低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程的真三轴试验研究
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Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China)
mechanism of the occurrence of this kind of rockburst. Key words：rock mechanics；rockburst；disturbance load；true triaxial test
1引言
深部岩体工程中，高应力围岩常受到开挖爆破、 机械钻凿、地震等动力扰动荷载作用而发生失稳破 坏，甚至诱发具有严重危害性的围岩动力弹射性破裂 的岩爆灾害，目前已引起岩石力学界的高度重视[1-3]。 深部岩体工程出现的动力扰动荷载中，有相当一部 分属于低频周期动力荷载。例如，远处爆破源传来 的应力波、开挖洞室附近大体积岩体失稳传来的地 震波、机械钻凿或重型设备低频振动引起的振动波， 以及自然地震发生时的地震波等等，均是深部岩体 工程中低频周期扰动荷载的主要来源[4]。低频周期 扰动荷载传播距离较远、携带能量高，容易触发高 应力围岩变形破坏，但其触发岩爆的机制十分复杂， 目前尚未形成清晰而统一的认识。因此，开展相关 基础研究，深入推进动力扰动触发岩爆的机制研究， 对于深部岩体工程的工程设计与灾害防控具有重要 的现实意义与学术价值。
合作用下岩爆过程模拟的前提下，研究不同荷载影响因素对岩爆的影响。研究结果表明：在其他荷载参数固定的
条件下，在轴向低频周期动力扰动荷载作用下，轴向静应力、第三主应力和扰动荷载幅值均存在岩爆方面的门槛
值，当达到或超过门槛值时，试样发生岩爆的可能性急剧增大，此时这 3 个影响因素的小幅变化可导致岩爆弹射
动能与岩爆碎块破碎程度的显著变化；在其他荷载参数固定的条件下，在 0～3 Hz 频率范围内，随着扰动荷载频 率的增加，岩爆弹射动能呈先增大后减小的变化规律；静载作用下试样积聚足够大的弹性能和扰动荷载持续输入
针对上述问题，本文通过不同应力路径下的单 面临空真三轴岩爆试验，模拟深部岩体在开挖后切 向应力集中与低频周期扰动荷载联合作用下的岩爆 过程(简称扰动岩爆，下同)，分析其中的规律与特 征，为揭示深部岩体工程动力扰动触发岩爆机制提 供科学依据。
2 试验系统与方案
2.1 试验系统 采用自主研发的真三轴岩爆试验系统进行试验
收稿日期：2015–09–07；修回日期：2015–11–02 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41472329) Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No. 41472329) 作者简介：苏国韶(1973–)，男，1995 年毕业于广西大学水利水电工程专业，现任教授、博士生导师，主要从事深部岩体力学与工程安全方面的教学 与研究工作。E-mail：suguoshao@163.com DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2015.1249
从研究现状中可发现：(1) 既有的动静组合岩 石力学试验研究多数是一维、二维或常规三轴试验， 单面临空真三轴条件下动静组合试验较为少见，而
单面临空真三轴试验能更好地模拟开挖后围岩的应 力状态；(2) 既有的动静组合岩石力学试验研究多 侧重于岩石的静态脆性破坏与变形特性研究，很少 涉及岩爆破坏，尤其是扰动诱发岩爆发生弹射破坏 方面，仅做理论上探讨，缺乏实证性的物理试验研 究；(3) 以往的动静组合加载试验，动力扰动荷载 多为中高应变率段的冲击荷载，考虑低应变率或低 频扰动荷载与静荷载联合作用的岩石力学试验研究 成果还很欠缺。
真三轴岩 爆试验机
IMETRUM 高速摄像头
SVSi Giga View 高速摄像头
分 贝录 仪音
笔
补 光录 灯像
机
笔记本电脑
声发射 笔记本电脑 电脑
图 1 真三轴岩爆试验系统 Fig.1 The true triaxial rockburst experimental system
第 35 卷 第 7 期 苏国韶等：低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程的真三轴试验研究
针对深部岩体扰动破坏问题，学者们开展了深 入的研究工作，取得了诸多有益成果。例如，马春 德等[5-6]利用电液伺服试验机及其与特制的一维水 平静压装置组合分别对红砂岩进行了一维、二维动 静组合加载破坏试验；李夕兵等[7]研制了基于霍普 金森杆的岩石动静组合加载试验系统，对冲击荷载 与静载组合作用下的岩石强度特性、破碎和能量规 律进行了分析；W. C. Zhu 等[8]深入开展了动力扰动 诱发岩爆的数值模拟研究；宫凤强等[9]利用改造的 霍普金森杆动静组合加载试验装置，开展了三维动 静组合加载下砂岩力学特性试验研究；殷志强等[10] 利用动静组合分离式霍普金森压杆加载装置，研究 了砂岩历经三维加载–围压卸载–轴向冲击的临界 破坏特性；唐礼忠等[4]在电液伺服试验机上对深部 大理岩进行了高应力下单轴小幅循环动力扰动试 验；何满潮等[11]利用自行研发的冲击岩爆试验系统 成功实现了真三轴试验条件下的冲击岩爆试验。
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岩石力学与工程学报
2016 年
condition for the occurrence of this kind of rockburst. Small uprush of the elastic strain energy and the limit of elastic energy storage capacity declined rapidly，what is called the“two-way deviation effect”，is the energy
