单轴加载条件下岩爆试验研究_杨冠宇.pdf

江苏建筑2022年第6期（总第225期）0引言随着交通和经济的发展，深部空间工程已越来越普遍，在深部地下空间修建了大量的矿井和隧道，矿井开挖深度已达地面下4 000 m，民用隧道最大埋深已超2 500 m。在修建大深度矿井和隧道时，岩爆已成为普遍问题。岩爆是围岩体在硐室掌子面附近遭遇应力集中时所突然释放造成的自然灾害，概括起来，主要有两方面因素，一是围岩体的岩石性质，它是岩爆发生的内在因素，是围岩体储能的应力表现；二是围岩体应力，它是岩爆发生的外部因素，是一个由质变到量变的应力聚集过程。岩爆的定义和机制虽众说纷纭，但是基本内容是相同的1。由于岩爆力学过程的复杂性，现有的研究主要是利用试验(单轴、三轴压缩)2-5和数值模拟6手段，对岩石样品在加、卸载条件下的岩爆发生、发展以及岩爆碎屑物的形态进行了分析，这说明岩爆的机制研究多是从影响因素定性的分析，没有完整的理论框架，所以建立合理的岩爆理论模型具有重要的理论意义和科学挑战性。文章结合单轴加压试验系统，模拟岩块在单轴高速加压条件下应单轴加载条件下岩爆试验研究杨冠宇（江苏省地质工程勘察院，江苏南京211102）摘要由于岩爆机理较为复杂，通常可以通过研究岩爆的过程和结果来分析岩爆的强弱和影响因素。文章以单轴加载试验为依据，采用高速加载手段，对3个岩石样本进行岩爆试验。对典型性岩爆的过程进行了划分，提出了岩爆的4个阶段，即：弹性应变能量积累阶段、岩爆初始阶段、岩爆高峰阶段、岩爆衰落阶段。对岩爆的飞片形态进行了分析，认为飞片多具有棱柱状，反映了其破裂面受压剪耦合作用。岩爆飞片的体积反映了岩爆的程度，对试验样本的岩爆飞片体积百分率进行了分析，得到了此试验条件下岩石的飞片可能性范围为0.10.4。还需进行更多物理条件下岩爆试验才能分析各因素的影响，才有可能建立岩爆的理论和判据。关键词单轴加载；岩爆；飞片；破裂面中图分类号 TU458文献标志码 A文章编号1005-6270（2022）06-0114-03Study on Rockburst Tests under Uniaxial Loading ConditionYANG Guan-yu（Geo-engineering Investigation Institute of Jiangsu Province,Nanjing Jiangsu 211102 China）Abstract：As for the complexity research usually focuses on the influence factors and consequences and.Theintegrated theoretical framework has not been established.Using uniaxial loading tests three rock samples havebeen conducted rockburst analysises.The rockburst processes have been divides as four stages as:elastic strainenergy accumulating phase;rockburst initial phase;rockburst peak phase and rockburst declination phase.Themajority shapes of slappers are prism.The fracture surface have been appled coupling pressure and shearforces.The volume of slappers can reflect the rockburst degree.Percentage by volume for slappers have beenmeasured and the possible scope is 0.1-0.4 under the test conditions in this passage.More tests under differentphysical conditions need to be carried out and the factors affects can be studied.And the rockburst theory andcriteria can be deduced.Key words：uniaxial loading tests；rockburst；slappers；fracture surface收稿日期2022-08-23作者简介杨冠宇，男（1984-），江苏省地质工程勘察院，高级工程师，注册土木工程师（岩土），研究方向为岩土工程。114江苏建筑2022年第6期（总第225期）图3试验样本力应变过程，分析岩爆内部能量转换关系，观察岩爆飞片的形态以及岩爆体积大小，为探寻岩爆的产生机制和结果之间的关系提供理论支持。1试验介绍本次试验采用Sans可控变速岩石压力机系统，该压力机试验力测量分辨率达0.005%FS；位移测量分辨率达0.005 mm；荷载等速率控制范围0.1%4%FS/s；利用油箱内的液压油通过电机带动高压齿轮泵进入油路，流经单向阀、10 高压滤油器、压差阀组、伺服阀，进入油缸。计算机发出控制信号到伺服阀，控制伺服阀的开口和方向，从而控制进入油缸的流量，实现等速试验力、等速位移等的控制。