(草稿)抛掷型岩爆机理分析与模拟试验技术

(2～4)
(4～7)
距试验中心点的距离/m
距试验中心点的距离/m
（b）中等岩爆
（c）剧烈岩爆
图4-2 碎块质量分布柱状图
从图中看到，一般情况下，大部分碎块质量都落在试
件附近，0.3～1m范围内。但也有例外，如图5-2c,中，大部
分质量分布在2～4m 范围内。产生这种现象的原因尚待分 析。
（3）岩爆碎块质量大小比较柱状图，见图4-3。
与认识，我们对抛掷型岩爆模拟试验技术提出如下建议： （1）用试件对抛掷型岩爆机理进行模拟试验 我们建议： <1>试件材料要有硬脆性的特征；
<2>在试件上要产生应力集中现象；
<3>在加载过程中要有能量补充。
建议的试验方案如图2-2所示。对弹簧的要求是变形刚度 要小于试件的刚度，最大恢复力要小于材料的峰值强度。 根据试验要求，可等于全过程曲线峰值后某点的承载力， 见图2-3。
岩爆烈度不同，飞离的碎块多少和飞离距离也不同，一 般地说，岩爆烈度越高，飞离的碎块越多，飞离的距离越 远。
岩爆的烈度与弹簧释放的弹性能多少有关，释放的弹 性能越多，岩爆的烈度就越大。
4.3 岩爆碎块飞离状态的统计规律
（1）岩爆碎块的散落状态，见图4-1。
（a）轻度岩爆
（b）中等岩爆
(c) 剧烈岩爆 图5-1 岩爆碎块的散落状态
千斤顶
P0
峰值压力 弹簧的弹性力
弹簧 垫块 试件
0
u
图2-2 抛掷型岩爆试件 模拟试验方案
图2-3 弹簧的弹性力与 材料全过程曲线
（2）用洞室模型对抛掷型岩爆机理进行模拟试验
我们的建议是： <1>洞壁围岩要考虑软弱结构区；
<2>模型边界荷载宜采用油-气复合加载器；
<3>洞室尺寸以300mm左右为宜； <4>洞室模型应满足平面应变试验条件。 建议的试验方案如图2-4所示。
集中，其内应力更高，在发生岩爆时，对岩爆体产生的
挤压变形更大，释放的能量更多。 为简单起见，我们把围岩对岩爆体释放能量、岩爆体 吸收能量的过程称为能量汇聚。 能量汇聚是抛掷型岩爆发生的重要前提，也是我们在 做岩爆模拟试验时，要对试件进行能量补充的重要依据 。
（4）在抛掷型岩爆发生过程中，动、静状态转化是因为洞壁 围岩对岩爆体释放的能量有剩余造成的。
90.0% 80.0% 70.0% 60.0% 50.0% 40.0% 30.0% 20.0% 10.0% 0.0%
并且剩余能量的比例还会越来越大，因为岩爆体 的刚度越来越低 ，也就是为岩爆体破坏提供的能量 越来越多，使岩爆体破坏的速度越来越快，最终导致
岩爆的发生从静力状态转变为动力状态。
由于在动力破坏过程中，岩爆体材料自身有了速度 ，岩爆碎块也就有了动能，从而导致抛掷型岩爆的发 生。
2 对抛掷型岩爆模拟试验技术的考虑
是专门为岩爆模拟试验研制的，其气体压力大小及释放时间
可以控制。使用效果表明，两套装臵均可使试件产生抛掷型 岩爆现象。
图3-1 油压控制加载器-弹簧 系统岩爆试验装臵
图3-2 油-气复合加载器 岩爆试验装臵
4 用新装置开展的岩爆试件模拟试验概况
4.1 岩爆试件受力过程分析
以第一套试验装置为例，岩爆试件受力过程大体可分 三个阶段：
为了分析岩爆碎块的散落状态，我们把岩爆碎块 飞离距离分成几个区间进行统计，把每个区间内的碎 块质量求合（用试件质量的百分比表示）作为该区间 内中点的质量 M，用该区间中点至试件表面的距离作
为碎块抛掷水平距离 S，用试件的高度中点至地面的
距离，作为碎块降落高度 H。 根据上述数据就可计算出，岩爆碎块质量分布及
PV
围岩
弹簧
PH
岩爆体
PH
PV
图1-3 洞壁围岩与岩爆体相互作用原理示意图
从图中看出：在岩爆发生前，弹簧（围岩）与岩爆体是 处于应力平衡状态的 。在岩爆发生时，因岩爆体材料进入 峰值后期阶段，其刚度、强度逐渐降低，而弹簧的刚度不变 。根据弹簧与岩爆体位移相同，弹簧释放的弹性能，要大于
岩爆体吸收的变形能，多余能量消耗在岩爆体材料破坏上。
2.1 对普通油压控制系统加载性能的分析
采用普通油压控制系统加载，无法使岩爆试件和洞室模型产 生抛掷型岩爆破坏。这是因为，前面已经谈到，当荷载使材料 变形达到极限时，材料吸收的内能也达到极限。在此条件下材 料是不会破坏的，它与外载保持平衡状态。 要使材料破坏，必须把荷载再加大。而且是荷载加大多少， 材料就破坏多少，荷载停止，破坏也就停止，见图2-1.
