一种模拟岩墙强扰动触发型岩爆的实验方法与流程

本发明涉及一种模拟岩墙强扰动触发型岩爆的实验方法，特别适用于深部地下工程岩爆研究问题，属于水利水电工程与岩土工程技术开发领域。

背景技术：

近年来，国内外的矿山、水利水电工程、交通隧道、国防防护工程、核废料埋设等地下工程向深部不断扩展。在深部岩体开挖过程中，常遇到岩爆灾害问题。从岩爆的触发机制来看，岩爆可分为自发型与扰动触发型两大岩爆。自发型岩爆是指高地应力岩体由于开挖卸荷引起的应力集中超过围岩的承载能力导致岩体积蓄的弹性应变能急剧释放的岩爆，这种岩爆的主要能源来自岩体本身存储的应变能。扰动触发型岩爆是指开挖前地质构造运动或开挖后切向应力集中作用而存储大量弹性应变能的岩体在工程爆破、机械振动、地震波等外界扰动作用下触发的岩爆，这种岩爆的主要能源来自岩体存储的应变能与外界扰动能量的组合。扰动触发型岩爆的发生具有随机性、滞后性和突然性等三个特点，可导致深部地下岩体工程施工中人员的伤亡、开挖设备的毁坏和工期的拖延，从而造成重大经济损失。

近几年，国内外已有近百座矿山开采深度达到千米以上；拟建水电工程和交通隧道大多以纵横交错的洞室群作为其主要建筑物。这些隧洞与隧洞之间形成的岩墙和连续矿柱形成的岩墙对于施工人员以及工程的安全起着至关重要的作用。随着开挖深度的增加，顶板压力不断增大，当系统储存的能量达到临界状态时在开挖或者其他扰动作用下可引发岩爆。

目前，对于扰动触发型岩爆试验及机理研究，大多侧重于研究岩石破坏的变形、损伤和断裂等方面，对于冲击扰动荷载和循环扰动荷载对岩爆的影响，特别是对岩墙岩爆发生规律的认识尚浅。所以在深埋地下工程开挖、爆破过程中，为了研究冲击和循环荷载对岩墙岩爆的影响，本申请人对基于冲击扰动荷载和循环荷载的岩墙岩爆现象进行了实验室模拟，提出了一种模拟岩墙强扰动触发型岩爆的实验方法。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种模拟岩墙强扰动触发型岩爆的实验方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种模拟岩墙强扰动触发型岩爆的实验方法，该实验方法利用高压伺服真三轴压力机，采用动静荷载组合的加载方式实现冲击扰动触发岩爆，包括如下步骤：

(1)制作第一块岩体试件和第二块岩体试件，第一块岩体试件和第二块岩体试件都取于相同开挖现场岩体，

(2)利用高压伺服真三轴压力机对第一块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，X向应力为静载应力，Z向应力持续增大直至试件发生破坏，记录岩体试件破坏时的基本参数，所述基本参数包括弹性模量、泊松比、Z向应力的峰值强度以及X向应力值，

(3)根据步骤(2)获得的基本参数，利用高压伺服真三轴压力机对第二块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，模拟岩墙受静载应力作用的情况，其中，X向应力为步骤(1)确定的静载应力水平，Z向应力为初始静载应力；

(4)通过高压伺服真三轴压力机的伺服控制系统，对第二块岩体试件加载X向或Z向冲击扰动荷载，用以模拟爆破瞬间对邻近岩墙产生的冲击波；

(5)在所述步骤(4)的冲击扰动荷载作用下，使得第二块岩体试件Y向的两个水平临空面出现弹射破坏，观察、记录碎块弹射破坏过程，冲击扰动触发岩爆实验结束。

所述步骤(3)中，加载初始静载应力的加载方式是力加载控制或位移加载控制。

所述步骤(4)中，冲击扰动荷载为单脉冲扰动波，波形包括三角波、正弦波、方波和锯齿波。

所述步骤(4)中，冲击扰动荷载与步骤(3)所述的Z向初始静载应力之和大于步骤(2)确定的Z向应力的峰值强度。

所述步骤(5)中，分别采用两台高速数字摄像机记录第二块岩体试件两个临空面的岩爆弹射破坏过程，通过高速摄像影像运动学分析方法估算岩爆碎块的弹射速度，再称取弹射碎块的质量估算岩爆碎块弹射动能。

