花岗岩晶粒尺寸对岩爆影响的试验研究*

苏国韶，陈冠言，胡小川，梅诗明，黄小华

（广西大学土木建筑工程学院工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西 南宁 530004）

随着国民经济的快速发展，地下空间的开发与利用也由浅部向深部转移，岩爆地质灾害问题日益凸显，严重威胁到施工人员和设备的安全。与剥落、板裂等静态脆性破坏不同，岩爆属于动力破坏现象，发生时伴随岩块的高速弹射，给工程安全带来严重威胁。当前岩爆的预测与防治水平难以满足工程实践要求，岩爆研究具有重要的现实意义。

岩爆机制高度复杂，源自影响因素众多。学者们开展了大量关于岩爆影响因素的研究，取得了丰硕成果。在荷载的影响因素方面，除开挖卸荷后围岩应力集中程度对岩爆具有重要影响外，应力集中的过程也对岩爆具有不可忽视的影响，例如：近年来的真三轴岩爆试验发现，卸载速率、动力扰动荷载的幅值和频率对岩爆发生和烈度具有显著影响[1-5]，岩爆发生与加载速率、中间主应力和洞径方向应力梯度有关[6-8]。在岩石材料性质的影响因素方面，大量研究成果表明，岩石具有较高的强度和较大的脆性是岩爆发生的基本条件[9-10]，岩石含水率对岩爆的影响较显著[11]，而岩体结构面对岩爆往往具有控制作用[12-14]，但关于岩石晶粒性状对岩爆的影响研究尚不多见。

加拿大URL 地下实验室中，在相似环境下，花岗岩洞段以剥落、劈裂为主，但在强度、脆性与花岗岩基本类似的闪长花岗岩开挖洞段，并没有发现明显的脆性破坏[15]，这说明了岩石脆性破坏不仅与强度或脆性有关，而且可能还与岩石的矿物成分、晶粒尺寸等因素有关。关于岩石晶粒对岩石破坏影响研究：Wawersik 等[16]认为Solenhofen 石灰岩、玄武岩在单轴压缩条件下表现为II 类破坏，而晶粒较粗、均匀性较差的Charcoal 灰色花岗岩则以I 类破坏为主，岩石的破坏模式与矿物晶粒尺寸有密切关系；Tang 等[17]采用RFPA 调查了晶粒强度非均匀性对岩石单轴条件下的峰前、峰后响应及伴随的声发射活动的影响；张翀等[18]采用二维离散元法研究了晶粒形状对试样剪切强度的影响；赵康等[10]、黄润秋等[19]从晶粒的结晶程度和晶粒的排列探讨了它们对岩爆烈度的影响，认为在相同的应力条件下，结晶程度高的硬脆岩石更容易发生岩爆，具有定向排列特征的岩石比随机分布的岩石的岩爆烈度弱。但是，关于晶粒尺寸对岩爆的影响尚未见报道。

本文中，利用真三轴岩爆试验系统，以单轴抗压强度相似的细中晶粒闪长花岗岩和中粗晶粒花岗岩两种硬脆性岩石作为研究对象，通过对含预制圆形通孔立方体试样加载，模拟圆形隧洞的岩爆过程，并采用微型摄像机及声发射传感器记录岩爆过程，由此探讨硬脆性岩石晶粒尺寸对岩爆的影响，这对于丰富岩爆的认识具有重要意义。

1 岩爆试验

1.1 试样制备

选用取自广东肇庆市和广西梧州市的两种花岗岩作为岩材，其基本物理力学参数、矿物成分以及晶粒直径见表1，两种花岗岩均属于显晶质结构（图1）。

表1 花岗岩基本物理、力学参数与矿物成分Table 1 Basic physical and mechanical parameters and mineral composition

