本發(fā)明涉及一種深部圍巖巖爆沖擊傾向性的室內(nèi)試驗(yàn)方法，適用于模擬水利水電工程、交通、礦山、國家戰(zhàn)略防護(hù)和深部基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域深埋地下洞室開挖過程中圍巖在瞬態(tài)卸載條件下的瞬態(tài)脆延轉(zhuǎn)換動力特性和巖爆沖擊傾向性。

背景技術(shù)：

我國是世界第一能源消費(fèi)國，一次能源的80%煤炭提供。為保證國家能源和環(huán)境安全，十三五期間，我國將新增常規(guī)水電裝機(jī)6000萬kw，我國西部陸續(xù)開工建設(shè)一批采用深埋引水隧洞和地下廠房的大型水電樞紐。大埋深、高地應(yīng)力是我國西南地區(qū)深埋工程的最大特點(diǎn)。例如已建成投產(chǎn)的錦屏二級水電站4條引水隧洞最大埋深2525m，實(shí)測最大主應(yīng)力約42mpa，預(yù)測隧洞軸線上的最大主應(yīng)力達(dá)72mpa；地處雅魯藏布江大拐彎的墨脫水電站，引水隧洞埋深達(dá)4000m，地應(yīng)力超過100mpa；同時，我國交通隧道建設(shè)、礦藏資源開采也進(jìn)入到了1000～2000m的開挖深度。這些工程均需在復(fù)雜地質(zhì)和高地應(yīng)力條件下進(jìn)行巖石高邊坡、大跨度地下洞室群或超長深埋隧洞的大規(guī)模、高強(qiáng)度巖石開挖。

巖爆沖擊傾向性是巖石的固有屬性，是巖石在所受的應(yīng)力達(dá)到極限應(yīng)力狀態(tài)時發(fā)生巖爆的可能性。在深埋硬質(zhì)巖體中，高地應(yīng)力賦予巖體較高的彈性應(yīng)變能，受開挖卸荷的影響，在洞壁附近會產(chǎn)生應(yīng)力集中和應(yīng)變能聚集現(xiàn)象，當(dāng)聚集的應(yīng)變能超過巖體的極限儲存能時，能量突然釋放，造成洞壁附近部分巖體從母巖中突然、猛烈彈射出來，這一巖體的動力破壞現(xiàn)象就是巖爆。巖爆作為一種典型的人工誘發(fā)動力地質(zhì)災(zāi)害。從能量角度來看，巖爆的形成過程是巖體中的能量從儲存到釋放直至最終使巖體破壞脫離母巖的過程。巖爆是否發(fā)生及其表觀形式主要取決于巖體中是否儲存了足夠的能量，是否具有釋放能量的條件及能量釋放的方式。國內(nèi)外學(xué)者通過開展廣泛的巖爆特性研究得出相應(yīng)的巖爆傾向性指標(biāo)。kidbinski開展巖石加卸載試驗(yàn)，得出巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，將實(shí)驗(yàn)過程卸載釋放的彈性應(yīng)變能和耗損的彈性應(yīng)變能之比定義為彈性變形能指數(shù)，彈性變形能指數(shù)越大，巖爆沖擊傾向性越大；goodman在剛性試驗(yàn)機(jī)上開展巖石的全應(yīng)力?應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，根據(jù)所得全應(yīng)力?應(yīng)變曲線，定義峰值前應(yīng)力?應(yīng)變曲線下面積與峰值后應(yīng)力?應(yīng)變曲線下面積之比，提出巖石沖擊能指標(biāo)，巖石沖擊能指標(biāo)越大，其巖爆傾向性越明顯。唐禮忠等通過分析典型的大理巖加卸載及全應(yīng)力?應(yīng)變曲線，根據(jù)巖石在變形和破壞過程中的能量變化，提出用剩余能量指數(shù)表征巖石的能量儲存與能量耗散的相對關(guān)系，并由此作為巖爆傾向性指標(biāo)。

