一種模擬巖牆強擾動觸髮型巖爆的實驗方法與流程
2023-11-05 01:03:22
本發明涉及一種模擬巖牆強擾動觸髮型巖爆的實驗方法，特別適用於深部地下工程巖爆研究問題，屬於水利水電工程與巖土工程技術開發領域。
背景技術：
近年來，國內外的礦山、水利水電工程、交通隧道、國防防護工程、核廢料埋設等地下工程向深部不斷擴展。在深部巖體開挖過程中，常遇到巖爆災害問題。從巖爆的觸發機制來看，巖爆可分為自髮型與擾動觸髮型兩大巖爆。自髮型巖爆是指高地應力巖體由於開挖卸荷引起的應力集中超過圍巖的承載能力導致巖體積蓄的彈性應變能急劇釋放的巖爆，這種巖爆的主要能源來自巖體本身存儲的應變能。擾動觸髮型巖爆是指開挖前地質構造運動或開挖後切向應力集中作用而存儲大量彈性應變能的巖體在工程爆破、機械振動、地震波等外界擾動作用下觸發的巖爆，這種巖爆的主要能源來自巖體存儲的應變能與外界擾動能量的組合。擾動觸髮型巖爆的發生具有隨機性、滯後性和突然性等三個特點，可導致深部地下巖體工程施工中人員的傷亡、開挖設備的毀壞和工期的拖延，從而造成重大經濟損失。
近幾年，國內外已有近百座礦山開採深度達到千米以上；擬建水電工程和交通隧道大多以縱橫交錯的洞室群作為其主要建築物。這些隧洞與隧洞之間形成的巖牆和連續礦柱形成的巖牆對於施工人員以及工程的安全起著至關重要的作用。隨著開挖深度的增加，頂板壓力不斷增大，當系統儲存的能量達到臨界狀態時在開挖或者其他擾動作用下可引發巖爆。
目前，對於擾動觸髮型巖爆試驗及機理研究，大多側重於研究巖石破壞的變形、損傷和斷裂等方面，對於衝擊擾動荷載和循環擾動荷載對巖爆的影響，特別是對巖牆巖爆發生規律的認識尚淺。所以在深埋地下工程開挖、爆破過程中，為了研究衝擊和循環荷載對巖牆巖爆的影響，本申請人對基於衝擊擾動荷載和循環荷載的巖牆巖爆現象進行了實驗室模擬，提出了一種模擬巖牆強擾動觸髮型巖爆的實驗方法。
技術實現要素：
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種模擬巖牆強擾動觸髮型巖爆的實驗方法。
為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
一種模擬巖牆強擾動觸髮型巖爆的實驗方法，該實驗方法利用高壓伺服真三軸壓力機，採用動靜荷載組合的加載方式實現衝擊擾動觸發巖爆，包括如下步驟：
(1)製作第一塊巖體試件和第二塊巖體試件，第一塊巖體試件和第二塊巖體試件都取於相同開挖現場巖體，
(2)利用高壓伺服真三軸壓力機對第一塊巖體試件加載X向應力和Z向應力，保持Y向的兩個水平面處於臨空狀態，X向應力為靜載應力，Z向應力持續增大直至試件發生破壞，記錄巖體試件破壞時的基本參數，所述基本參數包括彈性模量、泊松比、Z向應力的峰值強度以及X向應力值，
(3)根據步驟(2)獲得的基本參數，利用高壓伺服真三軸壓力機對第二塊巖體試件加載X向應力和Z向應力，保持Y向的兩個水平面處於臨空狀態，模擬巖牆受靜載應力作用的情況，其中，X向應力為步驟(1)確定的靜載應力水平，Z向應力為初始靜載應力；
(4)通過高壓伺服真三軸壓力機的伺服控制系統，對第二塊巖體試件加載X向或Z向衝擊擾動荷載，用以模擬爆破瞬間對鄰近巖牆產生的衝擊波；
(5)在所述步驟(4)的衝擊擾動荷載作用下，使得第二塊巖體試件Y向的兩個水平臨空面出現彈射破壞，觀察、記錄碎塊彈射破壞過程，衝擊擾動觸發巖爆實驗結束。
