本發(fā)明涉及一種模擬巖墻強(qiáng)擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆的實(shí)驗(yàn)方法，特別適用于深部地下工程巖爆研究問題，屬于水利水電工程與巖土工程技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，國內(nèi)外的礦山、水利水電工程、交通隧道、國防防護(hù)工程、核廢料埋設(shè)等地下工程向深部不斷擴(kuò)展。在深部巖體開挖過程中，常遇到巖爆災(zāi)害問題。從巖爆的觸發(fā)機(jī)制來看，巖爆可分為自發(fā)型與擾動(dòng)觸發(fā)型兩大巖爆。自發(fā)型巖爆是指高地應(yīng)力巖體由于開挖卸荷引起的應(yīng)力集中超過圍巖的承載能力導(dǎo)致巖體積蓄的彈性應(yīng)變能急劇釋放的巖爆，這種巖爆的主要能源來自巖體本身存儲的應(yīng)變能。擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆是指開挖前地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或開挖后切向應(yīng)力集中作用而存儲大量彈性應(yīng)變能的巖體在工程爆破、機(jī)械振動(dòng)、地震波等外界擾動(dòng)作用下觸發(fā)的巖爆，這種巖爆的主要能源來自巖體存儲的應(yīng)變能與外界擾動(dòng)能量的組合。擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆的發(fā)生具有隨機(jī)性、滯后性和突然性等三個(gè)特點(diǎn)，可導(dǎo)致深部地下巖體工程施工中人員的傷亡、開挖設(shè)備的毀壞和工期的拖延，從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

近幾年，國內(nèi)外已有近百座礦山開采深度達(dá)到千米以上；擬建水電工程和交通隧道大多以縱橫交錯(cuò)的洞室群作為其主要建筑物。這些隧洞與隧洞之間形成的巖墻和連續(xù)礦柱形成的巖墻對于施工人員以及工程的安全起著至關(guān)重要的作用。隨著開挖深度的增加，頂板壓力不斷增大，當(dāng)系統(tǒng)儲存的能量達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)在開挖或者其他擾動(dòng)作用下可引發(fā)巖爆。

目前，對于擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆試驗(yàn)及機(jī)理研究，大多側(cè)重于研究巖石破壞的變形、損傷和斷裂等方面，對于沖擊擾動(dòng)荷載和循環(huán)擾動(dòng)荷載對巖爆的影響，特別是對巖墻巖爆發(fā)生規(guī)律的認(rèn)識尚淺。所以在深埋地下工程開挖、爆破過程中，為了研究沖擊和循環(huán)荷載對巖墻巖爆的影響，本申請人對基于沖擊擾動(dòng)荷載和循環(huán)荷載的巖墻巖爆現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬，提出了一種模擬巖墻強(qiáng)擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆的實(shí)驗(yàn)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種模擬巖墻強(qiáng)擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆的實(shí)驗(yàn)方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種模擬巖墻強(qiáng)擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆的實(shí)驗(yàn)方法，該實(shí)驗(yàn)方法利用高壓伺服真三軸壓力機(jī)，采用動(dòng)靜荷載組合的加載方式實(shí)現(xiàn)沖擊擾動(dòng)觸發(fā)巖爆，包括如下步驟：

(1)制作第一塊巖體試件和第二塊巖體試件，第一塊巖體試件和第二塊巖體試件都取于相同開挖現(xiàn)場巖體，

(2)利用高壓伺服真三軸壓力機(jī)對第一塊巖體試件加載X向應(yīng)力和Z向應(yīng)力，保持Y向的兩個(gè)水平面處于臨空狀態(tài)，X向應(yīng)力為靜載應(yīng)力，Z向應(yīng)力持續(xù)增大直至試件發(fā)生破壞，記錄巖體試件破壞時(shí)的基本參數(shù)，所述基本參數(shù)包括彈性模量、泊松比、Z向應(yīng)力的峰值強(qiáng)度以及X向應(yīng)力值，

(3)根據(jù)步驟(2)獲得的基本參數(shù)，利用高壓伺服真三軸壓力機(jī)對第二塊巖體試件加載X向應(yīng)力和Z向應(yīng)力，保持Y向的兩個(gè)水平面處于臨空狀態(tài)，模擬巖墻受靜載應(yīng)力作用的情況，其中，X向應(yīng)力為步驟(1)確定的靜載應(yīng)力水平，Z向應(yīng)力為初始靜載應(yīng)力；