深部巖體的脆延轉(zhuǎn)換特性對深部巖石的儲能特性及開挖響應(yīng)具有重要影響。巖石在不同圍壓下表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性，以大理巖為例，圍壓在低圍壓范圍內(nèi)，大理巖巖樣的脆性特征較為顯著，應(yīng)力應(yīng)變曲線達(dá)到強(qiáng)度峰值后迅速跌落；圍壓達(dá)到一定量值后，巖樣應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的延性特征，應(yīng)力到達(dá)峰值后并未迅速跌落，軸向應(yīng)力保持一段時間不變，軸向應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變繼續(xù)增加，圍壓超過12mpa之后，強(qiáng)度曲線要等到塑性變形超過5‰才出現(xiàn)明顯跌落；圍壓超過18mp后，圍巖的延性特征更加顯著，開始出現(xiàn)延性向塑性特征轉(zhuǎn)換。

目前較多針對靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)卸載條件下研究巖爆沖擊傾向性，當(dāng)進(jìn)入深部巖體開挖時，開挖巖體承受高地應(yīng)力、開挖卸荷、強(qiáng)動力擾動耦合作用，必須考慮深部地下洞室在動態(tài)卸載條件下，巖體脆延特性發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而研究動載條件下的巖爆沖擊傾向性。

本發(fā)明通過提出一種深部圍巖巖爆沖擊傾向性的室內(nèi)試驗(yàn)方法，達(dá)到模擬水利水電工程、交通、礦山等領(lǐng)域深埋地下洞室開挖過程中不同初始應(yīng)力狀態(tài)和不同卸載速率條件下下巖爆的沖擊傾向性，簡便實(shí)用，并且能夠用多理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對巖爆沖擊傾向性的理論分析、數(shù)值模擬等方法的不足之處，本發(fā)明通過自行設(shè)計(jì)受壓薄板預(yù)制圓孔-巖塞沖切瞬態(tài)卸載室內(nèi)試驗(yàn)研究巖爆沖擊傾向性，工藝簡單、可操作性強(qiáng)、數(shù)據(jù)易處理。

一種深部圍巖巖爆沖擊傾向性的室內(nèi)試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟一，預(yù)制巖質(zhì)薄板和巖塞，具體實(shí)現(xiàn)如下：

從可能發(fā)生巖爆的深埋洞室現(xiàn)場取完整巖塊，經(jīng)過切割處理制作n套尺寸和材料相同的巖樣，每套巖樣由巖質(zhì)薄板和巖塞組成，要求所制作的巖質(zhì)薄板試件致密完整，截面為矩形，然后在巖質(zhì)薄板中心位置鉆設(shè)直徑為d1的圓孔，鉆設(shè)圓孔的過程中避免對巖體薄板造成損傷；要求所制作的巖塞為柱狀且其直徑為d2，d2比d1大?d,?d的取值以能夠使巖塞塞入巖質(zhì)薄板的圓孔內(nèi)并產(chǎn)生裝配應(yīng)力為準(zhǔn)；巖塞和巖質(zhì)薄板材料一致；

步驟二，裝配巖塞和安裝應(yīng)變片，具體實(shí)現(xiàn)如下：

取第i套巖樣，i=1，i=1,2,3,…,n，用巖塞將巖質(zhì)薄板的圓孔塞緊，使巖質(zhì)薄板在未施加初始荷載前具有≦0.5mpa的局部裝配預(yù)應(yīng)力；然后在巖質(zhì)薄板其中一個面上安裝至少兩片應(yīng)變片，這些應(yīng)變片圍繞巖質(zhì)薄板中心布置，將應(yīng)變片連接到數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)動態(tài)采集儀和光線示波器組成，用以測量圓孔周圍巖石瞬態(tài)卸載時的動應(yīng)變和應(yīng)力；

步驟三，施加初始荷載，具體實(shí)現(xiàn)如下：

在上述安裝有應(yīng)變片的巖質(zhì)薄板四周施加均布荷載，經(jīng)過應(yīng)力調(diào)整和平衡后，消除巖質(zhì)薄板局部裝配預(yù)應(yīng)力，在巖質(zhì)薄板內(nèi)形成準(zhǔn)均勻應(yīng)力場，模擬深埋洞室圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)；

