文摘

声发射(AE)特征能反映岩石中裂缝起始和传播的过程。以花岗岩Lalin铁路隧道为例,建立了岩石三维颗粒流数值模型基于PFC(颗粒流代码)。粒子之间的力学性能模拟使用平行键。模拟岩石破裂应力路径使用墙上的粒子的运动流模型。单轴压缩测试的结果在实验室被用来校准中尺度颗粒流模型的力学参数。AE不同围压下岩石变形和破坏的特性被研究。这表明岩石的卸荷方向可能产生强烈的膨胀变形在岩爆;随着围压的增加,明显的膨胀变形和更严重的岩爆发生的可能性;岩石的卸载失败表明,岩爆是一个混合拉伸和剪切的失败,和拉伸裂缝约占70%;AE事件的数量的岩石卸载失败发生在顶部和底部的岩石,然后迅速扩张的中间部分,直到岩石完全破坏; in the process of rock burst, AE rupture strength is relatively concentrated, the number of AE events surge obviously, and the number of AE events in surge period account for more than 80% of all AE events. The results presented herein may be referable in analyzing the mechanism of rock burst.

1。介绍

岩爆的发生密切相关,岩石裂纹的萌生和扩展。AE(声发射)活动可以反映岩石的孔隙度,根据马et al。1),在岩石裂缝的发展(2),并提供重要参考价值的岩爆预警建设。目前,有许多研究岩爆机制使用岩石破裂过程中声发射特性。例如,李et al。3]分析了岩爆倾向之间的关系通过单轴压缩试验和AE特征;田et al。4),分别研究了AE事件的变化规则花岗岩,大理石,和玄武岩在岩石破裂试验;Zhang et al。5]岩爆分为三个阶段使用AE主导频率特性的花岗岩双轴加载破坏过程;苏et al。6花岗岩)进行卸载失败测试的真三轴试验设备,并讨论了岩爆的前体使用声发射振铃计数和失败价值;裴et al。7]对花岗岩进行了单轴循环加载和卸载测试,揭示了岩石AE特征与不同的失败过程中岩爆倾向;翟et al。8]使用AE技术分析的断裂演化花岗岩和玄武岩岩石破裂过程中断裂;楚et al。9)进行了单轴压缩岩石爆破试验的花岗岩深层隧道和讨论AE特征的变化规律结合力学性能;王等人。10)提出了一种多参数协同岩爆估算方法使用AE能量和主导频率熵的综合分析;谭et al。11]讨论岩爆破坏机制基于锚定砂岩单轴压缩破坏过程的声发射特征;王等人。12]探索AE能量的变化特性和事件许多不同的岩石岩爆倾向在单轴压缩变形和失败。

同时,PFC(颗粒流代码)近年来已广泛应用于岩土工程,因为它可以很好地模拟在外力作用下的粒子之间的成键的断裂。例如,周et al。13和Cai et al。14)PFC方法来分析使用AE事件位置的变化规律及断裂强度的过程中岩石单轴压缩下的变形和破坏;Zhang et al。15)进行数值模拟双轴压缩试验的花岗岩利用PFC和分析加载速率和AE事件之间的关系;王等人。16]分析了AE能量的差异之间的拉伸断裂和剪切断裂的砂岩利用PFC方法;王等人。17]研究岩石的力学性能和AE特征利用PFC方法并讨论了岩石的损伤演化规律基于AE特征;刘等人。18]建立了利用PFC和煤岩组合的数值模型研究了不同高度的影响比煤岩组合的AE特征;高et al。19]研究煤炭标本的AE特征在加载和卸载失败和探讨周期性负载AE数的影响;刘等人。20.)建立了岩石颗粒流模型在不同的尺度上基于PFC方法,并讨论了损伤演化规则使用AE特性;基于PFC方法,冯et al。21]的AE特征和失效模式之间的关系有接缝的岩石单轴压缩下不同的倾斜角度;胡锦涛et al。(22]使用PFC岩爆的方法进行数值模拟分析,然后分析了起始和扩展规则骨折。

总之,AE的岩石断裂是一个直观的表示。AE活动可以描述岩石变形和破坏过程的细节。AE特征可以用来描述岩石的断裂和不稳定过程。然而,上述的研究主要集中在AE特征的变化规则岩石装卸的过程中,往往忽略岩爆应力的影响路径和围压在岩石AE特征。因此,花岗岩的单轴压缩试验Lalin铁路隧道。岩石的三维颗粒流模型建立了基于PFC^{3 d}和单轴压缩试验的结果。隧道围岩破裂应力路径的模拟。AE特征在不同围压下岩石变形和破坏的过程进行了研究,然后岩爆机制的探索。

