本發(fā)明屬于巖石力學(xué)試驗研究領(lǐng)域，尤其涉及一種模擬剪切型巖爆的真三軸試驗方法。

背景技術(shù)：

近年來，采礦、水利、交通、核廢料處理等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展使得地下工程開挖深度與規(guī)模不斷擴(kuò)大，隨之不斷升高的地應(yīng)力誘發(fā)開挖邊界附近圍巖頻繁發(fā)生巖爆災(zāi)害。巖爆是指深部地下工程開挖過程中，徑向(垂直于開挖邊界)應(yīng)力釋放，切向(平行于開挖邊界且垂直洞軸)應(yīng)力不斷集中，開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)硬脆性圍巖發(fā)生的彈射破壞現(xiàn)象。因發(fā)生突然且地下工程空間有限，巖爆常常造成人員傷亡、設(shè)備損壞和開挖面的嚴(yán)重破壞。如2009年11月28日錦屏二級水電站引水隧洞施工排水洞發(fā)生極強(qiáng)巖爆，爆坑深度達(dá)8～9m，縱向范圍約30m，爆方總量近千立方米，支護(hù)系統(tǒng)全部毀損，TBM設(shè)備被埋，主梁斷裂，7名工人遇難，1人受傷。由于孕育發(fā)生的內(nèi)外部條件復(fù)雜，巖爆機(jī)制仍不十分清楚，已成為巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域亟待解決的難題，迫切需要系統(tǒng)開展室內(nèi)模擬試驗研究。

根據(jù)巖爆坑形成的力學(xué)機(jī)制，巖爆可分為拉張型和剪切型巖爆。與表層圍巖發(fā)生巖板劈裂后巖板突然折斷破壞而導(dǎo)致的拉張型巖爆(巖爆坑多呈“淺窩型”，巖爆碎屑主要呈板狀)不同，剪切型巖爆常伴隨深處的剪斷滑移出現(xiàn)，體量巨大的巖石塊片彈射拋出，爆坑多呈“V”型或“深窩型”，巖爆碎屑主要呈塊狀，破壞更為猛烈。剪切型巖爆是指深部地下工程的較完整硬脆巖體開挖后，應(yīng)力重分布使得局部圍巖的切向壓應(yīng)力逐漸增大，表層圍巖因洞徑方向應(yīng)力的失去受到壓致張拉作用，深處圍巖因洞徑方向應(yīng)力的存在受到三向受壓作用，當(dāng)切向壓應(yīng)力超過深部巖體的極限承載力時，高應(yīng)力巖體突然發(fā)生剪切滑移導(dǎo)致大量巖石塊片彈射拋出的強(qiáng)烈動力地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。

當(dāng)前，工程實踐中，剪切型巖爆的合理預(yù)測較為困難，預(yù)測水平難以滿足工程實踐要求，根本原因在于剪切型巖爆的影響因素多、發(fā)生機(jī)制高度復(fù)雜。

室內(nèi)巖爆試驗是巖爆機(jī)制研究的重要手段。當(dāng)前的巖爆試驗研究大多僅關(guān)注洞室開挖邊界處圍巖的失穩(wěn)破壞，并借助單軸、雙軸、常規(guī)三軸及真三軸的加卸載試驗?zāi)M巖爆的應(yīng)力狀態(tài)。大量的現(xiàn)場調(diào)查及理論解析表明，剪切型巖爆多發(fā)生于開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)，伴隨著深處的剪斷滑移，且常常明顯滯后于開挖，發(fā)生在徑向應(yīng)力卸荷后、切向應(yīng)力不斷集中的過程中，屬于加載巖爆的范疇。洞室開挖后，開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)巖體受到切向正應(yīng)力、洞軸向正應(yīng)力、徑向正應(yīng)力、及表面剪切應(yīng)力等多種應(yīng)力共同作用，即處于單面臨空、五面受力的特殊真三軸應(yīng)力狀態(tài)。同時，高地應(yīng)力條件下，特別大、小主應(yīng)力差異較大時，開挖邊界處徑向應(yīng)力為零，遠(yuǎn)離開挖邊界徑向應(yīng)力急劇升高，開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)徑向應(yīng)力呈明顯梯度分布。因此，采用單面臨空、五面受力的特殊真三軸方式開展加載試驗，并考慮徑向應(yīng)力的梯度分布，能夠真實模擬現(xiàn)場剪切型巖爆的孕育發(fā)生環(huán)境。

