深部围岩岩爆冲击倾向性的室内试验方法与流程

本发明涉及一种深部围岩岩爆冲击倾向性的室内试验方法，适用于模拟水利水电工程、交通、矿山、国家战略防护和深部基础物理实验等领域深埋地下洞室开挖过程中围岩在瞬态卸载条件下的瞬态脆延转换动力特性和岩爆冲击倾向性。

背景技术：

我国是世界第一能源消费国，一次能源的80%煤炭提供。为保证国家能源和环境安全，十三五期间，我国将新增常规水电装机6000万kw，我国西部陆续开工建设一批采用深埋引水隧洞和地下厂房的大型水电枢纽。大埋深、高地应力是我国西南地区深埋工程的最大特点。例如已建成投产的锦屏二级水电站4条引水隧洞最大埋深2525m，实测最大主应力约42mpa，预测隧洞轴线上的最大主应力达72mpa；地处雅鲁藏布江大拐弯的墨脱水电站，引水隧洞埋深达4000m，地应力超过100mpa；同时，我国交通隧道建设、矿藏资源开采也进入到了1000～2000m的开挖深度。这些工程均需在复杂地质和高地应力条件下进行岩石高边坡、大跨度地下洞室群或超长深埋隧洞的大规模、高强度岩石开挖。

岩爆冲击倾向性是岩石的固有属性，是岩石在所受的应力达到极限应力状态时发生岩爆的可能性。在深埋硬质岩体中，高地应力赋予岩体较高的弹性应变能，受开挖卸荷的影响，在洞壁附近会产生应力集中和应变能聚集现象，当聚集的应变能超过岩体的极限储存能时，能量突然释放，造成洞壁附近部分岩体从母岩中突然、猛烈弹射出来，这一岩体的动力破坏现象就是岩爆。岩爆作为一种典型的人工诱发动力地质灾害。从能量角度来看，岩爆的形成过程是岩体中的能量从储存到释放直至最终使岩体破坏脱离母岩的过程。岩爆是否发生及其表观形式主要取决于岩体中是否储存了足够的能量，是否具有释放能量的条件及能量释放的方式。国内外学者通过开展广泛的岩爆特性研究得出相应的岩爆倾向性指标。kidbinski开展岩石加卸载试验，得出岩石的应力-应变曲线，将实验过程卸载释放的弹性应变能和耗损的弹性应变能之比定义为弹性变形能指数，弹性变形能指数越大，岩爆冲击倾向性越大；goodman在刚性试验机上开展岩石的全应力−应变实验，根据所得全应力−应变曲线，定义峰值前应力−应变曲线下面积与峰值后应力−应变曲线下面积之比，提出岩石冲击能指标，岩石冲击能指标越大，其岩爆倾向性越明显。唐礼忠等通过分析典型的大理岩加卸载及全应力−应变曲线，根据岩石在变形和破坏过程中的能量变化，提出用剩余能量指数表征岩石的能量储存与能量耗散的相对关系，并由此作为岩爆倾向性指标。

深部岩体的脆延转换特性对深部岩石的储能特性及开挖响应具有重要影响。岩石在不同围压下表现出不同的力学特性，以大理岩为例，围压在低围压范围内，大理岩岩样的脆性特征较为显著，应力应变曲线达到强度峰值后迅速跌落；围压达到一定量值后，岩样应力应变曲线出现明显的延性特征，应力到达峰值后并未迅速跌落，轴向应力保持一段时间不变，轴向应变、侧向应变继续增加，围压超过12mpa之后，强度曲线要等到塑性变形超过5‰才出现明显跌落；围压超过18mp后，围岩的延性特征更加显著，开始出现延性向塑性特征转换。

目前较多针对静态或准静态卸载条件下研究岩爆冲击倾向性，当进入深部岩体开挖时，开挖岩体承受高地应力、开挖卸荷、强动力扰动耦合作用，必须考虑深部地下洞室在动态卸载条件下，岩体脆延特性发生转变，进而研究动载条件下的岩爆冲击倾向性。

本发明通过提出一种深部围岩岩爆冲击倾向性的室内试验方法，达到模拟水利水电工程、交通、矿山等领域深埋地下洞室开挖过程中不同初始应力状态和不同卸载速率条件下下岩爆的冲击倾向性，简便实用，并且能够用多理论分析和数值模拟的结果进行验证。

