一种基于体积变化率确定岩石节理动态损伤的实验方法

本发明属于岩石力学室内试验领域，具体涉及一种基于体积变化率确定岩石节理动态损伤的实验方法

背景技术：

在岩石工程中，由于节理等结构面的存在，岩体表现出不均匀性，不连续性，各向异性和非线弹性的复杂性质。在岩石工程施工的过程中，由于受到爆破等动态荷载的作用，节理面会发生张开，闭合或滑移，甚至造成节理表面破损，最终导致岩体破裂。因此，确定岩石节理的动态损伤具有很深远的工程及科研意义。

在岩石力学室内试验中，传统的确定岩石节理损伤状态的方法是建立在单轴压缩等静态或准静态力学实验的基础之上，采用超声检测设备反映岩石节理在受载过程中的损伤，但由于室内试验采用的试块尺寸往往较小，超声波在试块边缘处的反射现象对测量结果有一定干扰性，且该设备采用超声波的波速、波幅值等参数间接反映岩石节理在受载过程中的损伤，因此测量精度不高，且不能适用于岩石节理动力学领域的实验与科学研究。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提出一种将一维霍普金森压杆试验与三维扫描技术相结合的确定岩石节理动态损伤的实验方法，对于岩石动力学领域内的工程与科学研究具有重要意义。

一种基于体积变化率确定岩石节理动态损伤的实验方法，该方法将一维霍普金森压杆试验与三维扫描技术相结合，从而能够直观精确的确定岩石节理的动态损伤。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于体积变化率确定岩石节理动态损伤的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、基于单次冲击的或循环冲击的分离式霍普金森压杆实验和三维形貌扫描，用于确定岩石节理在单次冲击下的动态损伤状态,具体包括如下子步骤：

s11、选取待测岩石制成带节理的岩样；

s12、采用三维扫描仪记录岩样在冲击实验前的三维数字影像；

s13、根据岩石的抗压强度选择单次冲击的加载速率v1，使得冲击后岩样的节理面发生破损，但主体岩石部分未发生明显破坏；

s14、开展加载速率为v1的单次冲击的一维分离式霍普金森压杆试验；

s15、采用三维扫描仪记录岩样在冲击实验后的三维数字影像；

s16、将冲击前后岩样的数字影像进行三维比较，计算冲击前岩样节理部分的体积v1，冲击后岩样节理部分的体积v2及节理体积变化率δv；

s2、基于循环冲击的分离式霍普金森压杆实验和三维形貌扫描，确定岩石节理在循环冲击下的动态损伤状态，具体包括如下子步骤：

s21、选取待测岩石制成带节理的岩样；

s22、采用三维扫描仪记录岩样在冲击实验前的三维数字影像；

s23、根据岩石的抗压强度选择较小的加载速率v2，使得冲击后岩样不发生明显破坏；

s24、开展加载速率为v2的循环冲击的一维分离式霍普金森压杆试验，冲击直至岩样的节理面发生破损，但主体岩石部分未发生明显破坏；

s25、每次冲击后均采用三维扫描仪记录岩样的三维数字影像；

s26、将冲击前后岩样的数字影像进行三维比较，计算冲击前岩样节理部分的体积v1，冲击后岩样节理部分的体积v2及节理体积变化率δv。

所述步骤s13中的单次冲击的加载速率v1，是指使冲击后岩样的节理面发生破损，但主体岩石部分未破裂或粉碎的加载速率，所述的单次冲击的加载速率v1，采用测试岩样经过多次尝试冲击确定；在确定v1时，首先以1m/s～2m/s为梯度增大加载速率，在确定v1的大致范围后再减小梯度，最终确定单次冲击的加载速率v1。

步骤s23中所述的循环冲击的加载速率v2，是指使岩样在单次冲击后不发生明显破坏，但在多次循环冲击后，节理面发生破损，但主体岩石部分未发生明显破坏的加载速率，所述的循环冲击的加载速率v2，采用测试岩样经过多次尝试冲击确定；在确定v2时，首先以0.5m/s～1m/s为梯度增大加载速率，在确定v2的大致范围后再缩小梯度，最终确定单次冲击的加载速率v2。

步骤s16和步骤s26中所述的冲击前岩样节理部分的体积v1和冲击后岩样节理部分的体积v2采用三维检测软件geomagiccontrol进行处理计算。计算时删去岩样三维数字影像中的岩石部分，仅保留节理部分，并采用封闭图形体积计算功能进行计算。

