抛掷型岩爆机理分析与模拟试验技术

1、抛掷型岩爆机理分析与模拟试验技术第1页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 前 言 1 对抛掷型岩爆机理的新认识 2 对抛掷型岩爆机理模拟试验技术的分析与建议 3 对抛掷型岩爆机理模拟试验装置的研发 4 新装置岩爆试件模拟试验概况 结 语汇报提纲第2页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四前 言 岩爆是在高地应力地区硬岩隧洞施工中经常发生的一种动力地质灾害。因为岩爆发生时会有大量岩块飞出，往往会给人员、设备造成重大灾害（见图），所以岩爆问题倍受人们关注。下面是锦屏二级水电站在隧洞施工中的岩爆现象。锦屏二级水电站引水隧洞施工中岩爆破坏景象第3页，共38页，202

2、2年，5月20日，0点24分，星期四锦屏二级水电站排水洞施工中岩爆破坏景象 尽管国内外学者对岩爆问题进行了多方面的研究，也取得了不少成果，但目前仍有不少问题，如岩爆机理、岩爆定义、岩爆类型等都还没有统一的认识，尚待研究解决。第4页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 我们也按目前对岩爆机理的认识设计加工了一套试验装置。该装置对岩爆影响因素考虑的比较全，如初始地应力场的影响，开挖效应、时空效应、岩体特征等影响都做了考虑。但在试验中发现岩爆试件只产生静力型破坏，未产生抛掷型岩爆。 上述现象促使我们对岩爆机理和模拟试验技术进行了深入思考，认识到目前我们对岩爆机理的认识上还不够全面，

3、在试验研究方法上还存在缺陷。第5页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 我们结合抛掷型岩爆的特点（因为抛掷型岩爆具有岩爆的典型特征：有声响，有抛掷现象等），对其机理进行了深入分析，有了新的认识。在此基础上，研制出新的试验装置，开展了新的试验。在试验中较好地实现了抛掷型岩爆现象。 为了交流经验，促进这项事业的发展，我向大家做一简要汇报，有不合适的地方，欢迎批评指正！第6页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 前人对岩爆机理已经做了较多的研究。我们是在前人研究的基础上，针对抛掷型岩爆的特点，再谈点新认识。共有四点：1 对抛掷型岩爆机理的新认识第7页，共38页，2

4、022年，5月20日，0点24分，星期四（1）在岩爆应力判据中给出的围岩应力/Rc=0.30.7的条 件下就可发生岩爆，甚至可发生强烈岩爆，是因为在围 岩内存在软弱结构区之故。 实际工程中很少看到整个围岩都发生岩爆的现象，一般都是局部发生。这是因为围岩不是均匀的，其内有层理、节理、裂隙、断层等软弱结构面形成的软弱结构区。因为软弱结构区内岩体强度低，在围岩内整体强度还没有达到破坏标准时，软弱结构区就可能已达到破坏标准，这就造成在/ Rc=0.30.7条件下，围岩内就可能发生岩爆，甚至可能发生强烈岩爆的现象。 上述观点启示我们，在岩爆模拟试验中，应该考虑软弱结构区的影响。 第8页，共38页，202

5、2年，5月20日，0点24分，星期四（2）单靠岩爆体本身积蓄的能量不足以发生抛掷型岩爆， 要 发生抛掷型岩爆，必须要有外力功对其破坏过程进行能 量补充。 这是因为，当应力状态给定后，对于不全被被封闭或不全被约束的岩爆试件，通过外力做功使其吸收的内能总量是有限的，其最大值应该等于材料变形达到极限时外力所做的有效功。超过这个数值再加外力，材料就要用破坏来消耗外力功。这就像用水桶装水，水装满了再加水，水就要流出来一样。 换句话说，材料吸收的内能达到极限时，材料并不发生破坏。材料要破坏，外力必须再做功。第9页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 对岩爆问题来说，岩爆体也是一种不被全部

