一种用于评价含裂纹巷道围岩动态稳定性的新构型制造技术

本发明专利技术内容公开一种用于评价含裂纹巷道围岩动态稳定性的新构型，属于岩土工程技术领域，主要借助于落锤冲击试验装置及发明专利技术构型进行冲击试验，该构型具有较强的实践意义及实践应用性；由于发明专利技术构型尺寸较大，裂纹的动态断裂全过程可以很好地观测，适用于各种含裂纹的巷道工程相关问题研究；随后对裂尖的动态断裂韧度计算，将所测的动态载荷曲线代入有限元软件，得到应力强度因子时程曲线，结合裂纹的断裂时刻确定出围岩内裂纹的动态断裂韧度，最后根据动态断裂韧度的定义对含裂纹的围岩安全性进行评价，进一步考虑将本文发明专利技术内容应用于巷道工程事故问题分析，得到理论研究成果与工程分析相结合。

【技术实现步骤摘要】
一种用于评价含裂纹巷道围岩动态稳定性的新构型
本专利技术属于岩土工程技术研究领域，涉及对冲击载荷作用下含初始裂纹缺陷巷道围岩的稳定性评价研究。
技术介绍
在大多数地下隧道工程掘进过程中，尤其是巷道工程的爆破开挖与煤矿开采过程中，围岩的内部岩体或多或少会因为爆炸应力波、冲击地压等动态载荷形成不同大小、方位、偏向角的诱发裂纹与节理缺陷，这些裂纹缺陷在后期的扰动动载荷或静载荷作用下可能会再次发生起裂、扩展及止裂现象，特别是动载荷作用下，巷道围岩内在初始裂纹缺陷的前提下将沿着原生裂纹迅速地起裂、扩展，发生破坏行为的速率会远大于其在静载荷作用下的破坏速率，这将严重地影响采矿工程的煤矿开采量，这将造成极大的地质灾害事故，也将造成极大的人力、物力、财力的浪费；对于巷道围岩内岩石动态断裂的危害性，国内外众多的学者在岩石动态断裂的形成、发生机理及监测方法等方面进行了大量的科学性研究，但是还没有从根本上解决岩石动态断裂的预防机制问题，故含裂隙岩体在地下工程结构与岩石动力学领域仍然是世界性难题。另一方面，由于实际工程中巷道断面尺寸一般较大，故针对巷道围岩内动载荷作用下裂纹缺陷的研究采用1∶1的原生模型进行分析会有较大的局限性，需要考虑众多的复杂因素，故本专利技术基于相似原理理论建立模型构型研究动载荷作用下裂纹缺陷对巷道围岩的影响机制，使得物理模型试验研究方案变得可行，结合数值模拟手段能够很好地分析巷道围岩内裂纹缺陷的影响机制；同时，含裂隙岩石在动载荷作用下需要考虑惯性效应等作用，故分析动载荷作用下含裂隙岩石的应力状态远比静载荷作用下的复杂，如果考虑初始裂纹缺陷又位于直墙拱形巷道围岩内部时，其对围岩的动态破坏机制就需要我们更深入的进行了解。岩石动态断裂韧度是表征含裂纹岩石在动载荷作用下抵抗裂纹起裂能力大小，是评价含裂纹岩石强度的重要指标，目前已经被国内外众多的研究学者应用工程实践中，本
技术实现思路
也基于动态断裂韧度的定义对裂纹对巷道稳定性的进行定量化评价；针对动态断裂韧度的计算，目前大部分采用霍普金森压杆进行含裂隙岩石的冲击加载，利用不同的研究构型进行试验分析与数值模拟分析，但是在裂纹扩展的全过程分析中，我们发现裂纹的扩展过程很容易受到边界拉伸波的影响，而为了避免这一情况的发生，我们采用较大的构型进行设计，并将断面形状设置成巷道断面形状，这样既可以避免试件四周发射拉伸波的影响，也可以将研究成果直接应用某些巷道工程实践。本
技术实现思路
主要是基于本人前期的研究成果基础上进行深入分析的研究结果，提出一种用于研究含裂纹巷道围岩破坏行为的新构型，该专利技术构型可以用于研究各种含初始裂纹缺陷巷道围岩的破坏行为，这在巷道工程研究领域寥寥无几；研究巷道围岩内裂纹缺陷在冲击载荷作用下的动态起裂韧度、动态扩展韧度及动态止裂韧度，它们将在裂纹起裂、扩展及止裂过程中评价围岩稳定性起着至关重要的作用，对于动态断裂参数的研究是一个基础性课题，也是研究学者们亟需解决的一个难关；本专利技术将研究成果应用于某些巷道工程的理论研究，对于巷道工程的设计、维护及加固等问题提供理论研究基础，也对围岩内部裂纹的扩展机制得到很好地分析，为提高巷道工程的破坏机制认识有很大地提高。
技术实现思路
