CN111006957A - 一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，试验采用单轴试验机对“Y”字型交叉组合结构面试样加载。实验前，试样表面喷涂散斑标识点，扫描获得两个结构面的点云数据并计算它们的JRC值。加载过程中，监测“Y”字型交叉组合结构面试样的表面位移场及声发射信号，获得其失稳破坏的变形及声发射前兆特征；试样加载至破坏，获得其峰值法向应力，依此计算两结构面的剪切应力分量，并将其与结构面抗剪强度比较分析。在不同结构面JRC、夹角及加载方式下重复进行多组试验，考察岩石试样破坏前的结构面抗剪强度、位移场及声发射信号变化规律，从而建立岩石楔形体失稳破坏的综合判据，为岩石工程中的岩爆灾害预警提供参考。

Description

一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法

技术领域：

本发明属于岩石力学技术领域，具体涉及一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法。

背景技术：

随着浅部能源、资源的日益匮乏，深部开采已成为世界矿业发展的必然趋势。而在深部开采条件下，岩爆灾害问题凸显。岩爆是坚硬岩石在高地应力状态下地下工程岩体开挖卸荷引起的围岩动力破坏现象，表现形式为围岩在高应力挤压作用下向巷(隧)道内突然弹出，对人员及设备安全构成巨大威胁。现有技术中岩石楔形体在高应力挤压下发生岩爆的示意图如图1所示。

岩爆灾害的重复性不强，实验室内采用物理实验研究岩爆，具有危害可控、数据全程纪录、重复可验证等显著优势，对于认识岩爆具有重要意义。但在岩爆的物理实验方面，国内外学者对岩石结构面的诱导作用关注不足，而各种尺度的结构面是深部岩体工程的软弱部位，是高应力下岩体释放能量的绝佳突破口。目前关于结构面诱发岩爆的试验模型很少，且主要针对平行成组结构面的破坏机理展开研究，例如文献“深埋隧洞板裂屈曲岩爆机制及物理模拟试验研究(周辉等，岩石力学与工程学报，2015(S2):3658-3666.)”和专利“一种研究滑移型岩爆机理的双结构面直剪试验方法(CN 106323768 B)”所采用的试验模型及方法。而实际上，巷(隧)道围岩中结构面之间的相互交叉、嵌入组合模式才是最为广泛的结构面存在形式，而且，这些原生的交叉组合结构面将与开挖临空面共同组成楔形体岩块，(图1)，最易诱发岩爆。

这些楔形岩体在钻爆法或盾构法施工后，有些不会随着开挖的完成而立即剥落，而是处于临界平衡状态。当巷道成型后，随着深部高应力的挤压作用，巷道环向应力持续升高、围岩不断向开挖临空面挤压，极易导致这些处于临界平衡状态下的楔形体突然发生挤压弹射，即岩爆。由于交叉组合结构面诱导发生的岩爆会形成“V”型爆坑，这一现象在相关文献中多有报道。通常采用的单结构面或平行结构面岩石试样的压缩或直剪试验方案不能模拟该类岩爆的发生条件，无法有针对性地研究不同应力状态下交叉组合结构面之间的相互作用，可能造成对实际岩爆发生条件的误解，误判岩爆发生的危险等级。

本发明提供的“Y”字型交叉组合结构面岩石试样的单轴压缩实验方案，在岩石试样达到峰值强度之前，其位移场及声发射信号变化明显，在实验室条件下可以准确地预警岩石楔形体失稳破坏及弹射现象，且操作简单、实用性强，真正为岩石工程的支护设计及岩爆灾害的预测预警提供指导。

发明内容：

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供了更加符合工程实际的研究高应力挤压作用下岩石楔形体失稳破坏的试验方法。该试验方法可以模拟在高应力状态下，交叉组合结构面诱发楔形体岩石的突然失稳弹射，并通过声发射信号及位移监测进行楔形体弹射预警，为实验室中研究结构面诱发岩爆提供新的方法和思路，并最终服务于岩石工程中的岩爆预警。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，包括以下步骤：

