CN102353762B - 一种节理岩体开挖瞬态卸荷松动模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节理岩体开挖瞬态卸荷松动模拟系统，包括反力墩、节理岩体模型、设置有位移刻度标记的实验台、过渡块垫盒、置于过渡块垫盒上的过渡块、液压站、加载装置、加载装置支撑台和监测系统，其中，加载装置支撑台的外侧和实验台的外侧分别固定有反力墩，实验台的另一侧放置有过渡块垫盒，实验台上表面设置有用来放置节理岩体模型的槽；过渡块（15）为变截面方形柱，且两端截面面积要大于中段截面面积，节理岩体模型的宽、高和过渡块（15）的宽、高相适配；加载装置水平放置于加载装置支撑台上；监测系统用来对模拟过程进行监测。本发明实现了节理岩体模型上荷载的快速卸除，更符合工程中实际的卸荷情况。

Description

一种节理岩体开挖瞬态卸荷松动模拟系统

技术领域

本发明属于岩土工程模型实验装置领域，尤其涉及一种节理岩体开挖瞬态卸荷松动模拟系统。

背景技术

自然界中的岩石，经过长期的构造运动及人为扰动，往往被节理所切割，即形成节理岩体。而在高地应力条件下，开挖扰动将导致岩体的强卸荷和应力重分布，尤其是在节理岩体开挖时，往往表现出节理岩体松动效应。开挖改变了原始节理岩体的几何形状，使开挖面上的初始应力全部或部分卸除，引起节理岩体边界条件和荷载条件的变化，从而可能带来严重的节理岩体稳定或变形控制难题。

然而，在以往对节理岩体开挖瞬态卸荷松动的研究方法，一般是通过理论分析或数值模拟，不能直观的了解到节理岩体开挖瞬态卸荷松动过程中节理岩体的应变、位移及振动情况，而现有的的卸荷实验系统卸荷速率较慢，无法对节理岩体模型上所受荷载进行快速的卸除，故而节理岩体模型在卸荷时应变率较低，不符合工程中实际的卸荷情况。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种节理岩体开挖瞬态卸荷松动模拟系统，能够实现节理岩体模型上荷载的快速卸除，并使得节理岩体模型产生较大应变率，更符合工程中实际的卸荷情况。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种节理岩体开挖瞬态卸荷松动模拟系统，包括：反力墩（22）、节理岩体模型、设置有位移刻度标记的实验台（17）、过渡块垫盒（19）、置于过渡块垫盒（19）上的过渡块（15）、液压站（21）、加载装置（23）、加载装置支撑台（18）和监测系统，

其中，

加载装置支撑台（18）的外侧和实验台（17）的外侧分别固定有反力墩（22），反力墩（22）为整个系统提供反力；

实验台（17）的内侧放置有过渡块垫盒（19），实验台（17）上表面宽边的中间设置有用来放置节理岩体模型的槽，节理岩体模型的宽、高与槽的宽、高相适配；实验台（17）上设置的位移刻度标志，用来测定节理岩体模型各块体的位置和位移；

过渡块（15）为变截面方形柱，且两端截面面积要大于中段截面面积，节理岩体模型的宽、高和过渡块（15）的宽、高相适配；

加载装置包括前置油缸（6A）、后置油缸（6B）和承压法兰（9），前置油缸（6A）与后置油缸（6B）均为双回路油缸，且均水平放置于加载装置支撑台（18）上，加载装置支撑台（18）用以保证加载装置中承压法兰（9）的中心与节理岩体中心在同一水平直线上，前置油缸（6A）的加载端连接有承压法兰（9）用以对过渡块（15）施加压力，其另一端与后置油缸（6B）的加载端固定连接，后置油缸的另一端则固定在加载装置支撑台（18）上用来调节前置油缸（6A）的位置，前置油缸（6A）和后置油缸（6B）均通过高压油管与液压站（21）连接； 

