卸载速率对花岗岩应变岩爆破坏及碎屑形貌特征的影响

李春晓 ，李德建 ，刘校麟 ，祁浩 ，王德臣

(1.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京，100083；2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京，100083)

岩爆是能量岩体沿开挖临空面瞬间释放能量的非线性动力学现象[1]。在深部开采过程中，硬脆岩体内部应力重新分布，裂隙损伤加剧，一旦超过强度界限，储存于岩体内的弹性应变能即会沿着开挖临空面瞬间释放，导致岩石碎块携带着大量的能量高速猛烈地弹射抛出，给项目建设及人员安全带来极大的威胁[2]。地下开挖过程中，改变开挖速率实质上是影响围岩的卸载速率rul，岩体发生岩爆的破坏程度与卸载速率密切相关。王春等[3]基于高轴压卸荷冲击扰动试验结果，发现随着卸载速率增加，岩石均值强度呈增大趋势；LI等[4]开展不同卸载速率下含裂隙岩体的卸载响应实验，发现随着卸载速率降低，含裂隙岩体的卸载破坏强度呈幂函数增长；高明忠等[5]基于平煤矿区煤岩初始地应力环境，开展了不同卸载速率下煤岩体力学行为试验，发现随着卸载速率增加，采动过程中煤岩体强度呈现“下降—上升—下降”的变化趋势；朱双双[6]基于实际岩体工程，分析TBM施工岩爆灾害特点及影响因素，发现TBM 掘进速度越快，最大的岩爆能量指标越高，围岩发生岩爆的风险性越高；何满潮等[7]开展不同卸载速率下的北山花岗岩岩爆实验，发现碎屑的总数量、板状和块状碎屑所占比例均随卸载速率降低而呈下降趋势。

作为一种复杂的天然地质材料，岩石内部存在大量裂隙，岩爆的孕育发展过程伴随着岩体内部微裂隙的不断扩展、发育直至贯通。作为岩爆过程的产物，岩爆碎屑破碎程度与破坏特征有密切关系。苏国韶等[8]利用岩爆碎屑的平均破碎块度来定量描述不同粒径碎屑的破碎程度，从而分析岩爆过程的破坏烈度；李德建等[9]分析不同粒径范围内的花岗岩岩爆碎屑质量分数，确定了试样岩爆破坏时的破碎程度及消耗能量。为进一步定量分析岩石破碎特征，XIE等[10]将分形理论引入到岩石断裂和破碎的研究中，证明了岩石破碎符合分形理论且岩爆碎屑具有统计的自相似性；SI 等[11]计算不同加载速率下岩爆碎屑的粒度—质量分形维数，分析了加载速率对岩爆碎屑破坏特征的影响；何满潮院士团队[12-14]也采用分形方法研究了岩爆碎屑的块度分布和微观裂纹特征。在以往研究中，通过分析碎屑尺度及计算其二维分形维数，确定碎屑的破碎特征。由于岩爆碎屑是复杂的三维结构体，其表面形貌蕴含着大量的信息，更易反映碎屑的破坏程度，而针对岩爆碎屑表面形貌参数及分形计算的研究还很少见。

三维激光扫描技术是一种新型测绘技术，能够大面积、高分辨率、快速获取目标物体表面三维坐标信息，近年来被广泛应用于物体表面形貌测量[15-16]和工程建设[17-18]，其中借助三维激光扫描技术开展岩石等复杂天然结构体的表面及结构面形貌测量已成为研究的热点。宋宇等[19]将三维扫描仪应用于测量砂岩节理表面形貌，并基于分形理论，构建了岩石不同粗糙形貌特征的三维节理模型；WANG 等[20]基于三维激光扫描技术确定煤矸石表面形态并进行体积测量，建立了适用于煤矸石识别的数学模型，提出了一种新的煤矸石分选方法；游志诚等[21]将三维激光扫描技术应用于扫描白云岩结构面，建立结构面的三维数字高程模型，分析了结构面分形维数与抗剪强度的各向异性；曹平等[22]利用三维激光扫描仪扫描水岩作用下岩石表面，探讨了水岩作用对岩石节理表面形貌的特征参数及分形维数的影响机制。上述仅研究了岩石的形貌特征，然而在岩爆实验中，由于岩爆碎屑具有表面粗糙、形状复杂的特点，三维激光扫描技术相较于传统测量方法更易精确计算碎屑表面的形貌特征，但鲜有相关文献报道。