步骤一：在岩爆多发地选取岩石样本(或选取与之力学性能相近的岩石)，并切割制作矩形岩石试样；

步骤二：岩石试样在巴西劈裂条件下，先后生成两个互相交叉并有一定夹角的粗糙结构面，两个结构面组成“Y”字型，以此反映真实岩体中的主结构面和次生结构面，且该两个交叉结构面与岩石试样外表面构成一个楔形体；

步骤三：对岩石试样的两个交叉结构面进行三维扫描，获得两个结构面的点云数据，并在此基础上估算主结构面和次生结构面的粗糙度值(JRC₁和JRC₂)；

步骤四：将“Y”字型结构面岩石试样拼接在一起，使三部分紧密扣合，然后，在组合试样表面先后喷涂白色油漆和黑色油漆斑点，作为散斑系统监测岩石试样表面位移场的标识点，以便在加载过程中实现位移监测预警；

步骤五：将“Y”字型结构面岩石组合试样安放到单轴压缩试验机上，并在岩石试样上部和底部安装声发射监测探头，声发射探头安装位置尽量避开楔形体弹射区域，避免损坏；

步骤六：对“Y”字型结构面岩石试样进行单轴加载试验，直至岩石试样破坏，加载过程中记录试样破坏时峰值法向应力σ_c；

步骤七：根据峰值法向应力σ_c分别计算求得两个结构面处的法向应力分量σ_n及剪切应力分量τ，包括主结构面法向应力分量

主结构面剪切应力分量τ₁；次生结构面法向应力分量

次生结构面剪切应力分量τ₂；并在试验过程中记录试验机、散斑位移监测系统以及声发射监测系统的所有试验监测数据，主要包括加载时间、加载速率、加载力(应力)、散斑位移场、声发射信号；

步骤八：重复步骤二至步骤七的操作进行多组试验，分别考察不同结构面粗糙度、结构面夹角及加载方式下岩石破坏的前兆特征，并将结构面的估算峰值剪切强度τ′(τ′₁和τ′₂)与组合岩石试样破坏时的剪切应力分量(τ₁和τ₂)进行对比分析，得到交叉组合结构面岩石试样发生不同失稳破坏模式的应力条件；基于结构面剪切强度值估算、位移场变化，及声发射前兆信号规律判读等多个角度建立岩石楔形体失稳破坏的综合预警指标，为深部岩石工程中的岩爆灾害预警提供参考。

所述步骤二中，两个结构面与水平面夹角(θ₁与θ₂)范围均为5°～60°，一方面保证其具有水平方向的应力分量，另一方面确保劈裂后的岩石试样在拼接放置后不自动滑移；岩石试样的尺寸为高150～200mm(高度主要取决于结构面的角度，结构面角度小，则试样的高度可以适当降低)，长100mm，宽50mm；两条结构面的交叉点位置距离楔形体破坏弹出侧面40mm(图2模型右侧面)，两条结构面的边缘距离模型的上下表面不低于30mm，以避免端部效应。

所述步骤六中，破坏包括沿主结构面滑移失稳、楔形体弹出、或整体碎裂失稳破坏；

所述步骤六中，单轴加载即在竖直方向采用恒定速率、恒定应力梯度或恒定功率模式进行加载。

所述步骤七中，声发射信号包括撞击率、能量率、b值等。

所述步骤七中，当组合岩石试样加载至破坏，根据其峰值法向应力σ_c分别计算求得两个结构面处的法向及剪切应力分量，并将其与两个结构面的估算峰值剪切强度进行对比分析，获得起主控作用的结构面，并研究结构面的峰值剪切强度与组合试样峰值法向应力之间的关系。