监测系统包括设置在实验台（17）外部的高速摄影仪（10）和计算机（14），设置在节理岩体模型表面的应变计及与其连接的动态应变仪（11）、振动传感器及与其连接的振动信号采集器（12），设置在节理岩体模型内部的加速度传感器及与其连接的加速度信号采集器（13），高速摄影仪（10）、动态应变仪（11）、振动信号采集器（12）、加速度信号采集器（13）均与计算机（14）连；应变计及与其连接的动态应变仪（11）用来测量并记录岩体模型的应变变化，并通过动态应变仪（11）将监测数据传送至计算机（14）；振动传感器及其连接的振动信号采集器（12）用来测量并记录岩体模型的振动速度变化，并通过振动信号采集器（12）将监测数据传至计算机（14）；加速度传感器及与其连接的加速度信号采集器（13）用来测量并记录岩体模型的振动加速度变化，并通过加速度信号采集器（13）将监测数据传至计算机（14）；高度摄影仪（10）用来对实验过程进行高速摄影；计算机（14）接收高速摄影仪（10）、动态应变仪（11）、振动信号采集器（12）、加速度信号采集器（13）传来的数据，存储并分析所采集的实验数据。

上述加载装置支撑台（18）采用混凝土制成。

上述实验台（17）是采用混凝土浇筑制成的一个长方体，其尺寸为：长1.2m、宽0.5m、高0.4m，其上表面宽边的中间设置的槽的尺寸为：长1.0m、宽0.1m、高0.1m。

上述节理岩体模型为采用石膏材料制成，可通过改变石膏配比来改变其弹性模量、泊松比、声波波速等力学参数，从而模拟出不同力学参数的节理岩体。以槽的尺寸长1.0m、宽0.1m、高0.1m为例，节理岩体模型对应的截面尺寸为0.1m×0.1m，其中完整岩体模型为长1.0m、宽0.1m、高0.1m的长方体，单节理岩体模型为1个长0.9m、宽0.1m、高0.1m的长方体和1个长0.1m、宽0.1m、高0.1m的长方体，多节理岩体模型为1个长0.5m、宽0.1m、高0.1m的长方体和5个长0.1m、宽0.1m、高0.1m的长方体。

上述过渡块（15）采用石膏材料制成，过渡块（15）可按照实际所需施加的荷载大小进行设计，包括改变制备材料的参数、形状尺寸及偏心位置，主要功能是在受到缓慢轴向加载时能够在荷载达到预定值时产生脆性断裂，从而模拟地应力瞬态卸荷过程。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明针对以往实验方法无法模拟高速率卸荷的不足，实现了节理岩体模型上荷载的快速卸除，使得节理岩体模型产生较大应变率，更符合工程中实际的卸荷情况；

2、本发明可以实现了对高地应力条件下节理岩体瞬态卸荷过程的模拟，并通过对节理岩体模型在瞬态卸荷松动条件下的应变监测、位移监测、振动监测及高速摄影，探明地应力瞬态卸荷对节理岩体松动的影响，揭示节理岩体在地应力瞬态卸荷松动条件下的力学行为，对了解高地应力瞬态卸荷条件下的岩体松动规律和岩体开挖工程施工有重要意义；

3、本发明的岩体模型采用不同配比的石膏制作，可通过石膏配比改变其弹性模量、泊松比、声波波速等力学参数，从而模拟出不同力学参数的节理岩体；

4、本发明的过渡块采用石膏制作，通过石膏过渡块的尺寸及偏心位置改变控制其破坏过程，达到模拟卸荷时不同的地应力水平；

5、本发明采用高速摄影仪对节理岩体模型的松动过程进行高速摄影记录，采用应变片与动态应变仪对节理岩体模型的应变进行实时记录，采用振动传感器与振动信号采集器可采集节理岩体模型的振动速度变化曲线，采用加速度传感器与加速度信号采集器用于采集节理岩体模型的加速度变化曲线，依据试验台上的刻度可观测节理岩体模型的起始位置；

