一种模拟不同类型岩爆的试验方法技术

本发明专利技术公开了一种模拟不同类型岩爆的试验方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：岩爆试样的制备；步骤二：对岩爆试样进行三向六面加载、单面卸载后顶部梯度加载的试验方法；步骤三：选取合适的初始围压，加载至初始围压水平，然后在其他各面荷载不变的情况下，通过水平单面卸载模拟硐室开挖过程；步骤四：通过控制岩爆试样顶部的四组独立的加载器来实现不同梯度加载的目的,模拟硐室切向应力集中。梯度加载直至岩爆试样破坏为止；步骤五：岩爆试样加载破坏过程中，对试验过程进行监测记录；步骤六：试验数据整理与分析。该方法对工程中局部出现的脆性破坏模式进行识别，选择合理的围岩施工方法和支护系统具有重要的理论和工程意义。

A test method for simulating different types of rockburst

The invention discloses a test method for simulating different types of rock burst, which is characterized by the following steps: step 1: preparation of rock burst specimen; step 2: test method of loading rock burst specimen in three directions and six sides, gradient loading at the top after unilateral unloading; step 3: selecting appropriate initial confining pressure, loading to the beginning The excavation process is simulated by horizontal unilateral unloading under the condition of constant confining pressure and other loads. Step 4: Different gradient loading is achieved by controlling four groups of independent loaders at the top of rock burst specimens to simulate the tangential stress concentration. Gradient loading until the rock burst specimen failure; Step 5: Rockburst specimen loading failure process, the test process monitoring records; Step 6: Test data collation and analysis. This method is of great theoretical and engineering significance to identify brittle failure modes occurring locally in engineering and to select reasonable surrounding rock construction method and support system.