所述步骤七中，组合试样破坏时的峰值法向应力值σ_c，此时计算主结构面的法向应力分量与切向应力分量(

和τ₁)，次生结构面的法向应力分量与切向应力分量(

和τ₂)。法向应力分量(

和

)与切向应力分量(τ₁和τ₂)分别采用如下两个公式计算：

两式中：

θ为两个结构面与水平面的夹角(θ₁与θ₂)；

σ_c为组合试样破坏时的峰值法向应力值；

所述步骤七中，两个结构面的峰值剪切强度采用下述公式计算：

式中：

τ′为结构面的估算峰值剪切强度，主结构面估算值记为τ′₁，次结构面估算值记为τ′₂；

σ_n为两个结构面上的法向应力分量，此处为

和

由公式2求得；

JRC为步骤三中估算得到的主结构面与次结构面的粗糙度值，JRC₁和JRC₂；

JCS为结构面壁面强度，对于新鲜结构面等同于岩石单轴抗压强度；

为岩石的基本摩擦角。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用常规的单轴加载岩石试验机，通过在完整岩石试样上制备“Y”字型粗糙交叉组合结构面，构建出结构面与岩石以及结构面之间相互作用、相互影响的简化岩体系统，可以实现高应力状态下组合结构面突然失稳破坏并诱发楔形体弹射的试验现象，为岩石工程中交叉组合结构面诱发岩爆的预警预测提供了更可靠的研究方法。在试验过程中，通过改变加载应力、结构面组合角度及结构面粗糙度等多种实验条件，最终得到相关工程应力条件下的危险结构面组合类型，以便在危险区域尽早实施巷道支护或人员设备的防护。

(2)本发明涉及的物理实验模型与试验方法可以真实模拟在高应力状态下交叉组合结构面之间的楔形体岩石突然失稳弹射形成的岩爆，以及滑移破坏与整体压碎迸溅破坏，而通常采用的单结构面或平行结构面岩石试样的压缩或直剪试验方案不能实现模拟该类岩爆的发生条件。

附图说明：

图1为实际地下岩石工程中楔形体在高应力挤压下发生岩爆示意图；

图2为实施例1～3中“Y”字型结构面岩石试样示意图；

图3为实施例1～3中“Y”字型结构面岩石试样在试验过程中的实拍照片；

图4为实施例1～3中试验系统示意图；

图5为实施例1中滑移破坏模式的法向应力与法向压缩变形量-时间曲线；

图6为实施例1中滑移破坏模式的声发射撞击率、能量率-时间图；

图7为实施例1中滑移破坏模式的声发射b值-时间曲线；

图8为实施例1中滑移破坏模式的试样表面位移场示意图(水平方向变形场)；

图9为实施例1中滑移破坏模式的岩石试样破坏效果图；

图10为实施例2中楔形体弹射破坏模式的法向应力与法向压缩变形量-时间曲线；

图11为实施例2中楔形体弹射破坏模式的声发射撞击率、能量率-时间图；

图12为实施例2中楔形体弹射破坏模式的声发射b值-时间曲线；

图13为实施例2中楔形体弹射破坏模式的试样表面位移场示意图(水平方向变形场)；

图14为实施例2中楔形体弹射破坏模式的岩石试样破坏效果图；

图15为实施例3中整体压碎迸溅破坏模式的法向应力与法向压缩变形量-时间曲线；

图16为实施例3中整体压碎迸溅破坏模式的声发射撞击率、能量率-时间图；

图17为实施例3中整体压碎迸溅破坏模式的声发射b值-时间曲线；

图18为实施例3中整体压碎迸溅破坏模式的试样表面位移场示意图(水平方向变形场)；

图19为实施例3中整体压碎迸溅破坏模式的岩石试样破坏效果图；

其中：A-岩石试样；B-主结构面；C-次生结构面，1-压力机、2-法向应力压头、3-上、下压力垫板、4-具有交叉结构面的岩石试样、5-两个相互交叉的劈裂结构面、6-声发射监测探头、7-散斑摄像机、8-压力伺服控制与应力位移记录系统、9-声发射监测系统、10-散斑位移监测系统。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