6、本发明的加载装置中后置油缸可改变前置油缸的位置，从而适应不同尺寸的过渡块，并保证卸荷过程中不会干扰节理岩体模型的运动。

附图说明

图1为本发明具体实施的结构示意图，其中：1—油泵；2—液压站控制系统；3—油箱；4—阀门；5—压力表；6—油缸；7—活塞；8—法兰；9—承压法兰；10—高速摄影仪；11—动态应变仪；12—振动信号采集器；13—加速度信号采集器；14—计算机；15—过渡块；16—节理岩体模型槽；17—实验台；18—加载装置支撑台；19—过渡块垫盒；20—高压油管；21—液压站；22—反力墩；23—加载装置；

图2为监测系统示意图；

图3为完整节理岩体模型示意图；

图4为单节理岩体模型示意图；

图5为多节理岩体模型示意图；

图6为过渡块断面基本形状示意图；

图7为混凝土实验台示意图；

图8为加载装置支撑台示意图；

图9为过渡块垫盒示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1所示，本发明包括：反力墩（22）、节理岩体模型、设置有位移刻度标记的实验台（17）、过渡块垫盒（19）、置于过渡块垫盒（19）上的过渡块（15）、液压站（21）、加载装置（23）、加载装置支撑台（18）和监测系统。

实验台（17）和加载装置支撑台（18）均采用高强度混凝土浇筑而成，如图7~8所示，实验台（17）长1.2m、宽0.5m、高0.4m，在实验台（17）上表面的宽边中间设置有一长1.0m、宽0.1m、高0.1m的槽，用来放置节理岩体模型，节理岩体模型的宽、高与槽的宽、高相适配；实验台（17）上设置有位移刻度标志，用来测定节理岩体模型各块体的位置和位移。

加载装置支撑台（18）的外侧和实验台（17）的外侧分别固定有反力敦，反力敦为整个系统提供反力。实验台（17）的内侧放置有过渡块垫盒（19），过渡块垫盒（19）可以与实验台（17）固定也可以不固定，过渡块垫盒（19）如图9所示。

加载装置包括前置油缸（6A）、后置油缸（6B）和承压法兰（9），前置油缸（6A）与后置油缸（6B）均为双回路油缸，且水平放置于加载装置支撑台（18）上，加载装置支撑台（18）用以保证加载装置中承压法兰（9）的中心与节理岩体中心在同一水平直线上，前置油缸（6A）的加载端连接有承压法兰（9）用以对过渡块（15）施加压力，其另一端与后置油缸（6B）的加载端固定连接，后置油缸的另一端则固定在加载装置支撑台（18）上用来调节前置油缸（6A）的位置，前置油缸（6A）通过高压油管（20A）、（20B）与液压站（21）连接、后置油缸（6B）通过高压油管（20C）、（20D）与液压站（21）连接。 

本具体实施中，前置油缸（6A）与后置油缸（6B）均为双回路油缸，即从内部看，前置油缸（6A）内部空间被活塞分为两个部分（6A1、6A2），后置油缸（6B）内部空间被活塞分为两个部分（6B1、6B2），前置油缸（6A）与后置油缸（6B）通过法兰（8A、8B）连接，后置油缸（6B）的右端通过法兰（8D）与加载装置支撑台（18）固定，法兰（8D、8E）为前置油缸（6A）和后置油缸（6B）提供滑动支撑。

