CN109765112A - 一种基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法。对圆柱形岩石试样进行单轴压缩试验，进而得到轴向应力‑体积应变曲线，应力‑体积应变曲线拐点处的轴向应力为岩石的损伤强度。岩石的损伤强度对应的轴向应力‑轴向应变点为岩石单轴压缩起变点，起变点与岩石峰值强度点的间隔时间为滞后时间T1，定义滞后时间T1与岩石试样自初始加载至达到峰值强度时间T2的比值为滞后比TR，利用计算出的滞后比TR的大小判断岩石的岩爆倾向性等级。

Description

一种基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法
技术领域
本发明涉及一种基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法。
背景技术
岩爆是岩石工程中围岩体的突然破坏，并伴随着岩体中应变能的突然释放，是一种岩石破裂过程失稳现象。岩爆往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，岩爆倾向性研究已成为岩石地下工程和岩石力学领域的重要课题。岩石的岩爆倾向性，指岩石本身具有的发生岩爆需要的各项特性，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研究中的关键问题之一。岩石岩爆倾向性，指岩石本身具有的发生岩爆需要的各项特性。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，研究岩爆倾向性等级判别方法对于岩爆预防具有重要意义。
岩石在单轴压缩条件下的应力应变曲线从宏观上刻画了岩石在荷载作用下的基本力学特征。从岩石单轴压缩试验得到的应力应变曲线可知，岩石受载后直到破坏将经历以下五个阶段：1.微裂隙压密阶段，2.弹性变形阶段，3.微裂隙发生和扩展阶段，4.裂隙不稳定发展直至破裂阶段，5.破裂后阶段。其中岩石进入裂隙不稳定发展直至破裂阶段后，随着轴向应力的增加，岩石内部的裂隙迅速扩展，裂隙进入不稳定发展阶段，，裂隙扩展贯通形成滑动面，导致岩石的整体失稳。岩石进入裂隙不稳定发展直至破裂阶段，预示着岩石即将发生破坏，因此准确判断裂隙不稳定发展直至破坏阶段的起点对于预测岩石破坏具有重要意义，损伤强度标志着岩石内部裂纹大量连接贯通，体积应变曲线发生弯折，裂纹的进一步扩展贯通无需再增加外力，因此，损伤强度也被称为岩石裂纹不稳定扩展的起点。定义岩石在单轴压缩试验中的损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点为岩石的单轴压缩起变点，起变点与峰值应力点之间的间隔时间为滞后时间T1，从初始加载至岩石达到峰值强度之间的时间为T2，滞后比TR＝T1/T2。滞后比TR与试样的大小与岩石的岩爆倾向性呈线性相关关系，当TR＞0.25时，岩石无岩爆倾向；当0.20＜TR≤0.25时，岩石有轻微岩爆倾向；当0.15＜TR≤0.20时，岩石有中等岩爆倾向；当TR≤0.15时，岩石有强岩爆倾向。因此，如何获得岩石在单轴压缩试验中的滞后比TR，是解决上述问题的关键。
发明内容
本发明提出一种基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法。
一种岩石岩爆倾向性等级判别方法，将圆柱形岩石试样放在刚性电液伺服材料控制试验机上，以12KN/min的力控制加载速率进行单轴压缩试验，对岩石试样的进行单轴压缩试验，测出其轴向应变和侧向应变，通过轴向应变和侧向应变之和得到岩石的体积应变。岩石体积应变的峰值点对应岩石的轴向应力-体积应变曲线的拐点，岩石轴向应力-体积应变曲线拐点处的轴向应力为岩石的损伤强度。将岩石的损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点定义为岩石单轴压缩起变点，起变点与岩样达到峰值强度的间隔时间称为滞后时间T1，定义滞后时间T1与岩石试样自初始加载至达到轴向峰值强度时间T2的比值为滞后比TR，利用滞后比TR值，可以判别岩石的岩爆倾向性等级。
一种基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，包括以下步骤：
步骤1：根据岩石力学单轴压缩试验规程，取圆柱形岩石试样安放在刚性电液伺服材料控制试验机上，以12KN/min的力控制加载速率加载直至岩石试样破坏，测得岩石试样的轴向应变和侧向应变；
步骤2：通过轴向应变与侧向应变之和得到岩石的体积应变，分析岩石的轴向应力-体积应变曲线，轴向应变的峰值点对应轴向应力-体积应变的拐点，轴向应力-体积应变曲线的拐点对应的轴向应力即为岩石的损伤强度；
步骤3：将岩石的损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点定义为岩石单轴压缩起变点，起变点与岩样达到峰值强度的间隔时间称为滞后时间T1，从初始加载至岩样达到峰值强度的时间为T2；
