一种模拟岩墙轴向微扰动触发型岩爆的实验方法技术

一种模拟岩墙的轴向微扰动触发型岩爆实验方法，包括如下步骤：对第一块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，X向应力为静载应力，Z向应力持续增大直至试件发生破坏，记录破坏时的基本参数；对第二块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，X向应力值大小等于X向静载应力值，Z向应力加载至岩爆发生前的临界应力，利用水平向扰动杆对第二块岩体试件施加微扰动应力，持续作用至Y向的两个水平临空面出现弹射破坏，观察、记录碎块弹射破坏过程。本发明专利技术真实模拟了岩墙受高地应力作用的受力状态和工程现场爆破、机械振动等扰动源对远处岩墙岩体在轴向产生的微扰动情况。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种模拟岩墙轴向微扰动触发型岩爆的实验方法，特别适用于深部地下工程岩爆研究问题，属于水利水电工程与岩土工程技术开发领域。
技术介绍
在水力发电地下厂房、矿山巷道、铁路和公路隧道等地下洞室群开挖过程中，洞室之间的岩体结构称为岩墙。岩墙的一个突出受力特点就是竖向和水平向两向受力的条件下有两个临空面，由于受力时岩墙可向两侧临空面同时发生变形，故岩墙比具有一个临空面的洞室围岩更容易发生失稳破坏现象。在高地应力地区，地下洞室群开挖后岩墙常处于高应力状态。掌子面的爆破、机械钻凿等开挖作业所产生的扰动应力波将沿着隧洞纵轴线方向向远处传播，在扰动应力作用下，远处处于临界状态的高静应力岩墙被触发失稳破坏，即出现突然猛烈的岩爆弹射破坏地质灾害现象，这种岩爆可称为岩墙轴向微扰动触发型岩爆。目前，该类型岩爆的发生时间和位置还难以准确预测，具有突然性和突袭性的特点，导致实际工程中的及时预警较为困难，易造成严重的工程安全事故和巨大经济损失。该类型岩爆难以预测的主要原因在于其发生机理尚不清楚。室内试验是岩爆机理探索的重要手段。目前，受实验设备条件限制，关于岩爆室内模拟方法大多是基于静载荷作用下实施的，扰动触发岩爆特别是扰动源对远距离岩墙产生的轴向微扰动触发型岩爆的实验方法亟待开展。本专利技术提出一种模拟岩墙轴向微扰动触发型岩爆的实验方法，这对于推进岩墙轴向微扰动触发型岩爆的机理研究具有重要的现实意义。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种模拟岩墙轴向微扰动触发型岩爆的实验方法。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种模拟岩墙的轴向微扰动触发型岩爆实验方法，该实验方法利用高压伺服真三轴压力机，采用动静荷载组合的加载方式，利用水平向扰动杆实现岩墙在轴向微扰动荷载作用下的远程触发型岩爆，包括如下步骤：(1)制作第一块岩体试件和第二块岩体试件，第一块岩体试件和第二块岩体试件都取于相同开挖现场岩体，(2)利用高压伺服真三轴压力机对第一块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，X向应力为静载应力，Z向应力持续增大直至试件发生破坏，记录岩体试件破坏时的基本参数，所述基本参数包括弹性模量、泊松比、Z向应力的峰值强度以及X向应力值，(3)根据步骤(2)获得的基本参数，利用高压伺服真三轴压力机对第二块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，模拟岩墙受高地应力作用的情况，其中，X向应力值大小等于步骤(2)所述的X向静载应力值，Z向应力加载至岩爆发生前的临界应力，所述岩爆发生前的Z向应力值大小的确定方法如下：观察声发射检测系统的撞击数是否出现突增现象，若无明显变化则提高岩样Z向应力值，直至声发射撞击数出现突增；(4)通过伺服控制系统，利用高压伺服真三轴压力机的水平向扰动杆对第二块岩体试件施加微扰动应力，用以模拟隧洞开挖过程中远处的包括开挖爆破和机械钻凿产生的扰动源沿着隧洞纵轴线方向向高应力岩墙传播而来的微小扰动应力波，(5)持续步骤(4)的微小扰动应力作用至第二块岩体试件Y向的两个水平临空面出现弹射破坏，观察、记录碎块弹射破坏过程，轴向微扰动触发型岩爆实验结束。