本發(fā)明屬于巖石力學(xué)試驗(yàn)研究領(lǐng)域，尤其涉及一種模擬拉張型巖爆的真三軸試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

近年來，大型巖土工程建設(shè)逐漸向深部拓展，所處的高地應(yīng)力環(huán)境極易誘發(fā)巖爆災(zāi)害。巖爆是指深部地下工程開挖過程中，徑向(垂直于開挖邊界)應(yīng)力釋放，切向(平行于開挖邊界且垂直洞軸)應(yīng)力不斷集中，開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)硬脆性圍巖發(fā)生的彈射破壞現(xiàn)象。因發(fā)生突然且地下工程空間有限，巖爆常常造成人員傷亡、設(shè)備損壞和開挖面的嚴(yán)重破壞。如2009年11月28日錦屏二級(jí)水電站引水隧洞施工排水洞發(fā)生極強(qiáng)巖爆，爆坑深度達(dá)8～9m，縱向范圍約30m，爆方總量近千立方米，支護(hù)系統(tǒng)全部毀損，TBM設(shè)備被埋，主梁斷裂，7名工人遇難，1人受傷。由于孕育發(fā)生的內(nèi)外部條件復(fù)雜，巖爆機(jī)制仍不十分清楚，已成為巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域亟待解決的難題，迫切需要系統(tǒng)開展室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究。

根據(jù)巖爆坑形成的力學(xué)機(jī)制，巖爆可分為剪切型和拉張型巖爆。與圍巖較深處發(fā)生剪切破壞而導(dǎo)致的剪切型巖爆(巖爆坑多呈“V”型，巖爆碎屑多呈塊狀)不同，深部地下工程隧洞開挖經(jīng)常伴隨拉張型巖爆的發(fā)生，其特點(diǎn)是與洞壁平行的表層劈裂巖板折斷后的彈射破壞為主，其爆坑多呈“淺窩型”，巖爆碎屑多呈板狀。拉張型巖爆破壞過程可簡(jiǎn)單描述為開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)圍巖因開挖卸荷及切向應(yīng)力集中巖體內(nèi)裂紋萌生、擴(kuò)展與貫通，從而產(chǎn)生張性板裂化，且隨著切向應(yīng)力的持續(xù)升高，劈裂巖板不斷屈曲積聚彈性應(yīng)變能，最終突發(fā)屈曲折斷并伴隨彈性應(yīng)變能的瞬間釋放，破碎巖板彈射拋出。大量的現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及理論解析表明，張拉型巖爆多屬于弱或中等巖爆，若地應(yīng)力進(jìn)一步升高或應(yīng)力重分布過程明顯加快，可演變?yōu)楦蠓秶募羟行蛷?qiáng)或極強(qiáng)巖爆。

當(dāng)前，工程實(shí)踐中，拉張型巖爆的合理預(yù)測(cè)較為困難，預(yù)測(cè)水平難以滿足工程實(shí)踐要求，根本原因在于拉張型巖爆的影響因素多、發(fā)生機(jī)制高度復(fù)雜。

室內(nèi)巖爆試驗(yàn)是巖爆機(jī)制研究的重要手段?，F(xiàn)場(chǎng)開挖邊界附近圍巖的拉張型巖爆多發(fā)生在徑向應(yīng)力卸荷后、切向應(yīng)力不斷集中的過程中，并常常明顯滯后于開挖，屬于加載巖爆的范疇。受試驗(yàn)條件的限制，當(dāng)前的室內(nèi)巖爆試驗(yàn)研究多僅關(guān)注開挖邊界處的圍巖破壞，且側(cè)重于卸載過程模擬，屬于卸載巖爆試驗(yàn)。洞室開挖后，開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)巖體受到沿洞徑方向連續(xù)變化的切向正應(yīng)力、洞軸向正應(yīng)力、徑向正應(yīng)力、及表面剪應(yīng)力等多種應(yīng)力共同作用。采用單面臨空、五面受力的特殊真三軸方式開展加載試驗(yàn)，能夠真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)拉張型巖爆的孕育發(fā)生環(huán)境。

多數(shù)利用完整巖石的室內(nèi)巖爆試驗(yàn)的試件尺寸較小，尤其厚度(沿徑向)較小(約30mm)。較小尺寸試件的彈射破壞很難呈現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)拉張型巖爆由漸進(jìn)破壞到突發(fā)失穩(wěn)的過程，且不便于觀測(cè)記錄。采用更大尺寸的試件能夠更好地呈現(xiàn)開挖邊界附近不同深度圍巖體的破壞，揭示拉張型巖爆的孕育發(fā)生機(jī)制。

