CN111829903A - 一种模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型和方法 - Google Patents

一种模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型及方法，属于岩体爆破和结构无损检测技术领域。本发明通过模拟裂隙2模拟含承压水裂隙岩体内部的裂隙结构，通过水管3解决模拟裂隙2内部空间与外界的有效连接，通过水压泵4提供恒定水压来模拟承压水条件；通过爆破测振装置8和超声波探测仪10测定爆破后模拟岩体试件1的质点振速和波速，并利用波速的变化得到每次爆破后模拟岩体试件1的损伤度，最后根据损伤度和质点振速的变化规律确定含承压水裂隙岩体爆破累积损伤演化规律。本发明可以简单直观地模拟测试循环爆破作用下含承压水裂隙岩体的累积损伤发展情况，从而为临近不良地质体附近的工程爆破施工安全提供技术支撑。

Description

一种模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型和 方法
技术领域
本发明涉及岩体爆破和结构无损检测技术领域，特别涉及一种模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型和方法。
背景技术
自然界中的岩体经过复杂多样的地质运动，存在有节理、裂隙、断层等各种缺陷，这些缺陷的存在导致岩层的性质发生了变化，在力学分析中裂隙岩体是各向异性的不连续体，对每条岩体结构进行力学分析是复杂且不现实的。国内外的学者们将固体力学、统计学、断裂力学和损伤力学等理论结合起来对岩体材料进行研究，提出了连续性因子、损伤因子以及损伤度等概念，从而量化了岩体内部缺陷对整体性能的影响。
岩体损伤会随着外力作用产生变化，在隧道爆破开挖的过程中，对围岩岩体产生的影响主要有临空面应力释放、爆炸应力波扰动等。特别地，在富水岩溶区隧道爆破开挖的过程中，裂隙等不连续结构面的存在为地下水的赋存和运移提供了天然的通道，地下水会产生渗透水压，由于水压的作用和特性，爆破开挖时岩体的损伤规律会发生变化，主要体现在爆破作用会使保留岩体裂纹产生起裂、扩展甚至贯通，即体现为岩体的损伤发展。这种损伤的发展会使承压水的赋存状态发展改变，加大水岩接触面积，从而进一步促进裂隙的发展演化，最终造成围岩结构失稳和突涌水事故。随着隧道工程活动的日益频繁，因地下水和岩溶问题导致的工程事故越来越多，如隧道施工中出现的岩溶塌陷和突水突泥。然而，现有技术并没有关于循环爆破作用和渗透水压下裂隙岩体的累积损伤试验模型的研究和报道。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型和方法。本发明提供的试验模型和方法同时考虑了承压水和循环爆破作用的共同影响，能够有效地模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤评价试验，从而确定裂隙岩体在复杂环境下的损伤演化规律。
为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型，包括长方体形的混凝土模拟岩体试件1，所述模拟岩体试件1内部有模拟裂隙2，所述模拟裂隙2通过水管3与模拟岩体试件1的上表面连通，所述水管3的一端与模拟裂隙2连通，另一端用于与水压泵4连通；所述模拟裂隙2包括依次层叠的第一云母片层、瓦楞纸板层和第二云母片层；
位于所述模拟岩体试件1右侧表面的炮孔5，所述炮孔5用于与起爆装置6连接；
位于所述模拟岩体试件1左侧表面的振速传感器7，所述振速传感器7用于与爆破测振装置8连接；
位于所述模拟岩体试件前、后表面的第一波速对测点阵列9-1和第二波速对测点阵列9-2，所述第一波速对测点阵列9-1和第二波速对测点阵列9-2用于与超声波探测仪10连接；
所述上、前、后、左和右为相对概念。
优选的，所述模拟岩体试件1的尺寸为：长800～1200mm，宽600～1000mm，高600～1000mm。
优选的，所述模拟裂隙2的形状为圆饼状，所述模拟裂隙2的直径为80～100mm，厚度为3～6mm；
所述第一云母片层和第二云母片层的厚度为0.1～1mm。
优选的，所述波速对测点阵列9为6×6～13×13阵列，相邻波速测点间的间距为50～150mm。
优选的，所述炮孔5的孔径为12～50mm，孔深为300～600mm。
