本发明属于岩爆工程研究领域，特别涉及一种基于岩石材料峰值弹性能指数的岩爆倾向性等级判别方法。
背景技术：
：岩爆是发生在深部岩石工程中的一种工程地质灾害。随着岩石工程施工深度的不断增加，岩爆等动力灾害的发生频率随之增加。岩爆灾害发生时储存在岩体内部的弹性能量突然释放，岩块向临空面猛烈迅速的抛出，严重威胁着工作人员的安全，会造成重大的经济损失和人员伤亡，影响工程进度。为了预防岩爆造成的危害，国内外学者对岩爆问题进行了大量的探索和研究，提出了一系列的岩爆倾向性判据，弹性能指数是其中的一种判据。弹性能指数是指将岩石试样压缩加载至峰值强度的80％～90％处，然后对岩石试样进行卸载至0.05峰值强度，然后根据所得到加卸载应力应变曲线，计算卸载点处的弹性应变能密度值和耗散能密度值的比值作为该次试验的弹性能指数，一般进行3次试验，每次试验后计算得到一个弹性能指数值，得到3个试样的弹性能指数并取平均值作为该岩石材料的弹性能指数值。但是在该指标的计算中存在几点问题：(1)岩石材料的峰值破坏强度在试验之前无法准确的确定出来，控制岩石试样的卸载点位于峰值强度的80％～90％的范围内相对困难；(2)该指标定义中卸载点的值是一个范围而不是一个确定值，这就会导致同一块岩石试样在不同的卸载点卸载时计算出来的弹性能指数值可能存在很大区别；(3)在强度的80％～90％卸载范围内，岩石材料并没有发生破坏，没有考虑岩石材料在卸载点之后到峰值强度之前这一阶段的能量变化。实际上岩石材料在峰值强度处发生破坏，并进一步表现出岩爆或无岩爆的倾向。因此，应该考察岩石在峰值强度处破坏时弹性应变能密度值和耗散能密度值的比值，所得结果更加科学合理。然而，要获得准确的峰值强度处的弹性应变能密度，目前仍未出现较为简单易行的方法。技术实现要素：本发明在获得岩石材料峰值强度点处弹性应变能密度值的前提下，提出了一种利用岩石材料在峰值强度点处的弹性应变能密度值与耗散能密度值的比值计算峰值弹性能指数的方法。一种基于岩石材料峰值弹性能指数的岩爆倾向性等级判别方法，包括以下步骤：首先，通过对圆柱形岩石试样进行5次不同应力水平下的单轴压缩一次加卸载试验，得到岩石试样一次加卸载的应力-应变曲线；其次，根据得到的岩石试样一次加卸载的应力-应变曲线，求得岩石试样在不同应力水平下卸载点处的总输入能密度ui和弹性应变能密度的值，i表示加卸载试验次数；接着，对至少5组总输入能密度ui和弹性应变能密度的值进行拟合，得到ui和之间的函数关系；然后，基于ui和之间的函数关系，利用岩石试样在峰值强度点处的总输入能密度计算出岩石试样在峰值强度点处储存在内部的弹性应变能密度，并以峰值强度点处岩石内部储存的弹性应变能密度与耗散能密度的比值wetm作为峰值弹性能指数；所述耗散能密度是指岩石试样在峰值强度点处，总输入能密度值与弹性应变能密度值的差值；最后，利用峰值弹性能指数判别岩石材料的岩爆倾向性等级：当wetm<2.5时，岩石材料无岩爆倾向；当2.5<wetm<4.5时，岩石材料有轻微岩爆倾向；当4.5<wetm<5.5时，岩石材料有中等岩爆倾向；当5.5<wetm时，岩石材料有强岩爆倾向。通过对9种岩石的试验结果，建立了以峰值弹性能指数作为衡量指标的岩石材料岩爆倾向性判别分级标准。