综上，本文利用真三轴应变岩爆实验系统，首先，开展不同卸载速率下的花岗岩应变岩爆实验，监测试样岩爆过程；其次，分析卸载速率对试样岩爆宏观破坏特征和岩爆碎屑块度特征的影响；再次，利用三维激光扫描系统采集中粗粒岩爆碎屑的表面形貌信息，探讨不同卸载速率下碎屑表面形貌特征参数的变化规律；最后，采用分形理论计算碎屑表面三维形貌的分形维数，定量评价卸载速率对岩爆碎屑表面的复杂程度的影响，进一步揭示不同卸载速率下岩爆孕育发展与破坏机制。

1 实验方案

1.1 实验样品

实验选取同一批次、致密性较好的甘肃北山预选区的花岗岩岩块，按照ISRM的建议方法[23]，岩块通过取心、切割和打磨抛光，最终制成长×宽×高为150 mm×60 mm×30 mm 的标准长方体试样。控制试样两端面不平整度小于±0.05 mm，端面垂直于试件轴线的误差小于±0.25°，保证加工精度满足实验要求。试样纵波的波速范围为3.21～3.32 km/s，波速差距较小，试样平均密度为2.52 g/cm3，平均单轴抗压强度为82.51 MPa，各试样物理力学性质相近，说明该批试样均质性较好。

1.2 实验设备

岩爆实验所采用的真三轴应变岩爆实验系统是由中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室自主研发设计(见图1)，该系统可以实现三向六面独立加载，单面突然卸载的功能，它可以模拟深部巷道开挖过程中，岩体某一方向在短时间内卸载，形成临空面，进而发生岩爆破坏的工程现象。通过动态高速应力监测系统和双目高速摄影系统监测岩爆发生全过程并测试有关力学参数。

图1 应变岩爆实验系统Fig.1 Strainburst experimental system

1.3 应力加卸载方案

采用不同的方法进行硐室开挖时，因卸载速率不同，围岩表现出的塑性区分布和动力学响应特征差异性较大[24]。因此，本次室内岩爆实验控制试样在三向应力状态下单面卸载的速率，观察卸载速率对北山预选区花岗岩岩爆破坏特征的影响。参考北山花岗岩的工程背景，为了更加真实的模拟地下岩体工程开挖卸荷过程中发生岩爆的条件，在岩爆实验中分别设置了0.025，0.050，0.100，1.000 和20.000 MPa/s 的卸载速率。基于文献[25-27]的调研及现场地应力监测数据，得出北山预选区水平应力(σH，σh)和垂直应力(σV)与深度H的变化关系，如图2所示。

图2 北山预选区地应力随深度的变化规律Fig.2 Variation of in-situ stress with depth in Beishan primary zone

岩爆实验的应力加卸载方式如图3所示，采用“三向六面加载—单面卸载(rul=0.025，0.050，0.100，1.000和20.000 MPa/s)—竖向加载”的实验路径，具体应力加卸载过程分为3个阶段。

图3 岩爆实验应力加卸载方案Fig.3 Stress loading and unloading scheme of rock burst experiment

1) 从零荷载加载到初始围岩应力状态。对试样以0.1 MPa/s 的速率分级加载，每级加载应力为5 MPa，加载间隔约为5 min，选取500 m深度处地应力作为初始应力，由图2中公式可得对应的三向初始围岩应力如下：σH=14.1 MPa，σV=13.0 MPa，σh=9.6 MPa，从大到小依次为最大主应力σ1、中间主应力σ2以及最小主应力σ3。