图1 花岗岩偏光显微镜照片Fig.1 Polarized micrograph of granite

对石英晶粒进行直径测量，广东肇庆市的花岗岩晶粒直径在0.6～5.0 mm 之间分布，按粗粒（晶粒直径＞5 mm）、中粒（5 mm≥晶粒直径＞2 mm）、细粒（晶粒直径≤2 mm）的晶粒尺寸划分标准[20]，属于细中晶粒花岗岩；广西梧州的晶粒直径在2～22 mm 之间均有分布，属于中粗晶粒花岗岩。为模拟圆形截面隧洞，将石材加工成含直径为50 mm 贯穿圆形孔洞的150 mm×150 mm×150 mm 立方体试件（图2）。

图2 花岗岩试件Fig.2 Granite specimens

1.2 试验系统

本试验采用广西大学的真三轴岩爆试验系统（图3），系统包括视频监控系统（图4）与声发射监测系统（图5），声发射传感器工作频率为125～750 kHz、采样率取1 MHz，试验中将6 个声发射传感器分别布置于试件沿轴向（X向）的两个自由面，每个面布置3 个传感器，具体布置见图4。为实时监测岩爆全过程，开发了岩爆试验实时视频观测系统，包括录像机和视频监视器，监视器可以实时观测试件内部破坏状况，录像机的采样率为30 s−1。

图3 真三轴岩爆试验系统Fig.3 True triaxial rockburst testing system

图4 加载装置与视频监测系统Fig.4 Loading devices and observation system

图5 声发射采集系统和传感器Fig.5 AE acquisition system and sensors

1.3 试验方案

隧洞开挖后，围岩环向应力将逐渐升高，当环向应力高于岩石峰值强度时，围岩将可能发生岩爆。工程实践也表明，岩爆通常发生在开挖后1～3 d 内[21]，说明环向应力的逐渐集中是导致岩爆发生的主要因素之一，因此，可通过Z方向的不断加载，模拟环向应力不断升高的过程[22]。本试验采用负荷控制，加载速率为0.05 MPa/s。具体加载应力路径为(见图6)：σY和σZ同时开始加载至10 MPa；σY保持不变，继续以0.05 MPa/s 加载σZ至试件左右两侧出现明显的带状V 形破坏坑后停止加载。

图6 加载路径Fig.6 Loading path

2 试验结果

利用细中晶粒(A1、A2)和中粗晶粒(B1、B2)花岗岩分别进行了重复性试验，而且A1、A2 的试验结果较一致，B1、B2 的试验结果也较一致，本文中仅各自选取一块试件(A1 和B1)进行试验过程和结果的分析。

细中晶粒花岗岩试件(A1)的破坏过程见图7。当σZ加载至113.45 MPa 时，右侧边墙发生小颗粒弹射，见图7(a)；随后5 s (σZ=113.72 MPa)，左侧洞壁发生小颗粒弹射，见图7(b)；当σZ加载至122.10 MPa 时，稳定的劈裂、屈曲破坏在右侧开始产生，并沿洞壁向里发育，碎屑沿洞壁滑下，见图7(c)；当σZ增大至129.98 MPa 时，隧洞左侧围岩向外鼓胀、弯曲，形成一条宏观鼓胀带，见图7(d)；当σZ增大至132.08 MPa 后，鼓胀带的岩板折断、滑落至洞底，见图7(e)；当σZ增大到133.21 MPa 时，隧洞左右两侧的破裂带几乎贯穿整个洞壁，见图7(f)；随后，两侧洞壁板裂屈曲破坏程度不断增大，破裂带面积和深度进一步增大，有部分未折断的岩板悬留在破坏坑上下侧，见图7(g)～(h)，岩样的最终破坏形态见图7(h)。

图7 细中晶粒花岗岩试件(A1)的破坏过程Fig.7 Failure process of the fine to medium-grained granite specimen (A1)

