一种基于3D打印节理岩石的爆破参数确定方法

一种基于3d打印节理岩石的爆破参数确定方法
技术领域
1.本发明涉及隧道爆破施工技术领域，尤其涉及一种基于3d打印节理岩石的爆破参数确定方法。


背景技术：

2.由于钻孔爆破法适用性强、技术成熟且造价较低，铁路、公路及地铁等岩质隧道主要以钻孔爆破法为主，其中以光面爆破技术应用最为广泛。如何在爆破开挖过程中最大限度的降低围岩爆破损伤的影响，减少超欠挖和保证围岩稳定是隧道爆破施工的基本问题。
3.天然岩体中含有大量的节理、裂隙、断层等缺陷，导致了岩体力学参数的劣化，使岩体具有典型的非连续性和显著的各向异性，地质条件中以节理裂隙对岩体爆破效果的影响最为显著。若光面爆破参数设计对围岩地质条件认识不足，爆炸能量传播的不均匀性必然引起爆后围岩损伤大、超欠挖等现象。
4.同时，研究节理对爆破的影响一般需要借助室内和现场试验，虽然天然岩样具备真实岩石的各项物理力学性质，但其制样工序复杂、效率低，尤其对于非完整、非均质试样，节理裂隙形状和加工精度难以控制，试样相似性、均一性得不到保障。而3d打印技术的出现，给解决上述岩石力学试验对象来源问题带来了新的思路。运用3d打印技术可以制作出与自然界岩石高度相似的类岩石材料模型，且可以根据需要制备含内部缺陷和节理的模型，能够快速准确地批量复制，离散型低，这给岩石力学试验带来了极大的便利。
5.而现阶段，同时考虑地质条件和爆破荷载作用的复杂性，隧道炮孔总数量、分布、总装药量、单孔装药量、装药结构及装药不耦合系数等爆破参数优选问题，尚未形成系统的理论。不同隧道断面形式和大小、围岩条件下会存在炮眼间距和装药量等参数的变化，然而隧道爆破技术人员多依据工程经验和工程类比等方法设置爆破参数，未能将爆破参数与节理裂隙等围岩情况相匹配，从而使得爆破效果欠佳。因此，亟需一种考虑围岩节理特征的爆破参数确定方法，为工程的爆破设计提供科学依据。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是，基于3d打印技术和岩石室内试验，提供一种考虑围岩节理密度特征的爆破参数确定方法，保证光面爆破效果。
7.本发明提供了一种基于3d打印节理岩石的爆破参数确定方法，包括以下步骤：
8.步骤一、根据地质调查获取现场围岩节理特征信息；
9.步骤二、根据围岩节理特征信息，基于monte-carlo方法生成不同节理密度的立三维离散节理裂隙网络模型，并用三维建模软件得到含节理裂隙网络的节理裂隙岩石数字模型；
10.步骤三、基于节理裂隙岩石数字模型，制作含不同节理密度的离散裂隙岩石；
11.步骤四、开展shpb试验探究节理密度对离散裂隙岩石动态强度的影响规律，得到节理校正系数与节理密度的关系式；
12.基于应力波传播理论和岩石应力波衰减规律确定距爆源r处的径向σr和切向应力σ
θ
；
13.步骤五、根据距爆源r处的切向应力情况，结合节理校正系数计算爆破裂隙区的半径，根据应力波和爆破气体共同作用理论确定炮眼间距。
14.可选的，步骤一中所述的围岩节理特征信息包括节理倾角、倾向、迹长和间距。
15.可选的，所述的围岩节理特征信息的获取过程具体如下：
16.s1.1、设通过掌子面地质素描划分优势节理组后得到两个优势节理组，记录所得到的两个优势节理组内所有围岩节理特征信息；
17.s1.2、采用origin软件分别画出两个优势节理组内所有围岩节理特征信息的频率分布直方图和概率分布曲线，并基于该频率分布直方图和概率分布曲线得到其几何参数统计特征。
18.可选的，步骤二中所述的节理裂隙岩石数字模型的获得过程具体如下：
19.s2.1、以步骤一中的节理几何参数统计特征为三维离散节理裂隙网络模型生成的依据，利用3dec软件中基于monte-carlo方法的dfn模型建立三维离散节理裂隙网络模型；
20.s2.2、将生成的三维离散节理裂隙网络模型导出至rhino 6三维建模软件中，在rhino 6三维建模软件中生成岩石基体整体模型并将裂隙网络全部包含在内，再进行布尔运算；
21.s2.3、将运算后的三维离散节理裂隙网络模型和岩石基体整体模型缩放至符合试验要求的大小，形成最终的节理裂隙岩石数字模型。
22.可选的，步骤三中所述含不同节理密度的离散裂隙岩石的制作过程具体如下：
23.s3.1、将由步骤二中得到的节理裂隙岩石数字模型转化为stl格式并导入至3d打印机中，生成选取石膏粉作为打印材料且含随机节理裂隙的节理岩石；
24.s3.2、将生成的节理岩石表面的残余粉末清除，并在45℃-60℃的干燥箱中通风干燥放置5-10天，使其充分固化成型，得到含不同节理密度的离散裂隙岩石。
25.可选的，步骤四中得到所述节理校正系数与节理密度的关系式的具体过程如下：