2) 中间多次加卸载。为了模拟地下工程围岩不同深度处应力状态，对试样逐级施加三向不等的应力。当加载至初始围岩应力状态时，保载15 min后，按照设计的卸载速率将σ3方向应力卸载至零并暴露临空面。卸载后再施加竖向加载来模拟开挖后的应力集中，根据式(1)的Kirsch 方程计算得到集中的应力σmax为32.7 MPa，应力集中的速率与实验采用的卸载速率保持一致，保持该状态约15 min，如果没有产生岩爆现象，证明该深度处花岗岩不易岩爆[28]，则恢复卸载面的应力，并将三向应力以0.1 MPa/s 的速率加载至下一级应力状态。

3) 岩爆阶段。按照上述的实验方案重复加卸载过程，直到某级载荷下试样单面卸载后发生岩爆破坏。

1.4 岩爆碎屑三维扫描

对不同卸载速率下花岗岩岩爆实验后的碎屑进行收集和筛分，选取表面形貌较明显的中粗粒岩爆碎屑(粒径d≥10 mm)，如图4 所示。采用精度为0.01 mm的三维激光扫描系统采集碎屑三维形貌信息。进行三维激光扫描实验前，需利用标定块对激光扫描设备进行坐标标定，标定成功以后打开解析软件进行扫描。由于花岗岩岩爆碎屑多为片状[29]，扫描时应尽量让碎屑破裂面与扫描设备垂直。为获取完整的三维几何坐标点，设置每隔60°扫描一次碎屑，每块碎屑共获取6 组三维点云数据，再利用Geomagic Wrap软件，根据三角形曲面重构法[30]将采集到的岩爆碎屑三维点云数据联合成数量众多的小三角形，从而构建成无限接近碎屑外貌的三维数字模型。

图4 三维激光扫描系统Fig.4 Three-dimensional laser scanning system

2 实验结果

2.1 岩爆宏观破坏特征

图5所示为采用高速摄影系统捕捉的5种卸载速率下花岗岩岩爆破坏时的照片，图6所示为5种卸载速率下试样的岩爆破坏形态，不同卸载速率下试样岩爆宏观破坏的具体特征如表1所示。由表1可见：随着卸载速率增大，花岗岩试样的岩爆破坏峰值强度呈增大的趋势，表明试样在较高卸载速率下抵抗变形破坏的能力增强。卸载速率提高，试样发生岩爆时的破坏现象也从少量碎屑沿临空面方向的剥落弹射变为大量碎屑的整体弹射，岩爆破坏的动力学特征越来越明显。

表1 试样岩爆宏观破坏特征Table 1 Macroscopic damage characteristics of rock burst for specimen

图5 试样岩爆破坏高速照片Fig.5 High-speed images of rock burst damage of specimen

图6 试样岩爆破坏形态Fig.6 Rock burst damage mode of specimen

如图6和表1所示，随着卸载速率增大，试样发生岩爆的破坏模式由张拉型破坏逐渐过渡到剪切型破坏，当卸载速率为0.100 MPa/s 时，侧向张拉裂纹贯穿岩体，试样具有明显的垂直板裂化破坏特征，说明张拉效应在试样岩爆过程中起主导作用；当卸载速率为20.000 MPa/s时，试样受剪切效应影响显著，形成贯穿侧向岩体的剪切斜裂纹和宏观滑移面。通过粗略量测试样的爆坑体积，发现爆坑体积随卸载速率增大呈上升趋势。爆坑破坏尺寸越大，岩爆烈度越强[31]，因此，在高卸载速率的影响下，试样内部损伤演化的程度降低，岩爆破坏的剧烈程度增强。

