一种模拟剪切型岩爆的真三轴试验方法与流程

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

背景技术：

近年来，采矿、水利、交通、核废料处理等领域的迅猛发展使得地下工程开挖深度与规模不断扩大，随之不断升高的地应力诱发开挖边界附近围岩频繁发生岩爆灾害。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，岩爆可分为拉张型和剪切型岩爆。与表层围岩发生岩板劈裂后岩板突然折断破坏而导致的拉张型岩爆(岩爆坑多呈“浅窝型”，岩爆碎屑主要呈板状)不同，剪切型岩爆常伴随深处的剪断滑移出现，体量巨大的岩石块片弹射抛出，爆坑多呈“V”型或“深窝型”，岩爆碎屑主要呈块状，破坏更为猛烈。剪切型岩爆是指深部地下工程的较完整硬脆岩体开挖后，应力重分布使得局部围岩的切向压应力逐渐增大，表层围岩因洞径方向应力的失去受到压致张拉作用，深处围岩因洞径方向应力的存在受到三向受压作用，当切向压应力超过深部岩体的极限承载力时，高应力岩体突然发生剪切滑移导致大量岩石块片弹射抛出的强烈动力地质灾害现象。

当前，工程实践中，剪切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，根本原因在于剪切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。当前的岩爆试验研究大多仅关注洞室开挖边界处围岩的失稳破坏，并借助单轴、双轴、常规三轴及真三轴的加卸载试验模拟岩爆的应力状态。大量的现场调查及理论解析表明，剪切型岩爆多发生于开挖边界附近一定深度范围内，伴随着深处的剪断滑移，且常常明显滞后于开挖，发生在径向应力卸荷后、切向应力不断集中的过程中，属于加载岩爆的范畴。洞室开挖后，开挖边界附近一定深度范围内岩体受到切向正应力、洞轴向正应力、径向正应力、及表面剪切应力等多种应力共同作用，即处于单面临空、五面受力的特殊真三轴应力状态。同时，高地应力条件下，特别大、小主应力差异较大时，开挖边界处径向应力为零，远离开挖边界径向应力急剧升高，开挖边界附近一定深度范围内径向应力呈明显梯度分布。因此，采用单面临空、五面受力的特殊真三轴方式开展加载试验，并考虑径向应力的梯度分布，能够真实模拟现场剪切型岩爆的孕育发生环境。

传统的真三轴岩爆试验不考虑梯度分布的径向应力的影响，试件厚度方向(模拟隧洞的半径方向)较小，试验很难模拟现场开挖边界附近一定深度范围内岩体的应力条件，特别是径向应力的梯度分布。同时，小尺寸试件的弹射破坏很难呈现现场一定深度范围的剪切型岩爆破坏，且不便于观测记录。采用更大尺寸试件能够更好地模拟开挖边界附近一定深度范围内围岩的应力及边界条件，呈现岩体沿径向不同的断裂破坏时机与模式，以揭示剪切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剪切型岩爆的室内试验模拟尚未见可借鉴方法。本发明提出一种模拟剪切型岩爆的真三轴试验方法，通过较大尺寸的岩样加载在室内再现因洞室切向压应力集中而导致的剪切岩爆过程，为此类型岩爆机理研究提供一种实用有效的技术手段。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种模拟剪切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：

一种模拟剪切型岩爆的真三轴试验方法，包括如下步骤：

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等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，分别模拟隧洞的环向应力、隧洞纵轴方向应力，保持水平径向一面自由，并随后向另一面施加荷载，模拟隧洞开挖后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，竖向以力或位移的控制方式、采用合适的加载速率持续加载，加载至试件破坏后停止加载。

步骤5：竖向加载过程中，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，采用高速摄像机监测岩样临空面的破坏现象。

步骤6：试验数据整理与分析。

上述步骤1的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、大理岩等，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主要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)选取相对大值，特别是水平径向应力(梯度)；竖向应力的继续加载采用较高应变率的位移控制或应力控制。具体地，对于200×100×100mm试件，应力加载速率应控制在0.5MPa/s以上，或以位移控制加载时，加载速率应设置在0.1mm/min以上。

上述步骤3的水平轴向应力及水平径向应力(梯度)选取相对大值，特别是水平径向应力(梯度)；竖向应力的继续加载采用较高应变率的位移控制或应力控制。具体地，对于200×100×100mm试件，应力加载速率应控制在0.5MPa/s以上，或以位移控制加载时，加载速率应设置在0.1mm/min以上。

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，对剪切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.可在室内再现剪切型岩爆破坏过程，为剪切型岩爆的机制与预测研究提供了有力的试验手段。

2.可真实模拟剪切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影响，径向应力释放，切向应力不断集中的受力及约束条件，及深处明显升高的径向应力。采用本发明方法实施的剪切型岩爆试验的破坏现象与现场剪切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，尤其是径向厚度较大，试验能够模拟现场沿径向不同深度围岩的破坏特征与模式，可较真实地再现表层围岩发生劈裂破坏而深层围岩发生剪切破坏的现场岩爆过程。

4.可实现剪切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。

本发明模拟剪切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向应力条件下的剪切型岩爆及其弹射过程的局限性，为剪切型岩爆的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的科学与工程意义。

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是本发明试验加载路径图。

图4是本发明剪切型岩爆试验试件的破坏过程图。

图5是本发明剪切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，沿竖向z)×100(宽，沿水平向x)×100(厚，沿水平向y)mm或更大尺寸的长方体岩石试件。

本发明利用真三轴岩爆试验系统开展剪切型岩爆模拟，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 20227384.6)，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。

模拟剪切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LVDT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0.5～1.0MPa/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，以较高应变速率继续加载σ_z至试件发生岩爆破坏，试验结束。具体地，对于200×100×100mm试件，σ_z的后续加载速率应控制在0.5MPa/s以上，或以位移控制加载时，加载速率应设置在0.1mm/min以上。

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，对剪切型岩爆发生过程中岩石的变形特性、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。从四川省锦屏二级水电站引水隧洞的2500m埋设处采回较为完整的大理岩岩块，制作几何尺寸为200×100×100mm的长方体大理岩试件；设定x方向应力为40MPa，y方向(单面)应力为10MPa；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0.2MPa/s，加载σ_y(单面)；σ_x达到40MPa、σ_y达到10MPa后分别停止加载并保持荷载，继续加载σ_z，以应力控制，速率为1MPa/s；试样的临空面相继出现颗粒弹射、劈裂成板、剪切成块、块片弹射，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。高速摄像机记录岩爆破坏过程如图4所示，岩爆后的试件断裂破坏形态如图5所示。从中可见V型表层爆坑与深层的剪切滑移带。

可见，本发明的技术方案实现了剪切型岩爆的合理室内试验模拟。

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。