三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法

本发明属于节理岩体动力学与工程，具体涉及一种三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法。

背景技术：

1、地质构造演化过程中会形成大量交叉节理岩体，这些岩体可能会遭受到各种动力扰动，如地震、工程爆破和机械振动等。且这些岩体在遭受动荷载前就已经处于一定的静态应力或地应力下，如深部围岩稳定性问题，为典型的岩体动静组合加载问题。当埋深引起的垂直地应力与岩体周围的水平地应力相等时，该位置处的岩体可看作处于三维围压荷载条件下，且其中一个水平地应力可看作轴向预应力。相比于工程岩体的表征单元体，部分大型节理可看作是全贯通节理，其对岩体的影响不同于非贯通节理，由于加载设备与方法的限制，对于全贯通交叉节理岩石的研究相对较少。因此，掌握全贯通交叉节理岩体在动静组合加载下的力学特性为工程岩体的破坏机制及控制围岩失稳提供了依据。

2、目前，已有一些学者利用新型的动荷载设备来研究不同节理结构岩体的动态力学响应。其中分离式霍普金森压杆(shpb)系统由于其易操作性和精确性已被广泛用于岩石材料在101-103/s-1应变率范围下动态力学行为研究。利用改进的shpb系统，人们做了大量研究了解节理几何结构对岩体动态力学特性的影响。但以往的研究对象多为含非贯通节理的棱柱状岩石，这是因为与圆柱试样相比，非贯通交叉节理的制作方法更为简单，且加载方式更多的涉及到单轴动态压缩实验。对于三维动静组合载下的圆柱体全贯通交叉节理岩体的研究非常有限。

技术实现思路

1、本发明提供一种三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法，圆柱体节理岩体试样的制备避免了切割后的试样横截面潜在的直径减小，满足了shpb方法中试样的质量问题以及动态应力平衡假设，动静组合加载方式包括轴向静荷载、环向静荷载和轴向动荷载。可以满足实际工程岩体所处的深埋与爆破开挖等环境，所求得的全贯通节理岩体的动态力学特性更加符合工程实际。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法，本实验方法是利用分离式霍普金森压杆系统结合三维动静组合加载系统进行，三维动静组合加载系统包括发射装置、轴压加载装置、围压加载装置、数据采集系统，本实验方法具体包括以下步骤：

3、步骤s1、制备岩体试样：

4、步骤s1-1、在现场选取均质岩石材料；

5、步骤s1-2、将步骤s1-1中选取的岩石材料切割一块呈立方体的岩体试样；

6、步骤s2、制备粘结试样：

7、步骤s2-1、将步骤s1-2中的岩体试样，切割出至少一条与垂直方向存在夹角α的次垂直节理，切割的所有次垂直节理形成一个次垂直节理组；

8、步骤s2-2、从含有垂直节理组的位置沿垂直方向进行取芯；

9、步骤s2-3、利用透明胶带，将步骤s2-2中取出的岩芯粘结组合在一起形成粘结试样；

10、步骤s3、制备圆柱体全贯通交叉节理岩体试样：

11、步骤s3-1、从靠近步骤s2制备的粘结试样顶面的位置，沿水平方向进行切割形成上端面；

12、步骤s3-2、再切割出至少一条与水平方向存在夹角β的次水平节理，切割的所有次水平节理形成一个次水平节理组；

13、步骤s3-3、从靠近经过步骤s3-1和步骤s3-2后的粘结试样底面的位置，沿水平方向进行切割形成下端面，形成圆柱体全贯通交叉节理岩体试样；

14、步骤s4、对圆柱体全贯通交叉节理岩体试样进行加工：

15、步骤s4-1、利用透明胶带，将步骤s3-3制备的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样外围粘结包裹起来；

16、步骤s4-2、对步骤s4-1中包裹后的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样进行打磨，确保圆柱体全贯通交叉节理岩体试样不垂直度和不平行度均小于0.02mm；

17、步骤s5、根据当前工况的围压和轴压参数以及静荷载的施加速率，确定所需轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值；

18、步骤s6、进行正式实验：

19、步骤s6-1、设定轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的设定值为步骤s5所需的轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值；

20、步骤s6-2、将步骤s4中经过加工后的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样放入围压加载装置中；然后利用轴压加载装置以缓慢且恒定的加载速率对全贯通交叉节理岩体试样施加轴向压力，直至达到目标值，静待确保轴向压力一直处于稳定值；