2.2 岩爆碎屑块度特征

收集每组岩爆实验结束后产生的碎屑，利用筛分孔径分别为0.075，0.250，0.500，1.000，2.000，5.000 和10.000 mm 的一组标准筛，将碎屑进行筛分，得到各粒径范围的碎屑。图7所示当卸载速率为0.025 MPa/s 时各粒径范围的花岗岩岩爆碎屑。根据何满潮等[32]将粒径d分为粗粒(d≥30.000 mm)、中粒(5.000 mm≤d＜30.000 mm)、细粒(0.075 mm≤d＜5.000 mm)、微粒(d＜0.075 mm)4个粒组，利用精度为0.001 g 电子天平称量每级筛上碎屑的质量。

图7 各粒径花岗岩岩爆碎屑Fig.7 Granite rock burst fragments with different particle sizes

表2为不同卸载速率下花岗岩岩爆碎屑在4个粒组范围内的质量及数量分布。从表2 可以看出：岩爆碎屑主要以粗粒和中粒为主。随着卸载速率增加，中粗粒碎屑数量及质量增加，细微粒碎屑的质量呈下降趋势。图8所示为各粒组碎屑的质量分数，由图8可知，随着卸载速率增加，中粗粒岩爆碎屑的质量分数呈增加趋势，而碎屑在微粒和细粒中的质量分数明显减小，说明卸载速率升高对试样内部的裂纹生成及扩展具有抑制作用，岩爆后产生的大块度碎屑相对较多，碎屑的破碎程度降低。

表2 不同粒组岩爆碎屑的质量及数量分布Table 2 Mass and quantity distribution of rock burst fragments with different grain groups

图8 不同卸载速率下各粒组碎屑质量分数Fig.8 Mass fraction of fragments with grain groups under different unloading rates

2.3 岩爆碎屑三维建模及误差分析

图9所示为不同形状的中粗粒岩爆碎屑与三维数字模型的对比图，从图9可以看出：岩爆碎屑三维数字模型能较好地还原碎屑真实的表面形貌特征。为了验证三维激光扫描系统采集结果的准确性，逐个计算不同卸载速率下中粗粒碎屑的体积，并比较碎屑扫描的三维数字模型体积，计算体积相对误差。图10 所示为不同卸载速率下中粗粒岩爆碎屑三维扫描的体积相对误差，从图10 可见：不同卸载速率下，中粗粒岩爆碎屑实际体积与三维模型体积的相对误差均在-5%～5%范围内，体积误差的平均值在-2%～1%范围内，说明通过三维激光扫描系统得到的碎屑三维模型体积误差较小，该系统可以准确测量碎屑形貌特征。

图9 原始碎屑与三维数字模型对比图Fig.9 Comparison of original fragments and threedimensional digital model of fragments

图10 不同卸载速率下中粗粒岩爆碎屑体积相对误差Fig.10 Volume relative error of medium-coarse grained rock burst fragments under different unloading rates

3 碎屑三维形貌特征参数

3.1 几何特征参数

3.1.1 比表面积S

根据碎屑密度ρ和建模计算得到的各中粗粒碎屑体积V1，可确定每个中粗粒碎屑的质量m，由式(2)计算得到碎屑的比表面积，它可以反映碎屑的破碎程度。

式中：S1为碎屑表面积。

图11所示为5种卸载速率下不同比表面积的碎屑数量统计分布图。由图11 可知，当卸载速率为0.025 MPa/s 时，碎屑的比表面积均大于4 cm2/g；当卸载速率达到20.000 MPa/s时，碎屑的比表面积的分布范围在2～6 cm2/g。因此，随着卸载速率增大，碎屑比表面积的分布范围减小，并且逐渐趋于低值。通过计算碎屑比表面积的平均值和标准差可知，随着卸载速率增大，中粗粒碎屑比表面积的平均值和标准差均呈减小的趋势，说明卸载速率越大，碎屑比表面积越小，破碎程度越低，碎屑粒径分布更加集中。

图11 不同卸载速率下碎屑的比表面积Fig.11 Specific surface area of fragments under different unloading rates