本发明提供了一种模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的测试系统，包括上述模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型；
与模拟岩体试件1的水管3连通的水压泵4；
与炮孔5连接的起爆装置6；
与振速传感器7连接的爆破测振装置8；
和分别与第一波速对测点阵列9-1、第二波速对测点阵列9-2连通的超声波探测仪10。
本发明提供了基于上述测试系统模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的方法，包括以下步骤：
(1)向水管3中注水，使用水压泵4对模拟岩体试件1加载水压P0；
(2)使用超声波探测仪10测试每对对测点的初始波速V0(a,b)，其中a为对测点的行数，b为对测点的列数；
(3)向炮孔5内装入炸药和雷管，使用起爆装置6对模拟岩体试件1进行循环爆破n次，n＞2，使用爆破测振装置8测试第1，2，…，n次起爆后模拟岩体试件1左侧表面的质点振速S1，S2，…，Sn，使用超声波探测仪10测试波速对测点阵列9的每对对测点的波速V1(a,b)，V2(a,b)，…，Vn(a,b)；每次爆破前将水压调整至P0，并重新向炮孔5内装入炸药和雷管；
(4)根据式1计算每次爆破后模拟岩体试件1的损伤度，根据损伤度V0(a,b)到Vn(a,b)的变化规律和质点振速S1到Sn的变化规律得到含承压水裂隙岩体爆破累积损伤演化规律；
Figure BDA0002598210120000031
式1中，Dn(a,b)为第n次爆破后模拟岩体试件1的损伤度，其中a为对测点的行数，b为对测点的列数；
V0(a,b)为对测点的初始波速，km/s；
Vn(a,b)为第n次爆破后对测点的波速，km/s。
优选的，所述循环爆破的次数根据模拟岩体试件1的损伤情况确定，具体为：当炮孔5附近裂纹贯穿整个模拟岩体试件1或炮孔5附近裂纹与模拟裂隙2贯通后，停止循环爆破。
优选的，所述水压P0为1～7MPa。
优选的，所述炸药为岩石乳化炸药，每次炸药的装入量为3～15g；所述雷管为8#雷管。
本发明提供了一种模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型，包括长方体形的模拟岩体试件1；位于模拟岩体试件1内部的模拟裂隙2，所述模拟裂隙2通过水管3与模拟岩体试件1的上表面连通，所述水管3的一端与模拟裂隙2连接，另一端与水压泵4连接；位于模拟岩体试件1右侧表面的炮孔5，所述炮孔5与起爆装置6连接；位于模拟岩体试件1左侧表面的振速传感器7，所述振速传感器7与爆破测振装置8连接；分别位于模拟岩体试件1前、后表面的波速对测点阵列9，所述波速对测点阵列9与超声波探测仪10连接。本发明通过模拟裂隙2模拟含承压水裂隙岩体内部的裂隙结构，通过水管3解决模拟裂隙2内部空间与外界的有效连接，通过水压泵4提供恒定水压来模拟承压水条件；通过爆破测振装置8和超声波探测仪10测定爆破后模拟岩体试件1的质点振速和波速，并利用波速的变化得到每次爆破后模拟岩体试件1的损伤度，最后根据损伤度和质点振速的变化规律确定含承压水裂隙岩体爆破累积损伤演化规律。本发明提供的试验模型可以简单直观地测试循环爆破作用下含承压水裂隙岩体的累积损伤发展情况，从而为岩溶隧道爆破安全施工提供指导。
附图说明
图1本发明模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型的主视图；
图2为本发明模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型的右视图；
图1～2中，1-模拟岩体试件，2-模拟裂隙，3-水管，4-水压泵，5-炮孔，6-起爆装置，7-振速传感器，8-爆破测振装置，9-波速对测点阵列，9-1第一波速对测点阵列，9-2第一波速对测点阵列，10-超声波探测仪，11-声波探头；
图3为水管与模拟裂隙的连接示意图；
图4为模拟岩体试件的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型，包括长方体形的混凝土模拟岩体试件1，所述模拟岩体试件1内部有模拟裂隙2，所述模拟裂隙2通过水管3与模拟岩体试件1的上表面连通，所述水管3的一端与模拟裂隙2连通，另一端用于与水压泵4连通；所述模拟裂隙2包括依次层叠的第一云母片层、瓦楞纸板层和第二云母片层；
位于所述模拟岩体试件1右侧表面的炮孔5，所述炮孔5用于与起爆装置6连接；
位于所述模拟岩体试件1左侧表面的振速传感器7，所述振速传感器7用于与爆破测振装置8连接；
