CN106501081A - 一种模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法，该方法采用单面临空、五面受力的真三轴加载路径与边界条件，通过施加一定的三向荷载并控制一个方向的加载速率，利用处于单面临空且三向压缩应力状态的长方体岩样模拟现场围岩代表性岩石单元在切向应力集中过程中的特殊力学行为。采用该方法可在实验室再现拉张型岩爆的孕育与发生全过程。本发明解决了传统室内试验方法无法合理模拟复杂应力条件下拉张型岩爆的问题，对推进此类型岩爆的机理与预测研究具有重要的现实意义和学术价值。

Description

一种模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法

技术领域

本发明属于岩石力学试验研究领域，尤其涉及一种模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法。

背景技术

近年来，大型岩土工程建设逐渐向深部拓展，所处的高地应力环境极易诱发岩爆灾害。岩爆是指深部地下工程开挖过程中，径向(垂直于开挖边界)应力释放，切向(平行于开挖边界且垂直洞轴)应力不断集中，开挖边界附近一定深度范围内硬脆性围岩发生的弹射破坏现象。因发生突然且地下工程空间有限，岩爆常常造成人员伤亡、设备损坏和开挖面的严重破坏。如2009年11月28日锦屏二级水电站引水隧洞施工排水洞发生极强岩爆，爆坑深度达8～9m，纵向范围约30m，爆方总量近千立方米，支护系统全部毁损，TBM设备被埋，主梁断裂，7名工人遇难，1人受伤。由于孕育发生的内外部条件复杂，岩爆机制仍不十分清楚，已成为岩石力学与工程领域亟待解决的难题，迫切需要系统开展室内模拟试验研究。

根据岩爆坑形成的力学机制，岩爆可分为剪切型和拉张型岩爆。与围岩较深处发生剪切破坏而导致的剪切型岩爆(岩爆坑多呈“V”型，岩爆碎屑多呈块状)不同，深部地下工程隧洞开挖经常伴随拉张型岩爆的发生，其特点是与洞壁平行的表层劈裂岩板折断后的弹射破坏为主，其爆坑多呈“浅窝型”，岩爆碎屑多呈板状。拉张型岩爆破坏过程可简单描述为开挖边界附近一定深度范围内围岩因开挖卸荷及切向应力集中岩体内裂纹萌生、扩展与贯通，从而产生张性板裂化，且随着切向应力的持续升高，劈裂岩板不断屈曲积聚弹性应变能，最终突发屈曲折断并伴随弹性应变能的瞬间释放，破碎岩板弹射抛出。大量的现场的现场调查及理论解析表明，张拉型岩爆多属于弱或中等岩爆，若地应力进一步升高或应力重分布过程明显加快，可演变为更大范围的剪切型强或极强岩爆。

当前，工程实践中，拉张型岩爆的合理预测较为困难，预测水平难以满足工程实践要求，根本原因在于拉张型岩爆的影响因素多、发生机制高度复杂。

室内岩爆试验是岩爆机制研究的重要手段。现场开挖边界附近围岩的拉张型岩爆多发生在径向应力卸荷后、切向应力不断集中的过程中，并常常明显滞后于开挖，属于加载岩爆的范畴。受试验条件的限制，当前的室内岩爆试验研究多仅关注开挖边界处的围岩破坏，且侧重于卸载过程模拟，属于卸载岩爆试验。洞室开挖后，开挖边界附近一定深度范围内岩体受到沿洞径方向连续变化的切向正应力、洞轴向正应力、径向正应力、及表面剪应力等多种应力共同作用。采用单面临空、五面受力的特殊真三轴方式开展加载试验，能够真实模拟现场拉张型岩爆的孕育发生环境。

多数利用完整岩石的室内岩爆试验的试件尺寸较小，尤其厚度(沿径向)较小(约30mm)。较小尺寸试件的弹射破坏很难呈现现场开挖边界附近一定深度范围内拉张型岩爆由渐进破坏到突发失稳的过程，且不便于观测记录。采用更大尺寸的试件能够更好地呈现开挖边界附近不同深度围岩体的破坏，揭示拉张型岩爆的孕育发生机制。