以下实施例中：

采用恒定应力梯度模式进行加载。

实施例1

本发明所涉及的一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，包括以下步骤：

步骤一：岩石样品选用易诱发岩爆的花岗岩材料，并切割制作成尺寸为100mm×50mm×150mm(长×宽×高)的岩石试样；

步骤二：在巴西劈裂条件下，使岩石试样先后生成两个互相交叉并有一定夹角的结构面，两个结构面组成“Y”字型，如图2中模型所示。岩石试样A中，贯穿整个岩石试样的为主结构面B，与水平面夹角为45°，另一个非贯穿的为次生结构面C，与水平面夹角为60°(劈裂后角度与预设值有偏差，校准后为52°)，该两个交叉结构面与岩石试样外表面共同构成一个楔形体。楔形体的顶点，即两结构面的交点距离弹射侧面(图2模型的右侧)40mm。

步骤三：对岩石试样的两个交叉结构面进行三维扫描，获得两个结构面的点云数据，并在此基础上采用平移交叠统计参数法估算它们的粗糙度值，计算公式为：

式中，

和

分别为平移交叠体积参数和沙漏参数，分别表征剪阻和剪胀特性。经计算，该劈裂后的岩石试样主结构面与次生结构面的粗糙度值JRC₁和JRC₂分别为6.95和14.69；

步骤四：在“Y”字型结构面岩石试样表面先后喷涂白色油漆和黑色油漆斑点，作为散斑系统监测岩石试样表面位移场变化的标识点，以便在加载过程中实现试样表面位移场的监测预警；

步骤五：将“Y”字型结构面岩石试样安放到单轴压缩试验机上，并在岩石试样上部和底部安装声发射监测探头，前后各四个，声发射探头安装位置尽量避开楔形体弹射区域，避免损坏，交叉结构面试样安装在试验机上的效果如图3所示，包括声发射监测探头6，也在图3中予以示出；

步骤六：对“Y”字型结构面岩石试样进行单轴加载试验，本次试验采用0.5KN/s的恒定力梯度模式加载，且在压力机加载之前开启散斑位移监测和声发射监测系统，全部试验装置及系统如图4所示，包括压力机1、法向应力压头2、上、下压力垫板3、具有交叉结构面的岩石试样4、两个相互交叉的劈裂结构面5、声发射监测探头6、散斑摄像机7、压力伺服控制与应力位移记录系统8、声发射监测系统9、散斑位移监测系统10；

步骤七：试验过程中记录试验机、散斑位移监测系统以及声发射监测系统的所有试验监测数据，主要包括加载时间、加载速率、加载力(应力)、散斑位移场、声发射信号(撞击率、能量率、b值等)；分别绘制法向应力与法向压缩变形量-时间曲线(图5)，声发射撞击率、能能量率-时间图(图6)，声发射b值-时间曲线(图7)，试样加载过程中的表面位移场(图8)等。

所述步骤七中，组合试样加载直至失稳破坏，获得其峰值法向应力σ_c为31.36MPa(图5)，根据公式2与公示3分别计算求得主结构面上的法向应力分量与切向应力分量(

和τ₁)为22.18MPa和22.18MPa，次生结构面法向应力分量与切向应力分量(

和τ₂)为24.72MPa和19.31MPa。

在此基础上，两个结构面的峰值剪切强度τ′₁和τ′₂均采用公式3进行估算，其中，主、次结构面上的峰值法向应力分量即为上述计算求得的值，分别为22.18MPa和24.72MPa，而粗糙度值即为公式4计算得到的6.95和14.69。

