一种新型脆性岩石破裂模式的预测方法技术

本发明专利技术提供了一种新型脆性岩石破裂模式的预测方法，通过计算扩容指标，来衡量脆性岩石的破坏规律，便于在深埋洞室施工过程中判断岩层的破坏形式，并根据不同的破坏形式，提出不同的加固措施。当DI＞1时，破裂以轴向劈裂为主；当DI＜1时，破裂以剪切破坏为主。这种判别方法简单易用，针对不同的破坏模式采用不同的支护措施有利于节省工程量，降低工程造价。本发明专利技术能够对整体提高洞室的整体稳定和支护的设计优化提供进一步的技术支撑。设计优化提供进一步的技术支撑。设计优化提供进一步的技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种新型脆性岩石破裂模式的预测方法

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[0001]本专利技术涉及一种新型脆性岩石破裂模式的预测方法，可以预测脆性岩石的破裂模式，适用于深埋洞室的稳定性评价和永久支护设计的优化。

技术介绍
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[0002]大量的研究已经证明岩石的破坏形式依赖于自身的生成条件，如节理、时间、荷载、孔隙等。随着岩石内已有裂纹的扩展和新生裂纹的生成，岩石内部的应力不断进行重分布，并迅速将高烈度应力向远传传播，导致岩石的脆性破坏。而岩石由于自身的粘结特性，呈现出明显的拉压不对称性，体现出强抗压以及低抗拉特性，这会导致岩石内部呈现出轴向劈裂的特性，该特性与脆岩的静水应变密切相关。另外一方面，与金属材料类似，当以偏应力过大时，会呈现出明显的剪切破坏。
[0003]脆性岩石在长期荷载作用下，稳定荷载产生的应变趋向于非弹性和不可恢复，其中增加的静水应变意味着轴向裂纹的扩展，等效应变的增长意味着剪切滑移。两种破坏模式相互交结，共同决定了脆性岩石的破环形式。但是，不同的破坏模式需要不同的防护手段，对于轴向劈裂破坏需要喷混凝土层，对于剪切破坏则需要在锚固手段。
[0004]以往采用von Mises准则进行预测，导致推测的岩石破坏模式中忽略了静水应力的影响，使结果脆性岩石的破坏判断趋于剪切破坏，这与工程现场试验产生了部分误差。