(4)通過高壓伺服真三軸壓力機(jī)的伺服控制系統(tǒng)，對第二塊巖體試件加載X向或Z向沖擊擾動(dòng)荷載，用以模擬爆破瞬間對鄰近巖墻產(chǎn)生的沖擊波；

(5)在所述步驟(4)的沖擊擾動(dòng)荷載作用下，使得第二塊巖體試件Y向的兩個(gè)水平臨空面出現(xiàn)彈射破壞，觀察、記錄碎塊彈射破壞過程，沖擊擾動(dòng)觸發(fā)巖爆實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

所述步驟(3)中，加載初始靜載應(yīng)力的加載方式是力加載控制或位移加載控制。

所述步驟(4)中，沖擊擾動(dòng)荷載為單脈沖擾動(dòng)波，波形包括三角波、正弦波、方波和鋸齒波。

所述步驟(4)中，沖擊擾動(dòng)荷載與步驟(3)所述的Z向初始靜載應(yīng)力之和大于步驟(2)確定的Z向應(yīng)力的峰值強(qiáng)度。

所述步驟(5)中，分別采用兩臺高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)記錄第二塊巖體試件兩個(gè)臨空面的巖爆彈射破壞過程，通過高速攝像影像運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法估算巖爆碎塊的彈射速度，再稱取彈射碎塊的質(zhì)量估算巖爆碎塊彈射動(dòng)能。

一種模擬巖墻強(qiáng)擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆的實(shí)驗(yàn)方法，該實(shí)驗(yàn)方法利用高壓伺服真三軸壓力機(jī)，采用動(dòng)靜荷載組合的加載方式實(shí)現(xiàn)循環(huán)荷載作用下的動(dòng)力觸發(fā)巖爆，包括如下步驟：

(1)制作第一塊巖體試件和第二塊巖體試件，第一塊巖體試件和第二塊巖體試件都取于相同開挖現(xiàn)場巖體，

(2)利用高壓伺服真三軸壓力機(jī)對第一塊巖體試件加載X向應(yīng)力和Z向應(yīng)力，保持Y向的兩個(gè)水平面處于臨空狀態(tài)，X向應(yīng)力為靜載應(yīng)力，Z向應(yīng)力持續(xù)增大直至試件發(fā)生破壞，記錄巖體試件破壞時(shí)的基本參數(shù)，所述基本參數(shù)包括彈性模量、泊松比、Z向應(yīng)力的峰值強(qiáng)度以及X向應(yīng)力值，

(3)根據(jù)步驟(2)獲得的基本參數(shù)，利用高壓伺服真三軸壓力機(jī)對第二塊巖體試件加載X向應(yīng)力和Z向應(yīng)力，保持Y向的兩個(gè)水平面處于臨空狀態(tài)，模擬巖墻受靜載應(yīng)力作用的情況，其中，X向應(yīng)力為步驟(1)確定的靜載應(yīng)力水平，Z向應(yīng)力為初始靜載應(yīng)力；

(4)通過高壓伺服真三軸壓力機(jī)的伺服控制系統(tǒng)，對第二塊巖體試件加載X向或Z向循環(huán)擾動(dòng)荷載，用以模擬爆破沖擊波衰減成壓縮正弦波、地震波或巖墻周圍機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力波；

(5)在所述步驟(4)的循環(huán)擾動(dòng)荷載作用下，持續(xù)循環(huán)擾動(dòng)荷載作用至第二塊巖體試件Y向的兩個(gè)水平臨空面出現(xiàn)彈射破壞，觀察、記錄碎塊彈射破壞過程，循環(huán)荷載作用下動(dòng)力觸發(fā)巖爆實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

所述步驟(3)中，加載初始靜應(yīng)力的加載方式是力加載控制或位移加載控制。

所述步驟(4)中，循環(huán)擾動(dòng)荷載為循環(huán)脈沖波，波形包括三角波、正弦波、方波和鋸齒波，脈沖頻率根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定。

所述步驟(4)中，循環(huán)擾動(dòng)荷載與步驟(3)所述的Z向初始靜載應(yīng)力之和小于步驟(2)確定的Z向應(yīng)力的峰值強(qiáng)度。

所述步驟(5)中，分別采用兩臺高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)記錄第二塊巖體試件兩個(gè)臨空面的巖爆彈射破壞過程，通過高速攝像影像運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法估算巖爆碎塊的彈射速度，再稱取彈射碎塊的質(zhì)量估算巖爆碎塊彈射動(dòng)能。本發(fā)明取得了以下技術(shù)效果：