所述步驟(3)中，加載初始靜載應力的加載方式是力加載控制或位移加載控制。
所述步驟(4)中，衝擊擾動荷載為單脈衝擾動波，波形包括三角波、正弦波、方波和鋸齒波。
所述步驟(4)中，衝擊擾動荷載與步驟(3)所述的Z向初始靜載應力之和大於步驟(2)確定的Z向應力的峰值強度。
所述步驟(5)中，分別採用兩臺高速數字攝像機記錄第二塊巖體試件兩個臨空面的巖爆彈射破壞過程，通過高速攝像影像運動學分析方法估算巖爆碎塊的彈射速度，再稱取彈射碎塊的質量估算巖爆碎塊彈射動能。
一種模擬巖牆強擾動觸髮型巖爆的實驗方法，該實驗方法利用高壓伺服真三軸壓力機，採用動靜荷載組合的加載方式實現循環荷載作用下的動力觸發巖爆，包括如下步驟：
(1)製作第一塊巖體試件和第二塊巖體試件，第一塊巖體試件和第二塊巖體試件都取於相同開挖現場巖體，
(2)利用高壓伺服真三軸壓力機對第一塊巖體試件加載X向應力和Z向應力，保持Y向的兩個水平面處於臨空狀態，X向應力為靜載應力，Z向應力持續增大直至試件發生破壞，記錄巖體試件破壞時的基本參數，所述基本參數包括彈性模量、泊松比、Z向應力的峰值強度以及X向應力值，
(3)根據步驟(2)獲得的基本參數，利用高壓伺服真三軸壓力機對第二塊巖體試件加載X向應力和Z向應力，保持Y向的兩個水平面處於臨空狀態，模擬巖牆受靜載應力作用的情況，其中，X向應力為步驟(1)確定的靜載應力水平，Z向應力為初始靜載應力；
(4)通過高壓伺服真三軸壓力機的伺服控制系統，對第二塊巖體試件加載X向或Z向循環擾動荷載，用以模擬爆破衝擊波衰減成壓縮正弦波、地震波或巖牆周圍機械振動產生的應力波；
(5)在所述步驟(4)的循環擾動荷載作用下，持續循環擾動荷載作用至第二塊巖體試件Y向的兩個水平臨空面出現彈射破壞，觀察、記錄碎塊彈射破壞過程，循環荷載作用下動力觸發巖爆實驗結束。
所述步驟(3)中，加載初始靜應力的加載方式是力加載控制或位移加載控制。
所述步驟(4)中，循環擾動荷載為循環脈衝波，波形包括三角波、正弦波、方波和鋸齒波，脈衝頻率根據實驗要求設定。
所述步驟(4)中，循環擾動荷載與步驟(3)所述的Z向初始靜載應力之和小於步驟(2)確定的Z向應力的峰值強度。
所述步驟(5)中，分別採用兩臺高速數字攝像機記錄第二塊巖體試件兩個臨空面的巖爆彈射破壞過程，通過高速攝像影像運動學分析方法估算巖爆碎塊的彈射速度，再稱取彈射碎塊的質量估算巖爆碎塊彈射動能。本發明取得了以下技術效果：
本發明通過上述的技術方案，首先可以真實的模擬開挖後巖牆受靜載應力作用的受力狀態。其次，通過對巖體試件在一個或兩個方向施加衝擊擾動荷載或循環荷載，真實的模擬了工程現場爆破、機械振動、地震波對巖牆巖體產生的擾動荷載情況。根據實驗設計，可以實現不同擾動類型聯合作用下對巖牆巖體產生的擾動荷載情況。
本發明通過上述的技術方案，成功實現了巖牆的衝擊擾動觸發巖爆和循環荷載作用下的動力觸發巖爆。通過研究巖牆的強擾動觸髮型巖爆機理，為逐步了解和掌握巖爆的本質提供了科學的依據。
附圖說明
圖1是本發明模擬的巖牆單元體受擾動的應力狀態示意圖。
圖2是圖1中A位置的放大示意圖。
圖3是本發明模擬巖牆強擾動觸髮型巖爆的實驗方法第一實施例的應力-時間曲線圖。
圖4A至圖4D是本發明模擬巖牆強擾動觸髮型巖爆的實驗方法第一實施例中，高速攝像機記錄的巖爆彈射過程圖。
圖5是本發明模擬巖牆強擾動觸髮型巖爆的實驗方法第二實施例的應力-時間曲線圖。