经计算，“Y”字型结构面试样的主结构面与次生结构面的峰值剪切强度τ′₁和τ′₂分别为20.02MPa和22.04MPa。将其与试验得到的剪切应力分量τ₁和τ₂(22.18MPa和19.31MPa)进行对比分析发现，当主结构面剪切应力分量(τ₁)达到(或超过)其抗剪强度值(τ′₁)时，组合岩石试样即发生破坏，尽管此时次生结构面的剪切应力分量(τ₂)并未达到其峰值剪切强度(τ′₂)。因此，贯穿的主结构面对整体试件的滑移失稳起到了主要控制作用。

所述步骤七中，在楔形体掉落之前，主结构面可能发生多次变形加速(图5)，且楔形体也有较大的侧向变形，总体超过5mm(图8)，因此，变形加速不一定导致楔形体掉落。此外，声发射撞击率、声发射能量率以及b值的变化并不显著(图6、7)。

步骤八：重复步骤二至步骤七的操作进行多组试验，得到结论：当法向应力σ_c低于50MPa的情况下，“Y”字型结构面试样的破坏模式为沿主结构面滑移破坏，楔形体发生轻微弹射或掉落(图9)。由于滑移不一定造成楔形体掉落，因此，变形加速不足以作为楔形体掉落和“Y”字型结构面试样破坏的前兆特征。在声发射监测信号方面，声发射撞击率、声发射能量率以及b值的变化并不显著，且预警时间不足5s，因此，声发射信号特征也较难预警楔形体掉落。综合而言，当法向应力σ_c低于50MPa的情况下，将主结构面剪切应力分量(τ₁)达到(或超过)其抗剪强度值(τ′₁)作为“Y”字型结构面试样即发生破坏的预警信息。

实施例2

本发明所涉及的一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，包括以下步骤：

步骤一：岩石样品选用易诱发岩爆的花岗岩材料，并切割制作成尺寸为100mm×50mm×150mm(长×宽×高)的岩石试样；

步骤二：在巴西劈裂条件下，使岩石试样先后生成两个互相交叉并有一定夹角的结构面，两个结构面组成“Y”字型，如图2中模型所示。岩石试样A中，贯穿整个岩石试样的为主结构面B，与水平面夹角为30°，另一个非贯穿的为次生结构面C，与水平面夹角为60°(劈裂后角度与预设值有偏差，校准后为55.4°)，该两个交叉结构面与岩石试样外表面共同构成一个楔形体。楔形体的顶点，即两结构面的交点距离弹射侧面(图2模型的右侧)40mm。

步骤三：对岩石试样的两个交叉结构面进行三维扫描，获得两个结构面的点云数据，并在此基础上采用公式4估算它们的粗糙度值。经计算，该劈裂后的岩石试样主结构面与次生结构面的粗糙度值JRC₁和JRC₂分别为10.58和14.89；

步骤四：在“Y”字型结构面岩石试样表面先后喷涂白色油漆和黑色油漆斑点，作为散斑系统监测岩石试样表面位移场变化的标识点，以便在加载过程中实现试样表面位移场的监测预警；

步骤五：将“Y”字型结构面岩石试样安放到单轴压缩试验机上，并在岩石试样上部和底部安装声发射监测探头，前后各四个，声发射探头安装位置尽量避开楔形体弹射区域，避免损坏，交叉结构面试样安装在试验机上的效果如图3所示；

步骤六：对“Y”字型结构面岩石试样进行单轴加载试验，本次试验采用0.5KN/s的恒定力梯度模式加载，且在压力机加载之前开启散斑位移监测和声发射监测系统，全部试验装置及系统如图4所示；

步骤七：试验过程中记录试验机、散斑位移监测系统以及声发射监测系统的所有试验监测数据，主要包括加载时间、加载速率、加载力(应力)、散斑位移场、声发射信号(撞击率、能量率、b值等)；分别绘制法向应力与法向压缩变形量-时间曲线(图10)，声发射撞击率、能量率-时间图(图11)，声发射b值-时间曲线(图12)，试样加载过程中的表面位移场(图13)等。