技术实现思路
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[0005]本专利技术的目的是提供一种新型脆性岩石破裂模式的预测方法，通过计算扩容指标，来衡量脆性岩石的破坏规律，便于在深埋洞室施工过程中判断岩层的破坏形式，并根据不同的破坏形式，提出不同的加固措施。
[0006]脆性岩石在长期荷载作用下的应变由弹性应变和塑性应变组成。而脆性岩石破坏的则是塑性应变造成的。由于岩石的高度脆性，即岩石的整体应力强度达到了强度屈服准则即发生破坏。基于此，本专利技术将利用Mises
‑
Schleicher准则对长期受荷载的脆性岩石进行理论分析，并给出试验方案。已知Mises
‑
Schleicher准则：
[0007][0008]式中，σ，σ
m
＝tr(σ)/3和分别代表应力张量，静水应力和等效应力。其中，表示为偏应力张量。α和σ0分别为两个材料参数，它们都依赖于单轴拉伸极限应力σ
T
和单轴压缩极限应力σ
C
：
[0009][0010]对于脆性岩石材料而言，单轴压缩极限应力应大于单轴拉伸极限应力，σ
C
≥σ
T
。
[0011]当脆性岩石处于弹塑性极限的时候，其塑性应变率应满足流动准则：
[0012][0013]其中，为塑性流动率，代表了随着不同应力状态下，脆性岩石的随动速率。通过流动准则，可以将岩石的塑性应变率分为静水应变率D
m
和等效应变率D
eq
。其中，静水应变率D
m
和等效应变率D
eq
分别为：
[0014][0015]其中，偏应变率D
′
＝D
‑
D
m
I。已知，脆性岩石主要发生轴向劈裂和剪切破坏。定义DI为扩容指标：
[0016][0017]当DI≥1时，脆性岩石的破裂以轴向劈裂为主，当DI≤1时，脆性岩石的破裂以剪切破坏为主。已知α,σ0和σ
eq
都为脆性岩石在极限状态下的固有应力状态。因此，通过测量这三个应力即能得到脆性岩石的扩容指标，并判断脆性岩石的破裂形式。
[0018]工程上难以预计脆性岩石在荷载状态下的破坏形式，通过本专利技术提出的扩容指标可以判断出岩石的最后的破裂模式，当DI>1时，破裂以轴向劈裂为主；当DI<1时，破裂以剪切破坏为主。这种判别方法简单易用，针对不同的破坏模式采用不同的支护措施有利于节省工程量，降低工程造价。工程师可以通过提高混凝土喷层质量来抵御脆性岩石的轴向劈裂，通过提高锚杆密度和深度来抵御脆性岩石的剪切破坏。本专利技术能够对整体提高洞室的整体稳定和支护的设计优化提供进一步的技术支撑。
附图说明
[0019]图1为岩样单轴压缩结构示意图。
[0020]图2为岩样单轴拉伸结构示意图。
[0021]图3为岩样三轴试验结构示意图。
[0022]具体实施方法
[0023]以下结合附图对本专利技术提供的脆性岩石破裂模式的预测方法进行进一步的具体描述，具体实施步骤包括：
[0024](1)在施工现场钻取三套相同尺寸圆柱岩样1、2、3，确保岩样的完整性和均质性，防止岩样的破坏模式受其它外界因素的影响，三套岩样1、2、3的完整度、尺寸和岩性需保持一致；
[0025](2)按照应力控制模式加载，对岩样1进行单轴压缩试验，见图1，直至监测到的声发射信号出现突然增长时，停止增加应力，并读取最大压应力σ
C
；
[0026](3)按照应力控制模式加载，对岩样2进行单轴拉伸试验，见图2，直至监测到的声发射信号出现突然增长时，停止增加应力，并读取最大压应力σ
T
；
[0027](4)按照应力控制模式加载，对岩样3进行三轴试验，见图3，其中，z轴拉力应控制为两倍环向压应力大小，直至监测到的声发射信号出现突然增长时，停止增加应力，并读取最大环向压应力σ1，而最大等效应力为3σ1；
[0028](5)将步骤(2)、(3)、(4)中的参数代入至公式(1)
‑
(5)中，即能求解该段岩样的扩容指标DI。
[0029]根据试验结果和记录的应力水平，对取样地点的围岩支护情况进行判断，当DI≥1时，脆性岩石的破裂以轴向劈裂为主，当DI≤1时，脆性岩石的破裂以剪切破坏为主。对于以轴向劈裂为主的破坏，应注重混凝土喷层质量，而以剪切为主的破坏则要相应的提高锚杆密度。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型脆性岩石破裂模式的预测方法，其特征在于包括以下步骤：(1)获取待测岩石的三套岩样；(2)对第一套岩样进行单轴压缩试验，直至监测到的声发射信号出现突然增长时，停止增加应力，并读取最大压应力σ
C
；对第二套岩样进行单轴拉伸试验，直至监测到的声发射信号出现突然增长时，停止增加应力，并读取最大压应力σ
T
；对第三套岩样进行三轴试验，直至监测到的声发射信号出现突然增长时，停止增加应力，并读取最大环向压应力σ1；(3)将步骤(2)、(3)、(4)中的参数代入至公式(1)
‑
(5)中，即能求解该段岩样的扩容指标DI；式中，σ，σ
m
＝tr(σ)/3和分别代表应力张量，静水应力和等效应力；其中，表示为偏应力张量；α和σ0分别为两个材料参数，都依赖于单轴拉伸极限应力σ
T
和单轴压...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑晨一，刘宁，高亚楠，江亚丽，陈平志，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：