监测系统包括设置在实验台（17）外部的高速摄影仪（10）和计算机（14），设置在节理岩体模型表面的应变计及与其连接的动态应变仪（11）、振动传感器及与其连接的振动信号采集器（12），设置在节理岩体模型内部的加速度传感器及与其连接的加速度信号采集器（13），高速摄影仪（10）、动态应变仪（11）、振动信号采集器（12）、加速度信号采集器（13）均与计算机（14）连；应变计及与其连接的动态应变仪（11）用来测量并记录岩体模型的应变变化，并通过动态应变仪（11）将监测数据传送至计算机（14）；振动传感器及其连接的振动信号采集器（12）用来测量并记录岩体模型的振动速度变化，并通过振动信号采集器（12）将监测数据传至计算机（14）；加速度传感器及与其连接的加速度信号采集器（13）用来测量并记录岩体模型的振动加速度变化，并通过加速度信号采集器（13）将监测数据传至计算机（14）；高度摄影仪（10）用来对实验过程进行高速摄影；计算机（14）接收高速摄影仪（10）、动态应变仪（11）、振动信号采集器（12）、加速度信号采集器（13）传来的数据，存储并分析所采集的实验数据。

图3~5为分别为本具体实施中所采用的完整节理岩体模型、单节理岩体模型和多节理岩体模型的示意图，均采用石膏制成，并且可通过改变石膏配比来改变其弹性模量、泊松比、声波波速等力学参数，从而模拟出不同力学参数的节理岩体。以实验台（17）上表面设置的槽尺寸长1.0m、宽0.1m、高0.1m为例，与该尺寸槽相适配的节理岩体模型的宽和高均为0.1m，其中，完整节理岩体模型尺寸为长1.0m、宽0.1m、高0.1m的长方体；单节理岩体模型可以为1个长0.9m、宽0.1m、高0.1m的长方体和1个长0.1m、宽0.1m、高0.1m的长方体组成，但单节理岩体模型的组合不限于上述组合，只要保证两个块体长度之和为1m即可；多节理岩体模型可以为1个长0.5m、宽0.1m、高0.1m的长方体和5个长0.1m、宽0.1m、高0.1m的长方体组成，单节理岩体模型和多节理岩体模型的组合，但多节理岩体模型的组合不限于上述组合，只要保证多个块体长度之和为1m、且块体数量为节理数量加1即可。

图6为本具体实施中所采用的过渡块断面示意图，其采用石膏制成，形状为变截面方形柱，两端截面面积要大于中段截面面积，节理岩体模型的宽、高和过渡块（15）的宽、高相适配。过渡块（15）可按照实际所需施加的荷载大小进行设计，包括改变制备材料的参数、形状尺寸及偏心位置，主要功能是在受到缓慢轴向加载时能够在荷载达到预定值时产生脆性断裂，从而模拟地应力瞬态卸荷过程。

下面将详细描述本发明的工作过程。

首先，在节理岩体模型内部埋设加速度传感器，在节理岩体模型表面贴上应变计并布置振动传感器，加速度传感器、应变计、振动传感器分别与加速度信号采集器、动态应变仪、振动信号采集器连接；将节理岩石模型放置于试验台上表面的槽中，并与槽内左侧面紧密接触；将对应的过渡块放在过渡块垫盒上，过渡块一侧紧贴节理岩体模型；调整前置油缸到适当位置，以保证卸荷后前置油缸的加载端不至于影响节理岩体模型的位移；安置好高速摄影仪并调整其各项设置；记录节理岩体模型各部分的初始位置，并打开监测系统中所有的装置和设备。

上述调整前置油缸位置的工作原理如下：

通过液压站（21）将液压站油箱（3）中的高压液压油经由高压油管20D送入油缸内部6B2，从而推动活塞7B向外推出，带动前置油缸6A整体向左移动，并将油缸6B1中的液压油经由高压油管20C送回液压站油箱（3）中；同样，通过液压站（21）将液压站油箱（3）中的高压液压油经由高压油管20C送入油缸6B1，从而推动活塞7B 向内收缩，带动前置油缸右移，并将油缸6B2中的液压油经由高压油管20F送回液压站油箱（3）中。因此，可以通过液压站控制活塞7B的伸缩来控制前置油缸的左右移动，从而实现前置油缸位置的调节。