综上所述，当前开挖边界附近一定深度范围内的拉张型岩爆的室内试验模拟尚未见可借鉴方法。为了深入研究拉张型岩爆的发生机制，本发明申请人模拟现场张拉型岩爆孕育发生环境，开展了单面临空、五面受力的特殊真三轴状态下的加载岩爆试验，提出了一种模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法。

发明内容

本发明的目的提供一种模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法，包括如下步骤：

一种模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法，其特征在于：操作步骤如下：

步骤1：根据试验机的加载条件、模拟对象的发生环境、拟用岩石的强度性质确定试件的几何尺寸，并制作满足精度要求的岩石试件。

步骤2：参照现场围岩的应力及边界条件，采用单面临空、五面受力的特殊真三轴加载方式，并考虑试验效果，选定围压水平和加载速率及控制方式。

步骤3：同时向试件竖向和水平轴向施加荷载，分别模拟现场的切向及洞轴向应力，保持水平径向一面自由，并随后向另一面施加荷载，模拟现场开挖形成的自由边界及沿径向梯度分布的径向应力。

步骤4：水平轴向及水平径向(单面)达到指定荷载后停止加载并保持荷载恒定，竖向采取设计的速率及控制方式继续加载至试件自由面附近明显板折弹射后即刻停止加载。

步骤5：采用变形、应力、声发射等测量仪器对试验过程进行监测记录。

步骤6：试验数据整理与分析。

上述步骤1的岩石试件为具有良好完整性的硬脆性围岩的代表性单元，具体采用200×100×100mm或更大尺寸的长方体岩块，如花岗岩、大理岩，加工精度严格按国际岩石力学协会标准。

上述步骤2的单面临空、五面受力的特殊真三轴加载方式借助试件与夹具间赋存的摩擦或剪应力实现，属于非主应力空间的加载，可真实模拟开挖边界附近一定深度范围内岩体的受力及约束。

上述步骤3、步骤4的水平轴向应力及水平径向应力梯度选取相对小值，特别是水平径向应力梯度；竖向应力的继续加载采用较低应变速率的位移控制或应力控制。具体地，对于200×100×100mm试件，σ_z的继续加载速率应控制在0.01mm/min以下，或以应力控制加载，速率应设置在0.05MPa/s以下。

上述步骤5的试验过程监测记录采用试验机控制及采集系统记录试件应力-应变特征，采用声发射、录音笔、分贝仪记录试验过程中的物理信号，采用录像机记录试验过程影像，采用高速摄像机记录岩爆瞬间试件自由面附近的碎块弹射过程，并在试验结束后对试件进行全方位拍照。

上述步骤6的试验数据整理与分析，利用试验过程中监测与记录的岩石的应力与变形、裂纹发育、动力弹射等信息，并结合试样及破碎岩块的形态等，对拉张型岩爆发生过程中岩石的变形特特性、断裂损伤发育、破坏模式及动能释放规律等进行全面分析，其中特别的，利用专业影像分析软件追踪高速摄像中弹射岩块的飞行轨迹，并进一步测算其弹射速度，可最终统计估算出岩爆弹射破坏的动能。

本发明的优点和积极效果：

1.可在室内再现拉张型岩爆破坏过程，为张拉型岩爆的机制与预测研究提供了有力的试验手段。

2.可真实模拟拉张型岩爆孕育发生环境。本发明方法在单面临空、五面受力的特殊真三轴应力状态下开展加载岩爆试验，真实模拟隧洞开挖边界附近一定深度范围内围岩体受开挖扰动，径向应力释放，切向应力不断集中的受力及约束条件。采用本发明方法实施的拉张型岩爆试验的破坏现象与现场拉张型岩爆破坏现象基本相同，并且试件的破坏特征与模式同现场情况较吻合。

3.可揭示开挖边界附近不同深度围岩的破坏特征与模式。本发明方法采用相对大尺寸的岩石试件，尤其是径向厚度，试验中试件的破坏能够呈现现场沿径向不同深度围岩的破坏特征与模式。

4.可实现拉张型岩爆破坏过程的精细分析。本发明方法对岩爆过程中的岩石的应力与变形、裂纹发育、动力弹射等信息或现象进行详细的监测与记录，可获得岩石的变形特性、断裂损伤发育及动能释放规律等。