分别位于所述模拟岩体试件1前、后表面的第一波速对测点阵列9-1和第二波速对测点阵列9-2，所述第一波速对测点阵列9-1和第二波速对测点阵列9-2用于与超声波探测仪10连接；
所述前、后、左和右为相对概念。
本发明模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型的主视图如图1所示，右视图如图2所示。
本发明提供的模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型包括长方体形的模拟岩体试件1，在本发明中，所述模拟岩体试件1的材质优选为混凝土，所述混凝土的物理性质与原含承压水裂隙岩体的物理性质相同或相近，所述物理性质优选为抗压强度、脆性和剪胀特性。本发明对所述混凝土的原料没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的制备混凝土的原料和配比即可。作为本发明的一个具体实施例，所述混凝土按照水泥、砂石、矿物掺合料和水按照质量比1:1.65:2.10:0.31:0.012制备而成，所述矿物掺合料优选为武汉优博林减水剂。在本发明中，所述模拟岩体试件1的制备方法优选为浇筑法。在本发明中，所述模拟岩体试件1的尺寸优选为：长800～1200mm，宽600～1000mm，高600～1000mm；作为本发明的一个具体实施例，所述模拟岩体试件1的长为1000mm，宽为800mm，高为800mm。
本发明提供的模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型包括位于模拟岩体试件1内部的模拟裂隙2，所述模拟裂隙2通过水管3与模拟岩体试件1的上表面连通，所述水管3的一端与模拟裂隙2连接，另一端与水压泵4连接。在本发明中，所述模拟裂隙2的形状优选为圆饼状，所述模拟裂隙2的直径优选为80～100mm，更优选为100mm，厚度优选为3～6mm，更优选为4mm；所述模拟裂隙2优选包括依次层叠的云母片层、瓦楞纸板层和云母片层；所述云母片层的厚度优选为0.1～1mm，更优选为0.2mm，所述瓦楞纸板层的厚度优选为3.6mm。本发明对所述瓦楞纸板的种类、材质没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的瓦楞纸板即可；本发明对所述云母片的种类没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的云母片即可。在本发明中，所述云母片和瓦楞纸板优选通过AB胶粘结在一起。
在本发明中，所述瓦楞纸板具有波浪形纸芯和纸板，具有较高机械强度，其中含有诸多中空孔道；云母片厚度极小却具有较好的抗弯强度和拉伸性能，本发明将云母片和瓦楞纸板复合在一起作为模拟裂隙2，具有一定的弹性和强度，能够保证在模拟岩体试件1浇筑过程中模拟裂隙2不被破坏，同时对试样整体性质的影响程度极小。
在本发明中，所述模拟裂隙2优选位于模拟岩体试件1内部的中间位置，所述模拟裂隙2的上下表面优选平行于模拟岩体试件1的前后表面。
在本发明中，所述水管3的材质优选为PVC，内径优选为20mm。在本发明中，所述水管3与模拟裂隙2连接的一端割有凹槽，以便模拟裂隙2纵向嵌入水管3中；在本发明中，所述凹槽的高度与模拟裂隙的厚度一致，所述凹槽的深度优选为30mm。在本发明中，所述模拟裂隙2与水管3的接触部分优选涂有胶水，以使模拟裂隙2与水管3结合牢固，在本发明中，所述与模拟裂隙2连接的水管3出口处还优选堵塞有橡胶块，以避免在浇筑模拟岩体试件1时浆料反灌入水管3。在本发明中，所述水管3与模拟裂隙2的连接方式如图3所示。
在本发明中，所述水管3的另一端与水压泵4连接。本发明对所述水压泵4的具体型号和种类没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的的水压泵4即可。在本发明中，所述水管3优选通过螺旋接头与水压泵4的出口连接。在本发明中，所述水压泵4的入口与水箱连接。
本发明提供的模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型包括位于模拟岩体试件1右侧表面并向内延伸的炮孔5，所述炮孔5与起爆装置6连接。在本发明中，所述炮孔5的孔径优选为12～50mm，更优选为32mm；孔深优选为300～600mm，更优选为300mm。在本发明中，所述炮孔5的最深位置距离模拟裂隙2的距离优选为150mm；所述炮孔5优选位于模拟岩体试件1右侧表面的中心位置。在本发明中，所述起爆装置6优选为起爆器；本发明对所述起爆器的具体型号、种类没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的起爆器即可。在本发明中，所述炮孔5优选通过爆破母线与起爆装置6连接。
