CN102183411A - 长期稳定荷载作用下脆性岩石破裂模式的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长期稳定荷载作用下脆性岩石破裂模式的预测方法。本发明所要解决的技术问题是提供一种长期稳定荷载作用下脆性岩石破裂模式的预测方法，可靠的预测出岩石的破裂模式。解决该问题的技术方案是，步骤如下：a、在施工现场钻取岩样；b、将岩样安装在加载仪器上，并在岩样上安装轴向、环向位移传感器、声发射探头和声波探头；c、按位移控制模式加载，直至声发射信号出现第一次突然增长，维持该应力水平不变，并记录岩样在稳定荷载持续作用下，轴向位移ε₁和侧向位移ε₃随时间的变化，直至声发射信号出现第二次峰值；d、根据

和

计算扩容指标

从而预测岩样的破裂模式。本发明主要用于深埋洞室的稳定性评价和永久支护设计的优化。

Description

长期稳定荷载作用下脆性岩石破裂模式的预测方法

技术领域

本发明涉及一种长期稳定荷载作用下脆性岩石破裂模式的预测方法，主要适用于深埋洞室的稳定性评价和永久支护设计的优化。

背景技术

岩土工程的破坏失稳总是与时间因素密切相关。在漫长的地质历史条件下，岩石受到各种各样的构造作用，从而产生了形态各异、大小不等的结构面。当荷载进一步作用时，这些岩石力学性质在一定程度上受这些结构面所控制，或者说，岩石强度性质随时间的延长而弱化，当应力达到一定临界值时，岩石中原生裂隙会扩展，或诱发新的岩石裂隙，从而影响到岩石工程结构的长久稳定性。

大量的试验已经证明岩石的破坏严重程度依赖于时间。岩石的破裂归因于大量新生裂纹的逐步形成或者已有裂纹的扩展，扩容便是这样产生的。与金属材料不同，岩石在荷载作用下，在其破坏之前会产生显著的不可逆的体积膨胀，这一现象称之为岩石的扩容现象。扩容是岩石的一个非常重要的性质，对深入研究岩石强度的时间效应，揭示脆性岩石在高地应力作用下破坏的力学机理有着重要的意义，因而扩容应该可以用来作为判断脆性岩石破裂模式的一个标准。

脆性岩石在长期荷载作用下，稳定荷载产生的应变趋向于非弹性和不可恢复，其中增加的体积应变意味着轴向裂纹的扩展，剪切应变的增长意味着剪切滑移，两种破坏模式相互交结。在试验过程中岩石破坏通常沿轴向的微裂纹扩展和沿倾斜裂纹的剪切滑移都表现的比较明显，最后以何种模式破坏，一直缺乏一个简单易用的预测方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种长期稳定荷载作用下脆性岩石破裂模式的预测方法，以准确可靠的预测出岩石的破裂模式，为提高洞室的整体稳定和支护的设计优化提供进一步的技术支撑。

本发明所采用的技术方案是：一种长期稳定荷载作用下脆性岩石破裂模式的预测方法，其特征在于步骤如下：

a、在施工现场钻取岩样并进行加工，确保岩样的完整性和均质性；

b、将步骤a得到的岩样安装在加载仪器上，同时在该岩样上安装轴向位移传感器、环向位移传感器、声发射探头和声波探头，并能保证实时传输数据；

c、按照位移控制模式加载，直至监测到的声发射信号出现第一次突然增长时，停止增加应力并维持该应力水平不变，并记录岩样在稳定荷载持续作用下，发生的轴向位移ε₁和侧向位移ε₃随时间的变化过程，直至声发射信号出现第二次峰值，岩样完全破坏；

d、根据

和

计算扩容指标从而预测岩样的破裂模式，其中ε₁和ε₃分别代表步骤c中记录的轴向位移和侧向位移，σ₁和σ₃分别代表步骤c中保持不变的应力和围压，E为弹性模量，v为泊松比，