21、同时利用围压加载装置以缓慢且恒定的加载速率对全贯通交叉节理岩体试样施加环向压力，直至达到目标值，静待确保环向压力一直处于稳定值；

22、步骤s6-3、设定发射装置的冲击气压值和子弹在炮筒中的位置，利用发射装置对全贯通交叉节理岩体试样开展动静组合冲击试验，记录每次冲击的子弹速度；

23、步骤s7、分析当前三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样的动态力学特性：根据数据采集系统监测的步骤s6中入射应力波、反射应力波和透射应力波信号，分析当前三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样的动态力学特性。

24、作为本发明的进一步优选，在进行步骤s6之前，需要先进行步骤a空杆预实验：

25、步骤sa-1、设定轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的设定值为步骤s5所需的轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值；

26、步骤sa-2、调节分离式霍普金森压杆系统中入射杆和透射杆的平整度和贴合度；

27、步骤sa-3、利用轴压加载装置以缓慢且恒定的加载速率施加轴向荷载，直至达到轴向加载速率的设定值，静待确保轴向荷载处于稳定值；

28、同时利用围压加载装置以缓慢且恒定的加载速率施加环向荷载，直至达到环向加载速率的设定值，静待确保环向荷载处于稳定值；

29、步骤sa-4、利用发射装置开展空杆冲击预实验，通过数据采集系统记录入射应力波、反射应力波和透射应力波信号；

30、步骤sa-5、根据数据采集系统监测的入射应力波、反射应力波和透射应力波信号分析入射杆和透射杆的平整度和贴合度，是否满足(入射应力波-透射应力波)/入射应力波小于0.1且反射应力波大小<10mpa的要求；

31、若满足要求进行下一步，若不满足重复步骤s6-2-步骤s6-5直至满足(入射应力波-透射应力波)/入射应力波小于0.1且反射应力波大小<10mpa。

32、作为本发明的进一步优选，步骤s2-1中夹角α和步骤s3-2夹角β均在0-90°之间。

33、作为本发明的进一步优选，当次垂直节理组具有两条次垂直节理，且次水平节理组具有两条次水平节理时，步骤s3中的切割顺序为下端面、第一条次水平节理、第二条次水平节理、上端面。

34、作为本发明的进一步优选，步骤s3-3中，下端面与上端面之间间距在51mm-53mm范围内。

35、作为本发明的进一步优选，步骤s6-3和步骤s6-2中均是静待5min。

36、作为本发明的进一步优选，步骤s7具体包括以下步骤：

37、步骤s7-1、根据数据采集系统监测的步骤s6中入射应力波、反射应力波和透射应力波信号，得到入射应力波εi(t)、反射应力波εr(t)和透射应力波εt(t)；

38、步骤s7-2、再根据三波法计算得到三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样在冲击试验过程中的法向应力σ、法向应变ε和应变率随时间t变化的曲线，即σt、ε(t)和

39、步骤s7-3、根据步骤s7-2中的σt、ε(t)和计算节理岩体的动态抗压强度、弹性模量、峰值应变；

40、步骤s7-4、利用一维应力波理论和冲击动力学法计算试样的入射能、反射能、透射能和致裂能量，从而分析当前三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样的抗压强度、弹性模量、峰值应变和致裂能量的动态力学特性。

41、通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

42、1、本发明能在试样制备方面，研究了圆柱体全贯通交叉节理岩体的制备，以避免切割后的试样横截面不是圆形；并且可改变节理圆柱体全贯通交叉节理岩体试样的节理条数和节理倾角，拓展了岩石动力学研究对象的节理结构。

43、2、以往的研究对象多是棱柱状非贯通节理岩体，这种试样也不能加载围压；本发明在实验方面，为了避免岩体试样在加载时节理发生错动，分别设置轴向应力和环向应力的加载速率，并同时缓慢加载以达到各自的目标值。另外，可以通过改变发射装置中的冲击气压值和子弹在炮筒中的位置实现不同的应变率加载。同时可以通过改变轴向压力目标值、环向压力目标值和冲击气压值来分析不同加载工况下节理岩体的动态力学特性。

44、3、本发明设计的圆柱体全贯通节理岩体制备方法和三维动静组合加载实验方式，考虑了岩石动力学实验对象中节理结构的不足，即含不同条数和不同倾角节理的岩体试样，又避免了切割后岩体试样横截面非圆形的问题。同时考虑了不同动静组合加载方式下节理岩体的力学特性试验方法，更够更好的满足实际工程岩体的动态破坏条件，如深埋爆破开挖的隧道围岩，试样制备方式简单，实验操作方式便捷，对揭示隧道等工程围岩在动静组合荷载下的失稳机制具有重要意义。