步骤4：单轴压缩试验中滞后比即可根据公式TR＝T1/T2计算得到，式中，T1表示岩石试样起变点与峰值应力点之间的间隔时间；T2表示岩石自初始加载至达到峰值强度的时间，TR表示岩石试样在单轴压缩试验中的滞后比；
步骤5：利用步骤4计算出的滞后比TR判断岩石岩爆倾向性等级，当TR＞0.25时，岩石无岩爆倾向；当0.20＜TR≤0.25时，岩石有轻微岩爆倾向；当0.15＜TR≤0.20时，岩石有中等岩爆倾向；当TR≤0.15时，岩石有强岩爆倾向；
TR称之为单轴压缩滞后比指标；
所述圆柱形岩石试样的直径D取为48-52mm，高度L为直径长度的1.8～2.2倍，通过对岩石试样按照上述方法进行试验，建立了以单轴压缩滞后比指标作为衡量指标的岩石岩爆倾向性判别分级标准。利用单轴压缩滞后比指标不但可以判别岩石岩爆倾向性等级。
有益效果
岩爆是岩石工程中围岩体的突然破坏，并伴随着岩体中应变能的突然释放，是一种岩石破裂过程失稳现象。岩爆往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，岩爆倾向性研究已成为岩石地下工程和岩石力学领域的重要课题。本发明公开了一种基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法。本发明中定义岩石在单轴压缩试验中损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点为单轴压缩起变点，并提出了基于损伤强度确定岩石单轴压缩起变点的方法。对岩石试样的进行单轴压缩试验，测出其轴向应变和侧向应变，通过轴向应变和侧向应变之和得到岩石的体积应变。岩石体积应变的峰值点对应岩石的轴向应力-体积应变曲线的拐点，岩石轴向应力-体积应变曲线拐点处的轴向应力为岩石的损伤强度。将岩石的损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点定义为岩石单轴压缩起变点，起变点与岩石达到峰值强度的间隔时间称为滞后时间T1，定义滞后时间T1与岩石试样自初始加载至达到峰值强度时间T2的比值为滞后比TR，然后利用计算出的滞后比TR的大小判断岩石的岩爆倾向性程度。
根据对岩石试样的单轴压缩试验结果进行归纳总结后得到岩爆倾向性等级划分的标准，依据该标准，可以判别岩石的岩爆倾向性等级。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程示意图；
图2为圆柱形试样立体示意图；
图3为岩石试样单轴压缩方案；
图4为岩石试样单轴压缩轴向应力-轴向应变曲线图；
图5为岩石试样单轴压缩轴向应力-体积应变曲线图；
图6为岩石起变点、滞后时间T1和自初始加载至达到峰值强度时间T2确定方法图；
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MTS815电液伺服材料试验机进行岩石常规单轴压缩试验，对岩石的岩爆倾向性进行判断。
如图1所示，一种基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，具体过程如下：
(1)：如图1所示，应按下列步骤进行：现场取样，将取得的岩块加工成圆柱形试样(如图2)，直径D取为48-52mm，高度L为直径长度的1.8～2.2倍，加载方案如图3，以12KN/min的力控制加载速率加载直至岩石试样破坏，测得岩石试样的轴向应变和侧向应变；
(2)：通过轴向应变与侧向应变之和得到岩石的体积应变，分析岩石的轴向应力-体积应变曲线，如图5，轴向应变的峰值点对应轴向应力-体积应变的拐点，轴向应力-体积应变曲线的拐点对应的轴向应力即为岩石的损伤强度；
(3)：将岩石的损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点定义为岩石单轴压缩起变点，如图6起变点与岩样达到峰值强度的间隔时间称为滞后时间T1，自初始加载至岩石试样达到峰值强度的时间为T2；
(4)：单轴压缩试验中滞后比即可根据公式TR＝T1/T2计算得到，式中，T1表示岩石试样起变点与峰值应力点之间的间隔时间；T2表示岩石自初始加载至达到峰值强度的时间，TR表示岩石试样在单轴压缩试验,的滞后比；
(5)：利用步骤4计算出的滞后比TR判断岩石岩爆倾向性等级，当TR＞0.25时，岩石无岩爆倾向；当0.20＜TR≤0.25时，岩石有轻微岩爆倾向；当0.15＜TR≤0.20时，岩石有中等岩爆倾向；当TR≤0.15时，岩石有强岩爆倾向；
实施例1：
以青砂岩为例，先计算单轴压缩滞后比TR，然后根据滞后比指标判断青砂岩的岩爆倾向性等级，具体如下：
step1：将工程现场取回的岩块加工成直径为50mm，长度为100mm的圆柱形岩石试样，将岩石试样在MTS815电液伺服材料试验机进行单轴压缩试验，以加载速率为12KN/min的力控制加载方式加载，测得岩石在单轴压缩条件下的轴向应变和侧向应变。