綜上所述，當(dāng)前開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)的拉張型巖爆的室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M尚未見可借鑒方法。為了深入研究拉張型巖爆的發(fā)生機(jī)制，本發(fā)明申請(qǐng)人模擬現(xiàn)場(chǎng)張拉型巖爆孕育發(fā)生環(huán)境，開展了單面臨空、五面受力的特殊真三軸狀態(tài)下的加載巖爆試驗(yàn)，提出了一種模擬拉張型巖爆的真三軸試驗(yàn)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的提供一種模擬拉張型巖爆的真三軸試驗(yàn)方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

模擬拉張型巖爆的真三軸試驗(yàn)方法，包括如下步驟：

一種模擬拉張型巖爆的真三軸試驗(yàn)方法，其特征在于：操作步驟如下：

步驟1：根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的加載條件、模擬對(duì)象的發(fā)生環(huán)境、擬用巖石的強(qiáng)度性質(zhì)確定試件的幾何尺寸，并制作滿足精度要求的巖石試件。

步驟2：參照現(xiàn)場(chǎng)圍巖的應(yīng)力及邊界條件，采用單面臨空、五面受力的特殊真三軸加載方式，并考慮試驗(yàn)效果，選定圍壓水平和加載速率及控制方式。

步驟3：同時(shí)向試件豎向和水平軸向施加荷載，分別模擬現(xiàn)場(chǎng)的切向及洞軸向應(yīng)力，保持水平徑向一面自由，并隨后向另一面施加荷載，模擬現(xiàn)場(chǎng)開挖形成的自由邊界及沿徑向梯度分布的徑向應(yīng)力。

步驟4：水平軸向及水平徑向(單面)達(dá)到指定荷載后停止加載并保持荷載恒定，豎向采取設(shè)計(jì)的速率及控制方式繼續(xù)加載至試件自由面附近明顯板折彈射后即刻停止加載。

步驟5：采用變形、應(yīng)力、聲發(fā)射等測(cè)量?jī)x器對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄。

步驟6：試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析。

上述步驟1的巖石試件為具有良好完整性的硬脆性圍巖的代表性單元，具體采用200×100×100mm或更大尺寸的長(zhǎng)方體巖塊，如花崗巖、大理巖，加工精度嚴(yán)格按國際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。

上述步驟2的單面臨空、五面受力的特殊真三軸加載方式借助試件與夾具間賦存的摩擦或剪應(yīng)力實(shí)現(xiàn)，屬于非主應(yīng)力空間的加載，可真實(shí)模擬開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)巖體的受力及約束。

上述步驟3、步驟4的水平軸向應(yīng)力及水平徑向應(yīng)力梯度選取相對(duì)小值，特別是水平徑向應(yīng)力梯度；豎向應(yīng)力的繼續(xù)加載采用較低應(yīng)變速率的位移控制或應(yīng)力控制。具體地，對(duì)于200×100×100mm試件，σ_z的繼續(xù)加載速率應(yīng)控制在0.01mm/min以下，或以應(yīng)力控制加載，速率應(yīng)設(shè)置在0.05MPa/s以下。

上述步驟5的試驗(yàn)過程監(jiān)測(cè)記錄采用試驗(yàn)機(jī)控制及采集系統(tǒng)記錄試件應(yīng)力-應(yīng)變特征，采用聲發(fā)射、錄音筆、分貝儀記錄試驗(yàn)過程中的物理信號(hào)，采用錄像機(jī)記錄試驗(yàn)過程影像，采用高速攝像機(jī)記錄巖爆瞬間試件自由面附近的碎塊彈射過程，并在試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試件進(jìn)行全方位拍照。

上述步驟6的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析，利用試驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)與記錄的巖石的應(yīng)力與變形、裂紋發(fā)育、動(dòng)力彈射等信息，并結(jié)合試樣及破碎巖塊的形態(tài)等，對(duì)拉張型巖爆發(fā)生過程中巖石的變形特特性、斷裂損傷發(fā)育、破壞模式及動(dòng)能釋放規(guī)律等進(jìn)行全面分析，其中特別的，利用專業(yè)影像分析軟件追蹤高速攝像中彈射巖塊的飛行軌跡，并進(jìn)一步測(cè)算其彈射速度，可最終統(tǒng)計(jì)估算出巖爆彈射破壞的動(dòng)能。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