所述步骤七中，组合试样加载直至失稳破坏，获得其峰值法向应力σ_c为53.06MPa(图10)，根据公式2与公示3分别计算求得主结构面上的法向应力分量与切向应力分量(

和τ₁)为45.96MPa和26.53MPa，次生结构面法向应力分量与切向应力分量(

和τ₂)为30.13MPa和43.68MPa。

在此基础上，两个结构面的峰值剪切强度τ′₁和τ′₂均采用公式3进行估算，其中，主、次结构面上的峰值法向应力分量即为上述计算求得的值，分别为45.96MP和30.13MPa，而粗糙度值即为公式4计算得到的10.58和14.89。

经计算，“Y”字型结构面试样的主结构面与次生结构面的峰值剪切强度τ′₁和τ′₂分别为42.2MPa和32.15MPa。将其与试验得到的剪切应力分量τ₁和τ₂(26.53MPa和43.68MPa)进行对比分析发现，主结构面剪切应力分量(τ₁)并未达到其抗剪强度值(τ′₁)时，组合岩石试样即发生破坏，此时次生结构面的剪切应力分量(τ₂)已经大幅超过其峰值剪切强度(τ′₂)。因此，两个结构面对整体结构失稳均起到了控制作用。

所述步骤七中，在楔形体弹射之前，岩石试样变形加速的时间仅有约8s时间(图10)，且楔形体也没有较大的侧向变形，总体只有约1mm(图13)。因此，“Y”字型结构面试样的变形前兆特征并不显著。声发射信号监测方面，声发射撞击率会有长达40s的降低期或平静期，而声发射能量率前兆变化特征不明显(图11)、b值会持续低于0.6达40s(图12)。

步骤八：重复步骤二至步骤七的操作进行多组试验，得到结论：当法向应力σ_c介于50MPa和90MPa之间的情况下，“Y”字型结构面试样的破坏模式为楔形体弹射破坏(图14)。由于岩石试样破坏前变形加速时间短暂(包括变形加速时间不足3s)，因此，变形预警楔形体弹射难度较大、不易察觉。在声发射监测信号方面，楔形体弹射前的声发射能量率变化特征不明显，声发射撞击率会持续保持较低水平、声发射b值会持续低于0.6，这些特征会持续超过40s(在加载力0.5KN/s的情况下)。另一方面，依靠计算结构面抗剪强度预警楔形体弹射也比较困难，因为楔形体的弹射明显受到两个结构面的共同控制。总体而言，当法向应力σ_c介于50MPa和90MPa之间的情况下，“Y”字型结构面试样的破坏，将声发射撞击率持续显著下降、声发射b值持续低于0.6作为预警其破坏的前兆特征。

实施例3

本发明所涉及的一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，包括以下步骤：

步骤一：岩石样品选用易诱发岩爆的花岗岩材料，并切割制作成尺寸为100mm×50mm×150mm(长×宽×高)的岩石试样；

步骤二：在巴西劈裂条件下，使岩石试样先后生成两个互相交叉并有一定夹角的结构面，两个结构面组成“Y”字型，如图2中模型所示。岩石试样A中，贯穿整个岩石试样的为主结构面B，与水平面夹角为25°，另一个非贯穿的为次生结构面C，与水平面夹角为50°(劈裂后角度与预设值有偏差，校准后为47.1°)，该两个交叉结构面与岩石试样外表面共同构成一个楔形体。楔形体的顶点，即两结构面的交点距离弹射侧面(图2模型的右侧)40mm。

步骤三：对岩石试样的两个交叉结构面进行三维扫描，获得两个结构面的点云数据，并在此基础上采用公式4估算它们的粗糙度值。经计算，该劈裂后的岩石试样主结构面与次生结构面的粗糙度值JRC₁和JRC₂分别为9.9和14.73；

步骤四：在“Y”字型结构面岩石试样表面先后喷涂白色油漆和黑色油漆斑点，作为散斑系统监测岩石试样表面位移场变化的标识点，以便在加载过程中实现试样表面位移场的监测预警；