6、约束的结构体（因它有自由面)。当岩爆体吸收的内能达到极限时，它并不会发生破坏（岩爆）。它要发生破坏（岩爆），也必须要有外力功对其破坏过程进行能量补充，也就是必须让洞壁围岩继续对它产生挤压变形。 上述观点启示我们，在岩爆机理模拟试验中 ，必须对岩爆试件进行能量补充，以保持试件的破坏过程。第10页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四（3）工程中岩爆发生时，洞壁围岩会对岩爆体产生能量汇 聚 ，这是抛掷型岩爆发生的重要前提 。 在实际工程中看到：在高地应力地区开挖隧洞时，洞壁围岩往往要产生很大的收敛变形，有时会把洞内的支护、衬砌都压垮（见图1-1）。图1-1 洞室收敛挤压变形状态第1

7、1页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 另外，从围岩弹塑性理论分析中也可看出（见图1-2），在洞室开挖之后，洞壁围岩要产生径向位移，要限制这种位移的发展，需要对洞壁提供较大的支撑力 。图1-2 洞壁位移-支护抗力关系曲线第12页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 岩爆是发生在洞壁围岩中。围岩中的应力在开洞时已产生了一次应力集中，如果再发生岩爆，将引起第二次应力集中。因而在岩爆发生时，洞壁围岩将会对岩爆体产生更大的挤压变形和释放更多的能量。 我们把洞壁围岩对岩爆体释放能量的过程称为能量汇聚。 能量汇聚是抛掷型岩爆发生的重要前提，也是我们在岩爆机理模拟试验中

8、，对岩爆试件进行能量补充的重要依据。 第13页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四（4）在抛掷型岩爆发生时，存在由静态到动态的转化工程， 这种转化是由洞壁围岩对岩爆体释放的能量有剩余造成 的。 众所周知，抛掷型岩爆发生时有一个由静态到动态的转变过程。这个过程的转化是由于岩爆发生时，洞壁围岩对岩爆体释放的能量有剩余造成的。这可从洞壁围岩与岩爆体相互作用简图中看出，简图1-3。 图1-3的绘制是根据岩爆应力判据中，围岩应力在/Rc=0.30.7的条件下，即在围岩尚处于弹性条件下就可能发生岩爆，因此我们可用弹簧代替周围岩体对岩爆体的作用。第14页，共38页，2022年，5月20日，

9、0点24分，星期四图1-3 洞壁围岩与岩爆体相互作用原理示意图 从图1-3中看出：在岩爆发生前，弹簧（围岩）与岩爆体是处于应力平衡状态的 。在岩爆发生时，因岩爆体材料已进入峰值后期阶段，其刚度逐渐降低，而弹簧的刚度不变。根据变形协调条件，弹簧和岩爆体的位移相等，故弹簧释放的弹性能就大于岩爆体吸收的变形能。多余能量消耗在岩爆体材料的破坏上。第15页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 随着岩爆过程的发展，岩爆体材料的刚度越来越低，弹簧剩余的能量比例也就越来越大。这就为岩爆体破坏过程越来越快创造了条件。最终导致岩爆体从初始静力破坏状态转变为动力破坏状态。 因岩爆体在动力破坏过程中

10、，岩爆体材料自身具有了速度，也就是据有了动能，所以岩爆碎块可以飞离试件，形成抛掷型岩爆。第16页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四2、对抛掷型岩爆机理模拟试验技术的 分析与建议 采用普通油压控制系统加载，无法使岩爆试件或洞室模型产生抛掷型岩爆。这是因为，普通油压控制系统加载，油路系统供油缓慢，不能满足岩爆试件迅速破坏的要求。它只能使试件产生缓慢的静力型破坏，见图2-1。 2.1 用普通油压控制系统加载是无法产生抛掷型岩 爆的 第17页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 要使岩爆试件产生抛掷型岩爆，必须解决使岩爆试件产生迅速破坏的技术问题。 图2-1 用普

11、通油压控制系统加载 试件和洞室模型破坏形态(a) 洞室模型(b) 岩爆试件第18页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 试件材料要有硬脆性特征； 试件上要有应力集中现象； 在加载过程中要有能量补充。（1）岩爆试件应满足如下要求： 根据前面对岩爆机理与试验技术的分析，我们对抛掷型岩爆模机理拟试验技术提出如下建议：2.2 对抛掷型岩爆机理模拟试验的建议第19页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 （2）加载装置与试验方法 如图2-2所示，加载装置采用弹簧-油缸系统。对弹簧的要求是变形刚度要小于试件的刚度，最大恢复力要等于材料后期强度某点上的承载力，见图2-3。图