(1. 广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2. 广西大学 工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西 南宁 530004； 3. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)
摘要：利用自主研发的真三轴岩爆试验系统，以中粗晶粒花岗岩为岩石试样，在实现低频周期扰动荷载与静载联
足够大小和合适速率的能量是此类岩爆发生的能量条件；试样弹性应变能小幅度突增且弹性应变能极限存储能力
快速下降的“双向背离效应”是此类岩爆发生的能量机制。
关键词：岩石力学；岩爆；扰动荷载；真三轴试验
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2016)07–1309–14
True triaxial experimental study of rockburst process under low frequency cyclic disturbance load combined with static load
(见图 1)。试验主机为刚性压力机，竖向最大加载压 力为 5 000 kN，水平方向最大加载压力为 3 000 kN， 可在 3 个垂直方向进行独立伺服加载，采用刚性推 头直接加载方式，可实现六面压缩、单面临空五面 压缩、六面压缩一面突然卸载等真三轴试验功能。 试验主机不仅能进行各种条件下的静力岩爆试验， 同时可由伺服控制系统向各向油缸发送动力波加载 命令实现低频动力扰动荷载的施加，低频动力扰动
第 35 卷 第 7 期 2016 年 7 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.35 No.7 July，2016
低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程的 真三轴试验研究
Leabharlann Baidu
苏国韶 1，2，胡李华 1，2，冯夏庭 3，王金欢 1，2，张晓鹤 1，2
Abstract：Rockburst process of mid-coarse grained granite specimens was simulated under the cyclic loading of low frequency combined with the static loading using the true triaxial rockburst system developed in-house. The influence of different loading factors on rockburst was studied. When the other load variables were fixed，the axial static stress，the third principal stress and the disturbance amplitude all have a threshold value for rockburst under the cyclic loading of low frequency. If these thresholds were exceeded，the possibility of rockburst increased rapidly and a slight fluctuation of these factors could cause the significant change of the kinetic ejecting energy of rock and the broken degree of fragments. When the other load variables were fixed and the frequency was in the range of 0–3 Hz，the kinetic ejection energy increased first then decreased with the frequency increasing. Enough elastic energy from the static load and suitable energy rate from the cyclic load continuously were the basic
• 1311 •
荷载的频率为 0～5 Hz，相应振幅为 0～500 kN。试 验系统还配置了高速摄像机、数码录像机、声发射 仪、声音监测仪、红外热像等图像记录与信号监测 装置。 2.2 试样制备
试样为中粗晶粒灰白色花岗岩，取自广东省封 开县，为确保试验具有可比性，所有试样从同一块 大石块上取得；试样尺寸为 200 mm×100 mm×100 mm，加工精度严格按国际岩石力学协会标准执行。 试样平均密度为 2 665 kg/m3，常温下纵波波速约为 5.2 km/s，完整性和均匀性较好。 2.3 岩爆过程观测与弹射动能测试方法
岩爆弹射动能是反映岩爆强度和规模的重要指 标[12]。采用美国 SVSI GigaView 系列 GVCM08– B05 高速摄像机对试样临空面的岩石碎块弹射破坏 过程进行观测，并利用英国 IMETRUM 系列 IMVG03–1–117B 高速摄像机进行校准(见图 2)。
5
6
4
2
弹
射
方
向
60°
1.38 m 1
7 8
9 10
3
11
SU Guoshao1，2，HU Lihua1，2，FENG Xiating3，WANG Jinhuan1，2，ZHANG Xiaohe1，2
(1. School of Civil and Architecture Engineering，Guangxi University，Nanning，Guangxi 530004，China；2. Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety of Ministry of Education，Guangxi University，Nanning，Guangxi 530004，China；3. State
