[发明专利]一种对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及深部岩体特征科学现象模拟的方法，尤其涉及对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法。

背景技术

深部地下工程涉及矿山、交通、水利水电、核废料的深层地质处置、国家战略能源储备和国家战略防护工程等领域，事关国家安全和国计民生。超过1000米深的地下工程施工和遭受爆炸地冲击扰动，形成在高地应力作用下的“一高两扰动”(高地应力、开挖卸荷扰动、爆炸地冲击扰动)特征，出现的静、动特征科学现象，如分区破裂、岩爆、超低摩擦和摆形波等，现有岩石力学理论无法圆满解释，由此造成深地下工程选址与布局缺少科学依据，深部岩体工程岩爆、分区破裂及大变形带来的灾害预测与防治困难，成为国内外专家学者争相研究的热点和难点。深部“一高两扰动”特征科学现象是亟待突破的重大科学问题。

深部岩体“一高二扰动”特点形成的特征科学现象是高度的非线性力学复杂问题，深部岩体构造特征具有非连续、非均匀、块系构造和含能特点，是复杂的含能地质体，变形破坏特征具有加卸载耦合、动静变形叠加、时空变化相关、破坏状态剧烈的特点，是复杂的非线性力学问题。现有的研究方法中：理论研究难以准确分析，数值分析受本构表征等影响大，现场测试试验受施工影响周期长，目前对于深部岩体缺乏有效的研究手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现高地应力、开挖扰动和爆炸扰动模拟的对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法。

为实现上述目的，本发明的所述方法包括如下步骤：

1)深部岩体应力及爆炸扰动的初始计算

根据深部岩体工程设定的埋深h、开挖直径d、开挖速度V和引起爆炸扰动的当量为Q的地下爆炸，进行深部岩体静态地应力P和等效于爆炸载荷的三角形脉冲载荷的峰值应力P_f的计算，

其中：静态地应力P＝ghρ，g为重力加速度，ρ为岩石密度。

峰值应力p_f＝ρcυ_m，c为介质纵波声速，υ_m为爆炸质点峰值速度，A、n为拟合系数，为比例距离，且r为爆心距，当爆炸扰动发生在非弹性变形区时，且所述三角形脉冲载荷上升沿时间为t_r、三角形脉冲载荷的脉冲周期为^t₊时，存在如下关系：t_r/Q^1/3＝(5～15)ms/kt^1/3、t₊/Q^1/3＝(20～40)ms/kt^1/3，式中：ms为毫秒，kt为爆炸当量；

2)确定相似比尺C；

3)由相似比尺C计算相对于试件的各模拟量

所述模拟量包括：在所述试件上开挖模拟隧道的直径d_s、开挖速度V_s、试件的模拟静态地应力P_si、试件的模拟三角形脉冲载荷峰值应力P_sf和对应于峰值应力P_sf的模拟上升沿时间t_sr、模拟三角形脉冲载荷的脉冲周期t_s+，且：

4)对所述试件施加模拟初始压应力

对所述试件的周侧通过柔性胶囊内液压调整，施以静载压力P_j，P_j＝nP_si，(n＝3～5),加载时间持续1～2周；

5)对所述试件进行开挖卸荷的扰动测试

对施以静载P_j的试件进行模拟隧道直径为d_s、开挖速度为V_s的模拟隧道的模拟开挖，在模拟隧道开挖完成后，检测隧道壁面的应力、应变和位移变化

6)对所述试件进行爆炸冲击的扰动测试

通过对所述试件施加模拟上升沿时间为t_sr、模拟脉冲周期为t_s+的三角形脉冲载荷，以模拟爆炸冲击载荷，以检测三角形脉冲载荷施加后隧道壁面的应力、应变和位移变化。

所述对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法的进一步设计在于，所述试件是由相似材料制成，且形状为矩形体。

所述对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法的进一步设计在于，所述测试试件由事先制作好的隧道实体试件预埋于对应模具中，再用相似材料进行浇铸并经固化形成。