同时可全过程监控岩石所受应力变化，试验过程能够模拟再现和试验数据的再分析，完成岩石快速加压至岩爆产生，见图1。采用圆柱形试验标本，见图3，试验尺寸及岩石物理力学参数见表1，采用3个试验样本进行对比试验。将岩石样本放到压力机上，对其进行加载直至破坏停止试验。试验时，依次放置01、02、03号岩块，开启加载，仪器液压推动岩块缓慢上升，直至与上部限制接触，应力-时间曲线开始出现图像，大概呈线性上升，岩石破裂时当达到岩块应力峰值，同时发出岩石爆裂声，应力曲线急速下降，停止试验，卸载。收集岩石的飞片和观测试验结果。图1单轴加压系统图2对顶角-圆锥形破坏表1岩石试件物理及力学性质直径/mm高度/mm密度/（g/cm3）单轴抗压强度/MPa抗剪强度弹性模量103MPa泊松比内聚力/MPa内摩擦角/7070708080802.682.712.7068.475.271.47.699.048.6748.749.349.057.351.649.10.140.130.13试验破坏形态主要呈圆锥形破坏，见图2，试验岩块的破坏形状近似为对顶圆锥形。本试验选取的岩石较为坚硬且无明显裂隙，发生破坏时多为脆性破坏，并伴随较大的岩石爆裂声。由试验应力分析可知，岩块底部和顶部受到承压板较大的摩擦力，对岩样形成较大的径向约束力，应力向四周拉伸，使得试验岩块周围发生剥落，形成对顶角-圆锥形破坏。2试验结果随着压力增加，经过一段时间，岩石开始发生破裂，并伴有较小岩石飞片，随着进一步加压。对上述的试验进行单轴岩爆试验，压力时程曲线见图4。从图中可以看出各次岩石的应力曲线是有几个过程的。首先，是简单的弹性上升曲线；其次，在上升到一定的压力条件下发生一些波动，有较小的岩石块体崩出，即岩爆在此时已发生；随后，随着压力的进一步增加，即到达峰值压力时，又进一步迸发出较大体积的岩石剥落体，此时达到了岩爆的最高峰；最后，岩石整体破坏，压力回落，岩爆基本停止。由此，可以划分岩爆发生过程，包括：弹性应变能量积累阶段、岩爆初始阶段、岩爆高峰阶段、岩爆衰落阶段。岩石应力-应变分析曲线见图5。图4压力时程曲线图5岩石应力-应变分析曲线（a）01号（b）02号（c）03号115江苏建筑2022年第6期（总第225期）弹性应变能量积累阶段：从载荷板接触到岩石表面起，即为弹性应变能量积累阶段，此阶段，正应力逐渐增加，属于弹性贮能阶段。岩爆初始阶段：岩块局部发生细小岩块崩裂，但仍属于弹性变形阶段，损伤累积开始增长。岩爆高峰阶段：正应力进一步增加，即到达峰值压力，此时岩爆发生，并伴随“嘭”的一声，岩样达到了破坏起始点，损伤累计使得岩样在极短的时间内损失大量承载力，从而导致应力释放，产生岩爆。岩爆衰落阶段：此阶段指的是残余强度稳定阶段，也是岩石试件破坏终止点。对比分析3组试验发现，极限强度较高对应的弹性应变能量积累时间越大，产生岩爆的现象越剧烈，碎片化程度越高，飞片崩落的速度越大，距离越远。飞出的岩石碎块大致呈三棱锥形状，见图6，碎末较少，岩石飞片大块居多，从破裂面的角度可以看出，破裂面应受压剪耦合作用，其两组新生面的夹角多为118145之间。其中，岩样1较大的飞片尺寸为2.1 cm4.3 cm，并有少量碎末；岩样2飞片相对于岩样1较小，较大的飞片尺寸为1.5 cm3.1 cm；岩样3飞片较小，多为1 cm以下的小飞片，更多的是接近于0.3 cm下的小粉末。通过测量岩爆前的试验样本和试验后的原地试样残留物的体积，见图7，统计出飞出的岩样体积约占整体岩样体积的百分比，岩样1的飞片体积百分比为0.4；岩样2的飞片体积百分比为0.45；岩样3的飞片体积百分比约0.1。这说明单轴压力高速加压能产生较大体积的飞片体积。岩样3飞片体积较小可能与其岩石矿物成分有一定的关系，需要进一步试验分析矿物成分与飞片体积的关系。3结语文章通过对三组圆柱形岩石进行物理力学试验，从研究岩石应力应变及内部能量转化机制着手分析，以及对试验过程中的岩块爆裂情况进行观测，提出了岩爆发生到结束的4个主要阶段，有利于后期针对每一破坏阶段进行进一步分析研究应用。岩石在单轴高速加压条件下将发生岩爆现象，其岩爆现象与加压条件（加载或卸载）、加载速度、脆性物质含量、岩石的完成度等物理条件有关系，文章利用单轴加压系统快速加载致使岩石样本发生典型性岩爆，从而对岩爆的过程和结果作出相关分析，得到以下主要结论：（1）岩石的岩爆可以划分为4个主要的阶段，即：弹性应变能量积累阶段、岩爆初始阶段、岩爆高峰阶段、岩爆衰落阶段。（2）岩爆飞片的形态有一定的规律性，呈现近棱柱状。（3）岩爆飞片的体积在本试验中约0.1至0.4之间，这与试验的条件和岩石本身的物质组成及结构有一定的关系。参考文献1钱七虎.岩爆、冲击地压的定义、机制、分类及其定量预测模型J.岩土力学，2014，35（01）：1-6.2顾金才，范俊奇，孔福利，等.抛掷型岩爆机制与模拟试验技术J.岩石力学与工程学报，2014，33(06)：1081-1089.3左宇军，李夕兵，唐春安，等.二维动静组合加载下岩石破坏的试验研究J.岩石力学与工程学报，2006，25(09)：1809-1820.4任建喜，葛修润.单轴压缩岩石损伤演化细观机理及其本构模型研究J.岩石力学与工程学报，2001，20（04）：425-431.5刘小明,李焯芬.脆性岩石损伤力学分析与岩爆损伤能量指数J.岩石力学与工程学报，1997，16(02)：45-52.6朱万成，唐春安，杨天鸿，等.岩石破裂过程分析(RFPA2D)系统的细观单元本构关系及验证J.岩石力学与工程学报，2003，22(01)：24-29.图6发生岩爆后的岩石及飞块图7岩爆岩样体积与岩爆后岩体体积测量116