一种判断岩石材料发生岩爆倾向性的方法

摘要

本发明公开了一种判断岩石材料发生岩爆倾向性的方法，该方法针对峰值强度后岩石破坏所需的耗散能量根据峰值强度后应力?应变曲线求得，通过对岩石试样的一次加卸载实验，发现真实系列值(K

说明书

技术领域

本发明涉及一种判断岩石材料发生岩爆倾向性的方法。

背景技术

岩爆是发生在深部岩石工程中的一种常见的工程地质灾害现象，目前在国内外已 建的众多深部矿山、隧道、水电等工程中均有所报道。岩爆发生时，经常会出现岩片弹射、迸 射甚至爆裂等现象，并伴随强烈的气浪或冲击波，给现场施工人员、设备等安全带来了很大 威胁。岩石作为岩爆灾害发生的承载体，其本身的弹脆性及储能特性是引发岩爆的主要内 在因素。为此，如何判断岩石是否具有岩爆倾向性成为预防岩爆灾害中的关键问题之一。目 前，利用单轴压缩试验对岩石材料进行岩爆倾向性判断，已发展了众多方法。比如脆性系数 (具体表达式有多种)法，该类方法主要从岩石材料强度方面考虑。由于岩爆发生时伴随着 岩片的弹射等动力现象，意味着材料内部能量的释放，因此很多研究人员发展了很多从能 量角度考虑的方法。比如岩石弹性变形能指数，该指标主要反映了岩石在达到峰值强度前 内部储存弹性变形能的能力,未考虑岩石爆裂是发生在达到峰值强度后的行为特征，另外 具体加载时，如何判定荷载何时达到岩石峰值强度的70％～80％也存在一定困难；岩石冲 击能指标则考虑了岩石在峰值前和峰值后全程受载情况，利用峰值前的总能量和峰值后的 耗散能之比来判断岩爆倾向性。但是该方法没有考虑岩石在达到峰值强度前所消耗的塑性 应变能，因此存在高估的可能性。综上，理想的情况应该是，准确获取岩石在达到峰值强度 时储存在内部的弹性应变能，并与岩石在峰值强度后破坏所耗散能量进行比较，如果弹性 应变能大于峰后耗散能，则具有岩爆倾向性；如果弹性应变能小于或等于峰后耗散能，则不 具有岩爆倾向性。因此，如何获得岩石在达到峰值强度时储存在内部的弹性应变能，是解决 上述问题的关键。

发明内容

本发明提出一种计算岩石受压达到峰值强度时储存在试样内部弹性变形能的方 法，并利用计算出的弹性应变能和峰后耗散能进行比较，进而判断岩石材料是否具备岩爆 倾向性。

一种判断岩石材料发生岩爆倾向性的方法，将圆柱型岩石试样放在刚性电液伺服 材料控制试验机上，以(0.063-0.067)mm/min的位移加载速率加载直至岩石试样破坏时，获 取岩石试验处于峰值强度点时储存于岩体单元内的弹性应变能U_e与峰值后破坏所需的能 量U_rs，当U_e-U_rs>0，则认为岩石材料具有岩爆倾向性；若U_e-U_re≤0，则岩石材料无岩爆倾向 性。

利用计算出的弹性应变能和峰后耗散能进行比较，判断岩石材料的岩爆倾向。

所述储存于岩体单元内的弹性应变能U_e的测量过程如下：

步骤1：根据岩石力学单轴压缩试验规程，取圆柱型岩石试样安放在刚性电液伺服 材料控制试验机上，以(0.063-0.067)mm/min的位移加载速率加载直至岩石试样破坏，测得 岩石试样的单轴抗压强度σ_c；

步骤2：重新取5个相同的圆柱型岩石试样，以相同的位移加载速率对岩石试验进 行加载，分别加载至不同的应力水平0.7σ_c，0.75σ_c，0.8σ_c，0.85σ_c，0.9σ_c，再以(0.063- 0.067)mm/min位移速率进行卸载，五个岩石试样均卸载到0.02σ_c；

步骤3：再次对步骤2中已经卸载到0.02σ_c的岩石试样分别以(0.063-0.067)mm/ min的位移加载速率加载直至岩石试样破坏，得到岩石试样的加卸载应力-应变曲线，从而 获得每个岩石试样在第二次加载后的峰值强度，分别为(σ_c^0.7，σ_c^0.75，σ_c^0.8，σ_c^0.85，σ_c^0.9)；

步骤4：设定岩石试样加卸载的应力水平实际值为K_i，

设定卸载点处岩石弹性应变能和总输入能的比值为λ_i，

其中，i表示岩石试样的单轴抗压强度σ_c的倍数；U_ie和U_i分别表示岩石试样在加卸 载应力为iσ_c时，岩石试样在卸载点的总输入能量和弹性应变能，其中，岩石试样在卸载点 的总输入能量为对岩石试样进行位移加载直至试样破坏时得到的加载线与横坐标轴所围 成的面积；