是非弹性体积应变的增量，代表着轴向扩展裂纹，

是非弹性剪切应变的增量，代表着剪切扩展裂纹。

所述加载仪器为三轴试验仪。

本发明的有益效果是：本发明提出的扩容指标可以准确可靠的判断出岩石最后的破裂模式，当DI＞1时，破裂以轴向劈裂为主；当DI＜1时，破裂以剪切破坏为主，从而为提高洞室的整体稳定和支护的设计优化提供了进一步的技术支撑，针对不同的破坏模式采用不同的支护措施，不仅节省了工程量，而且降低了工程造价。

附图说明

图1是本发明中声发射信号监测示意图。

图2是本发明中稳定荷载持续作用下非弹性剪切应变和非弹性体积应变值。

具体实施方式

本实施例的实施步骤如下：

a、在施工现场钻取岩样并进行加工，确保岩样的完整性和均质性，防止岩样的破坏模式受其它外界因素的影响。

b、将步骤a得到的岩样安装在加载仪器上，本例中加载仪器选用三轴试验仪，同时在该岩样上安装轴向位移传感器、环向位移传感器、声发射探头和声波探头，并能保证实时传输数据。

c、按照位移控制模式加载，直至监测到的声发射信号出现第一次突然增长时，如图1所示，停止增加应力并维持该应力水平不变，该应力包括轴向压力σ₁以及围压σ₂和σ₃，且σ₂＝σ₃；然后记录岩样在稳定荷载持续作用下，发生的轴向位移ε₁和侧向位移ε₃随时间的变化过程，直至声发射信号出现第二次峰值，此时岩样完全破坏。

d、根据公式

和

计算扩容指标

从而预测岩样的破裂模式，即当DI＞1时，破裂以轴向劈裂为主；当DI＜1时，破裂以剪切破坏为主。其中ε₁和ε₃分别代表步骤c中记录的轴向位移和侧向位移，σ₁和σ₃分别代表步骤c中保持不变的轴向压力和围压，E为弹性模量，v为泊松比，

是非弹性体积应变的增量，代表着轴向扩展裂纹，

是非弹性剪切应变的增量，代表着剪切扩展裂纹。需要指出的是非弹性体积应变的增量

常常是负值，而非弹性剪切应变的增量

为正值，因此为了简单，将两者比值的绝对值作为扩容指标DI。

是以时间为变量的函数，但是两者的值是呈一定比例关系的，如图2所示，而这也就是扩容指标，可以看出在整个采集过程中，基本是保持不变的，扩容指标对于特定的岩石在指定的长期稳定荷载作用下基本为一定值，因此可以将其可以看成岩石本身的一种属性，其只受施加的长期荷载的影响。

最后可以根据扩容指标DI对取样地点的围岩支护情况进行判断，对于以轴向劈裂为主的破坏，应注重混凝土喷层质量，而以剪切为主的破坏则要相应的提高锚杆密度。

上述两个公式的推导过程如下：脆性岩石在长期荷载作用下的变形由弹性变形和非弹性变形组成，假设弹性模量在整个试验过程中保持不变，根据胡克定律：

${\mathrm{\ϵ}}_1^e=\frac{1}{E}[{\mathrm{\σ}}_1-v({\mathrm{\σ}}_2+{\mathrm{\σ}}_3)]---\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_2^e=\frac{1}{E}[{\mathrm{\σ}}_2-v({\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_3)]---\left(2\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_3^e=\frac{1}{E}[{\mathrm{\σ}}_3-v({\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2)]---\left(3\right)$

式中，

代表弹性状态下的主应变，σ₁，σ₂，σ₃代表主应力，E为弹性模量，v为泊松比。

对于三轴试验，在八面体面上，应变路径可以通过八面体剪切应变γ_oct和八面体正应变ε_oct来表示。

八面体剪切应变γ_oct可以表示为

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{2}{3}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2}---\left(4\right)$

在三轴试验过程中，围压σ₂＝σ₃，因此ε₂＝ε₃，可以得到

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{2}{3}\sqrt{{2({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2}=\frac{2\sqrt{2}}{3}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)---\left(5\right)$

剪切应变ε_q定义为八面体剪切应变γ_oct

ε_q＝γ_oct    (6)