一种模拟岩墙强扰动触发型岩爆的实验方法，该实验方法利用高压伺服真三轴压力机，采用动静荷载组合的加载方式实现循环荷载作用下的动力触发岩爆，包括如下步骤：

(1)制作第一块岩体试件和第二块岩体试件，第一块岩体试件和第二块岩体试件都取于相同开挖现场岩体，

(2)利用高压伺服真三轴压力机对第一块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，X向应力为静载应力，Z向应力持续增大直至试件发生破坏，记录岩体试件破坏时的基本参数，所述基本参数包括弹性模量、泊松比、Z向应力的峰值强度以及X向应力值，

(3)根据步骤(2)获得的基本参数，利用高压伺服真三轴压力机对第二块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，模拟岩墙受静载应力作用的情况，其中，X向应力为步骤(1)确定的静载应力水平，Z向应力为初始静载应力；

(4)通过高压伺服真三轴压力机的伺服控制系统，对第二块岩体试件加载X向或Z向循环扰动荷载，用以模拟爆破冲击波衰减成压缩正弦波、地震波或岩墙周围机械振动产生的应力波；

(5)在所述步骤(4)的循环扰动荷载作用下，持续循环扰动荷载作用至第二块岩体试件Y向的两个水平临空面出现弹射破坏，观察、记录碎块弹射破坏过程，循环荷载作用下动力触发岩爆实验结束。

所述步骤(3)中，加载初始静应力的加载方式是力加载控制或位移加载控制。

所述步骤(4)中，循环扰动荷载为循环脉冲波，波形包括三角波、正弦波、方波和锯齿波，脉冲频率根据实验要求设定。

所述步骤(4)中，循环扰动荷载与步骤(3)所述的Z向初始静载应力之和小于步骤(2)确定的Z向应力的峰值强度。

所述步骤(5)中，分别采用两台高速数字摄像机记录第二块岩体试件两个临空面的岩爆弹射破坏过程，通过高速摄像影像运动学分析方法估算岩爆碎块的弹射速度，再称取弹射碎块的质量估算岩爆碎块弹射动能。本发明取得了以下技术效果：

本发明通过上述的技术方案，首先可以真实的模拟开挖后岩墙受静载应力作用的受力状态。其次，通过对岩体试件在一个或两个方向施加冲击扰动荷载或循环荷载，真实的模拟了工程现场爆破、机械振动、地震波对岩墙岩体产生的扰动荷载情况。根据实验设计，可以实现不同扰动类型联合作用下对岩墙岩体产生的扰动荷载情况。

本发明通过上述的技术方案，成功实现了岩墙的冲击扰动触发岩爆和循环荷载作用下的动力触发岩爆。通过研究岩墙的强扰动触发型岩爆机理，为逐步了解和掌握岩爆的本质提供了科学的依据。

附图说明

图1是本发明模拟的岩墙单元体受扰动的应力状态示意图。

图2是图1中A位置的放大示意图。

图3是本发明模拟岩墙强扰动触发型岩爆的实验方法第一实施例的应力-时间曲线图。

图4A至图4D是本发明模拟岩墙强扰动触发型岩爆的实验方法第一实施例中，高速摄像机记录的岩爆弹射过程图。

图5是本发明模拟岩墙强扰动触发型岩爆的实验方法第二实施例的应力-时间曲线图。

图6A至图6D是本发明模拟岩墙强扰动触发型岩爆的实验方法第二实施例中，高速摄像机记录的岩爆弹射过程图。

图中：σ₁-地应力的第一主应力，σ₃-地应力的第三主应力，σ_t-扰动应力，σ_x-岩石单元体的水平向应力，σ_z-岩石单元体的竖直向应力，1、岩石单元临空面，2、隧洞，3、岩石单元，4、应力方向。