步骤五：将“Y”字型结构面岩石试样安放到单轴压缩试验机上，并在岩石试样上部和底部安装声发射监测探头，前后各四个，声发射探头安装位置尽量避开楔形体弹射区域，避免损坏，交叉结构面试样安装在试验机上的效果如图3所示；

步骤六：对“Y”字型结构面岩石试样进行单轴加载试验，本次试验采用0.5KN/s的恒定力梯度模式加载，且在压力机加载之前开启散斑位移监测和声发射监测系统，全部试验装置及系统如图4所示；

步骤七：试验过程中记录试验机、散斑位移监测系统以及声发射监测系统的所有试验监测数据，主要包括加载时间、加载速率、加载力(应力)、散斑位移场、声发射信号(撞击率、能量率、b值等)；分别绘制法向应力与法向压缩变形量-时间曲线(图15)，声发射撞击率、能量率-时间图(图16)，声发射b值-时间曲线(图17)，试样加载过程中的表面位移场(图18)等。

所述步骤七中，组合试样加载直至失稳破坏，获得其峰值法向应力σ_c为97.78MPa(图15)，根据公式2与公示3分别计算求得主结构面上的法向应力分量与切向应力分量(

和τ₁)为88.62MPa和41.33MPa，次生结构面法向应力分量与切向应力分量(

和τ₂)为66.56MPa和71.63MPa。

在此基础上，两个结构面的峰值剪切强度τ′₁和τ′₂均采用公式3进行估算，其中，主、次结构面上的峰值法向应力分量即为上述计算求得的值，分别为88.62MPa和66.56MPa，而粗糙度值即为公式4计算得到的9.9和14.73。

经计算，“Y”字型结构面试样的主结构面与次生结构面的峰值剪切强度τ′₁和τ′₂分别为75.33MPa和63.52MPa。将其与试验得到的剪切应力分量τ₁和τ₂(41.33MPa和71.63MPa)进行对比分析发现，主结构面剪切应力分量(τ₁)并未达到其抗剪强度值(τ′₁)时，组合岩石试样即发生破坏，此时次生结构面的剪切应力分量(τ₂)已经超过其峰值剪切强度(τ′₂)。因此，两个结构面对整体结构失稳均起到了控制作用。

所述步骤七中，在楔形体弹射之前，岩石试样法向压缩变形加速仅有约10s时间(图15)，且楔形体也没有较大的侧向变形，总体只有约1mm(图18)。因此，“Y”字型结构面试样的变形前兆特征并不显著。声发射信号监测方面，试样整体压碎迸溅前的声发射撞击率、声发射能量率以及b值的变化并不显著(图16、17)，声发射撞击率持续偏低只有约5s时间。

步骤八：重复步骤二至步骤七的操作进行多组试验，得到结论：在法向应力σ_c高于90MPa的情况下，“Y”字型结构面试样的破坏模式为整体压碎迸溅破坏(图19)。由于岩石试样破坏前并未发生显著变形加速(个别情况变形加速时间不足3s)，因此，变形不足以成为预警楔形体弹射的可靠参考指标。在声发射监测信号方面，试样整体压碎迸溅破坏前的声发射能量率变化特征不明显，声发射撞击率、声发射能量率以及b值的变化并不显著。另外，依靠计算结构面抗剪强度预警楔形体弹射也比较困难，因为楔形体的弹射明显受到两个结构面的共同控制。总体而言，当法向应力σ_c高于90MPa之间的情况下，采用声发射监测、变形监测以及结构面抗剪强度预测等方法预警“Y”字型结构面试样的破坏均有困难，在此情况下的岩石工程灾害应该以防护为主。

Claims (7)

1.一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在岩爆多发地选取岩石样本，并切割制作矩形岩石试样；