12、2-2 抛掷型岩爆试件 模拟试验方案图2-3 弹簧的最大恢复力等于材料后期强度某点上的支撑力 第20页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四3、对抛掷型岩爆机理模拟试验装置的研制 我们自主研发了如下两套试验装置： 第一套装置是弹簧-油缸系统，见图3-1，油缸最大出力50吨。在油缸压头与试件表面之间设置一个8吨的蝶形弹簧（吨位大小可灵活确定）。 第二套装置是油-气复合系统，见图3-2，该系统是专门为岩爆机理模拟试验研制的，其气体压力大小及释放时间可以控制。使用效果表明，两套装置均可使试件产生抛掷型岩爆现象。第21页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四图3-1 弹

13、簧-油缸系统岩爆模拟试验装置 图3-2 油-气复合系统 岩爆模拟试验装置第22页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 4 新装置岩爆试件模拟试验概况 我们用多块水泥砂浆岩爆试件进行了岩爆模拟试验。试件尺寸：150mm150mm200mm（长宽高），材料强度Rc=20MPa左右。加载方法如前面图3-1、图3-2所示。 共做了三种不同烈度的岩爆试验，结果如下： 第23页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四（a）轻度岩爆4.1 试件的岩爆景象第24页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四（b）中等岩爆第25页，共38页，2022年，5月20日，0点

14、24分，星期四（c）剧烈岩爆第26页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 从录像片中可以看出，岩爆发生时，均有较大声响，并有大量碎块飞离试件。岩爆烈度越高，飞离的碎块越多，飞离的距离越远，表现出了典型的抛掷型岩爆特征。各试件飞离碎块的散布特征见图4-1。4.2 试件的宏观破坏现象第27页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四（a）轻度岩爆 图4-1 飞离碎块的散布特征第28页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四（b）中等岩爆第29页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四(c) 剧烈岩爆第30页，共38页，2022年，5月20日

15、，0点24分，星期四 为了分析岩爆碎块的散落状态，我们把岩爆碎块飞离距离分成几个区间进行统计，把每个区间内的碎块质量求和（用试件质量的百分比表示）作为该区间内中点的质量 M，用该区间中点至试件表面的距离作为碎块抛掷水平距离 S，用试件的高度中点至地面的距离，作为碎块降落高度 H。 根据上述数据就可计算出岩爆碎块质量分布及其平均动能等数据统计表，见表1。4.3 岩爆碎块飞离状态统计规律（1）岩爆碎块飞离状态统计表第31页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 从表中看到，岩爆烈度与试件动的能大小、碎块质量的多少和飞离距离的远近均成正比关系。试验序号岩爆烈度评价试件总质量岩爆质量百

16、分比岩爆碎块在不同区间的质量分布 /g岩爆动能/J0.3-1.0m1.0-2.0m2.0-4.0m4.0-6.0m1轻度岩爆892040.1%2055.04 1345.16 137.00 39.00 38.922中等岩爆859044%1355.6 502.5 1574.4 337.0 154.963剧烈岩爆840063.5%2395.9 1043.6 874.8 1018.0 268.04表1 岩爆碎块飞离状态统计表第32页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四（2） 岩爆碎块质量分布柱状图，见图4-2。图4-2 碎块质量分布柱状图（b）中等岩爆（c）剧烈岩爆（a）轻度岩爆第3

17、3页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 从图中看到，一般情况下，大部分碎块质量都落在试件附近，0.31m范围内。但也有例外，如图4-2b,中，大部分质量分布在24m 范围内。产生这种现象的原因尚待分析。第34页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四图4-3 岩爆碎块质量大小比例柱状图 （3）岩爆碎块质量大小比例柱状图，见图4-3。 （c）剧烈岩爆（a）轻度岩爆 （b）中等岩爆第35页，共38页，2022年，5月20日，0点24分，星期四 从图中看到，岩爆烈度低的，大质量岩爆碎块所占比例高，如图4-3a中300g以上的占70%多。岩爆烈度高的，小质量的岩爆碎块所占比例高，如图4-3c中，50g以下的占56%以上。而中等岩爆烈度的，小质量的岩块占45%，大质量的岩块占33%，中等质量的岩块占22%。