基于饱水岩石静动力学试验的水防治屈曲型岩爆分析

岩爆发生涉及岩石动力学与岩石静力学两方面的范畴,水防治岩爆动力学机制研究极少。在对开阳磷矿饱水砂岩静力学与动力学试验的基础上,基于饱水岩石的静态和动态破坏特征,从围岩结构效应、应力波边界效应和能量原理等角度,探讨了水防治层裂屈曲型岩爆的静力学与动力学机制。饱水砂岩的静态破坏表现为张拉与张剪等综合破坏形式,在一定程度上能抑制岩体劈裂成板的形成,从而破坏层裂屈曲型岩爆孕育的过程。水影响下的砂岩动态力学性能显著提高,遇水软化巷道的应力波边界效应影响围岩非主要承载结构,遇水围岩仍具有相当的承载能力,从而抑制层裂屈曲型岩爆的发生。饱水砂岩动态破坏块度要明显大于自然风干的岩样,同时饱水岩体积聚弹性能的能力下降,故能抑制洞室层裂屈曲岩爆的岩块弹射。

加锚砂岩单轴力学特性及屈曲型岩爆控制机制

为探讨锚杆对砂岩屈曲型岩爆的调控作用,开展加锚砂岩的单轴压缩试验,并进行声发射特征监测。研究结果表明:无锚砂岩与加锚砂岩的破坏模式存在差异,无锚试样以张拉破坏为主并伴生剪切破坏,而加锚试样均呈单一斜面剪切破坏;加锚砂岩在加载初期就使系统的能量充分释放。锚杆控制屈曲型岩爆的机制如下:锚杆可发挥出组合梁的整体弯曲效果,使层状岩板向临空面的屈曲变形受到极大限制;加锚砂岩表现为单一剪切破坏,在一定程度上抑制张拉裂纹的产生,不具备劈裂成板的特征,从而破坏屈曲岩爆的孕育过程;加锚砂岩在加载前期就发生比较活跃的声发射活动,使系统能量充分释放,更难于储存弹性应变能,破坏时释放的能量小于无锚试样破坏时释放的能量,加锚砂岩可释放的动能占总能量的比例减小,从而降低屈曲岩爆的孕育能力和发生烈度。

屈曲型岩爆的发生机制及其时效性研究

为分析深部巷道围岩层裂薄板结构的形成机制和屈曲型岩爆发生的力学机理,采用数值模拟方法对深部巷道开挖过程中围岩主应力的分异演化规律进行了研究。基于三参量黏弹性本构关系,以屈曲型岩爆的层裂薄板结构为力学模型,推导出了二向受力下屈曲型岩爆的压屈时效方程,探讨了不同应力状态下屈曲型岩爆的时效特征。结果表明:在以垂直应力为主导的巷道在掘进过程中,巷道顶部和底部的主应力水平在逐步减小,岩体能量逐步释放;而巷道两侧边墙的主应力出现严重的分异现象,切向应力变大而轴向应力减小,岩体能量向两侧转移并大量积聚。以水平应力为主的巷道在掘进过程中,围岩应力状态的演化过程及能量积聚特征与此相反。围岩层裂薄板结构形成后,在切向应力和轴向应力的二向应力作用下发生蠕变弯曲变形,经过一段时间,当变形达到某一限值时,层裂薄板结构就会发生屈曲失稳破坏并释放岩体内积聚的弹性变形能,产生延迟岩爆现象。

基于岩爆碎屑研究的高楼山隧道岩爆机理分析与类型判定

在建高楼山隧道是通达陇南市及四川省九寨沟的控制性工程,项目具有“三高一大”的特点,是复杂地质条件下深埋特长公路隧道的典型代表.以现场两种岩爆类型为研究对象,通过冲击岩爆实验系统并设定不同应力路径,首先进行了岩爆实验全过程分析,而后对比研究了板裂屈曲型岩爆实验碎屑(岩爆碎屑1)、爆破冲击型岩爆实验碎屑(岩爆碎屑2)和现场收集的不知类型的岩爆碎屑(岩爆碎屑3)的质量、尺度分布及形状分形维数特征.在此基础上,结合岩爆实验图像变化过程,深化了对不同类型岩爆碎屑成因及岩爆机理的认识.结果表明:(1)板裂屈曲型岩爆和爆破冲击型岩爆区别在于破坏主导机制不同,一种为张拉破坏主导,另一种为张剪破坏主导.(2)岩爆碎屑1以中粒、条板状碎屑为主,在长度方向上更容易破碎,且质量远大于岩爆碎屑2,这与竖向应力集中形成板裂化结构的板裂屈曲型岩爆孕育机制密不可分.(3)动载的介入使得岩爆碎屑2受剪切作用明显,因而在厚度方向的破碎更容易且破碎程度更高,形成以粗粒、片状碎屑为主的碎屑,该类型碎屑在现场岩爆中由于质量较大、体积较大、弹射距离较远,因此危害性可能更大.(4)通过上述比对分析,可基本判定岩爆碎屑3对应的岩爆类型为爆破冲击型,且片状、“V”形特征碎屑为该类型岩爆特有的碎屑类型.