傳統(tǒng)的真三軸巖爆試驗不考慮梯度分布的徑向應(yīng)力的影響，試件厚度方向(模擬隧洞的半徑方向)較小，試驗很難模擬現(xiàn)場開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)巖體的應(yīng)力條件，特別是徑向應(yīng)力的梯度分布。同時，小尺寸試件的彈射破壞很難呈現(xiàn)現(xiàn)場一定深度范圍的剪切型巖爆破壞，且不便于觀測記錄。采用更大尺寸試件能夠更好地模擬開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)圍巖的應(yīng)力及邊界條件，呈現(xiàn)巖體沿徑向不同的斷裂破壞時機(jī)與模式，以揭示剪切型巖爆的孕育發(fā)生機(jī)制。

綜上所述，當(dāng)前開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)的剪切型巖爆的室內(nèi)試驗?zāi)M尚未見可借鑒方法。本發(fā)明提出一種模擬剪切型巖爆的真三軸試驗方法，通過較大尺寸的巖樣加載在室內(nèi)再現(xiàn)因洞室切向壓應(yīng)力集中而導(dǎo)致的剪切巖爆過程，為此類型巖爆機(jī)理研究提供一種實用有效的技術(shù)手段。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種模擬剪切型巖爆的真三軸試驗方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

一種模擬剪切型巖爆的真三軸試驗方法，包括如下步驟：

步驟1：根據(jù)試驗機(jī)的加載條件、模擬對象的發(fā)生環(huán)境、擬用巖石的強(qiáng)度性質(zhì)等確定試件的幾何尺寸，并制作滿足精度要求的巖石試件。

步驟2：參照現(xiàn)場圍巖的應(yīng)力及邊界條件，采用單面臨空、五面受力的特殊真三軸加載方式，并考慮試驗效果，選定圍壓水平和加載速率及控制方式。

步驟3：同時向試件豎向和水平軸向施加荷載，分別模擬隧洞的環(huán)向應(yīng)力、隧洞縱軸方向應(yīng)力，保持水平徑向一面自由，并隨后向另一面施加荷載，模擬隧洞開挖后形成的自由邊界及沿徑向梯度分布的徑向應(yīng)力。

步驟4：水平軸向及水平徑向(單面)達(dá)到指定荷載后停止加載并保持荷載恒定，豎向以力或位移的控制方式、采用合適的加載速率持續(xù)加載，加載至試件破壞后停止加載。

步驟5：豎向加載過程中，采用變形、應(yīng)力、聲發(fā)射等測量儀器對試驗過程進(jìn)行監(jiān)測記錄，采用高速攝像機(jī)監(jiān)測巖樣臨空面的破壞現(xiàn)象。

步驟6：試驗數(shù)據(jù)整理與分析。

上述步驟1的試件為具有良好完整性的硬脆性圍巖的代表性單元，具體采用200×100×100mm或更大尺寸的長方體巖塊，如花崗巖、大理巖等，加工精度嚴(yán)格按國際巖石力學(xué)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)。

上述步驟2的單面臨空、五面受力的特殊真三軸加載主要借助試件與夾具間賦存的摩擦或剪應(yīng)力實現(xiàn)，屬于非主應(yīng)力空間的加載，可真實模擬開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)巖體的受力及約束。

上述步驟3、步驟4的水平軸向應(yīng)力及水平徑向應(yīng)力(梯度)選取相對大值，特別是水平徑向應(yīng)力(梯度)；豎向應(yīng)力的繼續(xù)加載采用較高應(yīng)變率的位移控制或應(yīng)力控制。具體地，對于200×100×100mm試件，應(yīng)力加載速率應(yīng)控制在0.5MPa/s以上，或以位移控制加載時，加載速率應(yīng)設(shè)置在0.1mm/min以上。

上述步驟3的水平軸向應(yīng)力及水平徑向應(yīng)力(梯度)選取相對大值，特別是水平徑向應(yīng)力(梯度)；豎向應(yīng)力的繼續(xù)加載采用較高應(yīng)變率的位移控制或應(yīng)力控制。具體地，對于200×100×100mm試件，應(yīng)力加載速率應(yīng)控制在0.5MPa/s以上，或以位移控制加載時，加載速率應(yīng)設(shè)置在0.1mm/min以上。

上述步驟5的試驗過程監(jiān)測記錄采用試驗機(jī)控制及采集系統(tǒng)記錄試件應(yīng)力-應(yīng)變特征，采用聲發(fā)射、錄音筆、分貝儀記錄試驗過程中的物理信號，采用錄像機(jī)記錄試驗過程影像，采用高速攝像機(jī)記錄巖爆瞬間試件自由面附近的碎塊彈射過程，并在試驗結(jié)束后對試件進(jìn)行全方位拍照。

上述步驟6的試驗數(shù)據(jù)整理與分析，利用試驗過程中監(jiān)測與記錄的巖石的應(yīng)力與變形、裂紋發(fā)育、動力彈射等信息，并結(jié)合試樣及破碎巖塊的形態(tài)等，對剪切型巖爆發(fā)生過程中巖石的變形特特性、斷裂損傷發(fā)育、破壞模式及動能釋放規(guī)律進(jìn)行全面分析。其中特別的，利用專業(yè)影像分析軟件追蹤高速攝像中彈射巖塊的飛行軌跡，并進(jìn)一步測算其彈射速度，可最終統(tǒng)計估算出巖爆彈射破壞的動能。