然后在該巖質(zhì)薄板的上下側(cè)面施加初始荷載p1，p1取值范圍為1-100mpa、在其左右側(cè)面施加初始荷載p2，p2取值為p1-(i-1)p0，i=1,2,3,…,n，p0為5-10mpa；

步驟四，數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)調(diào)試以及巖樣加載完成后，利用利用霍普金森桿中的沖擊桿沖擊預(yù)裝配的巖塞，巖塞高速飛出，實(shí)現(xiàn)圓孔周圍巖石的瞬態(tài)卸載，使卸載速率達(dá)到10-100mpa/s；

步驟五，另取一套巖樣，重復(fù)上述步驟二至四，改變巖質(zhì)薄板的初始荷載和沖擊桿的沖擊速率，改變沖擊桿的沖擊速率可以調(diào)節(jié)巖樣薄板的卸載速率，直至獲得n套巖樣的巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；

步驟六：根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，定量計(jì)算巖石的巖爆傾向性指數(shù)。

上述方法中，所制作的巖石薄板的厚度為5-10cm，巖質(zhì)薄板中心圓孔直徑d1為4-6cm，?d取值為0.1-0.2cm。

上述方法中，制作5套巖樣，每套巖樣的初始荷載p1/p2分別取60mpa/60mpa,60mpa/50mpa,60mpa/40mpa,60mpa/20mpa,60mpa/10mpa。

上述方法中，巖質(zhì)薄板上下側(cè)面平行、左右側(cè)面平行，不平行度<0.05mm；巖質(zhì)薄板上下側(cè)面與軸向平行、左右側(cè)面與軸向平行，最大偏差不超過0.25°；巖質(zhì)薄板所有側(cè)面處理平整。

上述方法中，所述應(yīng)變片圍繞巖質(zhì)薄板中心均勻分布。

巖爆的沖擊傾向性是巖體的固有屬性。地下工程開挖時，巖爆的沖擊傾向性與洞室周圍巖體中的能量變化息息相關(guān)。即巖體儲存的原始彈性應(yīng)變能在驅(qū)動巖體形成宏觀裂紋后是否還有充足的能量形成巖爆。通過巖質(zhì)薄板圓孔周圍巖體的瞬態(tài)卸載，可以研究不同卸載速率和初始應(yīng)力條件下，巖樣薄板的瞬態(tài)脆延轉(zhuǎn)換特性，進(jìn)而研究當(dāng)巖樣表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性時，巖樣儲存能量的變化關(guān)系。所施加的初始荷載p1/p2的比例關(guān)系和調(diào)節(jié)沖擊桿的沖擊速率可以模擬地下工程施工過程中，當(dāng)圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)和圍巖瞬態(tài)卸載速率不同時，巖體表現(xiàn)出的巖爆沖擊傾向性的差異。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)和有益效果：

（1）可直接利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)器材實(shí)現(xiàn)巖石瞬態(tài)脆延轉(zhuǎn)換特性的模擬，進(jìn)而研究巖爆沖擊傾向性，簡便易行；

（2）通過長期系統(tǒng)的試驗(yàn)和分析，可建立試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，得出巖樣薄板的巖性、初始應(yīng)力狀態(tài)和卸載速率與巖爆沖擊傾向性的關(guān)系；

（3）直觀、全場測量；

（4）通過動態(tài)反應(yīng)測試系統(tǒng)，可以較為準(zhǔn)確獲得巖質(zhì)薄板超高速瞬態(tài)卸載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，與現(xiàn)場試驗(yàn)相比，具有較大的優(yōu)勢。

通過超高速卸載條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，可以定量求得不同應(yīng)力狀態(tài)和卸載速率條件下巖石的巖爆傾向性指數(shù)，為施工過程中巖爆的預(yù)測和防治提供參考依據(jù)。

附圖說明

圖1為發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例巖質(zhì)薄板模型示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例巖質(zhì)薄板a-a剖面沖切前后示意圖，（a）為沖切前；（b）為沖切后。