1.可在室內(nèi)再現(xiàn)拉張型巖爆破壞過程，為張拉型巖爆的機(jī)制與預(yù)測(cè)研究提供了有力的試驗(yàn)手段。

2.可真實(shí)模擬拉張型巖爆孕育發(fā)生環(huán)境。本發(fā)明方法在單面臨空、五面受力的特殊真三軸應(yīng)力狀態(tài)下開展加載巖爆試驗(yàn)，真實(shí)模擬隧洞開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)圍巖體受開挖擾動(dòng)，徑向應(yīng)力釋放，切向應(yīng)力不斷集中的受力及約束條件。采用本發(fā)明方法實(shí)施的拉張型巖爆試驗(yàn)的破壞現(xiàn)象與現(xiàn)場(chǎng)拉張型巖爆破壞現(xiàn)象基本相同，并且試件的破壞特征與模式同現(xiàn)場(chǎng)情況較吻合。

3.可揭示開挖邊界附近不同深度圍巖的破壞特征與模式。本發(fā)明方法采用相對(duì)大尺寸的巖石試件，尤其是徑向厚度，試驗(yàn)中試件的破壞能夠呈現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)沿徑向不同深度圍巖的破壞特征與模式。

4.可實(shí)現(xiàn)拉張型巖爆破壞過程的精細(xì)分析。本發(fā)明方法對(duì)巖爆過程中的巖石的應(yīng)力與變形、裂紋發(fā)育、動(dòng)力彈射等信息或現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)的監(jiān)測(cè)與記錄，可獲得巖石的變形特性、斷裂損傷發(fā)育及動(dòng)能釋放規(guī)律等。

本發(fā)明模擬拉張型巖爆的真三軸試驗(yàn)方法明顯不同于傳統(tǒng)的單軸壓縮、常規(guī)三軸壓縮及真三軸壓縮等基于主應(yīng)力空間的小尺寸巖樣的材料力學(xué)試驗(yàn)方法，克服了上述方法不能合理模擬三維應(yīng)力條件下的拉張型巖爆及其彈射過程的局限性，為拉張型巖爆機(jī)制的試驗(yàn)研究提供有力支撐，對(duì)科學(xué)研究及工程實(shí)踐具有重要意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明洞室開挖邊界附近一定深度范圍內(nèi)巖體的應(yīng)力狀態(tài)示意圖。

圖2是本發(fā)明單面臨空、五面受力的特殊真三軸加載示意圖。

圖3是本發(fā)明試驗(yàn)的加載路徑圖。

圖4是本發(fā)明拉張型巖爆試驗(yàn)案例的試件破壞過程圖。

圖5是本發(fā)明拉張型巖爆的爆坑形態(tài)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的實(shí)施方案只用于舉例說明，并不限制本發(fā)明。

深部地下洞室開挖后，邊界附近一定深度范圍內(nèi)巖體的應(yīng)力狀態(tài)如圖1所示。本發(fā)明采用單面臨空、五面受力的特殊真三軸方式加載以模擬上述應(yīng)力狀態(tài)，如圖2所示。其中，豎向應(yīng)力σ_z模擬現(xiàn)場(chǎng)切向應(yīng)力σ_θ，水平向應(yīng)力σ_x模擬現(xiàn)場(chǎng)洞軸向應(yīng)力σ_a，水平向應(yīng)力σ_y模擬現(xiàn)場(chǎng)徑向應(yīng)力(分布)σ_r。參考現(xiàn)場(chǎng)開挖擾動(dòng)下應(yīng)力的重分布過程，制定并采用圖3所示的試驗(yàn)加載路徑。選用具有良好完整性的硬脆性巖石試件，如花崗巖、大理巖等為圍巖代表性單元，具體采用長(zhǎng)200(高，沿豎直z向)×100(寬，沿水平x向)×100(厚，沿水平y(tǒng)向)mm或更大尺寸的長(zhǎng)方體巖石試件。

本發(fā)明借助自主研制的真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)開展拉張型巖爆模擬，該系統(tǒng)包括巖爆試驗(yàn)機(jī)、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、高速攝像機(jī)、聲發(fā)射儀、分貝儀、數(shù)碼錄像機(jī)等。其中，巖爆試驗(yàn)機(jī)是高壓伺服動(dòng)真三軸壓力機(jī)(專利號(hào)：ZL 2014 2 0227384.6)，主機(jī)采用整體框架結(jié)構(gòu)，豎直z向框架剛度不小于9000kN/mm，水平x、y向框架剛度不小于5000kN/mm；試驗(yàn)機(jī)可在x向和z向單向獨(dú)立加靜載，在y向?yàn)殡p向獨(dú)立加靜載，加載采用剛性推頭由全數(shù)字伺服控制器分別獨(dú)立控制；試驗(yàn)機(jī)z向最大加載靜壓力為5000kN，x向和y向最大加載靜壓力均為3000kN。借助加載夾具提供夾持及摩擦，試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)單面臨空、五面受力的特殊真三軸應(yīng)力狀態(tài)加載。