step2：过轴向应变与侧向应变之和得到岩石的体积应变，分析岩石的轴向应力-体积应变曲线，轴向应变的峰值点对应轴向应力-体积应变的拐点，轴向应力-体积应变曲线的拐点对应的轴向应力即为岩石的损伤强度。
step3：将岩石的损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点定义为岩石单轴压缩起变点，起变点与岩样达到峰值强度的间隔时间称为滞后时间T1，初始加载至岩样达到岩石峰值强度的时间为T2。
step4：单轴压缩试验中滞后比即可根据公式TR＝T1/T2计算得到，式中，T1表示岩石试样起变点与峰值应力点之间的间隔时间；T2表示岩石自初始加载至达到峰值强度的时间，TR表示岩石试样在单轴压缩试验中的滞后比。在青砂岩K5的单轴压缩试验中，加载至731s时，青砂岩K5轴向应力体积应变曲线出现拐点，则青砂岩K5单轴压缩起变点出现，加载至900s时，青砂岩K5出现破坏，此时青砂岩单轴压缩滞后比TR＝T1/T2＝(900-731)/900＝169/900＝0.188。
step5：利用step4计算出的滞后比TR判断青砂岩K5的岩爆倾向性等级，当TR＞0.25时，岩石无岩爆倾向；当0.20＜TR≤0.25时，岩石有轻微岩爆倾向；当0.15＜TR≤0.20时，岩石有中等岩爆倾向；当TR≤0.15时，岩石有强岩爆倾向，青砂岩K5的滞后比为0.188，根据上述分级标准，青砂岩K5的岩爆倾向性为中等；为提高判断岩石岩爆倾向性的准确性，同一岩石取三个试样进行单轴压缩试验，分别求得三个试样的单轴压缩滞后比并取平均值，作为判断该岩石岩爆倾向性的依据。如表1，青砂岩三个试样的单轴压缩滞后比TR计算结果分别为0.188、0.176、0.179，三个试验滞后比的均值为0.181，所以青砂岩的岩爆倾向性判断结果为中等。
表1青砂岩滞后比计算结果
利用上述标准，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于单轴压缩滞后比指标的岩爆倾向性等级判别方法，其特征在于，将圆柱形岩石试样放在刚性电液伺服材料控制试验机上，以12KN/min的加载速率进行单轴压缩试验直至岩石试样破坏，测出其轴向应变和侧向应变，通过轴向应变和侧向应变之和得到岩石的体积应变，进而得到岩石轴向应力-体积应变曲线。岩石轴向应力-体积应变曲线拐点处的轴向应力强度为岩石的损伤强度。将岩石的损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点定义为岩石单轴压缩起变点，起变点与岩样达到峰值强度的间隔时间称为滞后时间T1，定义滞后时间T1与岩石试样整体单轴压缩时间T2的比值为滞后比TR。利用计算出的滞后比TR的大小判断岩石的岩爆倾向性程度，当TR＞0.25时，岩石无岩爆倾向；当0.20＜TR≤0.25时，岩石有轻微岩爆倾向；当0.15＜TR≤0.20时，岩石有中等岩爆倾向；当TR≤0.15时，岩石有强岩爆倾向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述岩体在单轴压缩试验中的滞后比TR计算过程如下：
步骤1：根据岩石力学单轴压缩试验规程，取圆柱形岩石试样安放在刚性电液伺服材料控制试验机上，以12KN/min的力控制加载速率加载直至岩石试样破坏，测得岩石试样的轴向应变和侧向应变；
步骤2：通过轴向应变与侧向应变之和得到岩石的体积应变，分析岩石的轴向应力-体积应变曲线，轴向应变的峰值点对应轴向应力-体积应变的拐点，轴向应力-体积应变曲线的拐点对应的轴向应力即为岩石的损伤强度；
步骤3：将岩石的损伤强度对应的轴向应力-轴向应变点定义为岩石单轴压缩起变点，起变点与岩样达到峰值强度的间隔时间称为滞后时间T1，从初始加载至岩样达到峰值强度的时间为T2；
步骤4：单轴压缩试验中滞后比即可根据公式TR＝T1/T2计算得到，式中，T1表示岩石试样起变点与峰值应力点之间的间隔时间；T2表示岩石试样完整加载时间，TR表示岩石试样在单轴压缩试验中的滞后比；
步骤5：利用步骤4计算出的滞后比TR判断岩石试样的岩爆倾向性，当TR＞0.25时，岩石无岩爆倾向；当0.20＜TR≤0.25时，岩石有轻微岩爆倾向；当0.15＜TR≤0.20时，岩石有中等岩爆倾向；当TR≤0.15时，岩石有强岩爆倾向。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定单轴压缩起变点与峰值应力点之间间隔时间T1与初始加载至岩样达到峰值强度所用时间T2，所述岩石试样在单轴压缩试验中的滞后比TR，通过T1和T2的比值得到。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述圆柱形岩石试样的直径D取为48-52mm，高度L为直径长度的1.8～2.2倍。
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