中粗晶粒花岗岩试件(B1)的破坏过程见图8。当σZ加载至88.08 MPa 后，左右两侧开始出现颗粒弹射，见图8(a)～(c)；σZ加载至104.19 MPa 后，右侧发生块片弹射，并在σZ增大至104.93 MPa 时，隧洞右侧发生局部岩爆#1，大量碎屑快速弹出，局部岩爆位置与隧洞右侧最初的破坏区之间存在未破坏区域，见图8(d)～(f)；σZ增大至106.52 MPa 时，左侧洞壁中部再次发生局部岩爆#2，大量块片弹射至洞底，见图8(g)；σZ增大至112.46 MPa 时，隧洞右侧发生猛烈的局部岩爆#3，右侧分散的破坏区域连接起来形成条带状岩爆坑，见图8(h)；随后，在2 317.32 和2 344.32 s 时分别发生了局部岩爆#4 和局部岩爆#5，此时隧洞两侧都形成了明显的条带状岩爆坑，见图8(i)～(j)；σZ增大至120 MPa 后，隧洞两侧发生剧烈岩爆，大量碎屑快速弹出，粉尘充满整个隧洞，见图8(k)；隧洞两侧岩爆坑已贯穿整个试件，为防止试件发生整体性垮塌，采用位移控制快速卸载，岩样的最终破坏形态见图8(l)。

3 两种不同晶粒尺寸花岗岩的试验结果对比

3.1 宏观破坏过程的对比

细中晶粒花岗岩孔洞两侧在试验前期基本不发生破坏；当竖向应力σZ达到一定值后，孔洞左右两侧开始发生小颗粒弹射，但是小颗粒弹射的数量较少，且弹射速度较低；随着竖向应力的升高，孔洞两侧的围岩开始向外鼓胀、折断、剥落，并且发生破坏的区域在时间和空间分布上较集中、连续，沿着破坏区逐渐往里发育，最终形成条带状的破裂带(图9)。细中晶粒花岗岩孔洞两侧围岩的破坏模式为板裂化破坏，基本不发生块片弹射。因此，细中晶粒花岗岩破坏过程可为小颗粒弹射、劈裂、屈曲折断等阶段。

与细中晶粒花岗岩的破坏过程不同的是，中粗晶粒花岗岩的劈裂、屈曲破坏并不明显，岩板劈裂、弯曲造成的围岩体积增大明显减小。由于颗粒尺寸更大、颗粒分布更不均匀，岩板折断时容易产生破坏局部化，一旦折断，其存储的弹性应变能瞬间释放，碎屑以较快的速度弹出，产生烈度不等的局部岩爆，局部岩爆发生位置在空间分布上较分散，局部岩爆破坏区域之间存在未发生破坏区域，发生的局部岩爆并不是连续的，在时间上也存在一定的不连续，见图8(e)～(j)。随着局部岩爆次数的增加，局部岩爆区域开始逐渐连接起来，形成带状V 形岩爆坑，试验加载后期孔洞两侧发生剧烈岩爆，V 形岩爆坑进一步加宽加深(图10)。因此，中粗晶粒花岗岩破坏模式为小颗粒弹射、局部岩爆、整体岩爆。

图9 细中晶粒花岗岩试样(A1)最终破坏结果Fig.9 Failure results of the fine to medium-grained granite specimen (A1)

综上所述，两种具有不同晶粒尺 寸的花岗岩宏观破坏过程的主要 差异为：细中晶粒花岗岩主要以稳定连续的劈裂、屈曲破坏为主，无剧烈的弹射现象，属于典型的静态脆性破坏，发生的破坏在时空分布上较连续、集中；中粗晶粒花岗岩在破坏过程中主要以非连续的颗粒、块片弹射为主，发生破坏的位置在空间分布上较分散，每次弹射破坏之间具有一定的时间间隔，伴随剧烈的弹射现象，划分为岩爆。

图10 中粗晶粒花岗岩试样(B1)最终破坏结果Fig.10 Failure results of the medium to coarse-grained granite specimen (B1)

3.2 微观破坏过程的对比

3.2.1 声发射撞击特征

图11 为细中晶粒(A1)、中粗晶粒(B1)花岗岩试验过程中声发射撞击与累计撞击。总体而言，其变化趋势大致皆可以划分为3 个阶段：加载初期Ⅰ、加载中期Ⅱ和加载后期Ⅲ。

