深部原位耦合环境下岩石工程扰动力学行为实验测试方法

本发明涉及深部岩石力学试验领域，尤其涉及一种深部原位耦合环境下岩石工程扰动力学行为实验测试方法。

背景技术：

1、受青藏高原强烈构造运动影响，西部构造活跃区活动断裂发育、地应力水平高(如拉月隧道最大推算地应力66mpa)、地热异常区广布(最高可达60-97℃)、高温高压水害突出(川藏铁路廊道出露温泉709个)，这些地区深部工程开挖前围岩经常遭受高地应力、高地温和高孔隙水压等复杂耦合地质环境的影响，深部围岩力学性质将受到持续的影响、灾变风险增加。然而，深埋隧道围岩失稳灾变不仅与深部复杂耦合地质环境直接相关，还将受到施工爆破和开挖等工程开挖扰动的显著影响。在工程开挖扰动影响下，隧道围岩初始原位耦合地质环境和力学平衡被打破并随着开挖推进而动态改变，导致深部工程围岩灾变失稳现象更加频繁。

2、纵观构造活跃区深部工程实践活动历程，深部工程围岩经历了从“开挖前初始原位耦合环境”到“开挖后工程扰动耦合环境”的完整赋存环境演变过程，其失稳致灾过程直接受到深部原位环境(高地应力、高地温和高渗压)和工程扰动两大主要因素的影响，直接沿用传统岩石力学研究中的常规单轴或常规三轴压缩试验获得的是岩石材料本征力学特性(如弹性模量、泊松比、强度等)，未能真实考虑深部围岩原位赋存条件、未能与工程活动直接相关联，较难真实地反映深部围岩工程力学响应和灾变破坏规律。因此，亟需发展一种综合考虑深部原位耦合环境和工程扰动影响的岩石力学行为实验方法，系统揭示不同深度原位工程环境下岩石扰动力学响应和灾变破坏机制。

3、围绕上述主题，现有技术中通过分析3种典型开采条件下工作面支承压力分布规律，率先提出了考虑不同开采扰动应力演化特征的采动岩石力学行为实验模拟方法，揭示了不同开采方式下煤岩真实采动应力场、裂隙场和渗流场的特征差异。受此启发，现有技术中还通过概化三种开挖工法下(全断面钻爆法、分步开挖钻爆法、全断面掘进法)围岩应力演化共性规律，理论推导了掌子面附近应力演化特征的控制方程，提出了基于不同开挖扰动应力路径的岩石力学行为测试方法。

4、尽管现有技术中探索了地下硐室不同开挖条件下围岩扰动应力演化的共性规律，提出了考虑不同开挖方式影响的深部岩石力学行为室内模拟方法，但仅考虑了开挖扰动导致的原位应力演化对围岩力学性质的影响，对于构造活跃区等复杂地质环境下工程开挖过程中围岩内部高温高压水的演化过程缺乏考虑。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种深部原位耦合环境下岩石工程扰动力学行为实验测试方法，本发明能系统地揭示不同深度原位工程环境下岩石扰动力学响应和灾变破坏机制。

2、为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种深部原位耦合环境下岩石工程扰动力学行为实验测试方法，包括以下步骤：

3、s1、选择研究深度，并确定该深度处围岩开挖前的初始原位耦合环境参数；

4、s2、获取深部圆柱形岩石样品，并放置于岩石力学实验系统中；

5、s3、利用岩石力学实验系统的应力、温度和孔隙水压控制子系统，将试样边界条件加载至对应的初始原位耦合环境中；

6、s4、根据研究工程对象的实际开挖方式，利用各个阶段的应力扰动演化控制方程，分别计算开挖扰动过程中的第一应力扰动点、第二应力扰动点、第三应力扰动点和第四应力扰动点处的应力状态；

7、s5、选取圆形洞室工程开挖扰动过程中的代表性研究点，并确定该研究点的分区情况，并通过选择对应开挖方式下孔压演化控制方程中的相关系数，计算开挖后的孔隙水压值；

8、s6、根据第一应力扰动点到第四应力扰动点的应力分量之间的变化量值及其比值，确定围压和轴压的加卸载速率之间的比值关系；

9、s7、根据开挖后的孔隙水压值，结合比值关系，获取第一应力扰动点到第四应力扰动点全过程的总耗时，确定孔隙水压的卸载速率；

10、s8、基于第一应力扰动点到第四应力扰动点的应力值、孔隙水压值以及加卸载速率，对试样同时进行应力和孔压扰动处理；

11、s9、在扰动处理完后，保持第四应力扰动点处的围压、孔压和温度不变，对样品施加轴压至样品破坏，获取综合考虑深部高温高压耦合环境与工程扰动影响的岩石力学行为。

12、本发明的有益效果是：本发明基于工程开挖扰动对围岩力学和渗流特性的影响程度不同，将开挖后隧道围岩分为：软化区、硬化区和弹性区，根据各分区的孔压演化控制方程及恒等关系，可以方便地计算出围岩内部拟研究点开挖前后的孔隙水压值，结合扰动应力实验路径及拟采取的加卸载速率，可以获得原位应力扰动全过程的总耗时，进而计算出工程扰动过程中孔隙水压的线性卸载速率，以实现工程扰动实验模拟过程中深部原位应力和高温孔隙水压的实时同步变化。本发明不仅关注不同开挖方式扰动导致的原位应力演化对岩石力学响应的影响，还全面考虑工程开挖引起深部围岩内部应力和高温高压水的协同演化特征，构建一种全面考虑开挖扰动引起深部原位耦合环境演化的岩石力学行为测试方法，进而在更为接近工程实际的情况下，研究不同深度原位工程环境岩石扰动力学响应和破坏机制差异。