进一步地，所述通过对圆柱形岩石试样进行5次不同应力水平下的单轴压缩一次加卸载试验，是指取5个相同规格的圆柱型岩石试样分别进行一次加卸载试验，圆柱岩石形试样置于刚性电液伺服材料控制试验机上，通过试验机对试样以(0.063～0.067mm/min)的加载速率进行竖向加载，直至圆柱形岩石试样的应力值分别达到0.1σc，0.3σc，0.5σc，0.7σc，0.9σc后，再分别对圆柱形岩石试样进行卸载，卸载到对应应力值的0.02倍；其中，卸载时的控制方式、卸载速率和加载时保持一致，σc为单轴抗压强度值。进一步地，所述岩石试样在峰值强度点处的总输入能密度，为一次加卸载试验中初次加卸载应力-应变曲线中加载线与横坐标轴所围成的面积的值和二次加载的全应力-应变曲线中卸载点到峰值强度点的曲线与横坐标轴所围成的面积的值之和；其中，所述二次加载线是指在初次加卸载操作的基础上，将卸载到0.02倍的岩石试样以(0.063～0.067)mm/min的加载速率再次加载直至岩石试样破坏，得到岩石试样二次加载的全应力-应变曲线，并且从岩石试样二次加载的全应力-应变曲线中获得第二次加载后的峰值强度。进一步地，所述岩石试样在峰值强度点处的总输入能密度，为常规静载单轴压缩试验中岩石试样峰值强度前的加载线与横坐标轴所围成面积的值。进一步地，所述圆柱形岩石试样是利用岩石取芯机钻取岩芯，然后利用岩石切割机和岩石磨平机对取得的岩芯进行切割和磨平，加工成直径为48～52mm，高径比为1.8～2.2的圆柱形试样。进一步地，所述岩石试样应力值是将2.5mm引伸计放置于试验机上，且与试验机的上下两个端面保持垂直，通过测量试验机上下两个端面的位移间接测量获得。进一步地，进行岩石材料的单轴抗压强度测定时，每种岩石材料选用3个岩石试样，取平均值作为岩石材料的单轴抗压强度值σc。有益效果本发明提供了一种基于岩石材料峰值弹性能指数的岩爆倾向性等级判别方法(简称峰值弹性能指数)，通过对岩石试样在不同卸载点处的一次加卸载试验，发现岩石材料的弹性应变能密度值ui和总输入能密度值(i表示不同卸载点)之间的线性函数关系ue＝au+b，岩石材料达到峰值强度点时的总输入能密度值u，可以根据岩石的应力-应变曲线求得，从而根据线性函数关系式可以求出岩石试样在峰值强度点处的弹性应变能密度值ue，利用岩石试样在峰值强度点处的总输入能密度值减去弹性应变能密度值得到岩石试样在峰值强度点处耗散能密度值，利用峰值强度点处弹性应变能密度值和耗散能密度值的比值作为峰值弹性能指数。这种方法解决了岩石材料在峰值强度点处不能即时卸载进而无法根据卸载曲线计算出岩石在峰值强度点处弹性应变能密度值的问题。由于传统弹性能指数计算中要求控制卸载点处的应力值位于峰值强度的80％～90％之间，因为无法在试验之前确定岩石的破坏强度，试验操作困难；此外，还建立了完全不同于传统弹性能指数的岩爆倾向性判别标准。峰值弹性能指数的计算方法和传统的弹性能指数方法相比，峰值弹性能指数的计算方法和过程简单可靠，并且保证了求解的唯一性，两者在计算方法、计算过程、所用试样数量等方面均存在本质性的区别，这种方法解决了岩石材料在峰值强度点处不能即时卸载，进而无法根据卸载曲线计算出岩石在峰值强度点处弹性应变能密度值的问题，弥补了传统弹性能指标计算方法中由于卸载点的不同导致计算结果不同的不足。峰值弹性能指数考察的是岩石材料在峰值点处储存弹性应变能的能力，在一定程度上可以表征岩石在破坏时可释放弹性应变能的多少，更加符合岩爆发生时的能量特征，峰值弹性能指数的岩爆倾向性判别标准和传统弹性能指数的岩爆倾向性判别标准也完全不同。附图说明图1为峰值弹性能指数计算流程图；图2为岩石试样一次加卸载试验路径示意图；图3为不同卸载点处弹性应变能密度值与耗散能密度值计算示意图；图4为红砂岩弹性应变能密度与总输入能密度的变化关系图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。