模擬拉張型巖爆的真三軸試驗(yàn)方法具體實(shí)施步驟：

步驟1：制作巖石試件。從完整的大塊巖石體上切割略大于(超出1～2mm)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的長(zhǎng)方體試件，按照各表面不平整度不大于±0.02mm，相鄰兩表面垂直度偏差不大于±0.25°進(jìn)行精細(xì)打磨。測(cè)量試件的質(zhì)量、超聲波波速等物理力學(xué)參數(shù)。

步驟2：安裝試件與加載夾具。組裝試件與五面加載夾具整體(圖2)，并安裝至真三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)應(yīng)加載位置，調(diào)整并確保各向加載對(duì)中，隨后在夾具周圍布置聲發(fā)射探頭和變形計(jì)。

步驟3：試驗(yàn)預(yù)加載。先將豎直z向加載推頭與加載夾具貼合，并加載σ_z至2MPa(即20kN)，以2mm/min的速率；隨后將水平x向加載推頭與加載夾具貼合，并加載σ_x至0.5MPa(即10kN)，同樣以2mm/min的速率；最后將水平y(tǒng)向加載推頭(單面)與加載夾具貼合。

步驟4：試驗(yàn)加載。按照?qǐng)D3所示應(yīng)力路徑進(jìn)行加載。首先，采用應(yīng)力控制加載σ_z及σ_x，以0.5～2.0MPa/s；隨后采用應(yīng)力控制加載σ_y(單面)，以0.1～0.5MPa/s；最后σ_x及σ_y達(dá)到指定荷載后停止加載并保持荷載恒定，以較低應(yīng)變速率繼續(xù)加載σ_z至試件自由面附近明顯板折彈射后即刻停止加載，試驗(yàn)結(jié)束。具體地，對(duì)于200×100×100mm試件，σ_z的繼續(xù)加載速率應(yīng)控制在0.01mm/min以下，或以應(yīng)力控制加載，速率應(yīng)設(shè)置在0.05MPa/s以下。

步驟5：試驗(yàn)監(jiān)測(cè)與記錄。試驗(yàn)過程中，采用試驗(yàn)機(jī)控制及采集系統(tǒng)記錄試件應(yīng)力-應(yīng)變特征，采用聲發(fā)射、錄音筆、分貝儀記錄試驗(yàn)過程中的物理信號(hào)，采用錄像機(jī)記錄試驗(yàn)過程影像，采用高速攝像機(jī)記錄巖爆瞬間試件自由面附近的碎塊彈射過程，并在試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試件進(jìn)行全方位拍照。

步驟6：試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析。利用試驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)與記錄的巖石的應(yīng)力與變形、裂紋發(fā)育、動(dòng)力彈射等信息，并結(jié)合試樣及破碎巖塊的形態(tài)等，對(duì)拉張型巖爆發(fā)生過程中巖石的變形特特性、斷裂損傷發(fā)育、破壞模式及動(dòng)能釋放規(guī)律等進(jìn)行全面分析。其中特別的，利用專業(yè)影像分析軟件追蹤高速攝像中彈射巖塊的飛行軌跡，并進(jìn)一步測(cè)算其彈射速度，可最終統(tǒng)計(jì)估算出巖爆彈射破壞的動(dòng)能。

典型試驗(yàn)案例。選取200×100×100mm的長(zhǎng)方體花崗巖試件；設(shè)定x方向應(yīng)力30MPa，y方向(單面)應(yīng)力為0.5MPa；正確安裝試件及加載夾具，并完成預(yù)加載；采取應(yīng)力控制0.5MPa/s，加載σ_z及σ_x，并隨后采用應(yīng)力控制0.01MPa/s，加載σ_y(單面)；σ_x達(dá)到30MPa或σ_y達(dá)到0.5MPa后停止加載并保持荷載，繼續(xù)加載σ_z，以位移控制，速率為0.006mm/min；試樣的臨空面相繼出現(xiàn)顆粒彈射、板裂、板外鼓、及板折彈射，隨即停止加載σ_z，至此結(jié)束試驗(yàn)。整理并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)、聲發(fā)射數(shù)據(jù)、高速影像等。高速攝像機(jī)記錄的試件自由面附近的破壞過程如圖4所示，試件整體的斷裂破壞形態(tài)與模式如圖5所示。

可見，本發(fā)明的技術(shù)方案可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)再現(xiàn)拉張型巖爆。

本發(fā)明所述技術(shù)方案，僅為本發(fā)明較好且典型的具體實(shí)施方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何基于本發(fā)明的變化和替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。