具体实施方式

下面结合附图详细描述岩墙的动力触发型岩爆实验方法具体实施例。其中，模拟岩墙的强扰动触发型岩爆实验方法，包括模拟冲击扰动触发岩爆实验方法和模拟循环荷载作用下的动力触发岩爆实验方法。

实施例1介绍了模拟岩墙冲击扰动触发岩爆实验方法，实施例2介绍了模拟岩墙循环荷载作用下的动力触发岩爆实验方法。

实施例1

一种模拟岩墙强扰动触发型岩爆的实验方法，该实验方法利用高压伺服真三轴压力机，采用动静荷载组合的加载方式实现冲击扰动触发岩爆，包括如下步骤：

(1)制作第一块岩体试件和第二块岩体试件，第一块岩体试件和第二块岩体试件都取于相同开挖现场岩体，

(2)利用高压伺服真三轴压力机对第一块岩体试件加载X向应力(水平向应力)和Z向应力(竖直向应力)，保持Y向的两个水平面处于临空状态，X向应力为静载应力，Z向应力持续增大直至试件发生破坏，记录岩体试件破坏时的基本参数，所述基本参数包括弹性模量、泊松比、Z向应力的峰值强度以及X向应力值，

(3)根据步骤(2)获得的基本参数，利用高压伺服真三轴压力机对第二块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，模拟岩墙受静载应力作用的情况，其中，X向应力为步骤(1)确定的静载应力水平，Z向应力为初始静载应力，

(4)通过高压伺服真三轴压力机的伺服控制系统，对第二块岩体试件加载X向或Z向冲击扰动荷载，用以模拟爆破瞬间对邻近岩墙产生的冲击波；

(5)在所述步骤(4)的冲击扰动荷载作用下，使得第二块岩体试件Y向的两个水平临空面出现弹射破坏，观察、记录碎块弹射破坏过程，冲击扰动触发岩爆实验结束。

本实施例步骤(1)制作的第一块岩体试件和第二块岩体试件都取于相同开挖现场的花岗岩岩体，尺寸均为100mm×100mm×200mm(长×宽×高)。

本实施例步骤(2)实验结果表明，第一块岩体试件在X向应力为30MPa时，Z向应力持续加载至180MPa(峰值强度)时岩体试件发生破坏。

本实施例步骤(3)和(4)中，以力加载控制的方式对第二块岩体试件加载的X向应力大小为30MPa，X向应力的加载速率为0.25MPa/s，以力加载控制的方式对第二块岩体试件加载大小为110MPa的Z向初始静载应力，Z向初始静载应力的加载速率为0.5MPa/s，保持X向应力和Z向初始静载应力恒定1分钟。

然后，对第二块岩体试件加载大小为110MPa的Z向冲击扰动荷载，Z向冲击扰动荷载冲击瞬间,第二块岩体试件两个临空面出现剧烈岩爆，大量碎块向外弹射，并伴随着一声巨响，实验结束。本实施例所述冲击扰动荷载的波形为三角波。图3是步骤(3)和(4)实验过程的应力-时间曲线。

分别采用两台高速数字摄像机记录第二块岩体试件两个临空面的岩爆弹射破坏过程，结果如图4A至图4D所示。最后通过高速摄像影像运动学分析方法估算岩爆碎块的弹射速度，再称取弹射碎块的质量估算岩爆碎块弹射动能。