步骤二：岩石试样在巴西劈裂条件下，先后生成两个互相交叉并有一定夹角的粗糙结构面，两个结构面组成“Y”字型，以此反映真实岩体中的主结构面和次生结构面，且该两个交叉结构面与岩石试样外表面构成一个楔形体；

步骤三：对岩石试样的两个交叉结构面进行三维扫描，获得两个结构面的点云数据，并在此基础上估算主结构面和次生结构面的粗糙度值JRC₁和JRC₂；

步骤四：将“Y”字型结构面岩石试样拼接在一起，使三部分紧密扣合，然后，在组合试样表面先后喷涂白色油漆和黑色油漆斑点，作为散斑系统监测岩石试样表面位移场的标识点，以便在加载过程中实现位移监测预警；

步骤五：将“Y”字型结构面岩石组合试样安放到单轴压缩试验机上，并在岩石试样上部和底部安装声发射监测探头；

步骤六：对“Y”字型结构面岩石试样进行单轴加载试验，直至岩石试样破坏，记录试样破坏时峰值法向应力σ_c；

步骤七：根据峰值法向应力σ_c分别计算求得两个结构面处的法向应力分量σ_n及剪切应力分量τ，包括主结构面法向应力分量

主结构面剪切应力分量τ₁；次生结构面法向应力分量

次生结构面剪切应力分量τ₂；并在试验过程中记录试验机、散斑位移监测系统以及声发射监测系统的所有试验监测数据，包括加载时间、加载速率、加载力、散斑位移场、声发射信号；

步骤八：重复步骤二至步骤七的操作进行多组试验，分别考察不同结构面粗糙度、结构面夹角及加载方式下岩石破坏的前兆特征，并将结构面的估算峰值剪切强度τ′₁和τ′₂与组合岩石试样破坏时的剪切应力分量τ₁和τ₂进行对比分析，得到交叉组合结构面岩石试样发生不同失稳破坏模式的应力条件；通过位移场变化，及声发射前兆信号判断研究特定岩石楔形体失稳破坏的综合预警指标。

2.根据权利要求1所述的研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，其特征在于，所述步骤二中，两个结构面与水平面夹角θ₁与θ₂范围均为5°～60°，岩石试样的尺寸为高150～200mm，长100mm，宽50mm；两条结构面的交叉点位置距离楔形体破坏弹出侧面40mm，两条结构面的边缘距离模型的上下表面不低于30mm。

3.根据权利要求1所述的研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，其特征在于，所述步骤六中，破坏包括沿主结构面滑移失稳、楔形体弹出或整体碎裂失稳破坏。

4.根据权利要求1所述的研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，其特征在于，所述步骤六中，单轴加载即在竖直方向采用恒定速率、恒定应力梯度或恒定功率模式进行加载。

5.根据权利要求1所述的研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，其特征在于，所述步骤七中，声发射信号包括撞击率、能量率、b值。

6.根据权利要求1所述的研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，其特征在于，所述步骤七中，组合试样破坏时的峰值法向应力值σ_c，此时计算主结构面的法向应力分量与切向应力分量

和τ₁，次生结构面的法向应力分量与切向应力分量

和τ₂；法向应力分量

和

与切向应力分量τ₁和τ₂分别采用如下两个公式计算：

两式中：

θ为两个结构面与水平面的夹角θ₁与θ₂；

σ_c为组合试样破坏时的峰值法向应力值。

7.根据权利要求1所述的研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，其特征在于，所述步骤七中，两个结构面的峰值剪切强度采用下述公式计算：

式中：

τ′为结构面的峰值剪切强度，主结构面值记为τ′₁，次结构面值记为τ′₂；

σ_n为两个结构面上的法向应力分量，此处为

和

由公式2求得；

JRC为步骤三中估算得到的主结构面与次结构面的粗糙度值，JRC₁和JRC₂；

JCS为结构面壁面强度，对于新鲜结构面等同于岩石单轴抗压强度；

为岩石的基本摩擦角。

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