圖中：1為巖質(zhì)薄板，2為預(yù)制巖塞，3為固定支架，4為應(yīng)變片，5為沖擊桿，6為初始荷載p1，7為初始荷載p2，8為預(yù)制圓孔，9為巖質(zhì)薄板a-a剖面。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖1-3，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。

實(shí)施例一：

試驗(yàn)所需的主要裝置：巖質(zhì)薄板，預(yù)制巖塞，固定支架，數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)，沖擊桿，各組件的位置關(guān)系如附圖1所示。本實(shí)施例以模擬某深埋隧洞開挖過程中巖爆傾向性為例。

一種深部圍巖巖爆沖擊傾向性的室內(nèi)試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟一，預(yù)制巖質(zhì)薄板和巖塞，具體實(shí)現(xiàn)如下：

從可能發(fā)生巖爆的深埋洞室現(xiàn)場取完整巖塊，經(jīng)過切割處理制作5套尺寸和材料相同的巖樣，每套巖樣由巖質(zhì)薄板和巖塞組成，要求所制作的巖質(zhì)薄板試件致密完整，截面為矩形，厚度為5cm，要求巖質(zhì)薄板上下側(cè)面平行、左右側(cè)面平行且不平行度<0.05mm，巖質(zhì)薄板上下側(cè)面與軸向平行、左右側(cè)面與軸向平行且最大偏差不超過0.25°，巖質(zhì)薄板所有側(cè)面處理平整；然后在巖質(zhì)薄板中心位置鉆設(shè)直徑為5cm的圓孔，鉆設(shè)圓孔的過程中避免對巖體薄板造成損傷；要求所制作的巖塞為柱狀且其直徑為d2，d2比d1大?d,?d取值為0.1-0.2cm，?d的取值以能夠使巖塞塞入巖質(zhì)薄板的圓孔內(nèi)并產(chǎn)生裝配應(yīng)力為準(zhǔn)；巖塞和巖質(zhì)薄板材料一致；

步驟二，裝配巖塞和安裝應(yīng)變片，具體實(shí)現(xiàn)如下：

取第i套巖樣，i=1,2,…,5，用巖塞將巖質(zhì)薄板的圓孔塞緊，使巖質(zhì)薄板在未施加初始荷載前具有≦0.5mpa的局部裝配預(yù)應(yīng)力；然后在巖質(zhì)薄板其中一個面上安裝至少兩片應(yīng)變片，這些應(yīng)變片圍繞巖質(zhì)薄板中心均勻布置，將應(yīng)變片連接到數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)動態(tài)采集儀和光線示波器組成，用以測量圓孔周圍巖石瞬態(tài)卸載時的動應(yīng)變和應(yīng)力；

步驟三，施加初始荷載，具體實(shí)現(xiàn)如下：

在上述第i套巖樣的巖質(zhì)薄板四周施加均布荷載，經(jīng)過應(yīng)力調(diào)整和平衡后，消除巖質(zhì)薄板局部裝配預(yù)應(yīng)力，在巖質(zhì)薄板內(nèi)形成準(zhǔn)均勻應(yīng)力場，模擬深埋洞室圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)；

然后在該第i套巖樣的巖質(zhì)薄板的上下側(cè)面施加初始荷載p1，p1取值為60mpa、在其左右側(cè)面施加初始荷載p2，p2取值為p1-(i-1)p0，i=1,2,…,5，p0為10mpa；

步驟四，數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)調(diào)試以及巖樣加載完成后，利用利用霍普金森桿中的沖擊桿沖擊預(yù)裝配的巖塞，巖塞高速飛出，實(shí)現(xiàn)圓孔周圍巖石的瞬態(tài)卸載，使卸載速率達(dá)到10-100mpa/s；

步驟五，另取一套巖樣，重復(fù)上述步驟二至四，改變巖質(zhì)薄板的初始荷載和沖擊桿的沖擊速率，改變沖擊桿的沖擊速率可以調(diào)節(jié)巖樣薄板的卸載速率，直至獲得全部5套巖樣的巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；

步驟六：根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，定量計(jì)算巖石的巖爆傾向性指數(shù)。