然后，启动液压站（21）对过渡块（15）进行缓慢加载至过渡块（15）脆性断裂后立即停止加载，记录此时液压站（21）中油压表度数和节理岩体模型各块体的最终位置，并利用监测系统中的计算机保存加速度信号采集器、动态应变仪、振动信号采集器的监测数据，根据计算机中的监测数据、过渡块断裂时油压表度数和节理岩体模型各块体的最终位置，对节理岩体模型瞬态卸荷松动过程进行模拟。

上述通过液压站（21）对过渡块（15）进行缓慢加载的工作原理如下：

通过液压站（21）将液压站油箱（3）中的高压液压油经高压油管20B送入油缸6A2，从而推动活塞7A向外伸出，并通过承压法兰9和过渡块15对置于槽16中的节理岩体模型进行加载，并将油缸6A1中的液压油经油管20F送回液压站油箱中，同时观察液压站中的压力表的变化，并通过液压站调节加载速度，对过渡块15进行加载至其脆性断裂后立即关闭液压站中的油泵。

最后，清理破坏后的过渡块，并将各油缸复位。

上述油缸复位的工作原理如下：

通过液压站（21）中将液压站油箱（3）中的高压液压油经高压油管20B送入油缸6A1，从而推动活塞7A向内收缩，带动承压法兰9回到初始位置，并将油缸6A2中的液压油经油管20F送回液压站油箱中，至承压法兰9复位后立即关闭液压站中的油泵。

Claims (6)

1.一种节理岩体开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于，包括：

反力墩（22）、节理岩体模型、设置有位移刻度标记的实验台（17）、过渡块垫盒（19）、置于过渡块垫盒（19）上的过渡块（15）、液压站（21）、加载装置（23）、加载装置支撑台（18）和监测系统，

其中，

加载装置支撑台（18）的外侧和实验台（17）的外侧分别固定有反力墩（22），实验台（17）的内侧放置有过渡块垫盒（19），实验台（17）上表面宽边的中间设置有用来放置节理岩体模型的槽，节理岩体模型的宽、高与槽的宽、高相适配；

过渡块（15）为变截面方形柱，且两端截面面积大于中段截面面积，节理岩体模型的宽、高和过渡块（15）的宽、高相适配；

加载装置包括前置油缸（6A）、后置油缸（6B）和承压法兰（9），前置油缸（6A）与后置油缸（6B）均为双回路油缸，且均水平放置于加载装置支撑台（18）上，前置油缸（6A）的加载端连接有承压法兰（9），其另一端与后置油缸（6B）的加载端固定连接，后置油缸（6B）的另一端则固定在加载装置支撑台（18）上，前置油缸（6A）和后置油缸（6B）均通过高压油管与液压站（21）连接；

监测系统包括设置在实验台（17）外部的高速摄影仪（10）、计算机（14）、动态应变仪（11）、振动信号采集器（12）和加速度信号采集器（13），设置在节理岩体模型表面的应变计和振动传感器，设置在节理岩体模型内部的加速度传感器；动态应变仪（11）与应变计相连，振动信号采集器（12）与振动传感器相连，加速度传感器与加速度信号采集器（13）相连，高速摄影仪（10）、动态应变仪（11）、振动信号采集器（12）、加速度信号采集器（13）均与计算机（14）连接。

2.根据权利要求1所述的节理岩体开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：

所述的加载装置支撑台（18）采用混凝土制成。

3.根据权利要求1所述的节理岩体开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：

所述的实验台（17）采用混凝土制成。

4.根据权利要求3所述的节理岩体开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：

所述的实验台（17）尺寸为长1.2m、宽0.5m、高0.4m，其上表面宽边的中间设置的槽的尺寸为：长1.0m、宽0.1m、高0.1m。

5.根据权利要求1所述的节理岩体开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：

所述的节理岩体模型采用石膏材料制成。

6.根据权利要求1所述的节理岩体开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：

所述的过渡块（15）采用石膏材料制成。

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