3.1.2 三维矩形度R3D

岩爆碎屑是复杂的三维结构体，为反映碎屑破裂面的不规则程度，根据数字处理软件Image-Pro-Plus给出的矩形度的概念[33]，定义三维矩形度R3D为：

式中：VMCC为最小外切长方体的体积。图12 所示为包络岩爆碎屑的最小外切长方体，通过建模软件Geomagic Studio可直接得出该长方体的体积。

图12 包络碎屑的最小外切长方体Fig.12 Minimum circumscribed cuboid enclosing fragment

图13 所示为不同卸载速率下碎屑扫描得到的三维矩形度。由图13(a)可知：不同卸载速率下，中粗粒岩爆碎屑三维矩形度的区间分布集中于0.2～0.6，随着卸载速率增大，碎屑的三维矩形度分布范围从0.1～0.5增至0.2～0.7。从图13(b)可见：卸载速率越大，碎屑的三维矩形度平均值越大，而标准差越小，表明卸载速率越大，碎屑对外切长方体的填充程度越高，碎屑几何形态越规则，各碎屑三维矩形度的离散程度越差。因此，卸载速率增大，试样内部的裂纹将沿着相对简单的发展路径进行发育、扩展和贯通，导致岩爆碎屑表面的棱角较少，提高了碎屑的三维矩形度，同时试样内部裂纹发育及扩展不充分，未形成切割岩爆碎屑的复杂裂隙网络，导致碎屑的几何形态相对简单。

图13 不同卸载速率下碎屑的三维矩形度Fig.13 Three-dimensional rectangle of fragments under different unloading rates

3.2 表面幅度特征参数

3.2.1 最大轮廓峰高hp

图14所示为碎屑表面幅度参数的测算基准面。计算轮廓峰高前，需利用Geomagic Wrap软件根据碎屑表面扫描的三维点云坐标及最小二乘法建立基准面位置，并通过软件自动计算得到基准面法线向量n=(A，B，C)、中心点坐标M=(x0，y0，z0)等参数，利用式(4)确定基准面方程。假设碎屑三维表面上有一点Q=(x1，y1，z1)，当z1＞z0时，点Q位于基准面的上方，即Q是峰点。根据式(5)可计算得到点Q到基准面的距离hp1，该值定义为轮廓峰高。在取样面积内会存在多个轮廓峰，每个轮廓峰对应一个轮廓峰高，用序列号hpi(i=1，2，…，m)代表第i个轮廓峰高，则该取样面积内hp可由式(6)表示。

图14 碎屑表面幅度参数的测算基准面Fig.14 Calculated datum plane for surface amplitude parameters of fragment

式中：D2为将平面的点法式化为一般式后的常数项。

式中：m为峰点个数。

3.2.2 最大轮廓谷深hv

假设碎屑三维破裂面上有一点P=(x2，y2，z2)，基准面的中心点M=(x0，y0，z0)，当z2＜z0时，点P位于基准平面的下方，即P是谷点，此时点P到基准面的距离即为轮廓谷深hv1，hv1与hp1的计算过程一致。用序列号hvj(j=1，2，…，n)代表在取样面积内第j个轮廓谷深，则该取样面积内hv为

式中：n为谷点个数。

3.2.3 表面算数平均高度Sa

表面算数平均高度Sa的定义是取碎屑表面各点到基准面高度差绝对值的平均值，表面算数平均高度常用来评估碎屑表面的粗糙度，计算公式如式(8)所示。

图15 所示为不同卸载速率下碎屑表面幅度特征参数的区间分布特征。由图15 可知：随着卸载速率增大，中粗粒岩爆碎屑的最大轮廓峰高、最大轮廓谷深和表面算数平均高度的分布范围有所减小，不同卸载速率下碎屑的最大轮廓峰高集中于0.20～0.80 mm区间内，最大轮廓谷深在2.0～3.0 mm区间内集中分布，碎屑的表面算数平均高度主要分布于0.01～0.15 mm 区间内，当rul≤0.100 MPa/s时，碎屑有较大的最大轮廓峰高、最大轮廓谷深和表面算数平均高度。