本发明模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法明显不同于传统的单轴压缩、常规三轴压缩及真三轴压缩等基于主应力空间的小尺寸岩样的材料力学试验方法，克服了上述方法不能合理模拟三维应力条件下的拉张型岩爆及其弹射过程的局限性，为拉张型岩爆机制的试验研究提供有力支撑，对科学研究及工程实践具有重要意义。

附图说明

图1是本发明洞室开挖边界附近一定深度范围内岩体的应力状态示意图。

图2是本发明单面临空、五面受力的特殊真三轴加载示意图。

图3是本发明试验的加载路径图。

图4是本发明拉张型岩爆试验案例的试件破坏过程图。

图5是本发明拉张型岩爆的爆坑形态图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步描述。应当注意，这里描述的实施方案只用于举例说明，并不限制本发明。

深部地下洞室开挖后，边界附近一定深度范围内岩体的应力状态如图1所示。本发明采用单面临空、五面受力的特殊真三轴方式加载以模拟上述应力状态，如图2所示。其中，竖向应力σ_z模拟现场切向应力σ_θ，水平向应力σ_x模拟现场洞轴向应力σ_a，水平向应力σ_y模拟现场径向应力(分布)σ_r。参考现场开挖扰动下应力的重分布过程，制定并采用图3所示的试验加载路径。选用具有良好完整性的硬脆性岩石试件，如花岗岩、大理岩等为围岩代表性单元，具体采用长200(高，沿竖直z向)×100(宽，沿水平x向)×100(厚，沿水平y向)mm或更大尺寸的长方体岩石试件。

本发明借助自主研制的真三轴试验系统开展拉张型岩爆模拟，该系统包括岩爆试验机、液压动力系统、控制系统、高速摄像机、声发射仪、分贝仪、数码录像机等。其中，岩爆试验机是高压伺服动真三轴压力机(专利号：ZL 2014 2 0227384.6)，主机采用整体框架结构，竖直z向框架刚度不小于9000kN/mm，水平x、y向框架刚度不小于5000kN/mm；试验机可在x向和z向单向独立加静载，在y向为双向独立加静载，加载采用刚性推头由全数字伺服控制器分别独立控制；试验机z向最大加载静压力为5000kN，x向和y向最大加载静压力均为3000kN。借助加载夹具提供夹持及摩擦，试验机可实现单面临空、五面受力的特殊真三轴应力状态加载。

模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法具体实施步骤：

步骤1：制作岩石试件。从完整的大块岩石体上切割略大于(超出1～2mm)标准尺寸的长方体试件，按照各表面不平整度不大于±0.02mm，相邻两表面垂直度偏差不大于±0.25°进行精细打磨。测量试件的质量、超声波波速等物理力学参数。

步骤2：安装试件与加载夹具。组装试件与五面加载夹具整体(图2)，并安装至真三轴试验机对应加载位置，调整并确保各向加载对中，随后在夹具周围布置声发射探头和变形计。

步骤3：试验预加载。先将竖直z向加载推头与加载夹具贴合，并加载σ_z至2MPa(即20kN)，以2mm/min的速率；随后将水平x向加载推头与加载夹具贴合，并加载σ_x至0.5MPa(即10kN)，同样以2mm/min的速率；最后将水平y向加载推头(单面)与加载夹具贴合。

步骤4：试验加载。按照图3所示应力路径进行加载。首先，采用应力控制加载σ_z及σ_x，以0.5～2.0MPa/s；随后采用应力控制加载σ_y(单面)，以0.1～0.5MPa/s；最后σ_x及σ_y达到指定荷载后停止加载并保持荷载恒定，以较低应变速率继续加载σ_z至试件自由面附近明显板折弹射后即刻停止加载，试验结束。具体地，对于200×100×100mm试件，σ_z的继续加载速率应控制在0.01mm/min以下，或以应力控制加载，速率应设置在0.05MPa/s以下。

步骤5：试验监测与记录。试验过程中，采用试验机控制及采集系统记录试件应力-应变特征，采用声发射、录音笔、分贝仪记录试验过程中的物理信号，采用录像机记录试验过程影像，采用高速摄像机记录岩爆瞬间试件自由面附近的碎块弹射过程，并在试验结束后对试件进行全方位拍照。