本发明提供的模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型包括位于模拟岩体试件1左侧表面的振速传感器7，所述振速传感器7与爆破测振装置8连接。在本发明中，所述振速传感器7优选位于模拟岩体试件1左侧表面的中心位置。本发明对所述振速传感器7的具体种类和型号没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的振速传感器7即可。
在本发明中，所述爆破测振装置8优选为爆破测振仪，本发明对所述爆破测振仪的具体种类、型号没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的爆破测振仪即可。在本发明中，所述振速传感器7优选通过信号线与爆破测振装置8连接。
本发明提供的模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型包括波速对测点阵列9，所述波速对测点阵列9包括第一波速对测点阵列9-1和第二波速对测点阵列9-2，所述第一波速对测点阵列9-1位于所述模拟岩体试件1前表面，所述第二波速对测点阵列9-2位于所述模拟岩体试件1后表面，所述第一波速对测点阵列9-1和第二波速对测点阵列9-2用于与超声波探测仪10连接。在本发明中，所述第一波速对测点阵列9-1和第二波速对测点阵列9-2优选为6×6～13×13阵列，更优选为9×9阵列，所述波速对测点阵列9的形状优选为正方形格栅状，相邻波速测点间的间距优选为50～150mm，更优选为50mm。在本发明中，所述波速对测点阵列9围绕模拟裂隙在表面的投影。
在本发明中，所述超声波探测仪10包括声波探头11，所述波速对测点阵列9通过声波探头11与超声波探测仪10连接。本发明对所述声波探头11和超声波探测仪10的具体种类和型号没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的超声波探测仪10即可。
在本发明中，所述模拟岩体试件1的制备方法优选包括以下步骤：
(1)根据模拟岩体试件1的尺寸制备浇筑模具；
(2)将组装好的模拟裂隙2与水管3固定于浇筑模具内部，且不与模拟裂隙内部接触；
(3)在浇筑模具右侧表面钻一个孔径与炮孔5孔径相同的孔，并插入护孔管；
(4)将模拟岩体试件1原料浆料倒入浇筑浇注模具，依次进行密实成型、脱模和养护，得到模拟岩体试件1。
本发明根据模拟岩体试件1的尺寸制备浇筑模具。本发明对所述制备浇筑模具的方法没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的浇筑模具的制备方法即可。本发明在得到所述浇筑模具后，还包括对所述浇筑模具进行清洗并在内表面涂脱模剂。本发明对所述清洗的方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的清洗方式即可。本发明对所述脱模剂的种类和用量没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知种类的脱模剂并保证模拟岩体试件1能够成功脱模即可。
得到所述浇筑模具后，本发明将组装好的模拟裂隙2与水管3固定于浇筑模具内部，且不与浇筑模具内壁接触。本发明优选通过在模具上部架设木轨的方式来固定组装好的模拟裂隙2与水管3。在本发明中，所述模拟裂隙2优选固定于浇筑模具内部的中心位置。
本发明在浇筑模具右侧表面钻一个孔径与炮孔5孔径相同的孔，并插入护孔管。本发明对所述钻孔的方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的钻孔方式即可。在本发明中，所述护孔管的外径与所述炮孔5孔径相同。所述护孔管的插入深度与炮孔5的深度相同；本发明对所述护孔管的材质没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知材料的护孔管即可，具体的如塑料。本发明优选在所述护孔管的外壁涂抹脱模剂，以便护孔管的顺利脱模。