图11 竖向应力、声发射撞击以及累计撞击随时间的变化Fig.11 Change of vertical stress, acoustic emission (AE) hit and accumulative AE hit with time

细中晶粒花岗岩在加载初期Ⅰ和加载中期Ⅱ几乎没有产生声发射撞击，进入加载后期Ⅲ撞击数突增至最大值0.32×104，然后迅速下降至0.5×103，声发射撞击在加载后期的突增特点比较明显；声发射累积撞击在加载初期Ⅰ和加载中期Ⅱ几乎为零，进入加载后期Ⅲ快速增加，突然增加后趋于平缓。中粗晶粒花岗岩在加载初期Ⅰ有少量声发射撞击(0.4×102)出现，在加载中期Ⅱ末和加载后期Ⅲ撞击数开始快速增加至最大值0.79×103，然后降低至0.5×103；声发射累积撞击在加载初期Ⅰ随着应力的升高稳定地增加，在加载中期Ⅱ末和加载后期Ⅲ，累积撞击快速增加。

以上差异主要来源于花岗岩矿物晶粒尺寸的差异。细中晶粒花岗岩颗粒分布范围较小，仅分布在0.6～5.0 mm，而中粗晶粒花岗岩晶粒分布范围较大，2～22 mm 之间均有分布，这使得矿物晶粒几何尺寸带来的非均匀性在中粗晶粒花岗岩中表现得更明显。在加载初期Ⅰ和加载中期Ⅱ，随着竖向应力的升高，矿物几何尺寸差异性大的中粗晶粒花岗岩更易形成局部拉应力场，产生声发射活动；进入加载中期Ⅱ末和加载后期Ⅲ，中粗晶粒花岗岩内部裂纹快速发育并且逐渐贯通形成宏观裂纹，声发射活动较活跃，累积撞击快速增加，但增加速率相对较小。细中晶粒花岗岩的晶粒尺寸较小且分布较均匀，导致围岩内部应力场分布较均匀，不易产生局部拉应力，因此加载初期Ⅰ和加载中期Ⅱ的声发射活动较少，但进入加载后期Ⅲ，荷载较高时，较均匀的拉应力场会使得大量微观裂纹同时产生和发育，因此，声发射活动表现为突然、猛烈的增加，累积撞击增加速率较大。

3.2.2 声发射主频特征

图12 为两种具有不同晶粒尺寸花岗岩的声发射主频分布。可以看出，两种花岗岩的主频范围均为0～500 kHz，因此本文将0～75、＞75～225、＞225～500 kH 等3 个频率段分别称作低频、中频和高频。Cai 等[23]指出了声发射主频与岩石内部开裂过程相关，高频声发射信号源自小尺度裂纹，大破裂对应低频声发射信号。因此，声发射主频可作为反映裂纹尺度信息的重要指标。

图12 试验过程中两种具有不同晶粒尺寸花岗岩的声发射主频分布Fig.12 Acoustic emission dominant-frequencies of two granites with different particle sizes during the test

从图12(a)可知，细中晶粒花岗岩在加载初期Ⅰ和加载中期Ⅱ的声发射主频主要分布在260～340 kHz，属于高频段，中频、低频信号较少，说明在此阶段主要为小尺度裂纹的产生；进入加载后期Ⅲ，声发射主要分布在25～350 kHz，低、中、高频均有分布，说明细中晶粒花岗岩在这一时期内产生较多的小尺度裂纹和大破裂。通过对比加载初期Ⅰ、中期Ⅱ、后期Ⅲ的声发射主频信号特征可知，25～75 kHz 的声发射低频信号主要集中在加载后期Ⅲ，说明大破裂事件主要集中在加载后期Ⅲ。

从图12(b)可知，中粗晶粒花岗岩在整个加载过程中的声发射主频主要分布在5～65、75～160 和225 ～330 kHz 等3 个频率段，分别属于低频、中频和高频，且随着时间增长，这3 个主频段的信号逐渐增加。这说明，整个加载过程中都有小破裂事件和大破裂事件产生，且随着时间增长，小破裂事件和大破裂事件逐渐增加。