在其他较优的实验过程中，Z向初始静载应力大小为Z向应力的峰值强度的60-80％，并保持应力水平0.5-2分钟，其中加载两向初始静应力的加载方式可以选择是力加载控制或位移加载控制，力加载速率为0.05-1MP/s，位移加载速率为0.001-0.1mm/s，冲击扰动荷载为单脉冲扰动波，波形包括三角波、正弦波、方波和锯齿波。所述冲击扰动荷载与步骤(3)所述的Z向初始静载应力之和大于步骤(2)确定的Z向应力的峰值强度。

实施例2

一种模拟岩墙强扰动触发型岩爆的实验方法，该实验方法利用高压伺服真三轴压力机，采用动静荷载组合的加载方式实现循环荷载作用下的动力触发岩爆，包括如下步骤：

(1)制作第一块岩体试件和第二块岩体试件，第一块岩体试件和第二块岩体试件都取于相同开挖现场岩体，

(2)利用高压伺服真三轴压力机对第一块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，X向应力为静载应力，Z向应力持续增大直至试件发生破坏，记录岩体试件破坏时的基本参数，所述基本参数包括弹性模量、泊松比、Z向应力的峰值强度以及X向应力值，

(3)根据步骤(2)获得的基本参数，利用高压伺服真三轴压力机对第二块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，模拟岩墙受静载应力作用的情况，其中，X向应力为步骤(1)确定的静载应力水平，Z向应力为初始静载应力；

(4)通过高压伺服真三轴压力机的伺服控制系统，对第二块岩体试件加载X向或Z向循环扰动荷载，用以模拟爆破冲击波衰减成压缩正弦波、地震波或岩墙周围机械振动产生的应力波；

(5)在所述步骤(4)的循环扰动荷载作用下，持续循环扰动荷载作用至第二块岩体试件Y向的两个水平临空面出现弹射破坏，观察、记录碎块弹射破坏过程，循环荷载作用下动力触发岩爆实验结束。

本实施例步骤(1)制作的第一块岩体试件和第二块岩体试件都取于相同开挖现场的花岗岩岩体，尺寸均为100mm×100mm×200mm(长×宽×高)。

本实施例步骤(2)实验结果表明，第一块岩体试件在X向应力为30MPa时，Z向应力持续加载至180MPa(峰值强度)时岩体试件发生破坏。

本实施例步骤(3)和(4)中，以力加载控制的方式对第二块岩体试件加载的X向应力大小为30MPa，X向应力的加载速率为0.25MPa/s，以力加载控制的方式对第二块岩体试件加载大小为110MPa的Z向初始静载应力，Z向初始静载应力的加载速率为0.5MPa/s，保持X向应力和Z向初始静载应力恒定1分钟。

然后，对第二块岩体试件加载Z向循环扰动荷载，Z向循环扰动荷载的大小为40MPa、Z向循环扰动荷载的扰动频率为2Hz、Z向循环扰动荷载的波形为正弦波，扰动至55s时，岩体试件两个临空面出现剧烈岩爆，大量碎块向外弹射，并伴随着一声清脆声响，实验结束。图5是上述实验过程的应力-时间曲线。

分别采用两台高速数字摄像机记录第二块岩体试件两个临空面的岩爆弹射破坏过程，结果如图6A至图6D所示。最后通过高速摄像影像运动学分析方法估算岩爆碎块的弹射速度，再称取弹射碎块的质量估算岩爆碎块弹射动能。

在其他较优的实验过程中，Z向初始静载应力大小为Z向应力的峰值强度的60-80％，并保持应力水平0.5-2分钟，其中加载两向初始静应力的加载方式可以选择是力加载控制或位移加载控制，力加载速率为0.05-1MP/s，位移加载速率为0.001-0.1mm/s，循环扰动荷载为循环脉冲扰动波，波形包括三角波、正弦波、方波和锯齿波。所述循环扰动荷载与步骤(3)所述的Z向初始静载应力之和小于步骤(2)确定的Z向应力的峰值强度。