本发明将模拟岩体试件1原料浆料倒入浇筑浇注模具，依次进行密实成型、脱模和养护，得到模拟岩体试件1。在本发明中，所述密实成型的方式优选为人工振捣，所述人工振捣的功率优选为1.85kW，时间优选为10min。本发明通过所述密实成型，能够保证材料均匀分布，减少试件内部空隙的产生。在本发明中，所述脱模包括脱去所述浇筑模具和护孔管。本发明对所述脱模的方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的脱模方式即可。在本发明中，所述养护的方式优选为水中养护，所述养护的时间优选为28天。
本发明制备得到的模拟岩体试件1结构示意图如图4所示。
本发明提供了一种模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的测试系统，包括上述模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型；
与模拟岩体试件1的水管3连通的水压泵4；
与炮孔5连接的起爆装置6；
与振速传感器7连接的爆破测振装置8；
和分别与第一波速对测点阵列9-1、第二波速对测点阵列9-2连通的超声波探测仪10。
本发明提供了基于上述测试系统模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的方法，包括以下步骤：
(1)向水管3中注水，使用水压泵4对模拟岩体试件1加载水压P0；
(2)使用超声波探测仪10测试每对对测点的初始波速V0(a,b)，其中a为对测点的行数，b为对测点的列数；
(3)向炮孔5内装入炸药和雷管，使用起爆装置6对模拟岩体试件1进行循环爆破n次，n＞2，使用爆破测振装置8测试第1，2，…，n次起爆后模拟岩体试件1左侧表面的质点振速S1，S2，…，Sn，使用超声波探测仪10测试波速对测点阵列9的每对对测点的波速V1(a,b)，V2(a,b)，…，Vn(a,b)；每次爆破前将水压调整至P0，并重新向炮孔5内装入炸药和雷管；
(4)根据式1计算每次爆破后模拟岩体试件1的损伤度，根据损伤度V0(a,b)到Vn(a,b)的变化规律和质点振速S1到Sn的变化规律得到含承压水裂隙岩体爆破累积损伤演化规律；
Figure BDA0002598210120000091
式1中，Dn(a,b)为第n次爆破后模拟岩体试件(1)的损伤度，其中a为对测点的行数，b为对测点的列数；
V0(a,b)为对测点的初始波速，km/s；
Vn(a,b)为第n次爆破后对测点的波速，km/s。
本发明向水管3中注水，使用水压泵4对模拟岩体试件1加载水压P0。在本发明中，所述水压P0优选为1～7MPa，更优选为3～5MPa。在本发明中，所述加载水压P0的方法优选包括以下步骤：先将水箱注满水，再连接好水箱、水压泵4和水管3间的管路，摇动水压泵4的板杆将管路内的空气排出并注满清水，然后关闭水压泵4的泄压阀，继续加压至指示表的读数上升到P0，停止加压。若3min时间内内指示表读数不变，则代表管道密封良好，水压加载完成。
本发明使用超声波探测仪10测试每对对测点的初始波速V0。本发明在测试每对对测点的初始波速V0前，优选在对测点的表面涂抹耦合剂；在本发明中，所述耦合剂优选为黄油和/或凡士林。
本发明向炮孔5内装入炸药和雷管，使用起爆装置6对模拟岩体试件1进行循环爆破，分别测试第1，2，…，n次起爆后模拟岩体试件1左侧表面的质点振速S1，S2，…，Sn和每对对测点的波速V1，V2，…，Vn，每次爆破前将水压调整至P0，并重新向炮孔5内装入炸药和雷管。本发明对所述爆破的方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的爆破方式即可。
为了保证模拟岩体试件1在多次爆破荷载作用下不被过早破坏，以提供足够多的实验次数来研究累积损伤演化过程，本发明在爆破之前，优选先确定安全药量。在本发明中，所述确定安全药量根据延长装药的松动爆破作用初步确定，其计算公式如式a～c所示：
Q＝f(n)KsW3 式a；
Figure BDA0002598210120000101
Figure BDA0002598210120000102
式a～c中，Q代表装药量(kg)，Ks为松动爆破单位岩石用药量系数(kg/m3)，W为最小抵抗线，是堵塞长度与二分之一装药长度的和，f(n)是与爆破作用指数n有关的经验系数，
Figure BDA0002598210120000103
是与最小抵抗线有关的修正系数。其中爆破作用指数n≤0.75，优选为0.4～0.6，松动爆破的单位岩石用药量系数Ks根据岩石类型和性质查各类岩石爆破单位耗药量表得知。