步骤6：试验数据整理与分析。利用试验过程中监测与记录的岩石的应力与变形、裂纹发育、动力弹射等信息，并结合试样及破碎岩块的形态等，对拉张型岩爆发生过程中岩石的变形特特性、断裂损伤发育、破坏模式及动能释放规律等进行全面分析。其中特别的，利用专业影像分析软件追踪高速摄像中弹射岩块的飞行轨迹，并进一步测算其弹射速度，可最终统计估算出岩爆弹射破坏的动能。

典型试验案例。选取200×100×100mm的长方体花岗岩试件；设定x方向应力30MPa，y方向(单面)应力为0.5MPa；正确安装试件及加载夹具，并完成预加载；采取应力控制0.5MPa/s，加载σ_z及σ_x，并随后采用应力控制0.01MPa/s，加载σ_y(单面)；σ_x达到30MPa或σ_y达到0.5MPa后停止加载并保持荷载，继续加载σ_z，以位移控制，速率为0.006mm/min；试样的临空面相继出现颗粒弹射、板裂、板外鼓、及板折弹射，随即停止加载σ_z，至此结束试验。整理并分析试验数据包括的应力-应变数据、声发射数据、高速影像等。高速摄像机记录的试件自由面附近的破坏过程如图4所示，试件整体的断裂破坏形态与模式如图5所示。

可见，本发明的技术方案可在实验室内再现拉张型岩爆。

本发明所述技术方案，仅为本发明较好且典型的具体实施方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法，其特征在于：操作步骤如下：

步骤1：根据试验机的加载条件、模拟对象的发生环境、拟用岩石的强度性质确定试件的几何尺寸，并制作满足精度要求的岩石试件；

步骤2：参照现场围岩的应力及边界条件，采用单面临空、五面受力的特殊真三轴加载方式，并考虑试验效果，选定围压水平和加载速率及控制方式；

步骤3：同时向试件竖向和水平轴向施加荷载，分别模拟现场的切向及洞轴向应力，保持水平径向一面自由，并随后向另一面施加荷载，模拟现场开挖形成的自由边界及沿径向梯度分布的径向应力；

步骤4：水平轴向及水平径向单面达到指定荷载后停止加载并保持荷载恒定，竖向采取设计的速率及控制方式继续加载至试件自由面附近明显板折弹射后即刻停止加载；

步骤5：采用变形、应力、声发射等测量仪器对试验过程进行监测记录；

步骤6：试验数据整理与分析。

2.根据权利要求1所述的模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法，其特征在于：所述步骤1的岩石试件为具有良好完整性的硬脆性围岩的代表性单元，具体采用200×100×100mm或更大尺寸的长方体岩块，如花岗岩、大理岩，加工精度严格按国际岩石力学协会标准。

3.根据权利要求1所述的模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法，其特征在于：所述步骤2的单面临空、五面受力的特殊真三轴加载方式借助试件与夹具间赋存的摩擦或剪应力实现，属于非主应力空间的加载，可真实模拟开挖边界附近一定深度范围内岩体的受力及约束。

4.根据权利要求1所述的模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法，其特征在于：所述步骤3、步骤4的水平轴向应力及水平径向应力梯度选取相对小值，特别是水平径向应力梯度；竖向应力的继续加载采用较低应变速率的位移控制或应力控制。

5.根据权利要求1所述的模拟拉张型岩爆的真三轴试验方法，其特征在于：所述步骤5的试验过程监测记录采用试验机控制及采集系统记录试件应力-应变特征，采用声发射、录音笔、分贝仪记录试验过程中的物理信号，采用录像机记录试验过程影像，采用高速摄像机记录岩爆瞬间试件自由面附近的碎块弹射过程，并在试验结束后对试件进行全方位拍照。

6.根据权利要求1所述的模拟剪切型岩爆的真三轴试验方法，其特征在于：所述步骤6的试验数据整理与分析，利用试验过程中监测与记录的岩石的应力与变形、裂纹发育、动力弹射等信息，并结合试样及破碎岩块的形态等，对拉张型岩爆发生过程中岩石的变形特特性、断裂损伤发育、破坏模式及动能释放规律等进行全面分析，其中特别的，利用专业影像分析软件追踪高速摄像中弹射岩块的飞行轨迹，并进一步测算其弹射速度，可最终统计估算出岩爆弹射破坏的动能。