2。建立三维颗粒流模型对岩石

2.1。隧道岩爆特征岩石标本位置

岩石标本被从巴渝隧道沿Larin铁路在中国西部。鲅鱼隧道位于西藏南部的低Sangri-Gacha部分,接近雅鲁藏布江的南岸,与陡峭的地形。入口部分的自然坡45°~ 75°,出口部分的自然坡45°~ 55°,最大埋深2080米,隧道的地面高程站点3260 ~ 5500米。它属于典型的高山峡谷。基岩岩性主要是闪长岩和花岗岩,地质构造复杂。

鲅鱼隧道主要是中、强岩爆。位于岩石标本 鲅鱼隧道的埋深1446.1米、高地应力(最大主应力为49.7 MPa)。在岩爆,雪花的石头从屋顶的左上角(面临的palm),然后一个强大的声音被听到。大量的大石块正迅速从顶部和墙壁的隧道,和石头的厚度达到超过30厘米。岩石在建筑工地,喷粉现象严重和岩爆坑是连续分布,最大冲刷坑深度大于2米。使用水电工程地质调查的代码(建议由国家标准编制组中华人民共和国(23]),强大的岩爆等级确定的水平。

2.2。微观力学参数的校准

以花岗岩在 Lalin铁路隧道为例,直径50毫米的圆柱试样的高度100毫米是由该领域的核心。岩石的颗粒流模型建立了基于PFC^{3 d},粒子的微观力学性能流模型校准使用室内单轴压缩试验的结果。室内单轴压缩试验结果如表所示1。在表1, , ,和表示弹性模量、泊松比和峰值应力。

颗粒流模型的几何尺寸需要与样品的外观大小一致。颗粒流模型的几何参数如表所示2。在表2,和代表粒子的最大和最小半径的颗粒流模型,分别。

初始模型建立的过程中,建立了三面墙基于样品的外观尺寸,包括圆柱墙贴上3模拟加载和卸载围压,和两个面墙壁贴上1和2来模拟测试的底板和顶板加载设备,分别。根据和 ,粒子在封闭空间随机生成三个墙包围。通过控制位置的墙壁,粒子之间的压力释放,达到平衡态。大约11541球和39154名接触者产生形成岩石颗粒流的初始模型。首先仿真需要调用初始模型,然后执行其他操作,以确保所有后续的模拟进行了相同的初始模型条件下,避免粒子分布差异的影响仿真结果的过程中粒子再生。墙3被删除获得颗粒流模型的岩石在单轴压缩荷载下,如图1。

根据实际的重量和体积的6个标本,岩石的密度计算为2806公斤/米³。主要有两种类型的接触模型来描述岩石内部胶结状态,一个是联系债券模型和其他平行债券模型。接触债券模型只能传输力但不时刻,而平行债券模型传播力和时刻,哪个更适合模拟岩石的矿物组件之间的胶凝材料。颗粒流模型加载后,粒子运动相对于彼此,导致力和力矩。粒子上的力和力矩,当拉伸或剪切力超过相应的键的强度,平行键优惠和转化为接触键模式。并行债券模型如图2。

如图2,当平行债券失败和负载不能转让,平行键模型退化接触键模式。平行的债券包含五个重要力学参数:平行键正常的力量 ,平行键剪切强度 ,平行键正常刚度 ,平行键剪切刚度 ,和接触半径 。这些参数可以描述总接触力和总接触的时刻债券模式。裂缝的类型生成的平行键模型由预设控制键参数。当最大拉应力超过了并行债券抗拉强度、拉伸裂纹生成;同时,当最大剪应力超过了平行键剪切强度,剪切裂纹产生。平行债券类似于软弱结构面岩石中自然存在的。

