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 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 0 600 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，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：循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性及破坏特征研究 775 3.1.2 抗压强度 砂岩试件的单轴抗压强度与循环应力幅值、温度关系如图 6 所示。由图 6(a)可以看出，无循环扰动的砂岩试件单轴抗压强度随着温度的升高呈先略增加（峰值出现在 200）后显著降低的趋势，这与 Yang 等22试验发现花岗岩在 25800 范围内强度变化一致。这是由于在 25200 范围内高温使试件矿物颗粒间的热膨胀产生热应力，导致试件微裂隙被压密实，同时试件内部的自由水和结构水蒸发，试件内部结构强化提高了抗压强度23。200 之后，砂岩颗粒间的热膨胀产生的热应力大于矿物颗粒间的胶结力，诱发新的裂纹萌生与扩展，以及发生水分蒸发、矿物熔解及晶体相变一系列反 应24-25，从而表现出抗压强度的劣化。当循环应力幅值为 20%60%时，在相同循环应力幅值下，试件的单轴抗压强度随温度的升高呈指数下降。这是由于试件受到循环扰动，位错滑动和微裂纹萌生会产生不可逆变形，砂岩受到热应力会产生更多的裂纹，导致循环加载后的试件加速降低其抗压强度。(a)单轴抗压强度与温度的关系 (b)单轴抗压强度与循环应力幅值的关系 图图 6 不同循环扰动和高温作用下砂岩的单轴抗压强度不同循环扰动和高温作用下砂岩的单轴抗压强度 Fig.6 Uniaxial compressive strength of sandstone under different cyclic amplitudes and high temperatures 高温对砂岩试件的单轴抗压强度的影响程度可以划分为 2 个阶段。阶段 I（25400）抗压强度的变化相对较小，该阶段试件的单轴抗压强度分别降低了 3.5、6.1、8.9、11.7 MPa（循环应力幅值分别为 0%、20%、40%、60%）。阶段 II（400800）试件的单轴抗压强度变化显著，此阶段试件的抗压强度分别降低了 16.3、18.6、21.8、24.9 MPa（循环应力幅值分别为 0%、20%、40%、60%）。由此可以得出，温度对砂岩试件的单轴抗压强度劣化有显著影响。由图 6(b)可知，在相同的温度下，砂岩试件的单轴抗压强度均随循环应力幅值增加而降低。这是由于循环扰动使试件产生不可逆变形，不可逆变形随着循环振幅的增加而增加，从而降低了试件的抗压强度25。常温下（25）的试件单轴抗压强度随循环应力幅值的升高呈缓慢下降的趋势，当温度由200 加热至 800 时，单轴抗压强度呈快速下降趋势。随着循环应力幅值从 0%增加至 60%，不同温度条件下砂岩试件的单轴抗压强度分别减少了11.4%（25）、12.6%（200）、14.1%（400）、15.0%（600）、16.4%（800）。上述数据表明循环应力幅值对砂岩试件的单轴抗压强度影响较为剧烈。总体而言，高温对砂岩单轴抗压强度的劣化效果强于循环扰动。上述分析可知，砂岩单轴抗压强度受循环扰动和温度共同作用的影响。因此，对砂岩单轴抗压强度随循环应力幅值及温度的变化规律进行拟合，如图 7 所示，单轴抗压强度与循环应力幅值、温度的关系可以描述为 22c0=zaxbycxdyfxy+（1）式中：c为岩石单轴抗压强度；0z、a、b、c、d、f 均为拟合参数，取值见表 3。3.1.3 弹性模量 弹性模量是岩石的重要力学参数，与岩石成分、内部组织结构有着重要联系，同时也是材料抵抗弹性变形能力的指标26。图 8 为不同循环扰动和高温作用后砂岩的弹性模量。由图中试验结果可知，无循环扰动的砂岩试件弹性模量随温度升高呈先上升后下降的趋势，其中在 25200 范围内弹性模量缓慢增加，至 200 时达到峰值，200800 范围内弹性模量急剧下降，800 时弹性模量已降至6.5 GPa，该变化趋势与 Raski 等27的研究结果相一致。