八面体正应变ε_oct是

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{oct}}=\frac{1}{3}({\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3)=\frac{1}{3}({\mathrm{\ϵ}}_1+2{\mathrm{\ϵ}}_3)---\left(7\right)$

体积应变ε_v定义为3倍八面体正应变ε_oct

ε_v＝3ε_oct＝(ε₁+2ε₃)    (8)

非弹性剪切应变

是

${\mathrm{\ϵ}}_q^{\mathrm{ie}}={\mathrm{\ϵ}}_q-{\mathrm{\ϵ}}_q^e={\mathrm{\ϵ}}_q-\frac{2\sqrt{2}}{3}({\mathrm{\ϵ}}_1^e-{\mathrm{\ϵ}}_3^e)---\left(9\right)$

将式(1)和式(3)代入(9)，可以得到

${\mathrm{\ϵ}}_q^{\mathrm{ie}}={\mathrm{\ϵ}}_q-\frac{2\sqrt{2}}{3}\frac{1+v}{E}({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_3)=\frac{2\sqrt{2}}{3}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)-\frac{2\sqrt{2}}{3}\frac{1+v}{E}({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_3)---\left(10\right)$

非弹性体积应变可以表示成

${\mathrm{\ϵ}}_v^{\mathrm{ie}}={\mathrm{\ϵ}}_v-{\mathrm{\ϵ}}_v^e={\mathrm{\ϵ}}_v-({\mathrm{\ϵ}}_1^e+2{\mathrm{\ϵ}}_3^e)---\left(11\right)$

将式(1)和(3)代入(11)，可以得到

${\mathrm{\ϵ}}_v^{\mathrm{ie}}={\mathrm{\ϵ}}_v-\frac{1-2v}{E}({\mathrm{\σ}}_1+2{\mathrm{\σ}}_3)=({\mathrm{\ϵ}}_1+2{\mathrm{\ϵ}}_3)-\frac{1-2v}{E}({\mathrm{\σ}}_1+{2\mathrm{\σ}}_3)---\left(12\right)$

试验时，也可仅对岩样施加轴向压力，而不施加围压，因此在单轴情况下，σ₃＝0，即可得，

${\mathrm{\ϵ}}_q^{\mathrm{ie}}={\mathrm{\ϵ}}_q-\frac{2\sqrt{2}}{2}\frac{1+v}{E}{\mathrm{\σ}}_1=\frac{2\sqrt{2}}{3}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)-\frac{2\sqrt{2}}{3}\frac{1+v}{E}{\mathrm{\σ}}_1---\left(13\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_v^{\mathrm{ie}}={\mathrm{\ϵ}}_v-\frac{1-2v}{E}{\mathrm{\σ}}_1=({\mathrm{\ϵ}}_1+2{\mathrm{\ϵ}}_3)-\frac{1-2v}{E}{\mathrm{\σ}}_1---\left(14\right)$

Claims (2)

1.一种长期稳定荷载作用下脆性岩石破裂模式的预测方法，其特征在于步骤如下：

a、在施工现场钻取岩样并进行加工，确保岩样的完整性和均质性；

b、将步骤a得到的岩样安装在加载仪器上，同时在该岩样上安装轴向位移传感器、环向位移传感器、声发射探头和声波探头，并能保证实时传输数据；

c、按照位移控制模式加载，直至监测到的声发射信号出现第一次突然增长时，停止增加应力并维持该应力水平不变，并记录岩样在稳定荷载持续作用下，发生的轴向位移ε₁和侧向位移ε₃随时间的变化过程，直至声发射信号出现第二次峰值，岩样完全破坏；

d、根据

和

计算扩容指标

从而预测岩样的破裂模式，其中ε₁和ε₃分别代表步骤c中记录的轴向位移和侧向位移，σ₁和σ₃分别代表步骤c中保持不变的应力和围压，E为弹性模量，v为泊松比，

是非弹性体积应变的增量，代表着轴向扩展裂纹，

是非弹性剪切应变的增量，代表着剪切扩展裂纹。

2.根据权利要求1所述的长期稳定荷载作用下脆性岩石破裂模式的预测方法，其特征在于：所述加载仪器为三轴试验仪。

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