在正式进行试验前，本发明优选对只含一个炮孔5的试样尝试单孔循环爆破试验，通过爆破参数获取装置取得爆破过程中的质点振动速度参数，根据萨道夫斯基经验公式，即式d，验证上一步确定的药量是否安全，并对药量作出调整，确定最终的安全药量。
Figure BDA0002598210120000111
式d中，v代表介质质点的振动速度(cm/s)；Q代表炸药量(kg)；R代表测点到爆源的距离(m)；K和α是与爆破条件和岩石特性等有关的系数，根据《GB6722-2014爆破安全规程》的规定选择系数K和α。
在本发明中，所述炸药优选为岩石乳化炸药，每次炸药的装入量优选为3～15g，更优选为5g；所述雷管优选为8#雷管。
本发明在每次爆破前将水压调整至P0，并重新向炮孔5内装入炸药和雷管。在本发明中，每次装入炸药的质量相同。本发明优选当炮孔5附近裂纹贯穿整个模拟岩体试件1或炮孔5附近裂纹与模拟裂隙2贯通后，停止循环爆破。按照《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》，当纵波波速下降率超过10％时，此时试件内部受到爆破的严重影响，裂隙扩展贯通处于破裂状态。在本发明中，所述循环爆破的次数优选为6～11次。
爆破后，本发明根据式1计算每次爆破后模拟岩体试件1的损伤度，根据损伤度和质点振速的变化规律确定含承压水裂隙岩体爆破累积损伤演化规律；
Figure BDA0002598210120000112
式1中，Dn(a,b)为第n次爆破后模拟岩体试件(1)的损伤度，其中a为对测点的行数，b为对测点的列数；
V0(a,b)为对测点的初始波速，km/s；
Vn(a,b)为第n次爆破后对测点的波速，km/s。
在本发明中，所述式1的推导过程如下：
由于材料的弹性模量与材料裂隙发展相关，因此本发明根据弹性模量来定义损伤因子D：
Figure BDA0002598210120000113
其中，E和E'分别为岩石受到损伤前后的弹性模量。
由一维弹性纵波理论可知岩石的纵波波速和弹性模量的变化关系可以近似的表示为
Figure BDA0002598210120000121
ρ′和ρ分别为岩石受到损伤前后的密度，c'和c分别为岩石受到损伤前后测得的纵波波速。根据岩石材料和混凝土损伤力学理论，硬岩岩体在爆破动作用下发生的破裂变形是小变形，假设其在爆破作用前后密度近似保持不变，所以岩石的纵波波速和弹性模量的变化关系可以转化为
Figure BDA0002598210120000122
则定义试样模型的损伤度Dn如下：
Figure BDA0002598210120000123
V0是初次爆破前测得试样的波速，Vn是第n次爆破后测得试样的波速，单位均为m/s。
试件爆破损伤主要是由爆炸应力波和爆生气体作用引起的宏观裂缝和微观裂隙萌生与扩展，介质质点振动则是爆炸地震波在试件内部的扰动而引起的，地震波能量也通过对介质的扰动作用不断向周围扩散，同时由于颗粒、裂隙等介质存在内阻尼作用，地震波能量不断被吸收使振动幅值逐渐衰减。随着爆破作用次数的增加，宏观裂缝和微观裂隙进一步扩展，介质内阻尼作用增大吸收更多的地震波能量，导致质点振速会出现逐次减小的现象，二者之间存在一定的关联和规律。本发明在得到每次爆破后的损伤度和质点振速后，根据损伤度和质点振速的变化规律得到含承压水裂隙岩体爆破累积损伤演化规律。
下面结合实施例对本发明提供的模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型和方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
选取C50等级的高强度混凝土来制作1000mm×800mm×800mm的长方体模拟岩体试件1，在模拟岩体试件1右侧面中心处留设直径32mm孔深300mm的炮孔5，在模拟岩体试件1上表面中心预留水管3并将模拟裂隙2裂隙与水管3紧密连接。其中，模拟裂隙2的为直径100mm厚度4mm的圆饼状，由内层的3.6mm厚的瓦楞纸板层和位于瓦楞纸板层两侧的0.2mm的云母片层组成。其中，模拟岩体试件1左侧表面设有振速传感器7，所述振速传感器7与爆破测振装置8连接。在前后端面分别布置9行9列的对测点，第1列到第9列从试样左侧往右侧布置，第1行到第9行从试样上端往下端布置，间距皆设为50mm，组成围绕模拟裂隙的正方形格栅状检测网络，中间第5列位于水管3中轴线位置，第5行位于炮孔5中轴线位置，采用黄油作为耦合剂涂抹在前后端面上。