当砂岩受到循环扰动时，在相同循环应力幅值条件下，试件的弹性模量随温度的升高呈非线性 0 200 400 600 800 30 40 50 60 70 80 单轴抗压强度/MPa 温度/0%20%40%60%循环应力幅值 0 20 40 60 30 40 50 60 70 80 90 单轴抗压强度/MPa 循环应力幅值/%25 200 400 600 800 温度 776 岩 土 力 学 2023 年 图图 7 砂岩单轴砂岩单轴抗压强度的拟合结果抗压强度的拟合结果 Fig.7 Fitting of the uniaxial compressive strength of sandstone 表表 3 拟合参拟合参数取值数取值 Table 3 Values of fitting parameters 0z a b d f R2 76.20 13.70 0.006 8.13 0.153 0.99 图图 8 不同循环扰动和高温作用后砂岩的弹性模量不同循环扰动和高温作用后砂岩的弹性模量 Fig.8 Elastic modulus of sandstone under different cyclic amplitudes and high temperatures 降低。高温对试件的弹性模量的影响可以划分为 2个阶段。在 25400 范围内，不同循环应力幅值的弹性模量变化不大，弹性模量分别降低了 5.3%、8.4%、10.5%和 16.8%；当温度超过 400 时，弹性模量的变化明显增大，在循环应力幅值下，随着温度从 400 升高到 800，不同循环应力幅值的弹性模量分别降低了 23.1%、25.6%、29.3%和34.7%。可以看出，高温对细砂岩试样弹性模量的影响较为敏感。如图 8 所示，随着循环应力幅值的增加，砂岩的弹性模量呈明显降低的趋势，且下降幅度逐渐增加。循环振幅从 0%增加至 60%时，试件的弹性模量在不同高温处理后分别减少了 8.4%（25）、9.6%（200）、11.2%（400）、13.6%（600）、15.7（800）。这些数据都表明，增加循环应力幅值对于砂岩的弹性模量具有明显的劣化作用。研究表明，砂岩弹性模量的变化规律与抗压强度形态相似。3.2 岩爆倾向性岩爆倾向性判别判别 3.2.1 岩爆烈度分级 目前岩爆烈度分级仍无统一标准，各国学者根据岩爆发生时的表现特征及破坏程度提出了不同的岩爆烈度划分标准28。本文参考国内外大多数学者采用的分级标准29-30，将岩爆烈度等级划分为 4 级，分别为无岩爆、轻微岩爆、中等岩爆和强烈岩爆。3.2.2 岩爆倾向性指标 岩爆倾向性是指岩石材料自身所具备的冲击破坏能力，岩爆倾向性是岩石自身固有的属性，通常用来评价岩石材料在一定条件下的岩爆严重程度。岩性是岩爆发生的重要影响因素，大量的工程实践表明，大多数岩爆发生于新鲜较完整、质地较为坚硬、脆性的岩体中，岩性决定了储存弹性应变能的能力，影响着岩爆发生的烈度。目前，岩爆倾向性判别通常采用岩石力学室内试验获得基础数据，利用相关评价指标计算表征岩石岩爆倾向性。岩爆倾向判别指标主要有强度脆性系数、变形脆性指数、线弹性能、剩余弹性能指数及弹射能指数，具体指标判据如表 4 所示。上述 5 种岩爆倾向判别指标计算公式如下31：（1）强度脆性系数1K：1ct/K=（2）式中：t为岩石单轴抗拉强度。（2）变形脆性指数2K：21=/KU U （3）式中：U 为岩石峰值前的总变形；1U为岩石的永久变形。（3）线弹性能3K：23cu=/(2)KE （4）式中：uE为卸载切向模量。（4）剩余弹性能指数4K：ea4=KUU （5）式中：eU为峰前弹性能密度；aU为峰后破坏能密度。0 20 40 60 循环幅值/%2 4 6 8 10 弹性模量/GPa 温度/0 0 200 400 600 800 0 200 400 600 76.20 40 50 60 70 80 单轴抗压强度/MPa 温度/30 0 20 40 60 800 72.08 67.96 63.84 59.72 55.60 51.48 47.36 43.24 39.12 35.00 单轴抗压强度/MPa 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 777 （5）弹射能指数5K：Edr51ECdrc=UWKU W （6）式中：EW为破坏前岩石累积弹性能；ECW为临界弹射能；dr、drc分别为岩石破坏应力降、临界应力降。