【技术实现步骤摘要】
一种模拟不同类型岩爆的试验方法
本专利技术涉及一种岩爆的模拟试验方法，具体涉及一种模拟不同类型岩爆的试验方法，属于岩石力学试验领域。
技术介绍
近年来，随着世界各国采矿、交通、水利、国防、核废料存储等工程进一步向深部岩体发展，高地应力下硬岩由开挖卸荷导致的岩爆问题日益突出。虽然已经进行了长达数百年的探索，但终究因岩爆现象的多样性及形成机理的复杂性等特点使得岩爆的研究成果在工程的具体应用中显得捉襟见肘。岩爆是由于硐室开挖后径向应力减小、切向应力集中而导致的围岩脆性破坏现象。岩爆发生地点具有随机性，孕育过程具有突发性，对生产安全和工程可靠性的危害极大，是目前深部岩体工程中亟待解决的关键问题。挪威西玛(Sima)水电站岩爆，大岩块从一侧边墙弹射出来，其压力之大，足以横穿机室而击射到20m外的另一侧边墙。位于中国青藏高原的拉林铁路巴玉隧道，于2017年4月至6月间多次发生剪切型岩爆现象，岩块毫无征兆地应声弹射出来，威力巨大，给施工造成了巨大的危害。锦屏Ⅱ级水电站引水隧洞岩爆，大块岩板向外突出，破坏面几乎与轴线平行，突出岩板厚60mm，间歇持续2小时。由现场的岩爆特点可以总结出：当围岩内部发出清脆的爆裂撕裂声时，岩爆力学机制表现为压致拉裂型破坏，多平行洞壁发生且仅涉及表层岩体，岩石以薄片状、透镜状、板状形式爆裂剥离(落)下来，无弹射现象，断口多呈新鲜贝壳状；当围岩内部发出沉闷爆裂声，声响较小时，岩爆力学机制主要表现为压致剪切型破坏，爆裂岩石多为透镜状、棱板状、块状或片状等，有弹射现象，断口多呈楔形或弧形凹腔。Orlepp将完整围岩的岩爆类型分为板裂屈曲型岩爆、应变型岩爆和剪切型岩爆三类。板裂屈曲型岩爆——围岩劈裂成板，岩板在围岩切向力作用下压屈失稳，随后沿着平行于开挖面的巨大岩板向外排出；应变型岩爆——围岩劈裂成板，岩板与完整围岩交界处发生剪切破坏，破坏后岩板或平行开挖面弹射或压碎呈块、片抛掷(累进性向内部发展)；剪切型岩爆——剪切破裂带贯穿完整岩体，体量较大的岩块毫无征兆地应声抛掷，破坏最为猛烈。不同的岩爆破坏类型对施工方法及施工维护功能的要求各不相同，一旦处理不当，将极大地威胁作业人员和施工设备的安全，严重时可造成工期延误和重大经济损失。深部岩体多为硬脆性岩体。要想从本质上认识导致不同围岩脆性破坏模式的原因，就要从围岩的受力状态出发。岩爆围岩的脆性破坏主要发生在硐室开挖后切向应力的集中过程中，而切向应力在洞壁处较大，并以一定梯度向围岩内部递减，埋深、开挖方式、地质构造等都会对其分布造成影响。从力学机制来看，岩爆破坏可能有3种原因：一是卸荷回弹的结果；二是随着模拟开挖过程的推进，模型所承受的主应力水平不断增加，而模型切向应力集中过程的梯度分布将导致主应力方向动态偏转，岩桥相对于主应力方向的倾角和长度将直接影响模型岩爆模型的变形和破坏机制；三是岩爆区周围的完整岩体相当于一个柔性加载系统，岩爆破坏时，周围完整岩体应变能释放为岩爆补充能量。规避岩爆灾害重在机理研究，试验是岩爆机制研究的基础之一，但原有的单轴、常规三轴及真三轴岩爆试验多采用的是液压刚性加载系统，在岩样软化变形中，无法补偿加载器的加载压力突降，难以再现岩爆弹射或抛掷现象。此外，试验中所采用的模型尺寸较小，且只考虑了顶部均布加载的作用，以致岩爆发生时的应力水平与实际情况岩爆在低于甚至远低于围岩单轴抗压强度的情况下发生不一致。导致不同岩爆现象发生的主要原因主要与岩体所处应力环境及开挖后应力集中路径有关。因此，采用大体积试件三向六面加载——单面快速卸载——顶部梯度与气液复合加载的方式展开试验，可从工程岩体系统受力特点的角度，通过改变不同的应力集中路径来达到真实模拟不同类型岩爆现象的目的，试验过程可真实反映岩体开挖前后受力状态的改变。综上所述，目前室内岩爆试验多为小尺寸各面液压刚性均布加载，尚未有能实现不同类型岩爆现象的室内试验方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种模拟不同类型岩爆的试验方法，该方法基于工程岩体开挖后的受力特点，通过控制开挖卸荷后围岩切向应力分布形式，以模拟不同类型的岩爆。本专利技术是这样实现的：一种模拟不同类型岩爆的试验方法，包括以下步骤：步骤一：岩爆试样的制备；制作硬脆性满足岩爆条件，强度及尺寸精度满足试验设备加载要求的岩石相似材料试样；由于天然岩样的采集、加工和试验加载过程等受实际条件和试验装置要求等多方面的限制；因此，试验通过采用相似材料代替天然岩样进行模型试验；为满足岩爆岩体的硬脆性以及试验装置的加载条件，选取满足强度在仪器加载范围内且脆性较高的材料为岩石相似材料，并制作满足加载设备所需尺寸的模型试件；步骤二：对岩爆试样进行三向六面加载、单面卸载后顶部梯度加载的试验方法；这种试验方法，是根据现场硐室开挖过程中，岩体所处的应力环境、开挖前后应力状态及应力路径而相应选择和采用的；步骤三：选取合适的初始围压，根据初始围压大小对岩爆试样的各面同时进行分级加载，当加载至初始围压水平时停止加载，并稳压一段时间，然后在其他各面荷载不变的情况下，通过水平单面卸载模拟硐室开挖过程；初始围压按照世界各国地应力测量结果所得垂直应力与水平应力之比的分布规律进行选取；步骤四：通过控制岩爆试样顶部的四组独立的气液复合加载器来实现不同梯度加载的目的；按设计的梯度分布形式进行加载，用以控制不同类型岩爆现象的产生，梯度加载直至岩爆试样破坏为止；步骤五：岩爆试样加载破坏过程中，利用应力采集系统对围压荷载及各梯度荷载进行实时监控，同时，试验过程中还配备了应变采集设备、声发射装置、弹性波CT扫描仪、SEM电镜扫描测量仪对试验过程进行监测记录，用高速摄像机记录不同类型岩爆破坏现象；步骤六：试验数据整理与分析。更进一步的方案是：步骤一的岩爆试样是高强度石膏材料，石膏材料具有一定的水膏比，并添加一定量的柠檬酸作为缓凝剂，制备的岩爆试样尺寸为400mm×600mm×1000mm的长方体试件，岩爆试样制作完成后经常温干燥和烘干处理。更进一步的方案是：步骤二的加载和卸载是通过梯度与气液复合加载的大型真三轴加卸载岩爆装置实现的。初始围压通过三向同步加载，模拟开挖采用单面快速开门卸载的方式。试件顶部控制梯度加载是通过四组相互独立的6头气液复合加载器来实现的，可真实反岩体开挖后的硐室围岩切向应力集中过程。需要说明的是，这里的大型真三轴加卸载岩爆装置，并非是对于本专利技术的限制，只要能够满足对岩爆试样进行符合要求的稳定的压力加载和卸载能力即可。更进一步的方案是：步骤三的初始围压根据E.T.Brown和E.Hoek统计世界各国的地应力测量结果所得垂直应力与水平应力之比的分布规律进行选取。分级加载是将岩爆试样的各面围压荷载以0.5MPa分级加载，每级的加载时间为10min，每级加载后稳压5min。加载至初始围压水平时，稳压时间为6小时。水平单面卸载模拟硐室开挖过程，具体是：迅速开门卸载一面水平围压，暴露岩爆试样的该卸载面，其它各面压力保持不变。更进一步的方案是：步骤四的试件开挖后的梯度加载过程，试件梯度加载主要是基于地下空间硐室开挖后围岩切向应力的分布规律，简化采用不同的指数函数曲线模拟，按设计的梯度指数分布形式进行加载，以达到不同类型岩爆现象的目的。具体地，梯度1仍以0.5MPa分级递增，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟不同类型岩爆的试验方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：岩爆试样的制备；步骤二：对岩爆试样进行三向六面加载、单面快速卸载后顶部梯度加载的试验方法；步骤三：选取合适的初始围压，根据初始围压大小对岩爆试样的各面同时进行分级加载，当加载至初始围压水平时停止加载，并稳压一段时间，然后在其他各面荷载不变的情况下，通过水平单面快速卸载模拟硐室开挖过程；步骤四：通过控制岩爆试样顶部的四组独立的气液复合加载器来实现不同梯度加载的目的；按设计的梯度分布形式进行加载，用以控制不同类型岩爆现象的产生，梯度加载直至岩爆试样破坏为止；步骤五：岩爆试样加载破坏过程中，利用应力采集系统对围压荷载及各梯度荷载进行实时监控，同时，试验过程中还配备了应变采集设备、声发射装置、弹性波CT扫描仪、SEM电镜扫描测量仪对试验过程进行监测记录，用高速摄像机记录不同类型岩爆破坏现象；步骤六：试验数据整理与分析。

