“新銳科學家”專題 | 王漢鵬教授：循環衝擊下預加靜載岩石損傷破壞機制

隨着地球淺部能源、資源、空間逐漸開發殆盡，向地球深部發展已成爲必然選擇。目前全球範圍煤礦最大開採深度已超1500 m，金屬礦最大開採深度已超4000 m，隧道最大建設深度已超2000 m，放射性廢物處理及油氣開採等工程也多處於千米以深。隨着地下工程建設深度的增加，圍巖承載的準靜態地應力逐漸增大，且常受到連續爆破、採掘施工等多種循環動載荷的疊加擾動。上述動靜疊加力學環境下圍巖彈脆性及密實性逐漸增強，更利於彈性應變能積聚以及動載應力波的快速、遠程傳播，極易發生巖爆、衝擊地壓等動力災害。

目前，動靜疊加下岩石損傷破壞特徵及其致災機理研究已成爲地下工程動力災變機理與防控領域的熱點問題。在室內試驗方面，主要利用電−液伺服系統進行快速循環加卸載或者利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)進行循環衝擊。

在循環加卸載試驗方面，主要採用電液伺服循環加卸載試驗系統開展研究，SUN等研究得出循環加卸載會促進岩石顆粒的破碎和磨損，降低岩石孔隙度。YE等研究得出岩石細觀等效彈性模量隨着循環次數的增加而增大，隨着最大接觸力的增加而減小。MARTIN等研究得出循環加載力學條件增強了岩石流變特性。ZHANG等、MENG等研究得出當循環荷載達到1/3強度時，岩石Felicity效應較明顯。WANG等研究得出循環加載下岩石損傷呈現倒“S”型演化規律。

在循環衝擊試驗方面，主要採用SHPB試驗系統開展研究，DING等研究得出衝擊速度越大，剪切應力對能量耗散的影響越明顯。LU等研究得出岩石動態峯值應力隨着衝擊次數的增加而減小，且均呈現脆性破壞。WANG等和JIANG等研究得出循環衝擊下岩石骨架被壓實，孔隙結構逐漸閉合，滲透性減弱。LUO等和SHI等研究得出岩石破壞特徵隨層理角增大呈現張拉破壞—剪切破壞—劈裂破壞的演變過程。ZHANG等研究得出隨着衝擊次數的增加，單位時間能量密度逐漸降低。JIANG等和LIU等研究得出岩石微裂紋隨着衝擊次數的增加而聚合擴展，最終形成較大的微裂紋區。XUE等和WANG等研究得出隨着循環衝擊次數的增加，岩石峯值強度呈現先強後弱、極限應變呈現先降低後升高的趨勢。MA等和WANG等研究得出，循環衝擊下損傷因子和衝擊時間曲線可分爲損傷初始階段、損傷累積階段和損傷加重階段。CHEN等研究得出單軸循環荷載和衝擊荷載共同作用下，巖樣的損傷變量與初始損傷具有顯著的正相關關係。

在理論分析方面，KALLIONTZIS等修正了簡單搖擺模型的恢復係數，並建立了可控搖擺衝擊模型。GONG等建立了包含壓縮耗散係數、應變能、塑性應變的脆性岩石循環損傷本構模型。CHEN等建立了循環荷載作用下岩石的損傷破壞模型，並提出了細觀單元強度線性退化假設。WANG等建立了軸向和扭轉複合衝擊模型，得出岩石破碎量隨衝擊載荷振幅和衝擊加載次數的增加而增加。FAN等分析得出累積殘餘變形率隨間隔時間的延長而增大，並建立了循環加載壽命與間隔時間之間的定量關係。

綜上所述，現有動載試驗研究多集中於低應變率液壓循環加卸載以及高應變率SHPB衝擊，介入2者之間的中應變率動載及其與靜載的疊加作用研究相對較少；且循環衝擊過程中的連續性較差，如SHPB衝擊需要複雜的安裝操作才能完成1次衝擊。同時，尚未建立綜合考慮預加靜載與循環衝擊耦合作用損傷因子。

筆者系統研究了不同預加靜載疊加循環衝擊下岩石損傷破壞特性，通過峯值強度、變形模量、殘餘應變等定量表徵了岩石的損傷演化規律，通過裂隙分形維數及碎塊分形維數定量表徵了岩石破壞特徵，並通過理論分析探索了動靜疊加下岩石損傷破壞機制。

爲研究深部地下工程高地應力靜載與採掘爆破施工等循環擾動耦合作用下岩石的損傷破壞機制，利用自主研發的多應變率動靜疊加岩石力學試驗系統，開展了不同預加靜載(0.45σ_c、0.65σ_c、0.85σ_c)疊加循環衝擊荷載以及相同預加靜載疊加不同頻率(0.5、1.0、2.0 Hz)循環衝擊荷載的砂岩動靜疊加試驗。試驗結果表明：動靜疊加試驗中岩石峯值強度小於靜載試驗，最大變形量大於靜載試驗，表明動靜疊加荷載對岩石損傷具有顯著促進作用，且不同動靜荷載疊加下岩石強度、變形、破壞等演化規律具有一致性，其中峯值強度、破碎持續時間與預加靜載呈線性負相關，與循環衝擊頻率呈對數正相關；最大應變、裂隙分形維數、碎塊分形維數與預加靜載呈線性正相關，與循環衝擊頻率呈對數負相關；不同動靜疊加下岩石表面裂隙與碎塊粒徑分形維數演化趨勢基本一致，且前者略大於後者，表明岩石表面及內部裂隙發育的同步性，相比岩石內部三維應力狀態，表面更利用裂隙萌生與擴展；不同動靜疊加條件下巖樣破壞模式發生轉變，隨着預加靜載的增大或衝擊頻率的減小，破壞模式經歷“斜面剪切破壞—豎向拉伸破壞—整體爆裂破壞”的轉變，且爆裂破壞位置由底部向整體擴展。

爲定量表徵循環衝擊下預加靜載岩石損傷機制，結合理論分析與試驗數據，建立了綜合考慮靜載損傷與不同峯值、頻率、次數循環衝擊損傷以及應變率強化效應的動靜疊加損傷因子，進而開展了4組不同參數下的動靜疊加試驗，理論計算與試驗結果對照誤差率分別爲0.5%、1.8%、0.6%、1.7%，誤差均較小；但基於動靜疊加損傷因子的理論計算強度均小於試驗強度，初步分析這是由於高頻循環衝擊下損傷發育存在細觀滯後性，循環衝擊實際產生的累積損傷小於單次衝擊損傷的循環次數倍，後期可開展細觀測試，探索循環衝擊下岩石細觀損傷演化規律，進一步完善理論模型。