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.

磷块岩的岩爆碎屑细观分析与岩爆演化研究

通过调查某磷矿的岩爆现场,并利用扫描电镜对磷块岩的岩爆碎屑进行细观分析,研究了岩爆的细观演化。研究结果表明:1)磷块岩岩爆碎屑的细观结构均较致密,岩爆碎屑板面主要呈张拉破坏特性,岩爆碎屑边缘断口主要呈张剪破坏特性;2)岩爆碎屑板面因受相邻岩体板面的相互挤压作用而呈断口表面的微小塑性变形特性,在碎屑边缘断口的交叉面附近因受应力集中作用而产生部分塑性变形;3)当岩体中存在优势裂纹时,岩体受优势裂纹作用产生沿晶断裂张剪破坏;当岩体中无优势裂纹时,岩体主要受压剪作用下的穿晶破坏;4)可将磷块岩的岩爆细观演化过程划分为岩体沿切向方向上的张拉破坏阶段、优势裂纹引发沿晶断裂致张剪破坏阶段或无优势裂纹时板面间的挤压引起塑性变形阶段、岩体应力集中产生塑性变形致使裂纹源的产生与贯通失稳阶段。

岩爆实验碎屑分类及其研究方法

利用中国矿业大学(北京)岩爆过程模拟实验系统,进行一系列的应变岩爆实验。对岩爆碎屑不同尺度,可以采用不同方法提取其信息,包括对面积约为100mm2的中粒碎屑SEM(扫描电子显微镜)扫描,粗粒碎屑的断口表面形貌三维激光扫描和岩爆碎屑颗粒的尺寸特征测量。测量参数为质量、长度、宽度和厚度。为了便于对不同尺度的岩爆碎屑进行研究的方便,将岩爆碎屑分为粗粒、中粒、细粒和微粒4组,对不同粒组采用不同的研究方法。以花岗岩为例,介绍不同方法计算分形维数的过程及结果。采用倍分长度区间、SEM裂纹图像处理的二值法及小岛法进形分形维数计算时,其线性关系都较好,但不同方法计算获得的分维值不同。根据不同粒组的分形结果,可以分析不同尺度下的岩爆碎屑破碎程度,并为进一步研究岩爆过程的能量变化特征提供基础。

花岗岩岩爆试验碎屑分形特征分析

采用真三轴应力状态下单面突然卸载试验方法,进行莱州花岗岩岩爆试验,获得花岗岩岩爆碎屑。对碎屑特征进行测量,包括碎屑质量、长度、宽度、厚度,并对粗粒、中粒、细粒以及微粒等不同粒径范围内的碎屑数量、质量及粒度分布进行分析。对花岗岩岩爆碎屑分别按照长度、宽度、厚度与累计数量的关系,小于某一等效边长的累计质量与总质量之比与等效边长之间的关系,以及等效边长与累计数量的关系进行分形计算,结果表明花岗岩岩爆碎屑破碎程度较高,片状特征明显。对岩爆后的微粒碎屑(颗粒直径<0.075mm)利用激光粒度分析仪进行粒度分析。破坏后微粒碎屑所占百分比以岩爆试验最多,其次为真三轴试验,单轴压缩试验最少。微粒碎屑的粒度分布曲线形状不同,岩爆的平缓,小尺度的多,三轴和单轴压缩的大致相同,粒径大。分布曲线上百分比最大值对应的粒径岩爆的最小,为40和60μm,三轴的为80μm,单轴的为100μm。对微粒碎屑按照粒度-体积分布进行了分形维数计算,结果表明岩爆微粒碎屑符合分形物理意义,三轴和单轴微粒碎屑不具有分形特征。岩爆微粒碎屑较多,反映其破坏时消耗的能量要多于三轴和单轴破坏。

深部椭圆形洞室围岩冲击岩爆实验研究

利用自主研发的冲击岩爆设备,室内再现真三轴条件下含椭圆形洞室的冲击岩爆现象,实验结合应力采集、录像及声发射等实时测试系统分析椭圆形洞室冲击岩爆的演化过程、破坏应力特征值、碎屑特征、爆坑特征、速度场特征以及声发射特征。结果表明:椭圆形洞室冲击岩爆过程可以分为4个阶段:平静期,小颗粒弹射,块体剥落以及岩爆;扰动荷载的作用使围岩切向应力值迅速增加超越单轴抗压强度,促使围岩体产生剧烈岩爆现象;岩爆实验碎屑主要以大于5 mm的碎屑为主,碎屑形态主要为薄板状分布,与现场岩爆碎屑分布特征类似;爆坑对称的分布于洞室的左右两侧壁,位置与扰动方向垂直,爆坑形态表现出V字型;速度场在块体剥落和岩爆阶段呈现出先增加再降低的特征,在岩爆发生时刻达到峰值;声发射计数率与加载方向个数密切相关,计数率和累计计数在岩爆时刻迅速增加。随着加载方向个数的减少,声发射主频带逐渐变窄,主频带主要分布在100~200 kHz范围,岩爆时刻出现了40~70 kHz低频带的信号,同时也存在高频和超高频信号,证实岩爆破坏的复杂性。