向各贴两片应变片,并分别放置一个声发射接收探头,在实验过程中监测声发射信息,放置在实验机上的试件参见图6。

                                  图6  单轴压缩实验
    岩爆实验分为加载岩爆实验和卸载岩爆实验。实验时采用分级加载方式,根据设计的应力水平,先均匀增加三向应力至最小主应力σ3值,保持其不变,增加最大主应力和中间主应力至中间主应力σ2,再保持σ2σ3不变,增加最大主应力至设计值,稳定半小时后卸载某一方向的水平应力,保持另外一个方向的水平应力不变,当卸载后增加垂向最大主应力时为加载岩爆实验,当卸载后保持最大主应力时为卸载岩爆实验。依据卸载后发生的现象确定岩爆实验过程,没有破坏现象时恢复卸载前应力状态,并按一定比例增加垂直方向的应力值再继续进行实验直至发生岩爆。


现场照片
对破坏后的花岗岩碎块进行电镜扫描发现石英与长石晶体呈紧密线接触,从破裂面上可见石英及长石晶体断裂,晶体间云母片折断,晶体断裂的断口呈不平整的阶梯状。见图15破坏后5#花岗岩碎片电镜扫描不同放大倍数下的(a)至(e)图片。(a)放大100倍的电镜扫描图片全貌,致密,表面凸凹不平,不同矿物晶体紧密接触。(b)为局部放大534倍后的石英与长石晶体紧密线接触情况,并可见石英与长石断裂的阶梯形端口,晶体表面有小碎屑分布。(c)为局部放大2710倍时石英表面的断口及长石晶体的参差不齐破坏状态。(d)为放大5140倍之后更清晰的长石晶体断裂形态。(e)为放大5300倍的粒间云母片及交错不齐的断裂形态。
      
(a)  放大100倍全貌,致密
     
(b)  放大534倍,石英与钾长石线接触紧密,晶体表面贝壳状断口

(c) 放大2710倍,石英与长石晶体表面参差不齐的破坏形态及晶体表面的小碎块
   
(d)  放大5140倍,钾长石晶体破坏形态
   
(e)  放大5300倍,粒间云母片及断口交错不齐形态


测试结果
    从花岗岩岩爆实验结果来看,发生岩爆时应力要达到一定的水平,且不同的应力状态卸载后发生岩爆的破坏形式有一定的区别。
(1) 岩石材料具有显著的不均匀特性,且存在原始缺陷。通过刚性传压板对试件进行均匀加载时,试件表面有相同的变形,这会在试件内部产生不均匀的应力分布。微裂纹的产生会在裂尖产生应力集中的裂尖应力场。裂纹从稳态扩展到动态扩展需要一个过程,该过程对应着卸载后至发生岩爆的时间,所需时间的长短与卸载前的应力状态有关;稳态开裂所需能量大于动态开裂所需的能量。
(2) 实验加载初期听不到试件发出声响。卸载至发生岩爆前试件发出较大清脆声音,表明卸载后试件在一面临空的情况下内部裂纹开裂、扩展。当局部裂纹贯通后就会由稳态扩展发展成非稳定的动态扩展,最后突然岩爆。岩片、块或颗粒携带一定的能量飞出。
(3) 花岗岩在三向应力状态下,快速卸载水平一向的应力后,从卸载至发生岩爆时间为卸载后立即发生岩爆及卸载后20分钟才发生岩爆,表现为明显的瞬时性、滞后性及介于两者之间状态的标准性。从实验发生的现象看,岩爆过程可分为平静期、小颗粒弹射、片状剥离伴随着颗粒混合弹射及最后的全面崩垮四个阶段,该过程历时时间长短不等,最快为0.1s,最慢的为105s。从应力路径可以看出,2#样卸载后的应力差较高,卸载后0.5s立即发生岩爆破坏,表现为岩爆瞬时性特征,19#样、16#样、13#样卸载后也都很快发生岩爆破坏,分别在一次卸载后24s、两次循环卸载后10s及多次循环卸载(6次)后15s时间时发生了岩爆。
    5#样在两次循环卸载后33s发生了岩爆,其进程可明显地分为开始的平静期、之后的颗粒状的弹射、片状剥离伴随着颗粒混合弹射及最后的全面崩垮;17#样在单次卸载后20分钟时发生岩爆,表现为滞后性,在卸载至发生岩爆前,岩石损伤不断加剧,伴随着应力的降低。
(4) 岩爆破坏时水平应力降并不明显,但有明显的垂直应力降(σ1方向),且应力降时间短暂,应力降最快时间为0.7ms,应力降速率最大的为25×104MPa/s 。高应力降对应着较高的变形及快速破坏。
(5) 根据卸载后发生岩爆的(σ1-σ2)/σc应力比值由大到小,可将花岗岩卸载岩爆破坏的型式分为(a)阶梯状张拉折断破坏(局部块状弹射)、(b)张裂破坏(局部颗粒与块状弹射)、(c)整体颗粒及片状弹射张裂破坏三种类型,见图14及表5。局部阶梯状的块状弹射岩爆破坏方式,与岩爆现场的阶梯状陡坎形态接近,对应着较强烈的岩爆,按发生岩爆的时间进程大部分为瞬时岩爆;局部颗粒块状弹射对应着中等程度的岩爆;整体破坏是应力的作用较均匀,使整个试件的各个部分都不同程度的发生了破坏,且破坏的进程较前两种缓慢,对应着相对弱的岩爆,一般为标准岩爆或滞后岩爆。
    
                           (a)  阶梯状张拉折断破坏

                                       (b)  张裂破坏
  
                                      (c)  整体张裂破坏

                               表5  花岗岩岩爆破坏形式分类



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