13、进一步地，所述第一应力扰动点处的应力状态的表达式如下：

14、

15、其中，σ1和σ3分别表示最大主应力和最小主应力，λ表示侧压力系数，γ表示上覆岩体容重，h表示埋深；

16、所述第二应力扰动点和第三应力扰动点处的应力状态的表达式如下：

17、

18、其中，σ2表示中间主应力，α表示开挖引起的围岩最大主应力峰值集中系数，λ表示侧压力系数；

19、第四应力扰动点处的应力状态的表达式如下：

20、

21、上述进一步方案的有益效果是：通过上述应力控制方程计算各点处的最大和最小主应力值，利用岩石力学试验设备，将轴压和围压的加卸载速率按照一定比例设置，确保轴压跟围压均同步调整并同时达到关键点的应力状态，在实验室模拟围岩开挖扰动过程中，轴向应力集中与横向应力卸荷同时发生的特性，进而实现岩石力学测试对工程扰动导致的围岩内部应力演化的考虑。

22、再进一步地，所述步骤s5包括以下步骤：

23、s501、选取圆形洞室工程开挖扰动过程中的代表性研究点，并确定该研究点所属分区，其中，分区包括软化区、硬化区和弹性区；

24、s502、根据确定的分区情况，利用各个分区内的孔压演化控制方程，选择对应开挖方式下孔压演化控制方程中的相关系数；

25、s503、根据选择的相关系数，计算开挖后孔隙水压值，其中，所述开挖后孔隙水压值对应于第四应力扰动点。

26、上述进一步方案的有益效果是：通过开挖后不同分区围岩内的孔压演化控制方程以及开挖前的原位孔隙水压，能够快速计算出拟研究点开挖后的孔隙水压值，进而得到开挖扰动全过程导致的孔隙水压衰减值，依据应力扰动总耗时确定孔隙水压的卸载速率，保证了孔隙水压与轴压、围压三者同步且同时完成工程扰动加卸载调整，使得深部岩石力学行为研究对工程扰动引起的深部原位耦合环境变化有了更全面的考虑。

27、再进一步地，所述各个分区内的孔压演化控制方程包括：

28、软化区围岩内部的孔压演化控制方程：

29、

30、其中，表示工程开挖后位于围岩软化区研究点处的孔隙水压值，pw1表示开挖后洞壁处的孔隙水压值，β1表示软化区孔隙水压的线性衰减系数，rd表示研究点距洞壁距离rd与洞室半径的比值；

31、硬化区围岩内部的孔压演化控制方程：

32、

33、其中，表示工程开挖后位于围岩硬化区研究点处的孔隙水压值，pw0表示工程开挖前围压内部的初始孔隙水压值，其与开挖后弹性区围岩内部孔隙水压值相等，β2表示硬化区孔隙水压的线性衰减系数，rp表示工程扰动导致的围岩软化区距离洞壁的深度rp与隧道半径a的比值；

34、针对研究工程区地下水位明确的情况下，弹性区围岩内部的孔隙水压值p'w0表达式如下：

35、p'w0＝ρg(h-h)

36、其中，ρ表示水的密度，g表示重力加速度，h表示深度，h表示地下水位线距离地面的深度；

37、针对研究工程区地下水位不明确的情况下，弹性区围岩内部的孔隙水压值p”w0表达式如下：

38、p”w0＝αwρgh

39、其中，αw表示孔隙压力折减系数；

40、同时，弹性区围岩内部的孔隙水压值存在如下恒等关系：

41、p”'w0＝pw1+β1rs+β2(rp-rs)

42、其中，p”'w0表示开挖后弹性区围岩内部的孔隙水压值，rs表示工程扰动导致的围岩硬化区距离洞壁的深度rs与隧道半径a的比值。

43、上述进一步方案的有益效果是：上述方案根据工程扰动过程中围岩内部孔隙水压的共性演化特征，通过进行不同分区内的分段线性衰减处理，细化了围岩内部距离洞壁不同距离处研究点，由于开挖扰动导致的孔隙水压衰减差异，以便在实验室更加真实地模拟围岩内部的孔压演化情况。

44、再进一步地，所述步骤s7包括以下步骤：

45、s701、根据开挖后的孔隙水压值，结合轴压和围压的比值关系和加卸载速率，计算各阶段应力扰动过程中的耗时；

46、s702、根据应力扰动过程中的耗时，求和得到第一应力扰动点到第四应力扰动点全过程的总耗时；

47、s703、根据第一应力扰动点和第四应力扰动点的孔压差值，除以总耗时，得到孔隙水压的卸载速率。

48、上述进一步方案的有益效果是：本发明通过上述方案有效地保证了孔隙水压与轴压、围压三者同步，且同时完成工程扰动加卸载调整，使得深部岩石力学行为研究对工程扰动引起的深部原位耦合环境变化有了更全面的考虑。