步骤s16和步骤s26中所述的节理面体积变化率δv，按照下述公式计算：

其中，v1为冲击前岩样节理部分的体积，v2为冲击后岩样节理部分的体积。

上述技术方案所带来的直接有益技术效果是：

本发明实现了在霍普金森压杆shpb实验过程中，岩石节理动态损伤程度的精确测量。在充分考虑工程背景的基础上，分别提出了单次冲击作用下确定岩石节理动态损伤的实验方法和循环冲击作用下确定岩石节理动态损伤的实验方法。与建立在静态或准静态试验基础上的传统方法相比，更适用于岩石节理在爆破或地震作用等动荷载作用下损伤程度的测量，弥补了该领域的空缺，可操作性强。

本发明借助三维扫描技术，提出了一种基于体积变化率确定岩石节理动态损伤的实验方法，与传统采用超声设备的方法相比，直接采用岩石节理本身的形貌变化反映节理的损伤程度，从而能够有效避免采用超声波的波速变化等参数间接反映节理损伤时带来的误差，使测量结果更加准确，测量结果可信度高。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为单次冲击作用下的确定岩石节理动态损伤的实验方法；

图2为循环冲击作用下的确定岩石节理动态损伤的实验方法。

图3为岩样的三维数字影像。

图4为冲击前节理部分的三维数字影像。

图5为冲击后节理部分的三维数字影像。

图6为冲击前后节理形貌三维对比影像。

具体实施方式

为了更加清楚的表述本发明的目的、技术和优点，下面结合本发明具体实施例和对本发明进行清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅为本发明实施例的一部分，并不是所有的实施例，对于基于本发明的实施例，但没有做出其他创造性劳动的其他所有实施例，都属于本发明保护范围内。

一种基于体积变化率确定岩石节理动态损伤的实验方法，包括单次冲击作用下的确定岩石节理动态损伤的实验方法和循环冲击作用下的确定岩石节理动态损伤的实验方法。所述的单次冲击作用下的确定岩石节理动态损伤的实验方法基于单次冲击的一维分离式霍普金森压杆试验和三维扫描技术，首先采用单次冲击的加载速率v1对岩样进行单次冲击，形成岩石节理的动态损伤，然后利用三维扫描技术对比冲击前后的节理面形貌，采用节理体积变化率δv描述岩石节理的动态损伤。所述的循环冲击作用下的确定岩石节理动态损伤的实验方法基于循环冲击的一维分离式霍普金森压杆试验和三维扫描技术，首先采用循环冲击的加载速率v2对岩样进行循环冲击，形成岩石节理的动态损伤，然后利用三维扫描技术对比每次冲击前后的节理面形貌，采用节理体积变化率δv描述岩石节理的动态损伤。

所述的单次冲击作用下的确定岩石节理动态损伤的实验方法具体包含以下步骤：

1)制作岩样，选取待测岩石制成带节理的岩样；

2)记录冲击前岩样的三维数字影像，采用三维扫描仪扫描所有待测岩样，记录岩样的三维数字影像；

3)确定单次冲击的加载速率v1，采用测试岩样经过多次尝试冲击确定v1，该冲击速度应使得冲击后岩样的节理面发生破损，但主体岩石部分不发生明显破坏，在确定v1时，可首先以1m/s～2m/s为梯度增大加载速率，在确定v1的大致范围后再减小梯度，最终确定单次冲击的加载速率v1；

4)形成岩石节理动态损伤，将岩样放置在一维分离式霍普金森压杆的入射杆与透射杆之间，开展单次冲击作用下的一维分离式霍普金森压杆实验，加载速率为经步骤3)确定的单次冲击的加载速率v1；

5)记录冲击后岩样的三维数字影像，采用三维扫描仪扫描冲击后的岩样，记录冲击试验后岩样的三维数字影像；

6)计算冲击前节理体积v1，冲击后节理体积v2及节理体积变化率δv，保留岩样三维数字影像的节理部分，采用封闭图形体积计算功能计算冲击前节理体积v1和冲击后节理体积v2，并计算节理体积变化率δv，计算公式为：

所述的节理体积变化率δv越大，说明岩石节理的动态损伤程度越高。

所述的循环冲击作用下的确定岩石节理动态损伤的实验方法具体包含以下步骤：

1)制作岩样，选取待测岩石制成带节理的岩样；

2)记录冲击前岩样的三维数字影像，采用三维扫描仪扫描所有待测岩样，记录岩样的三维数字影像；

3)确定循环冲击的加载速率v2，采用测试岩样经过多次尝试冲击确定v2，该冲击速度应使得单次冲击后岩样不发生明显破坏，但经多次循环冲击后，节理面发生破损，但主体岩石部分不发生明显破坏。在确定v2时，可首先以0.5m/s～1m/s为梯度增大加载速率，在确定v2的大致范围后再缩小梯度，最终确定单次冲击的加载速率v2；

4)形成岩石节理动态损伤，将岩样放置在一维分离式霍普金森压杆的入射杆与透射杆之间，开展循环冲击作用下的一维分离式霍普金森压杆实验，直至节理面发生破损，但主体岩石部分不发生明显破坏。加载速率为经步骤3)确定的循环冲击的加载速率v2；