所述步骤(3)中，加载初始静应力的加载方式可以选择是力加载控制或位移加载控制。所述步骤(3)中，Z向应力值大小为步骤(2)记录的Z向应力的峰值强度的百分之九十以上。所述步骤(4)中，微扰动应力为循环脉冲波，波形包括三角波、矩形波、正弦波、方波和锯齿波，脉冲频率根据实验要求设定。所述步骤(4)中，微扰动应力与步骤(3)所述的声发射撞击数突增时的Z向应力之和大于步骤(2)确定的Z向应力的峰值强度。所述步骤(5)中，分别采用两台高速数字摄像机记录第二块岩体试件两个临空面的岩爆弹射破坏过程，通过高速摄像影像运动学分析方法估算岩爆碎块的弹射速度，再称取弹射碎块的质量估算岩爆碎块弹射动能。本专利技术取得了以下技术效果：本专利技术通过上述的技术方案，首先可以真实的模拟开挖后岩墙受高地应力作用的受力状态。其次，通过对水平向扰动杆施加循环荷载，真实的模拟了工程现场爆破、机械振动等扰动源对远处岩墙岩体在轴向产生的微扰动情况。本专利技术通过上述的技术方案，成功实现了岩墙在水平向扰动杆循环扰动作用下的轴向微扰动触发型岩爆。通过研究岩墙的轴向微扰动触发型岩爆机理，为逐步了解和掌握岩爆的本质提供了科学的依据。附图说明图1是本专利技术模拟的岩墙单元体受轴向微扰动的应力状态示意图。图2是图1中A位置的放大示意图。图3是本专利技术模拟岩墙的轴向微扰动触发型岩爆实验方法实施例的流程图图4是本专利技术模拟岩墙的轴向微扰动触发型岩爆实验方法实施例的扰动荷载加载装置示意图。图5是本专利技术模拟岩墙轴向微扰动触发型岩爆的实验方法实施例的应力、撞击数-时间曲线图。图6A至图6D是本专利技术模拟岩墙轴向微扰动触发型岩爆的实验方法实施例中，高速摄像机记录的岩爆弹射过程图。图中：σt-扰动应力，σx-岩石单元体的水平向应力，σz-岩石单元体的竖直向应力，1、岩石单元临空面，2、岩石单元，3、隧洞掘进方向，4、轴向，5、隧洞，6、钻爆法施工点，7、水平向扰动杆。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术的实验方法作进一步阐述。一种模拟岩墙的轴向微扰动触发型岩爆实验方法，该实验方法利用高压伺服真三轴压力机，采用动静荷载组合的加载方式，利用水平向扰动杆实现岩墙在轴向微扰动荷载作用下的远程触发型岩爆，包括如下步骤：(1)制作第一块岩体试件和第二块岩体试件，第一块岩体试件和第二块岩体试件都取于相同开挖现场岩体，(2)利用高压伺服真三轴压力机对第一块岩体试件加载X向应力(水平向应力)和Z向应力(竖直向应力)，保持Y向的两个水平面处于临空状态，X向应力为静载应力，Z向应力持续增大直至试件发生破坏，记录岩体试件破坏时的基本参数，所述基本参数包括弹性模量、泊松比、Z向应力的峰值强度以及X向应力值，(3)根据步骤(2)获得的基本参数，利用高压伺服真三轴压力机对第二块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，模拟岩墙受高地应力作用的情况，其中，X向应力值大小等于步骤(2)所述的X向静载应力值，Z向应力加载至岩爆发生前的临界应力，所述岩爆发生前的Z向应力值大小的确定方法如下：观察声发射检测系统的撞击数是否出现突增现象，若无明显变化则提高岩样Z向应力值，直至声发射撞击数出现突增；(4)通过伺服控制系统，利用高压伺服真三轴压力机的水平向扰动杆对第二块岩体试件施加微扰动应力，用以模拟隧洞开挖过程中远处的包括开挖爆破和机械钻凿产生的扰动源沿着隧洞纵轴线方向向高应力岩墙传播而来的微小扰动应力波，(5)持续步骤(4)的微小扰动应力作用至第二块岩体试件Y向的两个水平临空面出现弹射破坏，观察、记录碎块弹射破坏过程，轴向微扰动触发型岩爆实验结束。