本专利技术实施示例的目标主要是提供一种在冲击载荷下评价含初始裂纹缺陷巷道围岩强度的新构型，研究在冲击载荷作用下巷道围岩内裂纹缺陷的动态破坏规律，并且该专利技术者所提出的新构型尺寸比较大，远远不同于传统研究断裂韧度的典型构型，它受到试件边界的反射拉伸波的影响将会较小，本专利技术所提出的构型实用性较强，能够很好地结合实践工程中某些巷道事故问题进行分析。本专利技术实施示例具体的实现步骤如下，首先采用含I型初始裂纹缺陷的巷道模型试件结合配备超动态应变仪测试系统进行动态冲击加载试验，随后根据落锤冲击试验装置上入射板与透射板中的应变片测试出电压信号转换为应力波信号，再依据霍普金森压杆试验装置的数据处理原则进行试验数据处理，得到加载过程中的动态载荷曲线，进一步将动态载荷曲线代入有限元分析软件建立数值模型，利用使用较为广泛的位移外推法进行动态应力强度因子曲线的计算，随后结合裂纹扩展计测试的断裂时刻最终确定出巷道围岩内不同裂纹缺陷的动态断裂韧度值，最后基于断裂力学及岩石动力学基础原理根据动态断裂韧度的定义进行巷道围岩稳定性的稳定性评价。总而言之，利用该新构型进行围岩稳定性评价的分析步骤主要包括以下几个方面，我们将进行一一详细的阐述：第一步，采用专利技术者设计的含I型初始裂纹缺陷巷道围岩构型进行冲击试验测试，可以选择砂岩与有机玻璃作为原材料，有机玻璃具有透明、均匀等特性，特别适合裂纹扩展轨迹的监测；模型尺寸为：W＝300mm，H＝350mm，B＝30mm，h＝60mm，w＝50mm，r＝25mm，a＝50mm，L1＝90mm，L2＝125mm，青砂岩的动态弹性模量为13.58GPa，动态泊松比0.18，密度为2.265g/cm3；有机玻璃的动态弹性模量为6.1GPa，动态泊松比0.35，密度为1.130g/cm3，如图2与图3所示。第二步，利用自行研制的落锤冲击试验装置进行动态加载试验，该试验装置可以根据试验的需求配置不同的试验数据采集系统，本专利技术需要配备的超动态应变仪采集系统，采集频率能够高达2.5MHz，即2μs能够采集到5个数据样本，这完全能够满足冲击载荷下的试验数据采集要求，如图4所示；初始裂纹缺陷的起裂时刻ti、扩展时刻tp及止裂时刻ta通过粘贴于裂纹尖端的裂纹扩展计测试系统进行测试，它的工作机理大致如下：首先将根据试验要求定制的裂纹扩展计利用高性能胶水粘贴于新构型试件的裂纹尖端处，裂纹扩展计的第1根金属栅丝必须紧贴于裂纹尖端区域，当初始裂纹缺陷开始起裂时，金属栅丝被拉断造成裂纹扩展计电阻增大，从而两端的电压增大，产生一次次台阶阶跃电压信号，随后根据电压信号导数的极值即可以确定出每一根裂纹扩展计栅丝的断裂时刻，进一步可以确定出裂纹的起裂时刻ti、扩展时刻tp、止裂时刻ta，如图5所示；随后基于有限元动力学分析模块进行数值模拟计算，建立1∶1有限元数值模型，将试验测试材料动力学参数及动态载荷曲线代入数值模型，根据裂纹尖端位移时程曲线推导出裂纹尖端位移时程曲线，随后根据裂纹扩展计测试的断裂时刻确定含初始裂纹缺陷的动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度。第三步，根据动态断裂韧度值是裂纹在动载荷作用下抵抗裂纹起裂能力的重要性能指标，随后根据动态断裂韧度值在裂纹扩展过程中的变化情况，对含纯I型初始裂纹缺陷的巷道围岩稳定性评价，最后根据该专利技术构型权利内容的延伸与扩展评价巷道围岩内含各种边裂纹缺陷因素进行评价。本专利技术公开了一种用于评价含I型裂纹缺陷巷道围岩动态稳定性的新构型，
技术实现思路
属于岩土工程技术研究领域，该专利技术实现方式通过利用自行研制的落锤冲击试验装置及专利技术者自主设计的试验构型进行冲击加载试验，该构型相比于其他瞬时冲击载荷作用试件，具有较为直观的实践意义及较为广泛的应用性，并能够结合某些巷道工程事故进行问题分析；由于专利技术构型尺寸较大，裂纹的动态断裂全过程可以很好地观测且不受试件内部的反射拉伸波影响，适用于含本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于评价含裂纹巷道围岩动态稳定性的新构型，其特征在于，主要是利用含初始裂纹缺陷巷道围岩的新构型结合落锤冲击试验装置对该构型试件进行动态冲击加载，进一步利用落锤冲击试验装置搭载的超动态应变仪测试系统测得的电压信号转换为应力波信号，随后将应力波信号根据霍普金森压杆试验装置数据处理方法进行试验数据处理，得到动态载荷加载曲线；基于有限元分析软件ABAQUS建立1∶1比例数值模型，将动态载荷曲线带入数值模型达到与试验条件相同的加载条件及边界条件，数值模型力学性质参数根据实际材料测试出力学性质参数设置；利用有限元软件的仿真技术，计算出裂尖位移时程曲线，随后根据裂尖位移时程曲线采用位移外推法推导出动态应力强度因子时程曲线，即根据I型或各种复合型裂尖区域的应力强度因子与位移的函数关系式，如纯I型裂纹如下