mechanism of the occurrence of this kind of rockburst. Key words：rock mechanics；rockburst；disturbance load；true triaxial test
1引言
深部岩体工程中，高应力围岩常受到开挖爆破、 机械钻凿、地震等动力扰动荷载作用而发生失稳破 坏，甚至诱发具有严重危害性的围岩动力弹射性破裂 的岩爆灾害，目前已引起岩石力学界的高度重视[1-3]。 深部岩体工程出现的动力扰动荷载中，有相当一部 分属于低频周期动力荷载。例如，远处爆破源传来 的应力波、开挖洞室附近大体积岩体失稳传来的地 震波、机械钻凿或重型设备低频振动引起的振动波， 以及自然地震发生时的地震波等等，均是深部岩体 工程中低频周期扰动荷载的主要来源[4]。低频周期 扰动荷载传播距离较远、携带能量高，容易触发高 应力围岩变形破坏，但其触发岩爆的机制十分复杂， 目前尚未形成清晰而统一的认识。因此，开展相关 基础研究，深入推进动力扰动触发岩爆的机制研究， 对于深部岩体工程的工程设计与灾害防控具有重要 的现实意义与学术价值。
合作用下岩爆过程模拟的前提下，研究不同荷载影响因素对岩爆的影响。研究结果表明：在其他荷载参数固定的
条件下，在轴向低频周期动力扰动荷载作用下，轴向静应力、第三主应力和扰动荷载幅值均存在岩爆方面的门槛
值，当达到或超过门槛值时，试样发生岩爆的可能性急剧增大，此时这 3 个影响因素的小幅变化可导致岩爆弹射
动能与岩爆碎块破碎程度的显著变化；在其他荷载参数固定的条件下，在 0～3 Hz 频率范围内，随着扰动荷载频 率的增加，岩爆弹射动能呈先增大后减小的变化规律；静载作用下试样积聚足够大的弹性能和扰动荷载持续输入
针对上述问题，本文通过不同应力路径下的单 面临空真三轴岩爆试验，模拟深部岩体在开挖后切 向应力集中与低频周期扰动荷载联合作用下的岩爆 过程(简称扰动岩爆，下同)，分析其中的规律与特 征，为揭示深部岩体工程动力扰动触发岩爆机制提 供科学依据。
2 试验系统与方案
2.1 试验系统 采用自主研发的真三轴岩爆试验系统进行试验
收稿日期：2015–09–07；修回日期：2015–11–02 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41472329) Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No. 41472329) 作者简介：苏国韶(1973–)，男，1995 年毕业于广西大学水利水电工程专业，现任教授、博士生导师，主要从事深部岩体力学与工程安全方面的教学 与研究工作。E-mail：suguoshao@163.com DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2015.1249
从研究现状中可发现：(1) 既有的动静组合岩 石力学试验研究多数是一维、二维或常规三轴试验， 单面临空真三轴条件下动静组合试验较为少见，而
单面临空真三轴试验能更好地模拟开挖后围岩的应 力状态；(2) 既有的动静组合岩石力学试验研究多 侧重于岩石的静态脆性破坏与变形特性研究，很少 涉及岩爆破坏，尤其是扰动诱发岩爆发生弹射破坏 方面，仅做理论上探讨，缺乏实证性的物理试验研 究；(3) 以往的动静组合加载试验，动力扰动荷载 多为中高应变率段的冲击荷载，考虑低应变率或低 频扰动荷载与静荷载联合作用的岩石力学试验研究 成果还很欠缺。
真三轴岩 爆试验机
IMETRUM 高速摄像头
SVSi Giga View 高速摄像头
分 贝录 仪音
笔
补 光录 灯像
机
笔记本电脑
声发射 笔记本电脑 电脑
图 1 真三轴岩爆试验系统 Fig.1 The true triaxial rockburst experimental system
第 35 卷 第 7 期 苏国韶等：低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程的真三轴试验研究
针对深部岩体扰动破坏问题，学者们开展了深 入的研究工作，取得了诸多有益成果。例如，马春 德等[5-6]利用电液伺服试验机及其与特制的一维水 平静压装置组合分别对红砂岩进行了一维、二维动 静组合加载破坏试验；李夕兵等[7]研制了基于霍普 金森杆的岩石动静组合加载试验系统，对冲击荷载 与静载组合作用下的岩石强度特性、破碎和能量规 律进行了分析；W. C. Zhu 等[8]深入开展了动力扰动 诱发岩爆的数值模拟研究；宫凤强等[9]利用改造的 霍普金森杆动静组合加载试验装置，开展了三维动 静组合加载下砂岩力学特性试验研究；殷志强等[10] 利用动静组合分离式霍普金森压杆加载装置，研究 了砂岩历经三维加载–围压卸载–轴向冲击的临界 破坏特性；唐礼忠等[4]在电液伺服试验机上对深部 大理岩进行了高应力下单轴小幅循环动力扰动试 验；何满潮等[11]利用自行研发的冲击岩爆试验系统 成功实现了真三轴试验条件下的冲击岩爆试验。
• 1310 •
岩石力学与工程学报
2016 年
condition for the occurrence of this kind of rockburst. Small uprush of the elastic strain energy and the limit of elastic energy storage capacity declined rapidly，what is called the“two-way deviation effect”，is the energy
(1. 广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2. 广西大学 工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西 南宁 530004； 3. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)