圖6A至圖6D是本發明模擬巖牆強擾動觸髮型巖爆的實驗方法第二實施例中，高速攝像機記錄的巖爆彈射過程圖。
圖中：σ1-地應力的第一主應力，σ3-地應力的第三主應力，σt-擾動應力，σx-巖石單元體的水平向應力，σz-巖石單元體的豎直向應力，1、巖石單元臨空面，2、隧洞，3、巖石單元，4、應力方向。
具體實施方式
下面結合附圖詳細描述巖牆的動力觸髮型巖爆實驗方法具體實施例。其中，模擬巖牆的強擾動觸髮型巖爆實驗方法，包括模擬衝擊擾動觸發巖爆實驗方法和模擬循環荷載作用下的動力觸發巖爆實驗方法。
實施例1介紹了模擬巖牆衝擊擾動觸發巖爆實驗方法，實施例2介紹了模擬巖牆循環荷載作用下的動力觸發巖爆實驗方法。
實施例1
一種模擬巖牆強擾動觸髮型巖爆的實驗方法，該實驗方法利用高壓伺服真三軸壓力機，採用動靜荷載組合的加載方式實現衝擊擾動觸發巖爆，包括如下步驟：
(1)製作第一塊巖體試件和第二塊巖體試件，第一塊巖體試件和第二塊巖體試件都取於相同開挖現場巖體，
(2)利用高壓伺服真三軸壓力機對第一塊巖體試件加載X向應力(水平向應力)和Z向應力(豎直向應力)，保持Y向的兩個水平面處於臨空狀態，X向應力為靜載應力，Z向應力持續增大直至試件發生破壞，記錄巖體試件破壞時的基本參數，所述基本參數包括彈性模量、泊松比、Z向應力的峰值強度以及X向應力值，
(3)根據步驟(2)獲得的基本參數，利用高壓伺服真三軸壓力機對第二塊巖體試件加載X向應力和Z向應力，保持Y向的兩個水平面處於臨空狀態，模擬巖牆受靜載應力作用的情況，其中，X向應力為步驟(1)確定的靜載應力水平，Z向應力為初始靜載應力，
(4)通過高壓伺服真三軸壓力機的伺服控制系統，對第二塊巖體試件加載X向或Z向衝擊擾動荷載，用以模擬爆破瞬間對鄰近巖牆產生的衝擊波；
(5)在所述步驟(4)的衝擊擾動荷載作用下，使得第二塊巖體試件Y向的兩個水平臨空面出現彈射破壞，觀察、記錄碎塊彈射破壞過程，衝擊擾動觸發巖爆實驗結束。
本實施例步驟(1)製作的第一塊巖體試件和第二塊巖體試件都取於相同開挖現場的花崗巖巖體，尺寸均為100mm×100mm×200mm(長×寬×高)。
本實施例步驟(2)實驗結果表明，第一塊巖體試件在X向應力為30MPa時，Z向應力持續加載至180MPa(峰值強度)時巖體試件發生破壞。
本實施例步驟(3)和(4)中，以力加載控制的方式對第二塊巖體試件加載的X向應力大小為30MPa，X向應力的加載速率為0.25MPa/s，以力加載控制的方式對第二塊巖體試件加載大小為110MPa的Z向初始靜載應力，Z向初始靜載應力的加載速率為0.5MPa/s，保持X向應力和Z向初始靜載應力恆定1分鐘。
然後，對第二塊巖體試件加載大小為110MPa的Z向衝擊擾動荷載，Z向衝擊擾動荷載衝擊瞬間,第二塊巖體試件兩個臨空面出現劇烈巖爆，大量碎塊向外彈射，並伴隨著一聲巨響，實驗結束。本實施例所述衝擊擾動荷載的波形為三角波。圖3是步驟(3)和(4)實驗過程的應力-時間曲線。
分別採用兩臺高速數字攝像機記錄第二塊巖體試件兩個臨空面的巖爆彈射破壞過程，結果如圖4A至圖4D所示。最後通過高速攝像影像運動學分析方法估算巖爆碎塊的彈射速度，再稱取彈射碎塊的質量估算巖爆碎塊彈射動能。