【技术特征摘要】
1.一种用于评价含裂纹巷道围岩动态稳定性的新构型，其特征在于，主要是利用含初始裂纹缺陷巷道围岩的新构型结合落锤冲击试验装置对该构型试件进行动态冲击加载，进一步利用落锤冲击试验装置搭载的超动态应变仪测试系统测得的电压信号转换为应力波信号，随后将应力波信号根据霍普金森压杆试验装置数据处理方法进行试验数据处理，得到动态载荷加载曲线；基于有限元分析软件ABAQUS建立1∶1比例数值模型，将动态载荷曲线带入数值模型达到与试验条件相同的加载条件及边界条件，数值模型力学性质参数根据实际材料测试出力学性质参数设置；利用有限元软件的仿真技术，计算出裂尖位移时程曲线，随后根据裂尖位移时程曲线采用位移外推法推导出动态应力强度因子时程曲线，即根据I型或各种复合型裂尖区域的应力强度因子与位移的函数关系式，如纯I型裂纹如下即可以推导出应力强度因子与裂纹面张开位移的函数关系最后结合裂纹扩展计测试系统所测得的动态起裂时刻ti、扩展时刻tp及止裂时刻ta可以确定围岩内裂纹动态断裂全过程的动态断裂韧度值，随后分析动态断裂韧度值的变化规律，可以对含I型裂纹缺陷巷道围岩稳定性进行定量化评价，进一步可以进行将本发明内容推广至对含其他复杂型裂纹巷道围岩的稳定性评价，形成一套统一的理论评价体系。


2.正如权利1要求描述的一种用于评价含裂纹巷道围岩动态稳定性的新构型，采用该构型进行围岩稳定性强度评价的步骤主要包括以下三个步骤：
第一步，首先采用发明者设计的含I型初始裂纹缺陷的巷道围岩构型进行动态冲击试验测试，可以采用青砂岩材料与有机玻璃材料，采用有机玻璃透明、均匀，更易观察内部裂纹扩展规律等裂纹破坏特征；构型尺寸为：W＝300mm，H＝350mm，B＝30mm，h＝60mm，w＝50mm，r＝2...

【专利技术属性】
技术研发人员：周磊，朱哲明，王蒙，应鹏，董玉清，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51