26.采用节理岩石开展shpb劈裂试验，根据一维应力波传播理论，得到质点受力σ和质点速度v的关系为：
27.σ＝ρcv
28.其中，ρ为介质密度，c为介质中的一维纵波传播速度；
29.故，定义节理校正系数k为不同节理密度岩石动态抗拉强度σ
ti
与完整岩石动态抗拉强度σ
t0
的比值，则有：
30.k＝σ
ti
/σ
t0
31.其中，节理校正系数k取值在0-1之间；
32.定义节理密度jv为单位体积内节理的面积，通过试验结果和上式确定各节理密度下的k值，再拟合得到节理密度jv和节理校正系数k的连续变化曲线：
[0033][0034]
其中，k0为节理的抗拉强度与完整岩石动态抗拉强度的比值，a1为应变率修正系数，s为节理组的间距。
[0035]
可选的，步骤四中基于应力波传播理论和岩石应力波衰减规律计算距爆源r处的
径向应力σr和切向应力σ
θ
：
[0036][0037]
σ
θ
＝bσr[0038]
其中：σ0为初始作用在孔壁上的应力，r0为炮孔半径，α为应力波衰减系数，b为岩体的侧压力系数。
[0039]
可选的，步骤五中所述爆破裂隙区半径的计算过程具体如下：
[0040]
切向应力作用下岩体拉伸破坏满足σ
θ
≥σ
td
，σ
td
为岩体的动态抗拉强度，因此爆破破裂区半径r的计算为：
[0041][0042]
其中，p0为炮孔壁的初始冲击应力；
[0043]
根据应力波和爆破气体共同作用的理论，爆破孔之间贯通裂纹的形成条件是：
[0044]
2rbpb＝(d
p-2r)kσ
td
[0045]
故可求得炮眼间距为：
[0046]dp
＝2(r rbpb/kσ
td
)
[0047]
其中，d
p
为炮眼间距，rb为炮孔半径，pb为爆轰气体产生的平均压力。
[0048]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0049]
(1)本发明提出基于3d打印节理岩石的爆破参数确定方法，考虑了围岩节理密度的影响，将围岩节理特征和爆破荷载作用的复杂性相结合，使得爆破参数(爆眼间距)与围岩情况更加匹配，对于现场爆破设计和施工具有重要指导意义。
[0050]
(2)本发明结合3d打印技术制备含节理裂隙的岩样，所生成的试样不局限于单个或简单形式的节理岩样，并且可以批量复制，且与传统钻芯取得的岩样相比试验数据离散性低。
[0051]
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0052]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0053]
图1是本实施例中一种基于3d打印节理岩石的爆破参数确定方法的流程示意图；
[0054]
图2是本实施例中隧道掌子面照片及素描图；
[0055]
图3是本实施例中其中一个节理组的倾向频率分布直方图和概率分布曲线；
[0056]
图4(a)是本实施例中节理密度等于2mm2/mm3的三维离散节理裂隙网络模型；
[0057]
图4(b)是本实施例中节理密度等于4mm2/mm3的三维离散节理裂隙网络模型；
[0058]
图4(c)是本实施例中节理密度等于6mm2/mm3的三维离散节理裂隙网络模型；
[0059]
图4(d)是本实施例中节理密度等于8mm2/mm3的三维离散节理裂隙网络模型；
[0060]
图5是本实施例中节理裂隙岩石数字模型示意图。
具体实施方式
[0061]
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0062]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本发明的技术领域技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
[0063]
本实施例：
[0064]
参见图1所示，本发明所提供的一种基于3d打印节理岩石的爆破参数确定方法，包括以下步骤：
[0065]
步骤一、根据地质调查获取现场围岩节理特征信息；
[0066]
所述的围岩节理特征信息包括节理倾角、倾向、迹长和间距。针对围岩节理特征信息用相应的概率分布模型进行描述，即为节理倾角的符合正态分布、倾向符合正态分布、迹长符合对数指数分布、间距符合负指数分布。
[0067]
根据地质调查获取现场围岩节理特征信息的具体过程如下：
[0068]
s1.1、设通过掌子面地质素描(掌子面地质素描图如图2所示)划分优势节理组后得到两个优势节理组，记录所得到的两个优势节理组内所有围岩节理特征信息；
[0069]
