研究多应力状态下节理岩体动态力学特性的实验方法

1.一种研究多应力状态下节理岩体动态力学特性的实验方法，其特征在于：本实验方法是利用分离式霍普金森压杆系统结合加载系统进行，本实验方法以分离式霍普金森压杆系统的加载室为原点，分离式霍普金森压杆长度方向作为X轴、分离式霍普金森压杆宽度方向作为Y轴、分离式霍普金森压杆高度方向作为Z轴，建立三维坐标系；加载系统能够分别从X轴、Y轴、Z轴三个方向对加载室内物体进行加载；本实验方法具体包括以下步骤：步骤S1、制备立方体全贯通交叉节理岩体试样在现场选取岩石材料，进行竖直方向和水平方向上的切割，然后取芯，将取得的含有竖直方向和水平方向切割缝的岩体作为立方体全贯通交叉节理岩体试样；步骤S2、根据现场工况选取对应的试验方式进行多应力状态下节理岩体动态力学特性的实验，现场工况分两种：第一种工况为掘进后的区域，第二种工况为未掘进的区域；试验方式分两种：第一种试验方式为双轴试验，第二种试验方式为三轴试验；若当前工况为第一种工况时，采取第一种试验方式，进行步骤S3；若当前工况为第二种工况时，采取第二种试验方式，进行步骤S4；步骤S3、进行双轴试验双轴试验包括双轴动静组合加载试验和双轴卸荷冲击试验；若当前工况为隧道掌子面爆破时，掌子面后方有震动效果的隧道侧壁的位置，则进行步骤S3-1双轴动静组合加载试验，获取所需的全贯通交叉节理岩体破坏程度和应变率；若当前工况为隧道掌子面爆破时，临近掌子面后方由于爆破产生岩块脱落或损伤的隧道侧壁位置，则进行步骤S3-2双轴卸荷冲击试验，获取所需的全贯通交叉节理岩体破坏程度和应变率；步骤S4、进行三轴试验三轴试验包括三轴动静组合加载试验和三轴卸载冲击试验；若当前工况为隧道掌子面爆破时，掌子面前方有震动效果但岩体未遭到破坏的未开挖岩体，则进行步骤S4-1三轴动静组合加载试验，获取所需的全贯通交叉节理岩体破坏程度和应变率；若当前工况为隧道掌子面爆破时，掌子面前方有震动效果且产生岩体爆破或损坏的岩体，则进行步骤S4-2三轴卸载冲击试验，获取所需的全贯通交叉节理岩体破坏程度和应变率；步骤S5、数据分析分别依据步骤S3-1、步骤S3-2、步骤S4-1、步骤S4-2中获取的所需的全贯通交叉节理岩体破坏程度和应变率，得到对应的分离式霍普金森压杆系统的入射波、反射波和透射波，然后分别分析全贯通交叉节理岩体的抗压强度、弹性模量、峰值应变，从而分别对双轴动静组合加载试验、双轴卸荷冲击试验、三轴动静组合加载试验、三轴卸载冲击试验下全贯通交叉节理岩体动态力学特性进行研究。 2.根据权利要求1所述的研究多应力状态下节理岩体动态力学特性的实验方法，其特征在于：步骤S1包括以下制备步骤：步骤S1-1、制备岩体试样：步骤S1-1-1、在现场选取岩石材料；步骤S1-1-2、将步骤S1-1-1中选取的岩石材料切割成一块呈立方体的岩体试样；步骤S1-2、制备粘结试样：步骤S1-2-1、将步骤S1-1-2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；步骤S1-2-2、从含有垂直节理组的位置沿垂直方向进行取芯；步骤S1-2-3、利用透明胶带，将步骤S1-2-2中取出的岩芯粘结组合在一起形成粘结试样；步骤S1-3、制备立方体全贯通交叉节理岩体试样：步骤S1-3-1、从靠近步骤S1-2-3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；步骤S1-3-2、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；步骤S1-3-3、从靠近经步骤S1-3-2切割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，形成立方体全贯通交叉节理岩体试样；步骤S1-4、对立方体全贯通交叉节理岩体试样进行加工：步骤S1-4-1、利用透明胶带，将步骤S1-3-3制备的立方体全贯通交叉节理岩体试样外围粘结包裹起来；步骤S1-4-2、对步骤S1-4-1中包裹后的立方体全贯通交叉节理岩体试样进行打磨。 