因此,并行债券被用来描述粒子之间的联系。最大轴向应力变形和破坏过程中岩石颗粒流模型在单轴压缩下拍摄的峰值应力 。泊松比计算时使用激进的应变之比和轴向应变轴向应力达到峰值应力的0.8倍。的弹性模量使用轴向应力-应变曲线计算。考虑到宏观和介观力学参数之间的关系24),微观力学参数的标定过程如下:(1)校准的弹性模量。平行键正常的力量和并行债券剪切强度暂时设置为峰值应力(55.99 MPa);标准偏差的平行键正常强度和标准差的平行键剪切强度暂时设置为0;粒子刚度比 是2.5;平行键刚度比 是2.5;平行债券空间设置为0.07毫米;平行债券半径的因素是1.0;的孔隙度的颗粒流模型设置为0.32;粒子摩擦系数是0.5;粒子的最小半径是1.0毫米,而最大半径的比值最小半径的粒子是1.66;的弹性模量平行的债券和弹性模量的粒子都是一样的。根据弹性模量之间的线性相关岩石的颗粒流模型 ,(5.59绩点)的价值被选中(2)泊松比校准。粒子的弹性模量和弹性模量的并行债券都设置为5.59的绩点,和其他参数保持不变。根据泊松比之间的线性相关岩石的颗粒流模型和并行债券刚度比 ,的价值(0.22) 被选中(3)峰值应力校准。的值和平均绩点都设置为5.59。的价值 被设置为2.2。平行键正常的力量和并行债券剪切强度σ_pbt保持平等。根据线性相关性峰值应力的颗粒流模型,(42.40 MPa)的价值被选中。此时,粒子的弹性模量,弹性模量的平行键,平行键刚度比、平行键正常实力,和粘结剪切强度平行,分别5.59的绩点,平均绩点5.59,2.2,42.40 MPa,和42.40 MPa,和其他参数保持不变。因此,计算弹性模量、泊松比和峰值应力岩石的颗粒流模型是平均绩点5.18,0.24,和56.35 MPa,分别。很明显,颗粒流模型的宏观力学参数基本上是接近岩石的测试结果,只需要微调(4)微调的参数。标准偏差的平行键正常强度和标准差平行键剪切强度增加了考虑岩石的非均质性和都设置为5 MPa。微机械参数反复调整减少岩石颗粒流模型和岩石之间的误差macromechanical参数。根据上述方法,在岩石颗粒流模型的mesomechanical参数如表所示3和4

宏观力学参数的仿真结果在单轴压缩荷载下岩石颗粒流模型与实验结果比较,如表所示5。

从表可以看出5,实际的区别和岩石的宏观力学参数的模拟值相对较小。图3显示了岩石试样的应力-应变曲线在实验室测试和模拟测试。

如图4,数值模拟测试曲线与室内测试曲线基本上是一致的。mesomechanical参数的结论,从这个校准获得的颗粒流模型可以作为mesomechanical参数的基本价值观的岩石标本。

2.3。岩爆应力路径模拟

隧道的开挖岩体破坏的原始应力平衡状态,这样迅速的岩体围压降低,轴向压力急剧增加。这时,岩体的应力状态与应力状态的轴向应力增加的情况下没有围压和围压较低。因此,岩石破裂的应力路径可以模拟隧道施工卸围压和轴向压力增加。颗粒流模型的应力路径图所示5。

如图6应力路径的颗粒流模型可以分为四个阶段:I, II, III, IV,围压的对应阶段应用,应用轴向压力,轴向压力增加卸围压时,分别和失败。

阶段我。施加围压设计围压与位移控制方法

第二阶段。保持不变和轴向压缩增加80%的峰值强度在单轴压缩下模拟岩石应变能的积累过程

第三阶段。卸围压而继续增加轴向压力来模拟岩石破裂过程的围岩应力状态的变化

四期。轴向应力迅速下降,标本失败了

3所示。不同围压下岩石的声发射特性

根据上述岩爆应力路径模拟方法、10、20、30、40 MPa的围压力被选为岩石颗粒流模型,分别。轴向加载速度设置为0.2 m / s在围压卸载。轴向或径向应变是积极的在压缩和消极的张力。收缩和消极的体积应变是积极的扩张。图3显示了岩石颗粒流模型的应力-应变曲线的过程中变形和失败在不同围压下。