在其他較優的實驗過程中，Z向初始靜載應力大小為Z向應力的峰值強度的60-80％，並保持應力水平0.5-2分鐘，其中加載兩向初始靜應力的加載方式可以選擇是力加載控制或位移加載控制，力加載速率為0.05-1MP/s，位移加載速率為0.001-0.1mm/s，衝擊擾動荷載為單脈衝擾動波，波形包括三角波、正弦波、方波和鋸齒波。所述衝擊擾動荷載與步驟(3)所述的Z向初始靜載應力之和大於步驟(2)確定的Z向應力的峰值強度。
實施例2
一種模擬巖牆強擾動觸髮型巖爆的實驗方法，該實驗方法利用高壓伺服真三軸壓力機，採用動靜荷載組合的加載方式實現循環荷載作用下的動力觸發巖爆，包括如下步驟：
(1)製作第一塊巖體試件和第二塊巖體試件，第一塊巖體試件和第二塊巖體試件都取於相同開挖現場巖體，
(2)利用高壓伺服真三軸壓力機對第一塊巖體試件加載X向應力和Z向應力，保持Y向的兩個水平面處於臨空狀態，X向應力為靜載應力，Z向應力持續增大直至試件發生破壞，記錄巖體試件破壞時的基本參數，所述基本參數包括彈性模量、泊松比、Z向應力的峰值強度以及X向應力值，
(3)根據步驟(2)獲得的基本參數，利用高壓伺服真三軸壓力機對第二塊巖體試件加載X向應力和Z向應力，保持Y向的兩個水平面處於臨空狀態，模擬巖牆受靜載應力作用的情況，其中，X向應力為步驟(1)確定的靜載應力水平，Z向應力為初始靜載應力；
(4)通過高壓伺服真三軸壓力機的伺服控制系統，對第二塊巖體試件加載X向或Z向循環擾動荷載，用以模擬爆破衝擊波衰減成壓縮正弦波、地震波或巖牆周圍機械振動產生的應力波；
(5)在所述步驟(4)的循環擾動荷載作用下，持續循環擾動荷載作用至第二塊巖體試件Y向的兩個水平臨空面出現彈射破壞，觀察、記錄碎塊彈射破壞過程，循環荷載作用下動力觸發巖爆實驗結束。
本實施例步驟(1)製作的第一塊巖體試件和第二塊巖體試件都取於相同開挖現場的花崗巖巖體，尺寸均為100mm×100mm×200mm(長×寬×高)。
本實施例步驟(2)實驗結果表明，第一塊巖體試件在X向應力為30MPa時，Z向應力持續加載至180MPa(峰值強度)時巖體試件發生破壞。
本實施例步驟(3)和(4)中，以力加載控制的方式對第二塊巖體試件加載的X向應力大小為30MPa，X向應力的加載速率為0.25MPa/s，以力加載控制的方式對第二塊巖體試件加載大小為110MPa的Z向初始靜載應力，Z向初始靜載應力的加載速率為0.5MPa/s，保持X向應力和Z向初始靜載應力恆定1分鐘。
然後，對第二塊巖體試件加載Z向循環擾動荷載，Z向循環擾動荷載的大小為40MPa、Z向循環擾動荷載的擾動頻率為2Hz、Z向循環擾動荷載的波形為正弦波，擾動至55s時，巖體試件兩個臨空面出現劇烈巖爆，大量碎塊向外彈射，並伴隨著一聲清脆聲響，實驗結束。圖5是上述實驗過程的應力-時間曲線。
分別採用兩臺高速數字攝像機記錄第二塊巖體試件兩個臨空面的巖爆彈射破壞過程，結果如圖6A至圖6D所示。最後通過高速攝像影像運動學分析方法估算巖爆碎塊的彈射速度，再稱取彈射碎塊的質量估算巖爆碎塊彈射動能。
在其他較優的實驗過程中，Z向初始靜載應力大小為Z向應力的峰值強度的60-80％，並保持應力水平0.5-2分鐘，其中加載兩向初始靜應力的加載方式可以選擇是力加載控制或位移加載控制，力加載速率為0.05-1MP/s，位移加載速率為0.001-0.1mm/s，循環擾動荷載為循環脈衝擾動波，波形包括三角波、正弦波、方波和鋸齒波。所述循環擾動荷載與步驟(3)所述的Z向初始靜載應力之和小於步驟(2)確定的Z向應力的峰值強度。