s1.2、采用origin软件(图像可视化和数据分析软件)画出其中一个优势节理组内所有围岩节理特征信息的频率分布直方图和概率分布曲线(如图3为其中一个优势节理组的倾向频率分布直方图与概率密度曲线)；
[0070]
s1.3、得到其中1个节理组的几何参数统计特征如表1所示(几何参数统计特征值在得到上述概率分布直方图和概率分布曲线后，即可自动算出具体值)：
[0071]
表1节理几何参数统计特征表
[0072]
特征参数倾向/
°
倾角/
°
间距/m迹长/m分布形式正态分布正态分布负指数分布对数正态分布均值108.0350.820.531.21标准差10.476.40.890.67
[0073]
步骤二、根据围岩节理特征信息，基于monte-carlo方法生成不同节理密度的立三维离散节理裂隙网络模型，并用三维建模软件得到含节理裂隙网络的节理裂隙岩石数字模型；
[0074]
s2.1、以步骤一中的节理几何参数统计特征为三维离散节理裂隙网络模型生成的依据，利用3dec软件(3dimension distinct element code，三维离散单元法程序)中基于monte-carlo方法(蒙特卡罗方法)的dfn模型建立三维离散节理裂隙网络模型(如图4(a)-图4(d)所示)；
[0075]
s2.2、将生成的三维离散节理裂隙网络模型导出至rhino 6三维建模软件(rhino 6三维建模软件为现有技术)中，在rhino 6三维建模软件中生成岩石基体整体模型并将裂隙网络全部包含在内，再进行布尔运算；
[0076]
s2.3、将运算后的三维离散节理裂隙网络模型裂隙网络(同上述的三维离散节理裂隙网络)和岩石基体整体模型缩放至符合试验要求的大小，形成最终的节理裂隙岩石数字模型。
[0077]
步骤三、基于围岩的节理特征信息，制作含不同节理密度的离散裂隙岩石(如图5所示)；具体过程如下：
[0078]
s3.1、将节理裂隙岩石数字模型转化为stl格式并导入至3d打印机中，生成含随机节理裂隙的节理岩石；具体的，节理岩石为符合试验要求的标准圆柱试样，其直径50mm、高度50mm，且为考虑到更好地模拟岩石抗拉强度的需求，宜选取石膏粉作为打印材料。
[0079]
s3.2、节理岩石生成后将其表面的残余粉末清除，并在45摄氏度的干燥箱中通风干燥放置7天，使其充分固化成型，得到含不同节理密度的离散裂隙岩石。
[0080]
步骤四、采用步骤二中制作的节理岩石开展shpb劈裂试验，根据一维应力波传播理论，得到质点受力σ和质点速度v的关系为：
[0081]
σ＝ρcv
[0082]
其中，ρ为介质密度，c为介质中的一维纵波传播速度；
[0083]
故，定义节理校正系数k为不同节理密度岩石动态抗拉强度σ
ti
与完整岩石动态抗拉强度σ
t0
的比值，则有：
[0084]
k＝σ
ti
/σ
t0
[0085]
其中，节理校正系数k取值在0-1之间。
[0086]
定义节理密度jv为单位体积内节理的面积，通过试验结果和上式确定各节理密度下的k值，再拟合得到节理密度jv和节理校正系数k的连续变化曲线：
[0087][0088]
其中，k0为节理的抗拉强度与完整岩石动态抗拉强度的比值，a1为应变率修正系数，s为节理组的间距，通过拟合得到k0和a1(具体的，k0和a1是通过节理密度jv和节理校正系数k的拟合曲线后自动显示这两个参数的拟合值)。
[0089]
步骤五、基于应力波传播理论和岩石应力波衰减规律计算距爆源r处的径向应力σr和切向应力σ
θ
：
[0090][0091]
σ
θ
＝bσr[0092]
其中：σ0为初始作用在孔壁上的应力，r0为炮孔半径，α为应力波衰减系数，b为岩体的侧压力系数，b＝u/(1-μ)，α＝2-b，u为动泊松比。
[0093]
步骤六、计算爆破裂隙区的半径，根据应力波和爆破气体共同作用理论确定炮眼间距；
[0094]
切向应力作用下岩体拉伸破坏满足σ
θ
≥σ
td
，σ
td
为岩体的动态抗拉强度，因此爆破破裂区半径r的计算为：
[0095][0096]
根据应力波和爆破气体共同作用的理论，爆破孔之间贯通裂纹的形成条件是：
[0097]
2rbpb＝(d
p-2r)kσ
td
[0098]
故可求得炮眼间距为：
[0099]dp
＝2(r rbpb/kσ
td
)
[0100]
其中：d
p
为炮眼间距，rb为炮孔半径，p0为炮孔壁的初始冲击应力，pb为爆轰气体产
生的平均压力。
[0101]
根据现场实际的节理密度情况，确定节理校正系数k的取值，再带入上式中即可求得考虑围岩节理密度特征的炮眼间距。
[0102]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。