巖爆是指在高地應力區域由于地下工程開挖而引發的圍巖彈射破壞現象,其中應變型巖爆是較為常見的巖爆類型之一。近年來,隨著地下工程逐漸向深部延伸,在不同巖性條件下巖爆災害頻發。巖石是天然地質作用的產物,不同巖石的礦物組成、微觀結構和力學性質差別迥異,將顯著影響巖爆的孕育發生。當前,不同巖石的巖爆孕育機制尚不清楚,并且工程實踐表明巖爆頻發于脆硬性圍巖,因此在實驗室開展不同硬巖應變型巖爆的真三軸試驗研究,將有助于揭示巖性對應變型巖爆孕育機制的影響。本文在實驗室利用真三軸巖爆試驗系統對廣東省的花崗閃長巖、廣西壯族自治區的花崗巖、四川省與云南省邊界白鶴灘水電站的玄武巖、四川省錦屏Ⅱ級水電站的大理巖、山東省的砂巖和伊朗的灰巖等6種脆硬性巖石成功實施了應變型巖爆試驗,系統地分析并對比了不同硬巖應變型巖爆的彈射破壞過程、母巖破壞形態、碎屑特征和彈射碎塊動能;根據不同硬巖的微觀組構、巖爆后的微觀斷裂特征和巖爆過程中的聲發射特征參數演化過程探討了不同硬巖巖爆的斷裂演化過程;對不同硬巖利用基于單軸試驗的巖爆傾向性指標進行評價,并提出了基于真三軸條件的巖爆傾向性評價標準。研究結果表明:

(1)在真三軸加載條件下,巖石具有較高的強度是巖爆發生的必要條件,強度較高的巖石發生巖爆的可能性遠大于強度較低的巖石。不同巖石巖爆破壞特征差別明顯,花崗閃長巖、花崗巖、大理巖與玄武巖、砂巖相比在巖爆前有明顯的板裂化破壞現象,且花崗閃長巖和大理巖具有明顯較大的彈射動能。巖爆發生后,花崗閃長巖、花崗巖和大理巖臨空面附近的破碎程度嚴重,巖爆坑尺寸較大,碎塊形狀多呈板狀,且臨空面附近的斷裂形式以張拉破壞為主,距臨空面較遠處以剪切破壞為主;玄武巖和砂巖臨空面附近的破碎程度較弱,巖爆坑尺寸較小,碎塊形狀不規則且斷裂面較為“崎嶇”,試樣斷裂形式以剪切破壞為主。

(2)不同硬巖巖爆斷裂演化特征的差異主要來源于巖石的微觀組構和微觀斷裂特征的不同。細粒的巖石相比于中粗粒的巖石裂紋發育較弱且集中于加載的中后期,并且巖石礦物分布的均勻性顯著影響受載初期裂紋的發育?；◢忛W長巖和花崗巖的微觀組構特征以中粗粒和礦物顆粒不均勻結晶為主;大理巖的微觀組構特征以細粒和礦物顆粒均勻結晶為主;玄武巖和砂巖的微觀組構特征以細粒和礦物顆粒不均勻結晶或膠結為主。在巖爆發生前,花崗閃長巖和花崗巖的裂紋比玄武巖和砂巖更為發育,大理巖的裂紋發育程度介于上述兩者之間。

(3)提出了基于真三軸巖爆試驗彈射碎塊動能的巖爆傾向性評價標準,該評價標準根據現場巖爆烈度的相關評價標準建立了真三軸巖爆試驗彈射碎塊動能與巖爆傾向性之間的關系,從而實現對巖石巖爆傾向性的評價。單面臨空真三軸的加載方式能夠較好地模擬巖爆頻發的深部地下工程圍巖的應力條件,并且彈射碎塊動能可以定量評價巖爆的劇烈程度。因此,該評價標準與基于單軸試驗的巖爆傾向性指標相比,能夠較好地應用到深部地下工程的巖爆傾向性評價,并對工程巖爆災害防治具有重要的參考意義。