汇报提纲
前 言
1 2 3 4 对抛掷型岩爆发生机理的新认识 对抛掷型岩爆模拟试验技术的考虑 对抛掷型岩爆模拟试验装臵的研制 用新装臵开展的岩爆试件模拟试验 概况 结 语
前
言
岩爆是在高地应力地区硬岩隧洞施工中经常发生的一 种动力地质灾害。因为岩爆发生时会有大量岩块飞出，往 往会给人员、设备造成重大灾害（见图），所以岩爆问题 倍受人们关注。
碎片质量百分比 碎片质量百分比
60.0%
40.0% 30.0% 20.0% 10.0% 0.0%
36.0%
50.0% 40.0% 30.0% 20.0% 10.0% 0.0%
44.9%
13.3% 8.9%
19.6%
16.4%
19.1%
(0.3～1)
(1～2)
(2～4)
(4～6)
(0.3～1)
(1～2)
Mr0 P C cot ( P C cot )(1 sin ) i 4Gu rp 0
sin 1sin
图1-2 洞壁位移-支护抗力关系曲线
岩爆的发生与上述现象有相似之处，都是在高地应 力围岩中产生扰动，引起围岩位移和应力集中。只不过 岩爆是发生在洞壁围岩中，因洞壁围岩已有了一次应力
一是认识到，岩爆是一种非常复杂的岩体动力学效 应，研究起来比较麻烦。 二是工程中岩爆类型很多，不同类型的岩爆发生机 理及其试验技术也不完全相同，不能同时都研究，必须 抓住典型开展研究。
三是我们的研究重点是抛掷型岩爆，因为抛掷型岩爆
具有岩爆的典型特征，有声响，有抛掷，对工程影响也
较大。
四是我们针对抛掷型岩爆特点，对其机理有了新的
众所周知，抛掷型岩爆发生时有一个由静态到动态的 转变过程。对这个转化过程产生机制分析如下： 根据岩爆应力判据，围岩应力在σ θ /R c =0.3～0.7的 条件下就可能发生岩爆，甚至可能发生强烈岩爆。这表明 发生岩爆时，岩爆体周围岩体基本还处于弹性状态下。因 此我们可用弹簧代替周围岩体对岩爆体的作用，见图1-3。
40.1% 44% 63.5%
2055.04 1355.6 2395.9
1345.16 502.5 1043.6
137.00 1574.4 874.8
39.00 337.0 1018.0
Байду номын сангаас
38.92 154.96 268.04
从表中看到，岩爆烈度与试件动的能大小、碎块质量的 多少和飞离距离的远近均成正比关系。
b 岩爆试件 a 洞室模型 图2-1 用普通油压控制系统加载 试件和洞室模型破坏形态 要想使材料迅速破坏，产生岩爆，就必须迅速加 载。而要迅速加载， 油路就必须迅速供油。但普通 油压控制系统油路供油是需要一个过程，它满足不 了抛掷型岩爆材料迅速破坏的要求。
2.2 对抛掷型岩爆模拟试验技术的建议
根据上述对抛掷型岩爆机理及其模拟试验技术的分析
补充认识，研制了新的试验装臵，在试验技术上也有较
大的进步，真正的实现了抛掷型岩爆现象。 为了交流经验，促进这项事业的发展，我向大家做 一简要汇报，有不合适的地方，欢迎批评指正！
1 对抛掷型岩爆发生机理的新认识
关于岩爆机理，前人已经做了较多的研究。我们是在
前人研究的基础上，针对抛掷型岩爆的特点，再谈点新认
这就像用水桶装水一样，水桶装满了再加水，水就要 流出来。材料吸收的内能达到极限时，再加载，材料就要
破坏，以破坏来消耗外力功。
岩爆体本身也是一种不封闭系统，因围岩存在自由 面。当岩爆体吸收的能量达到极限时，它就与外力保持 一种平衡状态。不加载它就不会发生破坏（岩爆）。要 让它发生破坏（即岩爆），周围岩体就必须对它再产生 挤压变形，或说再进行能量补充。 上述观点启示我们，在岩爆模拟试验中 ，光让试件 积蓄能量不行，还必须对试件提供迅速破坏的荷载，否 则不能产生岩爆。
锦屏二级水电站引水隧洞施工中岩爆破坏景象
锦屏二级水电站排水洞施工中岩爆破坏景象 尽管国内外学者对岩爆问题采用多种手段，做了 很多工作，也取得了不少成果，但目前仍有不少问题
尚待研究解决。