【技术特征摘要】
1.一种模拟不同类型岩爆的试验方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：岩爆试样的制备；步骤二：对岩爆试样进行三向六面加载、单面快速卸载后顶部梯度加载的试验方法；步骤三：选取合适的初始围压，根据初始围压大小对岩爆试样的各面同时进行分级加载，当加载至初始围压水平时停止加载，并稳压一段时间，然后在其他各面荷载不变的情况下，通过水平单面快速卸载模拟硐室开挖过程；步骤四：通过控制岩爆试样顶部的四组独立的气液复合加载器来实现不同梯度加载的目的；按设计的梯度分布形式进行加载，用以控制不同类型岩爆现象的产生，梯度加载直至岩爆试样破坏为止；步骤五：岩爆试样加载破坏过程中，利用应力采集系统对围压荷载及各梯度荷载进行实时监控，同时，试验过程中还配备了应变采集设备、声发射装置、弹性波CT扫描仪、SEM电镜扫描测量仪对试验过程进行监测记录，用高速摄像机记录不同类型岩爆破坏现象；步骤六：试验数据整理与分析。2.根据权利要求1所述模拟不同类型岩爆的试验方法，其特征在于：步骤一的岩爆试样是高强度石膏材料，尺寸为400mm×600mm×1000mm的长方体试件。3.根据权利要求1所述模拟不同类型岩爆的试验方法，其特征在于：步骤二的加载和卸载是通过梯度与气液复合加载的大型真三轴加卸载岩爆装置实现的。4.根据权利要求1所述模拟不同类型岩爆的试验方法，其特征在于：步骤三的初始围压根据E.T.Brown和E.Hoek统计世界各国的地应力测量结果所得垂直应力与水平应力之比的分布规律进行选取。5.根据权利要求1所述模拟不同类型岩爆的试验方法，其特征在于：步骤三中，分级加载是将岩爆试样的各面围压荷载以0.5MPa分级加载，每级的加载时间为10min，每级加载后稳压5min，加载至初始围压水平...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏元友，刘夕奇，祝文化，吝曼卿，王智德，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42