步骤5：利用步骤1—步骤3采集的数据，获取多组K_i-λ_i值，并对K_i-λ_i进行线性拟 合，获取K_i-λ_i的线性关系函数f(λ_i)＝W(K_i)；

步骤6：令K＝1，利用步骤5获得的函数计算卸载点处岩石弹性应变能和总输入能 量的比值λ₁；

步骤7：根据岩石试样在峰值强度前的加卸载应力-应变曲线进行积分求出计算峰 值强度点的总输入能量U₁，获得处于峰值强度点时岩石内部的弹性应变能为U_1e＝U₁·λ₁。

所述岩石试样在峰值强度后破坏所需的耗散能量U_rs，通过对峰后应力-应变曲线 进行积分计算获得。

所述圆柱型岩石试样的直径D取为48-51mm，高度L为直径长度的2.0倍。

有益效果

本发明提供了一种判断岩石材料发生岩爆倾向性的方法，基于岩石达到峰值强度 时储存于内部的弹性应变能大于峰后破坏所需的耗散能量，作为具有岩爆倾向性的必要条 件提出。峰值强度后岩石破坏所需的耗散能量根据峰值强度后应力-应变曲线求得，通过对 岩石试样的一次加卸载实验，发现真实系列值(K_i)与峰值前弹性应变能与总输入能比值 (λ_i)之间呈线性关系，根据5组实验数据求出此线性关系式，进而可求出岩石达到峰值强度 时的弹性应变能与总输入能的比值λ₁，而岩石达到峰值强度时的总输入能U₁根据应力-应变 曲线求出，从而获得岩石达到峰值强度时的弹性变形能量U_1e＝U₁·λ₁。再根据应力-应变曲 线求出峰后稳定破坏所需能量U_rs，再进行U_1e与U_rs的比较。将一直无法量化计算的问题，通 过大量的试验发现了其内部规律，突破性的将岩石达到峰值强度时的弹性变形能量实现了 量化计算，解决了岩石达到峰值强度时不能即时卸载进而无法计算内部储存的弹性应变能 问题，利用计算出的弹性应变能和峰后耗散能进行比较，进而判断岩石材料是否具备岩爆 倾向性。本发明为岩石材料岩爆倾向性的确定提供了一种全新的判别方法。

附图说明

图1为圆柱型试样立体示意图；

图2为岩石试样一次加卸载完整应力-应变曲线图；

图3为图2中岩石试样加卸载应力-应变曲线图；

图4为图2中岩石试样加卸载后再一次加载应力-应变曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：

在INSTRON-1346电液伺服材料试验机进行岩石常规单轴压缩试验以及一次加卸 载实验，对岩石进行判断。

具体过程如下：

采用圆柱型试样的直径D取为48-51mm，试样的长度(厚度)L取为96-102mm，即直径 的2.0倍，如图1所示。试验应按下列步骤进行：

(1)首先进行常规单轴压缩试验，将试样以0.065mm/min位移加载速率进行加载直 至破坏，得到岩石试样的单轴抗压强度σ_c，σ_c可以根据试验机测试得到的数据直接读取。

(2)另取5个试样以相同的加载速率分别加载至0.7σ_c，0.75σ_c，0.8σ_c，0.85σ_c，0.9 σ_c，然后以0.065mm/min进行卸载，卸载到0.02σ_c，对应的曲线见图2和图3，然后再次加载直 至试样破坏，得到试样的一次加卸载应力-应变完整曲线，参见图2。

(3)根据具体实验数据求出(K_0.7,λ_0.7)，(K_0.75,λ_0.75)，(K_0.8,λ_0.8)，(K_0.85,λ_0.85)， (K_0.9,λ_0.9)这五组数据，获得两者之间的关系曲线，拟合得出两者的关系式：f(λ_i)＝W(K_i)， 将K＝1代入上式，K＝1表示在峰值强度时进行卸载再加载，此时卸载点应力等于峰值强度， 即可求出岩石达到峰值强度时的弹性应变能U_1e与总输入能U₁的比值λ₁，而岩石达到峰值强 度时的总输入能U₁可以根据应力-应变曲线求出，则岩石达到峰值强度时的弹性应变能可 以由下式计算得到：U_1e＝U₁·λ₁。

(4)最后根据岩石在峰值强度后的应力-应变曲线，求出峰后继续稳定破坏所需的 能量U^rs，即应力-应变曲线峰后曲线与坐标轴所围成的面积，参见图4。

(5)然后进行U_1e和U_rs比较，若U_1e-U_rs>0，则岩石材料具有岩爆倾向性；若U_1e-U_rs≤ 0，则岩石材料不具有岩爆倾向性。