表表 4 岩爆倾向判别指标岩爆倾向判别指标 Table 4 Discrimination index of rockburst tendency 判据名称 判据表达式 判定阈值 岩爆级别 强度脆性系数 K1 40.0 无岩爆 26.740.0 轻微岩爆 14.526.7 中等岩爆 14.5 强烈岩爆 变形脆性指数 K2 2.0 无岩爆 2.06.0 轻微岩爆 6.09.0 中等岩爆 9.0 强烈岩爆 线弹性能 K3 40.0 无岩爆 40.0100.0 轻微岩爆 100.0200.0 中等岩爆 200.0 强烈岩爆 剩余弹性能指数 K4 50.0 无岩爆 50.0150.0 轻微岩爆 150.0200.0 中等岩爆 200.0 强烈岩爆 弹射性能指数 K5 3.5 无岩爆 3.512.0 轻微岩爆 12.031.0 中等岩爆 31.0 强烈岩爆 由于岩爆具有随机性和模糊性，采用单一岩爆倾向判别指标导致岩爆预测结果具有偶然性。因此，选择变形脆性指数判据、剩余弹性能指数判据及弹射性能指数判据对循环扰动和高温作用下砂岩进行岩爆倾向性综合判别。3.2.3 岩爆倾向性判别 根据变形脆性指数、剩余弹性能指数及弹射性能指数判据的定义计算得出不同循环扰动和温度作用下砂岩试件的指标值，结合表 4 的岩爆判定阈值及烈度分级标准，对不同条件下砂岩试件的岩爆倾向进行综合判别，结果如图 9 所示。由图 9 可知，综合变形脆性指数、剩余弹性能指数及弹射性能指数 3 种岩爆判别结果，常温砂岩（无循环扰动）、200 砂岩（无循环扰动）和常温砂岩（循环应力幅值为 20%）的岩爆倾向性均为轻微岩爆，其他条件的砂岩无岩爆倾向性。对于无循环扰动的砂岩而言，当温度低于 200 时，砂岩的岩爆倾向性随温度的升高而增加；当温度超过 (a)变形脆性指数判据 (b)剩余弹性能指数判据 (c)弹射性能指数判据 图图 9 不同循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性不同循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性 Fig.9 Rockburst tendency of sandstone under different cyclic disturbances and high temperatures 200 之后，岩爆倾向性则随温度的升高而减小，由此可知，200 为该类砂岩岩爆强弱的阈值点。而受循环扰动的砂岩的岩爆倾向性随温度的升高呈逐渐降低的趋势，可见循环扰动可以有效地减小砂岩的岩爆倾向性，循环应力幅值越大，岩爆倾向性越低。研究表明，在合适的高温作用后，岩爆倾向性程度将显著提高，然而循环扰动能够降低岩爆倾向25 200 400 600 800 0.0 1.0 2.0 3.0 6.0 9.0 变形脆性指数 温度/0%20%40%60%无岩爆倾向 轻微岩爆倾向 中等岩爆倾向 25 200 400 600 800 0 10 20 30 40 50 60 150 200 剩余弹性能指数 温度/0%20%40%60%无岩爆倾向 轻微岩爆倾向 中等岩爆倾向 25 200 400 600 800 0 1 2 3 4 5 12 30 31 弹射性能指数 温度/0%20%40%60%无岩爆倾向 轻微岩爆倾向 中等岩爆倾向 778 岩 土 力 学 2023 年 性，这对于高温高应力条件下深部岩体工程的工程设计和岩爆灾害防控具有重要的指导意义。3.3 破坏破坏特征特征分析分析 3.3.1 基于 CT 扫描的砂岩破坏模式分析 采用三维可视化图像处理软件 Avizo 对 CT 切片 图 像 进 行 矢 量 化 处 理，借 助“Interactive Thresholding”模块进行图像阈值分割提取图像中的裂隙，利用“VolumeRendering”模块展示裂隙的形貌及分布特征。三维裂隙体模型构建流程如图 10 所示。(a)CT 切片图像 (b)阀值分割 (c)提取裂隙 (d)三维裂隙体模型 图图 10 岩石三维裂隙体模型构建岩石三维裂隙体模型构建流程流程 Fig.10 Construction process of 3D rock fracture model 不同循环应力幅值和高温作用下砂岩试件的破坏模式如表 5 所示。砂岩由各种矿物结晶组成，在不同高温后，砂岩的岩性和内部颗粒结构会发生一定的变化，在循环扰动和高温作用后，砂岩的受力破坏规律不同。由表 5 可知，无循环扰动的砂岩在 400 之前主要发生脆性劈裂破坏，周围几乎没有横向的细小裂隙，砂岩的内部空隙在高温产生的热应力作用下能够容纳变形和抑制裂纹拓展，同时岩石矿物颗粒受热膨胀导致砂岩的原生裂隙逐渐闭合，裂隙数量减少，强化了抗变形能力。当温度超过 400 时，高温对砂岩破坏模式的影响就很明显，主裂隙数目增加，主裂隙周围形成了较多细小的横向裂隙，裂隙分布在砂岩主要破坏面，没有明显的分布规律，高温后的破裂面变得粗糙，温度越高，现象越明显，破坏模式表现为剪切破坏和共轭剪切破坏。