5)记录冲击后岩样的三维数字影像，采用三维扫描仪扫描冲击后的岩样，记录冲击试验后岩样的三维数字影像；

6)计算冲击前节理体积v1，冲击后节理体积v2及节理体积变化率δv，保留岩样三维数字影像的节理部分，采用封闭图形体积计算功能计算冲击前节理体积v1和冲击后节理体积v2，并计算节理体积变化率δv，计算公式为：

所述的节理体积变化率δv越大，说明岩石节理的动态损伤程度越高。

实施例1：以某岩石动力学实验为例，该实验的工程背景为某个采用钻爆法施工的岩石隧道工程项目。在此背景下，将现场岩石取回制成岩样，开展单次冲击作用下的一维分离式霍普金森压杆试验，并确定岩石节理在动荷载作用下的损伤情况，具体为以下步骤：

1)制作岩样，将从现场取回的岩石制作成岩样，岩样的节理部分可参照施工现场的岩石节理进行制作。

2)如图3所示，记录冲击前岩样的三维数字影像,采用三维扫描仪扫描所有待测岩样，记录岩样的三维数字影像。

3)确定单次冲击的加载速率v1,首先取3个相同岩样开展单次冲击的一维分离式霍普金森压杆试验，加载速率分别为2m/s、4m/s和6m/s，发现岩样在4m/s的加载速率下未发生破坏，而在6m/s的加载速率下完全破裂。然后再取3个相同岩样开展试验，加载速率分别为4.5m/s、5m/s和5.5m/s，发现岩样在4.5m/s的加载速率下节理面开裂，但岩样未整体破坏，由此确定单次冲击的加载速率v1为4.5m/s。

4)形成岩石节理动态损伤,取其余测试岩样开展单次冲击的一维分离式霍普金森压杆试验，加载速率为4.5m/s，记录实验所需的基础数据。

5)记录冲击后岩样的三维数字影像，采用三维扫描仪扫描冲击后的岩样，记录冲击试验后岩样的三维数字影像。

6)计算冲击前节理体积v1，冲击后节理体积v2及节理体积变化率δv，观察发现岩样节理的吻合度较高，冲击后节理面出现贯通裂纹，形貌变化较小。采用软件geomagiccontrol对扫描结果进行处理，如图4和图5所示，删去岩样三维数字影像中的岩石部分，仅保留节理部分后，如图6所示，对冲击前后节理部分的三维数字影像进行三维对比，测量精度可达10^-4mm。经封闭图形体积计算功能计算，节理冲击前体积v1＝1340.3mm³，冲击后体积v2＝1322.3mm³，计算δv为：

即该单次冲击后，岩石节理的动态损伤程度为：δv＝1.34％。

实施例2：以某岩石动力学实验为例，该实验的工程背景为某个采用tbm施工的岩石隧道工程项目。在此背景下，将现场岩石取回制成岩样，开展循环冲击作用下的一维分离式霍普金森压杆试验，并确定岩石节理在动荷载作用下的损伤情况，具体为以下步骤：

1)制作岩样，将从现场取回的岩石制作成岩样，岩样的节理部分可参照施工现场的岩石节理进行制作。

2)记录冲击前岩样的三维数字影像,采用三维扫描仪扫描所有待测岩样，记录岩样的三维数字影像。

3)确定循环冲击的加载速率v2,首先取3个相同岩样开展循环冲击的一维分离式霍普金森压杆试验，加载速率分别为1m/s、2m/s和3m/s，发现岩样在1m/s的加载速率下循环冲击20次仍未破坏，在2m/s的加载速率下循环冲击5次后节理面破损，但岩样未整体破坏，在3m/s的加载速率下一次冲击后岩样整体破坏。由此确定循环冲击的加载速率v2为2m/s。

4)形成岩石节理动态损伤,取其余测试岩样开展循环冲击的一维分离式霍普金森压杆试验，加载速率为2m/s，记录实验所需的基础数据。

5)记录冲击后岩样的三维数字影像，采用三维扫描仪扫描冲击后的岩样，记录冲击试验后岩样的三维数字影像。

6)计算冲击前节理体积v1，冲击后节理体积v2及节理体积变化率δv，观察发现岩样节理的吻合度较低，冲击后节理发生明显脱落，形貌变化较大。采用软件geomagiccontrol对扫描结果进行处理，删去岩样三维数字影像中的岩石部分，仅保留节理部分后，经封闭图形体积计算功能计算，节理冲击前体积v1＝1060.3mm³，冲击后体积v2＝931.8mm³，计算δv为：

即该循环冲击后，岩石节理的动态损伤程度为：δv＝12.2％。