3.根据权利要求2所述的研究多应力状态下节理岩体动态力学特性的实验方法，其特征在于：步骤S1-4-2中打磨后的立方体全贯通交叉节理岩体试样每个面的不垂直度和不平行度均小于0.02mm。 4.根据权利要求3所述的研究多应力状态下节理岩体动态力学特性的实验方法，其特征在于：步骤S3-1双轴动静组合加载试验，具体包括以下试验步骤：步骤S3-1-1、在步骤S1中制备的立方体全贯通交叉节理岩体试样表面制作DIC散斑，然后放入加载室；步骤S3-1-2、设定分离式霍普金森压杆系统X轴、Y轴的恒定加载速率、轴向静态预应力目标值；步骤S3-1-3、根据步骤S3-1-2中设定的恒定加载速率，进行加载，直至达到步骤S3-1-2设定的目标值；步骤S3-1-4、监测立方体全贯通交叉节理岩体试样破坏过程的表面散斑；步骤S3-1-5、设定分离式霍普金森压杆系统的发射装置的冲击气压和子弹在炮筒中的位置；步骤S3-1-6、利用发射装置对立方体全贯通交叉节理岩体试样开展动静组合加载试验，记录每次冲击的子弹速度，通过改变冲击气压的大小或子弹在炮筒中的位置以获取所需的全贯通交叉节理岩体破坏程度和应变率。 5.根据权利要求4所述的研究多应力状态下节理岩体动态力学特性的实验方法，其特征在于：步骤S3-2双轴卸荷冲击试验，具体包括以下试验步骤：步骤S3-2-1、在步骤S1中制备的立方体全贯通交叉节理岩体试样表面制作DIC散斑，然后放入加载室；步骤S3-2-2、设定分离式霍普金森压杆系统X轴、Y轴的恒定卸载速率、轴向静态预应力目标值；步骤S3-2-3、根据步骤S3-2-2中设定的恒定卸载速率，进行卸荷；步骤S3-2-4、监测立方体全贯通交叉节理岩体试样破坏过程的表面散斑；步骤S3-2-5、设定分离式霍普金森压杆系统的发射装置的冲击气压和子弹在炮筒中的位置；步骤S3-2-6、在卸载目标值到零之前，利用发射装置对立方体全贯通交叉节理岩体试样开展双轴卸荷冲击试验，记录每次冲击的子弹速度，通过改变冲击气压的大小或子弹在炮筒中的位置以获取所需的全贯通交叉节理岩体破坏程度和应变率。 6.根据权利要求5所述的研究多应力状态下节理岩体动态力学特性的实验方法，其特征在于：步骤S4-1三轴动静组合加载试验，具体包括以下试验步骤：步骤S4-1-1、将步骤S1中制备的立方体全贯通交叉节理岩体试样放入加载室；步骤S4-1-2、设定分离式霍普金森压杆系统X轴、Y轴、Z轴的恒定加载速率、轴向静态预应力目标值；步骤S4-1-3、根据步骤S4-1-2中设定的恒定加载速率，进行加载，直至达到步骤S4-1-2设定的目标值；步骤S4-1-4、设定分离式霍普金森压杆系统的发射装置的冲击气压和子弹在炮筒中的位置；步骤S4-1-5、利用发射装置对立方体全贯通交叉节理岩体试样开展三轴动静组合加载试验，记录每次冲击的子弹速度，通过改变冲击气压的大小或子弹在炮筒中的位置以获取所需的全贯通交叉节理岩体破坏程度和应变率。 7.根据权利要求6所述的研究多应力状态下节理岩体动态力学特性的实验方法，其特征在于：步骤S4-2三轴卸载冲击试验，具体包括以下试验步骤：步骤S4-2-1、将步骤S1中制备的立方体全贯通交叉节理岩体试样放入加载室；步骤S4-2-2、设定分离式霍普金森压杆系统X轴、Y轴、Z轴的恒定卸载速率、轴向静态预应力目标值；步骤S4-2-3、根据步骤S3-2-2中设定的恒定卸载速率，进行卸荷；步骤S4-2-4、设定分离式霍普金森压杆系统的发射装置的冲击气压和子弹在炮筒中的位置；步骤S4-2-5、在卸载目标值到零之前，利用发射装置对立方体全贯通交叉节理岩体试样开展三轴卸荷冲击试验，记录每次冲击的子弹速度，通过改变冲击气压的大小或子弹在炮筒中的位置以获取所需的全贯通交叉节理岩体破坏程度和应变率。