例如：在岩爆应力判据中，给出的条件是围岩应力 σθ/ Rc=0.3～0.7 ，就可发生岩爆，甚至可以发生强烈性 岩爆，为什么在围岩应力这么低的情况下就可发生岩爆 呢？ 另外，在我们的岩爆模拟试验中，用普通油压控制 系统加载，当把荷载加到材料发生破坏时，岩爆试件和 洞室模型只产生静力型破坏，未产生抛掷型岩爆，这又 是为什么呢？ 上述问题促使我们对岩爆机理和模拟试验技术进行了 深入思考。通过想考，想清了一些问题：
图2-4 洞室模型岩爆模拟试验方案示意图 （前后约束挡板略）
3 对抛掷型岩爆模拟试验装置的研制
按前面对抛掷型岩爆机理和模拟试验技术的分析要求，我
们自主研发了如下两套试验装置：
第一套装置是普通油压加载器-弹簧系统，见图3-1，加载 器最大出力50吨。在加载器压头与试件表面之间设置一个8吨 的蝶形弹簧（吨位大小可灵活确定）。 第二套装置是油-气复合加载器系统，见图3-2，该加载器
（3）工程中发生岩爆时，洞壁围岩会对岩爆体产生能量 汇 聚 ，这是抛掷型岩爆发生的重要前提 在实际工程中经常看到：在高地应力地区开挖隧洞时， 洞壁围岩要产生很大的收敛变形，有时会把洞内的支护、衬 砌都压垮（见图1-1），可见围岩压力之大。
图1-1 洞室收敛挤压变形状态
另外，从围岩弹塑性理论分析中也可看出，在洞 室开挖之后，洞壁围岩要产生径向位移。要控制这 种位移，需要对洞壁提供很大的支撑力 ，见下式及 图1-2。
识。共有四点：
（1）在岩爆应力判据中，围岩应力σθ/Rc =0.3～0.7 就可发 生岩爆，甚至可发生强烈岩爆，是因为在围岩内存在软 弱结构区。 实际工程中很少看到 整个围岩都发生岩爆的，一般只在局
部发生。这是因为围岩内存在软弱结构区，整体围岩不发生
破坏，软弱结构区内岩体就可能发生破坏，因为软弱结构区 的岩体强度低。这就有可能在围岩应力σθ/ Rc =0.3～0.7的条
（2） 岩爆碎块质量分布柱状图，见图4-2.
70.0% 60.0%
碎片质量百分比
57.5%
50.0% 40.0% 30.0% 20.0% 10.0% 0.0% (0.3～1) (1～2) (2～4) 距试验中心点的距离/m
3.8% 1.1% 37.6%
(4～6)
（a）轻度岩爆
50.0% 41.8%
试件尺寸：150mm×150mm×200mm（长×宽×高）， 材料为水泥砂浆，材料强度Rc=20MPa以上。 下面是三个典型岩爆试件宏观破坏现象：分别是轻微 岩爆、中等岩爆和剧烈岩爆。
（a）轻度岩爆
（b）中等岩爆
（c）剧烈岩爆
从录像片中可以看出，岩爆的宏观破坏现象是：
岩爆发生时，均有较大声响，并有大量碎块飞离试件， 表现出典型的抛掷型岩爆特征。
其平均动能。计算结果见表1。
表1 岩爆碎块散落状态统计规律
试验 序号
岩爆 烈度 评价
轻度 岩爆 中等 岩爆 剧烈 岩爆
试件总 质量
岩爆 质量 百分比
岩爆碎块在不同区间的质量分布 /g 0.3-1.0m 1.0-2.0m 2.0-4.0m 4.0-6.0m
岩爆 动能 /J
1 2 3
8920 8590 8400
第一阶段，开始加载，弹簧试件同时被压缩。
第二阶段，荷载加大，试件被压缩，弹簧被压实。
第三阶段 ，荷载超过峰值，材料产生初始破坏，试件 承载力降低。当承载力降低到弹簧的最大恢复力时，弹 簧伸长，对试件产生弹性压力，试件迅速破坏，产生岩 爆。
4.2 岩爆试件宏观破坏现象
我们用上述两套装臵进行了多块岩爆试件模拟试验。
件下，就发生岩爆，甚至可能发生强烈岩爆。
围岩内的软弱结构区是由岩体内的层理、节理、裂隙、断
层等软弱结构面形成的不利组合区域。
在洞室岩爆模拟试验中，必须考虑软弱结构区的影响。
（2）围岩中要发生抛掷型岩爆，单靠岩爆体本身积蓄的能量是 不够的，必须要有周围岩体对其进行能量补充。 这是因为，当应力状态给定后，对不封闭系统的试件或 洞室模型吸收的内能总量就是确定的，它的最大值应该等 于材料变形达到极限时外力所做的功。不可能超过这个值 ，超过这个值材料就要破坏。