苏承东25、戎虎仁32等借助电镜扫描试验研究发现在 200 之前岩样无明显微观裂隙产生；300 后砂岩开始产生微裂纹，且沿晶裂隙、孔裂隙之间岩桥开始产生裂纹，但孔裂隙之间岩桥并未贯通；400 高温后图片可见部分孔裂隙之间岩桥开始贯通；600 高温后图片可见岩桥裂纹贯通，数量急剧增加，密度增大；800 高温后可见贯通的穿晶裂纹，新微裂隙产生明显、微观裂隙数量增多、贯通性变好；上述微观研究结果有效验证了不同高温下砂岩的破坏模式。此外，与无循环扰动的砂岩相比，受循环扰动的砂岩试件破坏模式主要为剪切破坏。其原因是循环扰动削弱了颗粒间的黏聚力，岩石内部原生初始 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 779 表表 5 不同不同循环应力幅值循环应力幅值和高温作用下砂岩试样的破坏模式和高温作用下砂岩试样的破坏模式 Table 5 Failure mode of sandstone specimens under cyclic amplitude and high temperature 循环应力幅值/%不同温度()下破坏模式 25 200 400 600 800 0 20 40 60 裂隙面以及周边新生裂隙在轴向应力的作用下，不断发育扩展并在此过程中演化出许多次生裂隙，尤其是横向微裂隙，产生更多的裂纹和破坏面，内部的宏观裂纹相互汇集，并最终贯通形成复杂的裂纹网络，同时横向裂隙也不断增加，导致剪切破坏33。综上所述，温度和循环扰动的增加改变了砂岩试件的破坏模式和破坏程度，致使砂岩试件的单轴压缩破坏模式由劈裂破坏转变为剪切破坏。3.3.2 砂岩结构特征量化分析 为了深入研究砂岩内部结构裂纹扩展演化过程，对岩石内部结构分布及发育情况进行定量化分析。利用 Avizo 软件中“Label Analysis”命令模块得到砂岩试件三维裂隙体模型结构特征参数，基于分形理论采用盒计数法获得的裂隙三维分形维数可以反应岩石内部裂隙的混乱复杂程度及不规则程 度34-35。分形维数的大小可在一定程度上反映煤中砂岩发育的复杂程度，分形维数越大，表明煤中裂隙结构越复杂。本文采用付裕等36提出的容量维数（盒维数）可以得出砂岩裂隙三维分形维数。盒维数法是用边长为 的立方体盒子覆盖目标集合，780 岩 土 力 学 2023 年 ()N记为盒子的最小数目，则定义盒维数 D 为 00lg()lg()limlimlglg(1/)NND=（7）利用不同尺寸盒子去覆盖目标，得到关于()N的一系列数据，采用最小二乘法拟合lg与lg()N的关系，得到斜率即分形维数。循环扰动和高温作用下砂岩裂隙三维分形维数结果图 11 所示。由图 11 可知，循环扰动和高温作用下砂岩裂隙的三维分形维数在 2.052.63 之间，平均分形维数为 2.31。无循环扰动砂岩裂隙的三维分形维数随温度的升高呈先降低后升高的趋势，在 200 时砂岩裂隙的三维分形维数最小值为2.05，受循环扰动的砂岩裂隙的三维分形维数随温度的升高而增加；同时砂岩裂隙的三维分形维数随循环应力幅值的增加而增大。上述分析结果表明增加温度和循环应力幅值会导致砂岩裂隙结构发育程度越复杂，从而致使砂岩裂隙的三维分形维数增 加。图图 11 砂岩裂隙三维分形维数统计结果砂岩裂隙三维分形维数统计结果 Fig.11 Statistical results of three-dimensional fractal dimension of sandstone fracture 4 讨 论 岩爆是岩体储存过多的弹性能突然释放引起岩石弹射性破裂的灾害现象，岩爆倾向性是指岩石材料自身所具备的冲击破坏能力，根据能量理论可知，能量决定岩爆倾向性。而岩石破坏是一种能量驱动的失稳现象，通常由能量吸收、释放和耗散引起，其破坏模式和断裂形态可以反映出这一点。因此，岩爆的倾向性与其破坏特征密切相关。综合 图9和图11建立砂岩岩爆倾向性与裂隙三维分形维数的关系，循环振幅和高温下砂岩岩爆倾向性与破坏特征的关系如图 12 所示。(a)变形脆性指数与三维分形维数关系 (b)剩余弹性能指数与三维分形维数关系 (c)弹射性能指数与三维分形维数关系 图图 12 循环振幅和高温下砂岩岩爆倾向性与循环振幅和高温下砂岩岩爆倾向性与 破坏特征的关系破坏特征的关系 Fig.12 Relationship between rockburst intensity and failure characteristics of sandstone specimens under cyclic amplitude and high temperature 根据图 12 得出变形脆性指数、剩余弹性能指数及弹射性能指数与裂隙三维分形维数的拟合函数关系式如下