图15 不同卸载速率下碎屑表面幅度特征参数的区间分布特征Fig.15 Interval distribution of surface amplitude characteristic parameters of fragments under different unloading rates

图16 所示为不同卸载速率下岩爆碎屑表面幅度特征参数的平均值变化特征。由图16 可知：卸载速率越大，最大轮廓峰高、最大轮廓谷深和表面算数平均高度的平均值越小，即碎屑表面幅度特征参数均随卸载速率增大而减小，结合2.1节分析可知，在较大卸载速率下，岩爆试样的峰值强度越大，试样的损伤程度越小。试样内部裂纹的发育及扩展情况决定了试样的损伤程度和岩爆碎屑表面的复杂程度，因此，随着卸载速率增大，试样内部的裂纹发育减少，并且大部分裂纹将沿着原生裂纹通道扩展和贯通，较少生成新的发展路径，最终形成相对简单且平整光滑的岩爆碎屑表面，并导致碎屑表面幅度特征参数的区间分布更集中，降低了碎屑表面形貌的复杂程度。

图16 不同卸载速率下碎屑表面幅度特征参数的平均值Fig.16 Mean value of surface amplitude characteristic parameters of fragments under different unloading rates

4 碎屑表面形貌分形特征

采用分形理论计算碎屑表面三维形貌的分形维数，研究卸载速率对岩爆碎屑表面的复杂程度的影响。由于立方体覆盖法相较于其他分形计算方法更能反映碎屑表面的形貌特征[32]，因此，采用立方体覆盖法对岩爆碎屑表面三维形貌进行分形计算，立方体覆盖法的计算公式如式(9)所示。

式中：Nc为覆盖整个碎屑表面所需要的立方体数量；δ为立方体的边长；D为碎屑表面三维形貌分形维数。

采用不同边长的立方体对碎屑表面进行完全覆盖，获取所需的立方体数量，如图17 所示。选用卸载速率为0.050 MPa/s时试样的中粗粒碎屑(d≥10 mm)计算碎屑表面三维形貌分形维数，将统计结果绘制在双对数坐标系中，得到-lgδ与lgNc(δ)之间的关系，拟合直线的斜率即为碎屑表面三维形貌的分形维数，由图17 可知，碎屑的表面形貌在计算尺度内具有较好的分形特征。

图17 中粗粒碎屑表面形貌的分形维数计算Fig.17 Calculation of fractal dimension of surface morphology for medium-coarse grained fragments

图18 所示为5 种卸载速率下岩爆碎屑表面形貌分形维数在不同区间内的频数分布特征，由图18可知：

图18 不同卸载速率下碎屑表面形貌分形维数的频数分布Fig.18 Frequency distribution of fractal dimension of surface morphology for fragments under different unloading rates

1) 当rul≤0.100 MPa/s 时，随着分形维数增加，碎屑表面三维形貌分形维数的频数分数呈先增后减的趋势。

2) 当rul≤0.050 MPa/s 时，碎屑的分形维数在2.10～2.15区间内的频数分数最大。

3) 当rul=0.100 MPa/s时，碎屑分形维数的频数分数最大区间降至2.05～2.10。

4) 当rul≥1.000 MPa/s时，碎屑表面形貌分形维数的频数分数随着分形维数增加均呈递减的趋势，分形维数的频数分数最大区间为2.00～2.05。

图19 显示了不同卸载速率下碎屑表面形貌分形维数的变化特征。从图19 可以发现：随着卸载速率增加，分形维数均值呈递减的趋势，根据碎屑表面三维形貌分形维数的物理意义可知，碎屑表面三维形貌分形维数越小，碎屑表面形貌越简单。因此，随着卸载速率增大，试样内部裂纹会沿着相对简单的发展路径进行发育、扩展和贯通，最终将岩石分割成尺寸不同的岩块和碎屑，同时由于裂纹开裂和扩展不充分，消耗的能量较小，导致碎屑破裂面的复杂程度降低，从而形成平整光滑的碎屑表面形貌。