由图12 可知，细中晶粒花岗岩25～75 kHz 的声发射低频信号主要集中在加载后期Ⅲ，而中粗晶粒花岗岩5～65 kHz 的声发射低频信号在加载Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等3 个时期内均有分布。这说明中粗晶粒花岗岩产生的大破裂事件比细中晶粒花岗岩在时间分布上更分散。这与前面的试验结果一致，中粗晶粒花岗岩发生的宏观破坏在时空分布上相对分散，由局部破坏发展到最终的整体破坏，细中晶粒花岗岩发生的宏观破坏主要集中在加载后期Ⅲ，在时空分布上相对连续、集中。

3.3 特征应力的对比

表2～3 给出了两种花岗岩在加载过程中的特征应力。本文中特征应力均为竖向(Z向)加载的应力，起裂应力σci和损伤应力σcd的确定是基于累积声发射撞击，具体方法参考文献[24]。洞壁切向应力σθ由柯西公式计算得到。

表2 加载过程中细中晶粒花岗岩的特征应力Table 2 Characteristic stresses in the fine to medium-grained granite specimen during loading

表3 加载过程中中粗晶粒花岗岩特征应力Table 3 Characteristic stresses of the medium to coarse-grained granite specimen during loading

对比表2 和表3 可知，细中晶粒花岗岩内部微裂纹产生、明显小颗粒弹射发生、裂纹联合以及最后宏观破坏对应的特征应力分别为74.00、113.72、127.50 和132.08 MPa，比中粗晶粒对应特征应力分别高27.6%、55.3%、12.8%和9.1%。因此，较小尺寸晶粒使得破坏得到了延迟，影响了岩石内部的微观、宏观破坏。当然，这主要是由于花岗岩晶粒较小且分布相对均匀，导致围岩内部应力场分布相对均匀，不容易产生局部拉应力场和应变能集中，使围岩抵抗破坏的能力得到增强。

3.4 碎屑特征的对比

图13 为试验过程中产生的碎屑分布。为分析其特征，对于粒径大于9.50 mm 的碎块(属于粗粒径碎屑)，逐个测量其长度和厚度，经测量可知细中晶粒花岗岩的4 块粗粒径碎屑的长度(厚度)分别为21.50 mm (2.00 mm)、18.10 mm (2.5 mm)、19.10 mm (2.10 mm)和20.00 mm (1.50 mm)，占总碎屑质量的8.6%；中粗晶粒花岗岩的4 块粗粒径碎屑的长度(厚度) 分别为15.10 mm (5.00 mm)、14.50 mm(3.00 mm)、14.50 mm (2.60 mm)和13.10 mm (2.80 mm)，占总碎屑质量的5.1%；细中晶粒花岗岩的粗粒碎屑相对薄和长，而中粗晶粒花岗岩的粗粒碎屑则相对厚和短，见图14。

由图15 可以看出：细中晶粒花岗岩粒径为2.36～4.75 mm 的碎屑在其总碎屑中所占质量分数最高，为20.4%；中粗晶粒花岗岩粒径为0.30～0.60 mm 的碎屑在其总碎屑中所占质量分数最高，为22.0%。从碎屑分布总体来看：中粗晶粒花岗岩碎屑粒径主要分布在0.15～2.36 mm，占总碎屑质量的83.1%；而细中晶粒花岗岩碎屑粒径主要分布在0.15～4.75 mm，占总碎屑质量的82.4%。所以中粗晶粒花岗岩的碎屑的破碎度更高，分布更均匀。

图13 碎屑粒径分布(单位：mm)Fig.13 Particle size distribution of fragments (unit： mm)

图14 粗粒径碎块(单位：mm)Fig.14 Coarse-grained fragments (unit： mm)