本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果：

1.可在室內(nèi)再現(xiàn)剪切型巖爆破壞過程，為剪切型巖爆的機(jī)制與預(yù)測研究提供了有力的試驗手段。

2.可真實模擬剪切型巖爆孕育發(fā)生環(huán)境。本發(fā)明方法在單面臨空、五面受力的特殊真三軸應(yīng)力狀態(tài)下開展加載巖爆試驗，真實模擬隧洞開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)圍巖體受開挖影響，徑向應(yīng)力釋放，切向應(yīng)力不斷集中的受力及約束條件，及深處明顯升高的徑向應(yīng)力。采用本發(fā)明方法實施的剪切型巖爆試驗的破壞現(xiàn)象與現(xiàn)場剪切型巖爆破壞現(xiàn)象基本相同，并且試件的破壞特征與模式同現(xiàn)場情況較吻合。

3.可揭示開挖邊界附近不同深度圍巖的破壞特征與模式。本發(fā)明方法采用相對大尺寸的巖石試件，尤其是徑向厚度較大，試驗?zāi)軌蚰M現(xiàn)場沿徑向不同深度圍巖的破壞特征與模式，可較真實地再現(xiàn)表層圍巖發(fā)生劈裂破壞而深層圍巖發(fā)生剪切破壞的現(xiàn)場巖爆過程。

4.可實現(xiàn)剪切型巖爆破壞過程的精細(xì)分析。本發(fā)明方法對巖爆過程中的巖石的應(yīng)力與變形、裂紋發(fā)育、動力彈射等信息或現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)的監(jiān)測與記錄，可獲得巖石的變形特性、斷裂損傷發(fā)育及動能釋放規(guī)律等。

本發(fā)明模擬剪切型巖爆的真三軸試驗方法明顯不同于傳統(tǒng)的單軸壓縮、常規(guī)三軸壓縮及真三軸壓縮等基于主應(yīng)力空間的小尺寸巖樣的材料力學(xué)試驗方法，克服了上述方法不能合理模擬三向應(yīng)力條件下的剪切型巖爆及其彈射過程的局限性，為剪切型巖爆的機(jī)制的試驗研究提供有力支撐，對科學(xué)研究及工程實踐具有重要的科學(xué)與工程意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明洞室開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)巖體的應(yīng)力狀態(tài)示意圖。

圖2是本發(fā)明單面臨空、五面受力的特殊真三軸加載示意圖。

圖3是本發(fā)明試驗加載路徑圖。

圖4是本發(fā)明剪切型巖爆試驗試件的破壞過程圖。

圖5是本發(fā)明剪切型巖爆的爆坑形態(tài)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方案對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的實施方案只用于舉例說明，并不限制本發(fā)明。

深部地下洞室開挖后，邊界附近一定深度范圍內(nèi)巖體的應(yīng)力狀態(tài)如圖1所示。本發(fā)明采用單面臨空、五面受力的真三軸方式加載以模擬上述應(yīng)力狀態(tài)，如圖2所示。其中，豎向應(yīng)力σ_z模擬現(xiàn)場切向應(yīng)力σ_θ，水平向應(yīng)力σ_x模擬現(xiàn)場洞軸向應(yīng)力σ_a，水平向應(yīng)力σ_y模擬現(xiàn)場徑向應(yīng)力(分布)σ_r。參考現(xiàn)場開挖擾動下應(yīng)力的重分布過程，制定并采用圖3所示的試驗加載路徑。選用具有良好完整性的硬脆性巖石試件，如花崗巖、大理巖等為圍巖代表性單元，具體采用長200(高，沿豎向z)×100(寬，沿水平向x)×100(厚，沿水平向y)mm或更大尺寸的長方體巖石試件。

本發(fā)明利用真三軸巖爆試驗系統(tǒng)開展剪切型巖爆模擬，該系統(tǒng)包括巖爆試驗機(jī)、液壓動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、高速攝像機(jī)、聲發(fā)射儀、分貝儀、數(shù)碼錄像機(jī)等。其中，巖爆試驗機(jī)是高壓伺服動真三軸壓力機(jī)(專利號：ZL 2014 20227384.6)，主機(jī)采用整體框架結(jié)構(gòu)，豎直z向框架剛度不小于9000kN/mm，水平x、y向框架剛度不小于5000kN/mm；試驗機(jī)可在x向和z向單向獨立加靜載，在y向為雙向獨立加靜載，加載采用剛性推頭由全數(shù)字伺服控制器分別獨立控制；試驗機(jī)z向最大加載靜壓力為5000kN，x向和y向最大加載靜壓力均為3000kN。借助加載夾具提供夾持及摩擦，試驗機(jī)可實現(xiàn)單面臨空、五面受力的特殊真三軸應(yīng)力狀態(tài)加載。