向水管3中注水，使用水压泵4对模拟岩体试件1加载水压P0，为2MPa；)使用超声波探测仪10测试每对对测点的初始波速V0；在炮孔5内装入1根8#雷管和5g岩石乳化炸药，湿润泥土封孔，起爆器起爆，记录起爆后模拟岩体试件1左侧表面的质点振速和每对对测点的波速，重新对模拟岩体试件1加载水压P0，并重新在炮孔5中装入8#雷管和5g岩石乳化炸药，进行循环爆破，爆破次数共为9次，记录每次爆破后模拟岩体试件1的质点振速和对测点的波速，分别见表1～11。
表1爆破前模拟岩体试件1的质点振速和对测点的波速
Figure BDA0002598210120000131
表2第1次爆破后模拟岩体试件1的质点振速和对测点的波速
Figure BDA0002598210120000132
Figure BDA0002598210120000141
表3第2次爆破后模拟岩体试件1的质点振速和对测点的波速
Figure BDA0002598210120000142
表4第3次爆破后模拟岩体试件1的质点振速和对测点的波速
Figure BDA0002598210120000143
Figure BDA0002598210120000151
表5第4次爆破后模拟岩体试件1的质点振速和对测点的波速
Figure BDA0002598210120000152
表6第5次爆破后模拟岩体试件1的质点振速和对测点的波速
Figure BDA0002598210120000153
表7第6次爆破后模拟岩体试件1的质点振速和对测点的波速
Figure BDA0002598210120000154
Figure BDA0002598210120000161
表8第7次爆破后模拟岩体试件1的质点振速和对测点的波速
Figure BDA0002598210120000162
表9第8次爆破后模拟岩体试件1的质点振速和对测点的波速
Figure BDA0002598210120000163
表10第9次爆破后模拟岩体试件1的质点振速和对测点的波速
Figure BDA0002598210120000171
表11第10次爆破后模拟岩体试件1的质点振速和对测点的波速
Figure BDA0002598210120000172
根据式1计算每次爆破后模拟岩体试件1的损伤度，结果见表12～21。
表12第1次爆破后模拟岩体试件1的损伤度
Figure BDA0002598210120000173
Figure BDA0002598210120000181
表13第2次爆破后模拟岩体试件1的损伤度
Figure BDA0002598210120000182
表14第3次爆破后模拟岩体试件1的损伤度
Figure BDA0002598210120000183
表15第4次爆破后模拟岩体试件1的损伤度
Figure BDA0002598210120000184
Figure BDA0002598210120000191
表16第5次爆破后模拟岩体试件1的损伤度
Figure BDA0002598210120000192
表17第6次爆破后模拟岩体试件1的损伤度
Figure BDA0002598210120000193
表18第7次爆破后模拟岩体试件1的损伤度
Figure BDA0002598210120000194
Figure BDA0002598210120000201
表19第8次爆破后模拟岩体试件1的损伤度
Figure BDA0002598210120000202
表20第9次爆破后模拟岩体试件1的损伤度
Figure BDA0002598210120000203
表21第10次爆破后模拟岩体试件1的损伤度
Figure BDA0002598210120000211
由以上数据可以看出，在每次爆破使用的药量相同且距离保持不变的前体下，模拟岩体试件1左侧质点的峰值振速在20cm/s以内，符合《爆破安全规程》GB6722-2014要求。随着爆破次数的增加，试件左侧质点的峰值振速呈现下降趋势，且主要集中在前4次爆破，后续峰值振速变化较小，下降范围在9cm/s左右。
根据超声波测量结果可知，在第10次爆破时，最接近炮孔5底部的测线损伤度最大，达到0.255。以炮孔5作为中轴，向试件上、下和左侧范围损伤度逐渐降低，离爆破区域越远损伤度理应越低，但在第4行至第7行的测线上，不同于第1行至第3行，其损伤值在人工裂隙区域内有明显跃升，随着爆破次数的增加，损伤值增长迅速，这说明含承压水裂隙结构的存在明显影响到了试件在循环爆破时的稳定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型，包括长方体形的混凝土模拟岩体试件(1)，所述模拟岩体试件(1)内部有模拟裂隙(2)，所述模拟裂隙(2)通过水管(3)与模拟岩体试件(1)的上表面连通，所述水管(3)的一端与模拟裂隙(2)连通，另一端用于与水压泵(4)连通；所述模拟裂隙(2)包括依次层叠的第一云母片层、瓦楞纸板层和第二云母片层；