如图1所示，一种基于岩石材料峰值弹性能指数的岩爆倾向性等级判别方法，具体过程如下：步骤1：岩石工程现场取样，加工成直径为48～52mm，高径比为1.8～2.2的圆柱形岩石试样，岩石试样经过砂纸打磨后的不平行度和不垂直度均在0.02mm以内；步骤2：取3个岩石试样进行常规静载单轴压缩试验，将岩石试样以位移控制的方式加载直至岩石试样破坏，加载速率为0.063～0.067mm/min，根据试验机测试系统得到岩石试样的应力-应变曲线并且读取出岩石试样的单轴抗压强度，取三个单轴抗压强度的均值作为单轴抗压强度值σc；步骤3：选取5个相同规格的岩石试样，分别进行不同卸载点的单轴压缩一次加卸载试验(见图2所示)，将岩石试样先加载到卸载点后(i＝1，2，3，4，5)进行卸载，卸载到然后进行再次加载直至岩石试样破坏，获得岩石试样一次加卸载试验的应力-应变曲线。步骤3中的加载和卸载速度均为0.063～0.067mm/min的速率；步骤4：根据步骤3中试验获得的应力-应变曲线数据求出不同卸载点处的弹性应变能密度值和总输入能密度值，即5组数据点，计算示意图如图3所示；步骤5：拟合出弹性应变能密度和总输入能密度两者之间的函数关系式：ue＝au+b。根据应力-应变曲线求出岩石材料达到峰值强度点处的总输入能密度值u，将岩石材料峰前总输入能密度值代入关系式ue＝au+b，即可求得岩石材料在峰值强度点处的弹性应变能密度值；步骤6：对每一个试样，根据步骤5中计算获得的岩石材料在峰值强度点处的总输入能密度值和弹性应变能密度值，总输入能密度值减掉弹性应变能密度值等于岩石材料峰值强度点处的耗散能密度值，进而计算出峰值强度点处弹性应变能密度值和耗散能密度值的比值，作为峰值弹性能指数；步骤7：对8个岩石试样峰值强度点处弹性能指数取平均值，作为该岩石材料的峰值弹性能指数wetm；步骤8：把步骤7中计算得到的岩石材料峰值弹性能指数的值和峰值弹性能指数wetm的岩爆倾向性等级判别标准相比较，确定岩石材料的岩爆倾向性等级；判别岩石材料的岩爆倾向性等级标准为：当wetm<2.5时，岩石材料无岩爆倾向；当2.5<wetm<4.5时，岩石材料有轻微岩爆倾向；当4.5<wetm<5.5时，岩石材料有中等岩爆倾向；当5.5<wetm时，岩石材料有强岩爆倾向。基于峰值弹性能指数的岩爆倾向性等级判别标准，是根据9种岩石的试验结果进行归纳总结后得到的。实施例1：以山东红砂岩为例，进行常规静载单轴压缩试验和单轴压缩一次加卸载试验，确定红砂岩材料峰值弹性能指数，并判断其岩爆等级，进行如下操作：(1)现场取芯，将钻取的岩芯加工成直径为50mm，高度为100mm的圆柱形岩石试样；(2)将3个岩石试样分别安放到instron-1346电液伺服材料试验机进行岩石常规静载单轴压缩试验，采用位移控制方式加载，加载速率为0.065mm/min，测定3个岩石试样的单轴抗压强度值，分别为：97.29mpa，100.55mpa，94.84mpa；取平均值得到红砂岩材料的单轴抗压强度为σc＝97.56mpa。