技术实现要素：

针对岩爆冲击倾向性的理论分析、数值模拟等方法的不足之处，本发明通过自行设计受压薄板预制圆孔-岩塞冲切瞬态卸载室内试验研究岩爆冲击倾向性，工艺简单、可操作性强、数据易处理。

一种深部围岩岩爆冲击倾向性的室内试验方法，包括以下步骤：

步骤一，预制岩质薄板和岩塞，具体实现如下：

从可能发生岩爆的深埋洞室现场取完整岩块，经过切割处理制作n套尺寸和材料相同的岩样，每套岩样由岩质薄板和岩塞组成，要求所制作的岩质薄板试件致密完整，截面为矩形，然后在岩质薄板中心位置钻设直径为d1的圆孔，钻设圆孔的过程中避免对岩体薄板造成损伤；要求所制作的岩塞为柱状且其直径为d2，d2比d1大∆d,∆d的取值以能够使岩塞塞入岩质薄板的圆孔内并产生装配应力为准；岩塞和岩质薄板材料一致；

步骤二，装配岩塞和安装应变片，具体实现如下：

取第i套岩样，i=1，i=1,2,3,…,n，用岩塞将岩质薄板的圆孔塞紧，使岩质薄板在未施加初始荷载前具有≦0.5mpa的局部装配预应力；然后在岩质薄板其中一个面上安装至少两片应变片，这些应变片围绕岩质薄板中心布置，将应变片连接到数据采集测试系统，该系统主要由数据动态采集仪和光线示波器组成，用以测量圆孔周围岩石瞬态卸载时的动应变和应力；

步骤三，施加初始荷载，具体实现如下：

在上述安装有应变片的岩质薄板四周施加均布荷载，经过应力调整和平衡后，消除岩质薄板局部装配预应力，在岩质薄板内形成准均匀应力场，模拟深埋洞室围岩的初始应力状态；

然后在该岩质薄板的上下侧面施加初始荷载p1，p1取值范围为1-100mpa、在其左右侧面施加初始荷载p2，p2取值为p1-(i-1)p0，i=1,2,3,…,n，p0为5-10mpa；

步骤四，数据采集测试系统调试以及岩样加载完成后，利用利用霍普金森杆中的冲击杆冲击预装配的岩塞，岩塞高速飞出，实现圆孔周围岩石的瞬态卸载，使卸载速率达到10-100mpa/s；

步骤五，另取一套岩样，重复上述步骤二至四，改变岩质薄板的初始荷载和冲击杆的冲击速率，改变冲击杆的冲击速率可以调节岩样薄板的卸载速率，直至获得n套岩样的岩石应力-应变关系；

步骤六：根据实验获得的岩石应力-应变关系，定量计算岩石的岩爆倾向性指数。

上述方法中，所制作的岩石薄板的厚度为5-10cm，岩质薄板中心圆孔直径d1为4-6cm，∆d取值为0.1-0.2cm。

上述方法中，制作5套岩样，每套岩样的初始荷载p1/p2分别取60mpa/60mpa,60mpa/50mpa,60mpa/40mpa,60mpa/20mpa,60mpa/10mpa。

上述方法中，岩质薄板上下侧面平行、左右侧面平行，不平行度<0.05mm；岩质薄板上下侧面与轴向平行、左右侧面与轴向平行，最大偏差不超过0.25°；岩质薄板所有侧面处理平整。

上述方法中，所述应变片围绕岩质薄板中心均匀分布。

岩爆的冲击倾向性是岩体的固有属性。地下工程开挖时，岩爆的冲击倾向性与洞室周围岩体中的能量变化息息相关。即岩体储存的原始弹性应变能在驱动岩体形成宏观裂纹后是否还有充足的能量形成岩爆。通过岩质薄板圆孔周围岩体的瞬态卸载，可以研究不同卸载速率和初始应力条件下，岩样薄板的瞬态脆延转换特性，进而研究当岩样表现出不同的力学特性时，岩样储存能量的变化关系。所施加的初始荷载p1/p2的比例关系和调节冲击杆的冲击速率可以模拟地下工程施工过程中，当围岩的初始应力状态和围岩瞬态卸载速率不同时，岩体表现出的岩爆冲击倾向性的差异。