位于所述模拟岩体试件(1)右侧表面的炮孔(5)，所述炮孔(5)用于与起爆装置(6)连接；
位于所述模拟岩体试件(1)左侧表面的振速传感器(7)，所述振速传感器(7)用于与爆破测振装置(8)连接；
位于所述模拟岩体试件前、后表面的第一波速对测点阵列(9-1)和第二波速对测点阵列(9-2)，所述第一波速对测点阵列(9-1)和第二波速对测点阵列(9-2)用于与超声波探测仪(10)连接；
所述上、前、后、左和右为相对概念。
2.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述模拟岩体试件(1)的尺寸为：长800～1200mm，宽600～1000mm，高600～1000mm。
3.根据权利要求1或2所述的试验模型，其特征在于，所述模拟裂隙(2)的形状为圆饼状，所述模拟裂隙(2)的直径为80～100mm，厚度为3～6mm；
所述第一云母片层和第二云母片层的厚度为0.1～1mm。
4.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述波速对测点阵列(9)为6×6～13×13阵列，相邻波速测点间的间距为50～150mm。
5.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述炮孔(5)的孔径为12～50mm，孔深为300～600mm。
6.一种模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的测试系统，包括权利要求1～5任意一项所述模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的试验模型；
与模拟岩体试件(1)的水管(3)连通的水压泵(4)；
与炮孔(5)连接的起爆装置(6)；
与振速传感器(7)连接的爆破测振装置(8)；
和分别与第一波速对测点阵列(9-1)、第二波速对测点阵列(9-2)连通的超声波探测仪(10)。
7.基于权利要求6所述测试系统模拟含承压水裂隙岩体爆破累积损伤测试的方法，包括以下步骤：
(1)向水管(3)中注水，使用水压泵(4)对模拟岩体试件(1)加载水压P0；
(2)使用超声波探测仪(10)测试每对对测点的初始波速V0(a,b)，其中a为对测点的行数，b为对测点的列数；
(3)向炮孔(5)内装入炸药和雷管，使用起爆装置(6)对模拟岩体试件(1)进行循环爆破n次，n＞2，使用爆破测振装置(8)测试第1，2，…，n次起爆后模拟岩体试件(1)左侧表面的质点振速S1，S2，…，Sn，使用超声波探测仪(10)测试波速对测点阵列(9)的每对对测点的波速V1(a,b)，V2(a,b)，…，Vn(a,b)；每次爆破前将水压调整至P0，并重新向炮孔(5)内装入炸药和雷管；
(4)根据式1计算每次爆破后模拟岩体试件(1)的损伤度，根据损伤度V0(a,b)到Vn(a,b)的变化规律和质点振速S1到Sn的变化规律得到含承压水裂隙岩体爆破累积损伤演化规律；
Figure FDA0002598210110000021
式1中，Dn(a,b)为第n次爆破后模拟岩体试件(1)的损伤度，其中a为对测点的行数，b为对测点的列数；
V0(a,b)为对测点的初始波速，km/s；
Vn(a,b)为第n次爆破后对测点的波速，km/s。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述循环爆破的次数根据模拟岩体试件(1)的损伤情况确定，具体为：当炮孔(5)附近裂纹贯穿整个模拟岩体试件(1)或炮孔(5)附近裂纹与模拟裂隙(2)贯通后，停止循环爆破。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述水压P0为1～7MPa。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述炸药为岩石乳化炸药，每次炸药的装入量为3～15g；所述雷管为8#雷管。
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