本發(fā)明通過上述的技術(shù)方案，首先可以真實(shí)的模擬開挖后巖墻受靜載應(yīng)力作用的受力狀態(tài)。其次，通過對巖體試件在一個(gè)或兩個(gè)方向施加沖擊擾動(dòng)荷載或循環(huán)荷載，真實(shí)的模擬了工程現(xiàn)場爆破、機(jī)械振動(dòng)、地震波對巖墻巖體產(chǎn)生的擾動(dòng)荷載情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)不同擾動(dòng)類型聯(lián)合作用下對巖墻巖體產(chǎn)生的擾動(dòng)荷載情況。

本發(fā)明通過上述的技術(shù)方案，成功實(shí)現(xiàn)了巖墻的沖擊擾動(dòng)觸發(fā)巖爆和循環(huán)荷載作用下的動(dòng)力觸發(fā)巖爆。通過研究巖墻的強(qiáng)擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆機(jī)理，為逐步了解和掌握巖爆的本質(zhì)提供了科學(xué)的依據(jù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明模擬的巖墻單元體受擾動(dòng)的應(yīng)力狀態(tài)示意圖。

圖2是圖1中A位置的放大示意圖。

圖3是本發(fā)明模擬巖墻強(qiáng)擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆的實(shí)驗(yàn)方法第一實(shí)施例的應(yīng)力-時(shí)間曲線圖。

圖4A至圖4D是本發(fā)明模擬巖墻強(qiáng)擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆的實(shí)驗(yàn)方法第一實(shí)施例中，高速攝像機(jī)記錄的巖爆彈射過程圖。

圖5是本發(fā)明模擬巖墻強(qiáng)擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆的實(shí)驗(yàn)方法第二實(shí)施例的應(yīng)力-時(shí)間曲線圖。

圖6A至圖6D是本發(fā)明模擬巖墻強(qiáng)擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆的實(shí)驗(yàn)方法第二實(shí)施例中，高速攝像機(jī)記錄的巖爆彈射過程圖。

圖中：σ₁-地應(yīng)力的第一主應(yīng)力，σ₃-地應(yīng)力的第三主應(yīng)力，σ_t-擾動(dòng)應(yīng)力，σ_x-巖石單元體的水平向應(yīng)力，σ_z-巖石單元體的豎直向應(yīng)力，1、巖石單元臨空面，2、隧洞，3、巖石單元，4、應(yīng)力方向。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述巖墻的動(dòng)力觸發(fā)型巖爆實(shí)驗(yàn)方法具體實(shí)施例。其中，模擬巖墻的強(qiáng)擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆實(shí)驗(yàn)方法，包括模擬沖擊擾動(dòng)觸發(fā)巖爆實(shí)驗(yàn)方法和模擬循環(huán)荷載作用下的動(dòng)力觸發(fā)巖爆實(shí)驗(yàn)方法。

實(shí)施例1介紹了模擬巖墻沖擊擾動(dòng)觸發(fā)巖爆實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)施例2介紹了模擬巖墻循環(huán)荷載作用下的動(dòng)力觸發(fā)巖爆實(shí)驗(yàn)方法。

實(shí)施例1

一種模擬巖墻強(qiáng)擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆的實(shí)驗(yàn)方法，該實(shí)驗(yàn)方法利用高壓伺服真三軸壓力機(jī)，采用動(dòng)靜荷載組合的加載方式實(shí)現(xiàn)沖擊擾動(dòng)觸發(fā)巖爆，包括如下步驟：

(1)制作第一塊巖體試件和第二塊巖體試件，第一塊巖體試件和第二塊巖體試件都取于相同開挖現(xiàn)場巖體，

(2)利用高壓伺服真三軸壓力機(jī)對第一塊巖體試件加載X向應(yīng)力(水平向應(yīng)力)和Z向應(yīng)力(豎直向應(yīng)力)，保持Y向的兩個(gè)水平面處于臨空狀態(tài)，X向應(yīng)力為靜載應(yīng)力，Z向應(yīng)力持續(xù)增大直至試件發(fā)生破壞，記錄巖體試件破壞時(shí)的基本參數(shù)，所述基本參數(shù)包括彈性模量、泊松比、Z向應(yīng)力的峰值強(qiáng)度以及X向應(yīng)力值，