；(3)取5个相同规格的岩石试样分别进行一次加卸载试验，以0.065mm/min的加载速率分别加载至应力值9.76mpa，29.27mpa，48.78mpa，68.29mpa，87.80mpa，然后将应力值分别卸载至0.20mpa，0.59mpa，0.98mpa，1.37mpa，1.76mpa，再次加载至岩石试样破坏，获得岩石试样一次加卸载试验的应力-应变曲线；(4)根据试验获得的应力-应变曲线数据求出不同卸载点处的5组弹性应变能密度值和总输入能密度值，单位为mj·mm-3，即(0.0086，0.0035)，(0.0336，0.0253)，(0.0736，0.0583)，(0.1306，0.0942)，(0.2396，0.1855)；(5)根据(4)中的数据得到弹性应变能密度与总输入能密度之间的关系如图4所示，根据数据点拟合出两者之间的函数关系为：ue＝0.772u-0.0014，根据应力-应变曲线求出8个岩石试样达到峰值强度点处的总输入能密度值u，总输入能密度值分别为0.3157mj·mm-3，0.3454mj·mm-3，0.2601mj·mm-3，0.2870mj·mm-3，0.3245mj·mm-3，0.3019mj·mm-3，0.3079mj·mm-3，0.3068mj·mm-3，将每个试样的峰值前总输入能密度值代入关系式ue＝0.772u-0.0014，即可求得每个试样在峰值强度点处的弹性应变能密度值分别为0.2423mj·mm-3，0.2652mj·mm-3，0.1994mj·mm-3，0.2202mj·mm-3，0.2491mj·mm-3，0.2316mj·mm-3，0.2363mj·mm-3，0.2354mj·mm-3。(6)将(5)中计算得到的每个试样峰值强度点处的总输入能密度值减弹性应变能密度值，得到红砂岩在峰值强度点处耗散能密度值分别为0.0734mj·mm-3，0.0802mj·mm-3，0.0607mj·mm-3，0.0668mj·mm-3，0.0754mj·mm-3，0.0702mj·mm-3，0.0716mj·mm-3，0.0713mj·mm-3。将每个试样峰值强度点处弹性应变能密度值除以对应的耗散能密度值，计算出8个岩石试样峰值弹性能指数分别为3.30，3.31，3.28，3.29，3.30，3.30，3.30，3.29。(7)对(6)中红砂岩材料的8个岩石试样的峰值弹性能指数取平均值，得到红砂岩材料的峰值弹性能指数为3.30。此外还计算了细花岗岩、汉白玉、邵阳麻花岗岩、大理岩、黄锈石花岗岩、青砂岩、黄色花岗岩等其他7种岩石材料的峰值弹性能指数的值(表2所示)，并根据岩石试样破坏时岩片发生破裂、弹射、崩落情况进行了对比分析，提出了基于峰值弹性能指数的岩石材料岩爆倾向性等级分级标准，即：当wetm<2.5时，岩石材料无岩爆倾向；当2.5<wetm<4.5时，岩石材料有轻微岩爆倾向；当4.5<wetm<5.5时，岩石材料有中等岩爆倾向；当5.5<wetm时，岩石材料有强岩爆倾向。利用上述标准，对8种岩石材料的岩爆倾向性等级进行判别(表2所示)，所得结果符合实际情况。表2岩石材料的岩爆倾向性等级判断结果岩石种类峰值点处弹性应变能密mj·mm-3峰值点处耗散能密度mj·mm-3峰值弹性能指数岩爆倾向性等级细花岗岩0.60000.09816.12强岩爆大理岩0.03810.03171.20无岩爆红砂岩0.23490.07123.30轻微岩爆邵阳麻0.46950.07046.67强岩爆汉白玉0.08950.05681.58无岩爆黄锈石0.10200.08021.27无岩爆青砂岩0.24990.09792.55轻微岩爆黄花岗岩0.43020.07215.97强岩爆以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。当前第1页12