本实施例步骤(1)制作的第一块岩体试件和第二块岩体试件都取于相同开挖现场的花岗岩岩体，尺寸均为100mm×100mm×200mm(长×宽×高)。本实施例步骤(2)实验结果表明，第一块岩体试件在X向应力为30MPa时，Z向应力持续加载至180MPa(峰值强度)时岩体试件发生破坏。本实施例步骤(2)和(3)中，以力加载控制的方式对第二块岩体试件加载的X向应力大小为30MPa，X本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟岩墙的轴向微扰动触发型岩爆实验方法，该实验方法利用高压伺服真三轴压力机，采用动静荷载组合的加载方式，利用水平向扰动杆实现岩墙在轴向微扰动荷载作用下的远程触发型岩爆，其特征在于，包括如下步骤：(1)制作第一块岩体试件和第二块岩体试件，第一块岩体试件和第二块岩体试件都取于相同开挖现场岩体，(2)利用高压伺服真三轴压力机对第一块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，X向应力为静载应力，Z向应力持续增大直至试件发生破坏，记录岩体试件破坏时的基本参数，所述基本参数包括弹性模量、泊松比、Z向应力的峰值强度以及X向应力值，(3)根据步骤(2)获得的基本参数，利用高压伺服真三轴压力机对第二块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，模拟岩墙受高地应力作用的情况，其中，X向应力值大小等于步骤(2)所述的X向静载应力值，Z向应力加载至岩爆发生前的临界应力，所述岩爆发生前的Z向应力值大小的确定方法如下：观察声发射检测系统的撞击数是否出现突增现象，若无明显变化则提高岩样Z向应力值，直至声发射撞击数出现突增；(4)通过伺服控制系统，利用高压伺服真三轴压力机的水平向扰动杆对第二块岩体试件施加微扰动应力，用以模拟隧洞开挖过程中远处的包括开挖爆破和机械钻凿产生的扰动源沿着隧洞纵轴线方向向高应力岩墙传播而来的微小扰动应力波，(5)持续步骤(4)的微小扰动应力作用至第二块岩体试件Y向的两个水平临空面出现弹射破坏，观察、记录碎块弹射破坏过程，轴向微扰动触发型岩爆实验结束。...

【技术特征摘要】
1.一种模拟岩墙的轴向微扰动触发型岩爆实验方法，该实验方法利用高压伺服真三轴压力机，采用动静荷载组合的加载方式，利用水平向扰动杆实现岩墙在轴向微扰动荷载作用下的远程触发型岩爆，其特征在于，包括如下步骤：(1)制作第一块岩体试件和第二块岩体试件，第一块岩体试件和第二块岩体试件都取于相同开挖现场岩体，(2)利用高压伺服真三轴压力机对第一块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，X向应力为静载应力，Z向应力持续增大直至试件发生破坏，记录岩体试件破坏时的基本参数，所述基本参数包括弹性模量、泊松比、Z向应力的峰值强度以及X向应力值，(3)根据步骤(2)获得的基本参数，利用高压伺服真三轴压力机对第二块岩体试件加载X向应力和Z向应力，保持Y向的两个水平面处于临空状态，模拟岩墙受高地应力作用的情况，其中，X向应力值大小等于步骤(2)所述的X向静载应力值，Z向应力加载至岩爆发生前的临界应力，所述岩爆发生前的Z向应力值大小的确定方法如下：观察声发射检测系统的撞击数是否出现突增现象，若无明显变化则提高岩样Z向应力值，直至声发射撞击数出现突增；(4)通过伺服控制系统，利用高压伺服真三轴压力机的水平向扰动杆对第二块岩体试件施加微扰动应力，用以模拟隧洞开挖过程中远处的包括开挖爆破和机械钻凿产生的扰动源沿着隧洞纵轴线方向向...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏国韶，陈智勇，胡旭，汤世铖，江权，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西;45