(3)根據(jù)步驟(2)獲得的基本參數(shù)，利用高壓伺服真三軸壓力機(jī)對第二塊巖體試件加載X向應(yīng)力和Z向應(yīng)力，保持Y向的兩個(gè)水平面處于臨空狀態(tài)，模擬巖墻受靜載應(yīng)力作用的情況，其中，X向應(yīng)力為步驟(1)確定的靜載應(yīng)力水平，Z向應(yīng)力為初始靜載應(yīng)力，

(4)通過高壓伺服真三軸壓力機(jī)的伺服控制系統(tǒng)，對第二塊巖體試件加載X向或Z向沖擊擾動(dòng)荷載，用以模擬爆破瞬間對鄰近巖墻產(chǎn)生的沖擊波；

(5)在所述步驟(4)的沖擊擾動(dòng)荷載作用下，使得第二塊巖體試件Y向的兩個(gè)水平臨空面出現(xiàn)彈射破壞，觀察、記錄碎塊彈射破壞過程，沖擊擾動(dòng)觸發(fā)巖爆實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

本實(shí)施例步驟(1)制作的第一塊巖體試件和第二塊巖體試件都取于相同開挖現(xiàn)場的花崗巖巖體，尺寸均為100mm×100mm×200mm(長×寬×高)。

本實(shí)施例步驟(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第一塊巖體試件在X向應(yīng)力為30MPa時(shí)，Z向應(yīng)力持續(xù)加載至180MPa(峰值強(qiáng)度)時(shí)巖體試件發(fā)生破壞。

本實(shí)施例步驟(3)和(4)中，以力加載控制的方式對第二塊巖體試件加載的X向應(yīng)力大小為30MPa，X向應(yīng)力的加載速率為0.25MPa/s，以力加載控制的方式對第二塊巖體試件加載大小為110MPa的Z向初始靜載應(yīng)力，Z向初始靜載應(yīng)力的加載速率為0.5MPa/s，保持X向應(yīng)力和Z向初始靜載應(yīng)力恒定1分鐘。

然后，對第二塊巖體試件加載大小為110MPa的Z向沖擊擾動(dòng)荷載，Z向沖擊擾動(dòng)荷載沖擊瞬間,第二塊巖體試件兩個(gè)臨空面出現(xiàn)劇烈?guī)r爆，大量碎塊向外彈射，并伴隨著一聲巨響，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。本實(shí)施例所述沖擊擾動(dòng)荷載的波形為三角波。圖3是步驟(3)和(4)實(shí)驗(yàn)過程的應(yīng)力-時(shí)間曲線。

分別采用兩臺高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)記錄第二塊巖體試件兩個(gè)臨空面的巖爆彈射破壞過程，結(jié)果如圖4A至圖4D所示。最后通過高速攝像影像運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法估算巖爆碎塊的彈射速度，再稱取彈射碎塊的質(zhì)量估算巖爆碎塊彈射動(dòng)能。

在其他較優(yōu)的實(shí)驗(yàn)過程中，Z向初始靜載應(yīng)力大小為Z向應(yīng)力的峰值強(qiáng)度的60-80％，并保持應(yīng)力水平0.5-2分鐘，其中加載兩向初始靜應(yīng)力的加載方式可以選擇是力加載控制或位移加載控制，力加載速率為0.05-1MP/s，位移加載速率為0.001-0.1mm/s，沖擊擾動(dòng)荷載為單脈沖擾動(dòng)波，波形包括三角波、正弦波、方波和鋸齒波。所述沖擊擾動(dòng)荷載與步驟(3)所述的Z向初始靜載應(yīng)力之和大于步驟(2)確定的Z向應(yīng)力的峰值強(qiáng)度。

實(shí)施例2

一種模擬巖墻強(qiáng)擾動(dòng)觸發(fā)型巖爆的實(shí)驗(yàn)方法，該實(shí)驗(yàn)方法利用高壓伺服真三軸壓力機(jī)，采用動(dòng)靜荷載組合的加載方式實(shí)現(xiàn)循環(huán)荷載作用下的動(dòng)力觸發(fā)巖爆，包括如下步驟：