模擬剪切型巖爆的真三軸試驗方法具體實施步驟：

步驟1：制作巖石試件。從完整的大塊巖石體上切割略大于(超出1～2mm)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的長方體試件，按照各表面不平整度不大于±0.02mm、相鄰兩表面垂直度偏差不大于±0.25°進(jìn)行精細(xì)打磨。測量試件的質(zhì)量、超聲波波速等物理力學(xué)參數(shù)。

步驟2：安裝試件與加載夾具。組裝試件與五面加載夾具整體(圖2)，并安裝至真三軸試驗機(jī)對應(yīng)加載位置，調(diào)整并確保各向加載對中，隨后在夾具周圍布置聲發(fā)射探頭和LVDT變形計。

步驟3：試驗預(yù)加載。先將豎直z向加載推頭與加載夾具貼合，并加載σ_z至2MPa(即20kN)，以2mm/min的速率；隨后將水平x向加載推頭與加載夾具貼合，并加載σ_x至0.5MPa(即10kN)，同樣以2mm/min的速率；最后將水平y(tǒng)向加載推頭(單面)與與加載夾具貼合。

步驟4：試驗加載。按照圖3所示應(yīng)力路徑進(jìn)行加載。首先，采用應(yīng)力控制加載σ_z及σ_x，以0.5～1.0MPa/s；隨后采用應(yīng)力控制加載σ_y(單面)，以0.1～0.5MPa/s；最后σ_x及σ_y達(dá)到指定荷載后停止加載并保持荷載恒定，以較高應(yīng)變速率繼續(xù)加載σ_z至試件發(fā)生巖爆破壞，試驗結(jié)束。具體地，對于200×100×100mm試件，σ_z的后續(xù)加載速率應(yīng)控制在0.5MPa/s以上，或以位移控制加載時，加載速率應(yīng)設(shè)置在0.1mm/min以上。

步驟5：試驗監(jiān)測與記錄。試驗過程中，采用試驗機(jī)控制及采集系統(tǒng)記錄試件應(yīng)力-應(yīng)變特征，采用聲發(fā)射、錄音筆、分貝儀記錄試驗過程中的物理信號，采用錄像機(jī)記錄試驗過程影像，采用高速攝像機(jī)記錄巖爆瞬間試件自由面附近的碎塊彈射過程，并在試驗結(jié)束后對試件進(jìn)行全方位拍照。

步驟6：試驗數(shù)據(jù)整理與分析。利用試驗過程中監(jiān)測與記錄的巖石的應(yīng)力與變形、裂紋發(fā)育、動力彈射等信息，并結(jié)合試樣及破碎巖塊的形態(tài)等，對剪切型巖爆發(fā)生過程中巖石的變形特性、斷裂損傷發(fā)育、破壞模式及動能釋放規(guī)律等進(jìn)行全面分析。其中特別的，利用專業(yè)影像分析軟件追蹤高速攝像中彈射巖塊的飛行軌跡，并進(jìn)一步測算其彈射速度，可最終統(tǒng)計估算出巖爆彈射破壞的動能。

典型試驗案例。從四川省錦屏二級水電站引水隧洞的2500m埋設(shè)處采回較為完整的大理巖巖塊，制作幾何尺寸為200×100×100mm的長方體大理巖試件；設(shè)定x方向應(yīng)力為40MPa，y方向(單面)應(yīng)力為10MPa；正確安裝試件及加載夾具，并完成預(yù)加載；采取應(yīng)力控制0.5MPa/s，加載σ_z及σ_x，并隨后采用應(yīng)力控制0.2MPa/s，加載σ_y(單面)；σ_x達(dá)到40MPa、σ_y達(dá)到10MPa后分別停止加載并保持荷載，繼續(xù)加載σ_z，以應(yīng)力控制，速率為1MPa/s；試樣的臨空面相繼出現(xiàn)顆粒彈射、劈裂成板、剪切成塊、塊片彈射，至此結(jié)束試驗。整理并分析試驗數(shù)據(jù)包括的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)、聲發(fā)射數(shù)據(jù)、高速影像等。高速攝像機(jī)記錄巖爆破壞過程如圖4所示，巖爆后的試件斷裂破壞形態(tài)如圖5所示。從中可見V型表層爆坑與深層的剪切滑移帶。

可見，本發(fā)明的技術(shù)方案實現(xiàn)了剪切型巖爆的合理室內(nèi)試驗?zāi)M。

本發(fā)明所述技術(shù)方案，僅為本發(fā)明較好且典型的具體實施方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何基于本發(fā)明的變化和替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。