与现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：

（1）可直接利用实验室内实验器材实现岩石瞬态脆延转换特性的模拟，进而研究岩爆冲击倾向性，简便易行；

（2）通过长期系统的试验和分析，可建立试验数据库，得出岩样薄板的岩性、初始应力状态和卸载速率与岩爆冲击倾向性的关系；

（3）直观、全场测量；

（4）通过动态反应测试系统，可以较为准确获得岩质薄板超高速瞬态卸载过程中的应力-应变关系，与现场试验相比，具有较大的优势。

通过超高速卸载条件下的应力-应变关系曲线，可以定量求得不同应力状态和卸载速率条件下岩石的岩爆倾向性指数，为施工过程中岩爆的预测和防治提供参考依据。

附图说明

图1为发明实施例结构示意图；

图2为本发明实施例岩质薄板模型示意图；

图3为本发明实施例岩质薄板a-a剖面冲切前后示意图，（a）为冲切前；（b）为冲切后。

图中：1为岩质薄板，2为预制岩塞，3为固定支架，4为应变片，5为冲击杆，6为初始荷载p1，7为初始荷载p2，8为预制圆孔，9为岩质薄板a-a剖面。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图1-3，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例一：

试验所需的主要装置：岩质薄板，预制岩塞，固定支架，数据采集测试系统，冲击杆，各组件的位置关系如附图1所示。本实施例以模拟某深埋隧洞开挖过程中岩爆倾向性为例。

一种深部围岩岩爆冲击倾向性的室内试验方法，包括以下步骤：

步骤一，预制岩质薄板和岩塞，具体实现如下：

从可能发生岩爆的深埋洞室现场取完整岩块，经过切割处理制作5套尺寸和材料相同的岩样，每套岩样由岩质薄板和岩塞组成，要求所制作的岩质薄板试件致密完整，截面为矩形，厚度为5cm，要求岩质薄板上下侧面平行、左右侧面平行且不平行度<0.05mm，岩质薄板上下侧面与轴向平行、左右侧面与轴向平行且最大偏差不超过0.25°，岩质薄板所有侧面处理平整；然后在岩质薄板中心位置钻设直径为5cm的圆孔，钻设圆孔的过程中避免对岩体薄板造成损伤；要求所制作的岩塞为柱状且其直径为d2，d2比d1大∆d,∆d取值为0.1-0.2cm，∆d的取值以能够使岩塞塞入岩质薄板的圆孔内并产生装配应力为准；岩塞和岩质薄板材料一致；

步骤二，装配岩塞和安装应变片，具体实现如下：

取第i套岩样，i=1,2,…,5，用岩塞将岩质薄板的圆孔塞紧，使岩质薄板在未施加初始荷载前具有≦0.5mpa的局部装配预应力；然后在岩质薄板其中一个面上安装至少两片应变片，这些应变片围绕岩质薄板中心均匀布置，将应变片连接到数据采集测试系统，该系统主要由数据动态采集仪和光线示波器组成，用以测量圆孔周围岩石瞬态卸载时的动应变和应力；

步骤三，施加初始荷载，具体实现如下：

在上述第i套岩样的岩质薄板四周施加均布荷载，经过应力调整和平衡后，消除岩质薄板局部装配预应力，在岩质薄板内形成准均匀应力场，模拟深埋洞室围岩的初始应力状态；

然后在该第i套岩样的岩质薄板的上下侧面施加初始荷载p1，p1取值为60mpa、在其左右侧面施加初始荷载p2，p2取值为p1-(i-1)p0，i=1,2,…,5，p0为10mpa；

步骤四，数据采集测试系统调试以及岩样加载完成后，利用利用霍普金森杆中的冲击杆冲击预装配的岩塞，岩塞高速飞出，实现圆孔周围岩石的瞬态卸载，使卸载速率达到10-100mpa/s；

步骤五，另取一套岩样，重复上述步骤二至四，改变岩质薄板的初始荷载和冲击杆的冲击速率，改变冲击杆的冲击速率可以调节岩样薄板的卸载速率，直至获得全部5套岩样的岩石应力-应变关系；

步骤六：根据实验获得的岩石应力-应变关系，定量计算岩石的岩爆倾向性指数。