(1)制作第一塊巖體試件和第二塊巖體試件，第一塊巖體試件和第二塊巖體試件都取于相同開挖現(xiàn)場巖體，

(2)利用高壓伺服真三軸壓力機(jī)對第一塊巖體試件加載X向應(yīng)力和Z向應(yīng)力，保持Y向的兩個(gè)水平面處于臨空狀態(tài)，X向應(yīng)力為靜載應(yīng)力，Z向應(yīng)力持續(xù)增大直至試件發(fā)生破壞，記錄巖體試件破壞時(shí)的基本參數(shù)，所述基本參數(shù)包括彈性模量、泊松比、Z向應(yīng)力的峰值強(qiáng)度以及X向應(yīng)力值，

(3)根據(jù)步驟(2)獲得的基本參數(shù)，利用高壓伺服真三軸壓力機(jī)對第二塊巖體試件加載X向應(yīng)力和Z向應(yīng)力，保持Y向的兩個(gè)水平面處于臨空狀態(tài)，模擬巖墻受靜載應(yīng)力作用的情況，其中，X向應(yīng)力為步驟(1)確定的靜載應(yīng)力水平，Z向應(yīng)力為初始靜載應(yīng)力；

(4)通過高壓伺服真三軸壓力機(jī)的伺服控制系統(tǒng)，對第二塊巖體試件加載X向或Z向循環(huán)擾動(dòng)荷載，用以模擬爆破沖擊波衰減成壓縮正弦波、地震波或巖墻周圍機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力波；

(5)在所述步驟(4)的循環(huán)擾動(dòng)荷載作用下，持續(xù)循環(huán)擾動(dòng)荷載作用至第二塊巖體試件Y向的兩個(gè)水平臨空面出現(xiàn)彈射破壞，觀察、記錄碎塊彈射破壞過程，循環(huán)荷載作用下動(dòng)力觸發(fā)巖爆實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

本實(shí)施例步驟(1)制作的第一塊巖體試件和第二塊巖體試件都取于相同開挖現(xiàn)場的花崗巖巖體，尺寸均為100mm×100mm×200mm(長×寬×高)。

本實(shí)施例步驟(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第一塊巖體試件在X向應(yīng)力為30MPa時(shí)，Z向應(yīng)力持續(xù)加載至180MPa(峰值強(qiáng)度)時(shí)巖體試件發(fā)生破壞。

本實(shí)施例步驟(3)和(4)中，以力加載控制的方式對第二塊巖體試件加載的X向應(yīng)力大小為30MPa，X向應(yīng)力的加載速率為0.25MPa/s，以力加載控制的方式對第二塊巖體試件加載大小為110MPa的Z向初始靜載應(yīng)力，Z向初始靜載應(yīng)力的加載速率為0.5MPa/s，保持X向應(yīng)力和Z向初始靜載應(yīng)力恒定1分鐘。

然后，對第二塊巖體試件加載Z向循環(huán)擾動(dòng)荷載，Z向循環(huán)擾動(dòng)荷載的大小為40MPa、Z向循環(huán)擾動(dòng)荷載的擾動(dòng)頻率為2Hz、Z向循環(huán)擾動(dòng)荷載的波形為正弦波，擾動(dòng)至55s時(shí)，巖體試件兩個(gè)臨空面出現(xiàn)劇烈?guī)r爆，大量碎塊向外彈射，并伴隨著一聲清脆聲響，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。圖5是上述實(shí)驗(yàn)過程的應(yīng)力-時(shí)間曲線。

分別采用兩臺高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)記錄第二塊巖體試件兩個(gè)臨空面的巖爆彈射破壞過程，結(jié)果如圖6A至圖6D所示。最后通過高速攝像影像運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法估算巖爆碎塊的彈射速度，再稱取彈射碎塊的質(zhì)量估算巖爆碎塊彈射動(dòng)能。

在其他較優(yōu)的實(shí)驗(yàn)過程中，Z向初始靜載應(yīng)力大小為Z向應(yīng)力的峰值強(qiáng)度的60-80％，并保持應(yīng)力水平0.5-2分鐘，其中加載兩向初始靜應(yīng)力的加載方式可以選擇是力加載控制或位移加載控制，力加載速率為0.05-1MP/s，位移加載速率為0.001-0.1mm/s，循環(huán)擾動(dòng)荷載為循環(huán)脈沖擾動(dòng)波，波形包括三角波、正弦波、方波和鋸齒波。所述循環(huán)擾動(dòng)荷載與步驟(3)所述的Z向初始靜載應(yīng)力之和小于步驟(2)確定的Z向應(yīng)力的峰值強(qiáng)度。