如图3随着围压的增加,岩石的峰值强度在卸载失败在一定程度上增加。在轴向压力应用阶段,轴向压应变远远大于径向扩张压力。这时,岩石体积应变主要是压缩和应变能积累;在轴向压力增加而卸载围压阶段,径向扩张压力迅速增加,体积应变变化从压缩迅速扩张。扩张速度的径向应变和体积应变的转换速度压缩扩张随着围压的增加而增加;破坏阶段,轴向压力迅速降低,径向应变膨胀率大于轴向应变压缩率和体积应变主要扩张;随着围压的增加,岩石的膨胀在卸载失败明显增加,表明更大的围岩的构造地应力水平,较强的膨胀围岩隧道开挖期间,和岩爆的可能性就越高。

考虑到岩石破裂过程是一个强劲扩张变形的现象引起的隧道墙隧道开挖活动,体积应变的快速扩张的过程中,岩体卸荷失败引起的隧道在高应力区域活动很容易演变成围岩破裂失败。的AE特征岩石颗粒流模型在卸货的过程中失败在不同围压下被分析。AE事件的数量之间的关系和应力-应变岩石断裂如图6。

如图6加载之前,岩石的轴向应力峰值应力的0.8倍,AE活动非常冷静和几个AE事件发生;低围压情况下的(10、20 MPa), AE事件主要发生在围压是完全卸载。这时,岩石的应力状态接近单轴压缩变形失败;对高围压的情况下(30、40 MPa), AE事件主要发生在围压卸载完成,之前和应力状态接近三轴压缩变形失败;围压越大,越多的时间大量的岩石AE事件。此时,这一现象的大量岩石AE事件可能被视为岩石破裂的前兆。因此,岩体隧道开挖过程中在高应力区域,大量的裂缝和AE事件可能发生在围压前的围岩是完全卸载。如果围压足够大,大量的裂缝可能发生在隧道岩石和岩石破裂岩体可能出现即使略受隧道开挖。AE事件的激增在岩爆可能被认为是一个完整的警告。岩爆的高应力区域通常发生在围压是完全卸载。 The greater the confining pressure, the earlier the occurrence time of rock burst and the more sudden it is.

图7显示了应力-应变曲线和裂纹之间的关系在不同围压下岩石断裂的过程。

图7表明在不同围压下,几乎没有裂缝发生前的岩石轴向应力达到峰值应力的0.8倍;当围压接近于零,有许多岩石裂缝;围压越大,越早时岩石开始产生明显的裂缝;卸载失败发生时在不同围压下,拉伸裂纹的增长速度明显高于剪切骨折,骨折和拉伸剪切骨折的两倍。

总之,岩爆失败经常发生在围压卸载完成后在高地应力地区。在岩石破裂过程中,拉伸裂缝占大约70%的骨折,卸载岩爆是一个混合拉伸和剪切裂缝的失败。

为了分析岩石的声发射特性在围压卸载,10 MPa的围压是作为一个例子,岩石的卸荷变形和破坏过程分为四个阶段使用应力-应变曲线和裂纹传播(见图8)。

如图8办公自动化阶段,试样内部裂纹的压实,应变能逐步积累,并且没有明显的裂缝标本;AB的阶段,轴向压力继续增加标本的围压卸载,以及标本逐渐开始产生明显的裂缝;在公元前阶段,当试样的轴向压力继续增加围压卸载是接近于零,多的裂缝开始出现。完全卸载围压和轴向压力继续增加,大量的裂缝开始出现;阶段的CD,然后标本受损,许多裂缝产生。

AE模拟过程中利用PFC,张量是接触力的乘积的和每个元素的变化与断裂和AE事件中心的距离13]。的计算表达式如下: 在哪里是th组件的接触力变化值;是_th组件的接触点之间的距离和AE事件中心;代表了接触的粒子的粒子数量发生了断裂。

考虑到大量的内存需要存储完整的距离张量,最大的标量的时刻用作矩张量为每个AE事件。的计算表达式如下: 在哪里是矩张量矩阵的特征值, 。

AE断裂强度在岩石裂缝是由下面的公式。

图9显示了AE的位置在不同阶段不同围压下的失败。球的颜色和尺寸在图中反映了AE断裂强度的大小。球越大,红颜色,AE断裂的强度就越大。

从图可以看出9,在不同围压下,AE事件的位置扩张规律基本上是一致的过程中岩石围压卸载失败;办公自动化阶段,几乎没有岩石AE事件,和只有少数AE事件出现在岩石的顶部;AB阶段,岩石AE事件开始出现在顶部和底部,从顶部和底部迅速扩大到中间的标本,分别;公元前阶段,试件达到峰值应力,标本形成一个明显的破裂带,和大量的AE事件发生;阶段CD,标本受损,AE断裂强度主要是集中在顶部和中部的标本;围压越大,岩石AE断裂强度越大。