图15 各等级碎屑的质量占比Fig.15 Mass fractions of fragments with different particle sizes

4 晶粒尺寸对岩爆影响的机制分析

花岗岩内含有多种矿物成分，主要包括斜长石、钾长石、石英和黑云母等，且这些矿物成分随机分布在花岗岩内。结合表1 和图1～2 可知，细中晶粒花岗岩的晶粒直径较小，单位面积内含有的同种矿物晶粒数量较多，例如黑云母，晶斑直径较小，在空间分布较均匀，非均匀性较低；而中粗晶粒花岗岩的晶粒直径较大，单位面积内含有的同种矿物晶粒数量较少，例如黑云母，晶斑直径较大，在空间分布较集中，非均匀性较高。

研究发现，岩石材料矿物成分的非均匀性对岩石的破坏过程有重要影响。例如：Peng 等[26]采用PFC 分析了晶粒尺寸及其分布对岩石破坏过程的影响，认为颗粒尺寸及其分布非均匀性对岩石的峰后响应具有很大的影响；Lan 等[15]分析了不同晶粒形状下岩石的力学响应，指出晶粒分布均匀的岩石其破坏相对稳定。张拉破坏是硬脆性岩石在零围压或低围压下的主要破坏机制，而矿物晶粒分布非均匀性是岩石内部产生局部拉应力场及应力集中的必要条件，因为即使岩石处于多轴压缩应力状态，晶粒的非均匀性也会在岩石内部产生局部的拉应力[27]。在本试验研究中也发现，在相同低围压和相同加载条件的情况下，晶粒尺寸较粗的花岗岩起裂应力较低，较早发生颗粒、块片弹射。这是由于晶粒尺寸较粗且分布相对不均匀的中粗晶粒花岗岩在加载过程中，围岩更容易出现张拉应力集中以及弹性应变能局部集聚。当局部弹性应变能超过围岩承载极限后，会引起围岩发生局部破坏，即围岩能量的耗散在时空分布上相对随机、分散，所以围岩发生破坏时倾向于发生动力破坏现象，即剧烈的块片弹射现象，甚至岩爆，这与本试验中粗晶粒花岗岩破坏过程较吻合(见图8)。而晶粒尺寸较细的花岗岩起裂应力较高，而且从其破坏过程可知(见图7)，随着荷载增高，围岩会逐渐向外鼓胀、折断、滑落，且破坏位置较集中、连续。这是由于晶粒较细且分布相对均匀的细中晶粒花岗岩，在加载过程中围岩内部的应力场分布相对均匀，不容易导致局部拉应力以及弹性应变能的集中，当荷载较高时，围岩内部容易产生大量的小破裂和大破裂事件，这与本试验图11(a)细中晶粒花岗岩的声发射活动规律较吻合，围岩内部的破裂相互贯通，造成能量的不断耗散，容易导致围岩发生烈度较轻的板裂化破坏。

5 结 论

（1）试验结果表明，在相同加载条件下，细中晶粒花岗岩围岩发生静态脆性破坏为主的板裂化破坏，而中粗晶粒花岗岩发生剧烈弹射破坏为主的岩爆破坏。由此可见，晶粒尺寸对花岗岩的岩爆倾向性具有重要影响，应力集中足够高和岩石峰前弹性应变能存储能力基本相同的情况下，晶粒尺寸较粗的岩石具有更强的岩爆倾向性。

（2）声发射监测结果表明，细中晶粒花岗岩在最终发生失稳破坏前，产生大量的小破裂和大破裂事件，岩石的破裂在时空分布上相对连续、集中，导致围岩发生破裂烈度较轻的板裂化破坏；而中粗晶粒花岗岩产生的小破裂和大破裂事件随机出现在加载的各个时期，岩石的破裂在时空分布上相对分散，容易导致围岩发生颗粒和块片弹射，甚至发生岩爆。

（3）与细中晶粒花岗岩相比，中粗晶粒花岗岩粗粒径碎块(≥9.50 mm)和微粒径碎块(＜0.08 mm)占总碎块质量比例较小，0.15～2.36 mm 细粒径碎块占总碎块质量比例较大，碎块的平均破碎块度较小，碎块的破碎程度更高，这说明中粗晶粒花岗岩发生的破坏更剧烈。