摘要：利用自主研发的真三轴岩爆试验系统，以中粗晶粒花岗岩为岩石试样，在实现低频周期扰动荷载与静载联
足够大小和合适速率的能量是此类岩爆发生的能量条件；试样弹性应变能小幅度突增且弹性应变能极限存储能力
快速下降的“双向背离效应”是此类岩爆发生的能量机制。
关键词：岩石力学；岩爆；扰动荷载；真三轴试验
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2016)07–1309–14
True triaxial experimental study of rockburst process under low frequency cyclic disturbance load combined with static load
(见图 1)。试验主机为刚性压力机，竖向最大加载压 力为 5 000 kN，水平方向最大加载压力为 3 000 kN， 可在 3 个垂直方向进行独立伺服加载，采用刚性推 头直接加载方式，可实现六面压缩、单面临空五面 压缩、六面压缩一面突然卸载等真三轴试验功能。 试验主机不仅能进行各种条件下的静力岩爆试验， 同时可由伺服控制系统向各向油缸发送动力波加载 命令实现低频动力扰动荷载的施加，低频动力扰动
第 35 卷 第 7 期 2016 年 7 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.35 No.7 July，2016
低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程的 真三轴试验研究
Leabharlann Baidu
苏国韶 1，2，胡李华 1，2，冯夏庭 3，王金欢 1，2，张晓鹤 1，2
Abstract：Rockburst process of mid-coarse grained granite specimens was simulated under the cyclic loading of low frequency combined with the static loading using the true triaxial rockburst system developed in-house. The influence of different loading factors on rockburst was studied. When the other load variables were fixed，the axial static stress，the third principal stress and the disturbance amplitude all have a threshold value for rockburst under the cyclic loading of low frequency. If these thresholds were exceeded，the possibility of rockburst increased rapidly and a slight fluctuation of these factors could cause the significant change of the kinetic ejecting energy of rock and the broken degree of fragments. When the other load variables were fixed and the frequency was in the range of 0–3 Hz，the kinetic ejection energy increased first then decreased with the frequency increasing. Enough elastic energy from the static load and suitable energy rate from the cyclic load continuously were the basic
• 1311 •
荷载的频率为 0～5 Hz，相应振幅为 0～500 kN。试 验系统还配置了高速摄像机、数码录像机、声发射 仪、声音监测仪、红外热像等图像记录与信号监测 装置。 2.2 试样制备
试样为中粗晶粒灰白色花岗岩，取自广东省封 开县，为确保试验具有可比性，所有试样从同一块 大石块上取得；试样尺寸为 200 mm×100 mm×100 mm，加工精度严格按国际岩石力学协会标准执行。 试样平均密度为 2 665 kg/m3，常温下纵波波速约为 5.2 km/s，完整性和均匀性较好。 2.3 岩爆过程观测与弹射动能测试方法
岩爆弹射动能是反映岩爆强度和规模的重要指 标[12]。采用美国 SVSI GigaView 系列 GVCM08– B05 高速摄像机对试样临空面的岩石碎块弹射破坏 过程进行观测，并利用英国 IMETRUM 系列 IMVG03–1–117B 高速摄像机进行校准(见图 2)。
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弹
射
方
向
60°
1.38 m 1
7 8
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SU Guoshao1，2，HU Lihua1，2，FENG Xiating3，WANG Jinhuan1，2，ZHANG Xiaohe1，2
(1. School of Civil and Architecture Engineering，Guangxi University，Nanning，Guangxi 530004，China；2. Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety of Ministry of Education，Guangxi University，Nanning，Guangxi 530004，China；3. State