图19 不同卸载速率下碎屑表面形貌分形维数Fig.19 Fractal dimension of surface morphology for fragments under different unloading rates

5 卸载速率对岩爆孕育及发展过程的影响

岩爆破坏是从“静”到“动”的过程，内部存在原生裂纹的岩体在三向恒定应力作用下可维持静态平衡状态，人工开挖产生临空面后，破坏了岩体原始的应力平衡状态，伴随着围岩应力的重新分布和局部集中，岩体内部的原生裂纹将扩展、贯通，使岩体分割成碎屑，引起能量的耗散。当应力积聚到一定程度，裂纹会快速发展，促使岩体内部储存的剩余弹性能迅速转化为动能，岩爆碎屑向临空面方向弹射飞出，从而导致宏观动态破坏现象的发生。

在岩体由静态平衡演化为动态破坏过程中，首先，岩体内部裂纹的发育数量决定了其损伤程度，从而影响岩体岩爆时的破坏强度。其次，岩体内部裂纹的发育路径也决定了岩爆碎屑表面的复杂程度。

基于文献[34-35]与本研究得到，卸载速率对岩体内部裂纹的发育数量及发育路径具有显著的影响。一方面，随着卸载速率增加，岩体内部原生裂纹的发育时间缩短，在一定程度上限制了裂纹的发育数量，导致岩体内部的损伤程度降低，岩体抵抗变形破坏的能力增强，从而使岩体发生岩爆破坏时的峰值强度增大。另一方面，卸载速率升高，导致岩体中大部分裂纹未能在较短发育时间内增生出新的发育路径，因此裂纹将继续沿着原生发育通道进行扩展和贯通，从而难以在岩体内部形成分割碎屑的复杂裂纹贯通网络。当岩体在较高卸载速率下发生岩爆时，受内部裂纹发育路径的影响，岩爆碎屑表面形貌的复杂程度较低。岩爆碎屑表面形貌是岩体从细观损伤发展至宏观破坏的过程产物，并且该过程呈现出岩体内部的能量耗散及自身结构演化的分形特征。

6 结论

1) 在较高卸载速率下，试样抵抗变形破坏的能力增强，提高了岩爆发生时的峰值强度，试样岩爆后产生的爆坑体积较大，岩爆破坏更剧烈。随着卸载速率增大，试样由张拉型岩爆破坏过渡到剪切型岩爆破坏，试样的侧向岩体形成宏观剪切滑移面，岩爆后得到的中粗粒碎屑质量分数增加、细微粒碎屑的质量分数降低，说明卸载速率越大，碎屑的破碎程度降低。

2) 随着卸载速率增大，中粗粒岩爆碎屑的平均比表面积减小，而碎屑的平均三维矩形度增加，同时二者的标准差都呈下降趋势。在较高卸载速率下，试样内部裂纹的发育和扩展不充分，容易生成几何形态规则的大块度碎屑，并且降低碎屑块度及几何形态分布的均匀性。

3) 中粗粒岩爆碎屑的表面幅度特征参数及形貌分形维数均随着卸载速率增大而减小。卸载速率越大，试样内部裂纹的发展路径越简单，岩爆碎屑表面形貌复杂程度越低，碎屑表面更加平整光滑。

4) 在不同卸载速率下，北山预选区花岗岩均具有岩爆倾向性，且随着卸载速率增大，试件内部损伤程度降低，岩爆时的峰值强度和破坏烈度呈增大的趋势。在地下岩体工程开挖过程中，可适当地降低开挖速度，在一定程度上能有效控制岩爆发生的强度和可能性。