总之,当隧道岩爆的破坏发生在岩石表面,裂纹可能迅速扩大从顶部和底部中间,和岩爆的位置主要集中在中部和顶部。

AE之间的关系在不同围压条件下,岩石断裂强度和AE事件的数量在卸载失败是如图10。

图10表明,AE断裂强度范围从-7.5到-5.5的过程中,不同围压下岩石破裂;随着围压的增加,AE断裂强度增加和AE断裂强度的范围扩大;岩石破裂过程中在不同围压下,AE断裂强度主要集中在-6.5 ~ -6.0的范围,和AE事件的数量比AE事件的总数超过0.8,表明岩石破裂过程中,岩石破裂强度相对集中和AE事件的数量明显增加。

4所示。讨论

(1)岩石细观破裂过程的模拟,如果每个接触断裂之间的粒子被认为是一个AE事件,每个AE断裂强度是一致的,这是不符合实际的岩石破裂。因此,当微裂隙的起始时间和空间是相似的,这些微裂隙的出现被认为是一个AE事件。通过这种方式,一个岩石AE事件可能不仅产生一个裂缝,还多个裂缝。此外,岩石颗粒流模型的故障传播速度外部负载下一半的岩石剪切波速(25),然后AE事件持续时间可以计算。时间的时刻,微裂纹生成当横波,由微裂纹引起的,传播内部微裂纹的边界行动区域被记录 ,和AE事件持续时间是2 T。在AE事件持续时间,如果没有新的微裂纹微裂纹的操作区域,然后AE事件包含一个微裂纹,而如果有一个新的微裂纹,微裂隙被认为属于同一AE事件,和持续时间重新计算和扩展。根据上述方法,AE事件的数量在岩石破裂(2)为了研究岩石的裂纹萌生和传播下的岩爆应力路径,本文仿真结果(图7)比较类似的测试结果(26]。两者之间的相似点和不同点结果然后简述如下(一)仿真和实验结果表明,很少有裂缝在峰值应力前围压卸荷的过程,主要是内部键断裂,大量的裂缝出现在postpeak阶段。岩石的宏观断裂是tension-shear的组合(b)测试结果,当围压小,拉伸裂纹首先出现在侧边的标本,和有更多的拉伸裂缝在失败过程中,当围压大,剪切裂纹首先出现在中间的标本,有更少的失败过程中拉伸裂缝;对于仿真结果,拉伸裂纹首先出现在侧边,标本,还有拉伸裂缝略高于剪切裂缝失效的过程

总之,仿真结果与测试结果类似的岩石破裂形成和断裂生成时间,但也有大的空间位置差异断裂生成和剪切裂缝比拉伸裂缝。这可能是由于岩石原位应力水平不同类型常常有不同的结构特征,从而表现出不同的故障特征。此外,岩石的矿物含量和分布以及原始裂隙也会影响在失败过程中裂纹的起始和扩张。

5。结论

在这部作品中,花岗岩的Lalin铁路隧道被作为一个例子,和岩石的颗粒流模型建立了基于PFC^{3 d}(三维颗粒流代码)。粒子的微观力学参数流模型校准使用单轴压缩测试的结果;岩爆发生的应力路径模拟使用墙壁的粒子的运动流模型;声发射(AE)不同围压下岩石破裂过程的特点进行分析。这表明:(1)岩石破裂的数值模拟结果表明,明显的径向变形和强烈的膨胀变形的岩石是由隧道开挖引起的;围压越大,体积应变的速度转换压缩扩张,并在围岩岩爆的可能性就越大(2)卸载时岩石的失败发生在不同围压下,拉伸裂缝的数量的增长速度明显高于剪切裂缝,和拉伸裂缝的数量是剪切裂缝的两倍,这表明拉伸裂缝生成在卸载岩爆隧道岩石的失败占70%的裂缝,和卸载岩爆失败是一个混合的紧张和剪力主要由张力(3)在不同围压下,AE断裂强度主要集中在-6.5和-6.0之间,AE事件的数量比AE事件的总数超过0.8,这表明,岩石断裂强度相对集中和AE事件的冲击是显而易见的过程中岩石破裂

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

提供的金融支持为研究中国自然科学基金委员会批准号41472254。