CN105865907A - 一种用于动力扰动型岩爆模拟的真三轴试验夹具 - Google Patents
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Abstract
一种用于动力扰动型真三轴岩爆试验的岩样夹具，该夹具的左压板与岩样的接触面上开有用于放置应变片的应变片槽，应变片槽中开有应变片线通孔，所述右压板与岩样的接触面上开有水平扰动杆安装通孔，水平扰动杆安装在水平扰动杆安装通孔中，所述顶压板开有竖直扰动杆安装通孔，竖直扰动杆安装在竖直扰动杆安装通孔中，所述顶压板、底压板、左压板、右压板和后压板分别安装岩样的顶面、底面、左侧、右侧以及后侧，并由安装在螺孔中的普通螺钉和U形头螺钉连接组装成一个单面临空的框架。利用真三轴压力推头通过夹具给立方体岩样的三个方向的五个表面传递均匀面压力，模拟地下洞室开挖后洞壁上的围岩单元的“单面临空、三向五面”的受压应力状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石力学真三轴试验的试样夹具，用于动力扰动型岩爆模拟的真三轴试验，属于岩石力学试验技术领域。
背景技术
近年来，国内外的矿山、水利水电工程、交通隧道、国防防护工程、核废料埋设等地下工程向深部不断扩展。在深部岩体开挖过程中，常遇到岩爆灾害问题。岩爆是指岩体中聚积的弹性变形势能在开挖扰动条件下突然猛烈释放从而导致岩体碎块爆裂并以一定初速度弹射出来的地质灾害现象。岩爆可分为应变型岩爆与动力扰动型岩爆两大类型。应变型岩爆是指高地应力岩体由于开挖卸荷引起的应力集中超过围岩的承载能力导致岩体积蓄的弹性应变能急剧释放的岩爆。动力扰动型岩爆是指开挖前地质构造运动或开挖后切向应力集中作用而存储大量弹性应变能的岩体在工程爆破、机械振动、地震波等外界动力扰动作用下触发的岩爆。动力扰动型岩爆的发生具有随机性、滞后性和突然性等三个特点，可导致深部地下岩体工程施工中人员的伤亡、开挖设备的毁坏和工期的拖延，从而造成重大经济损失。
当前，动力扰动型岩爆的发生机理尚不清楚，导致岩爆预测问题成为了世界性难题，迫切需要通过室内岩石力学试验来揭示其发生机理。与单轴、常规三轴、真三轴等常规试验相比较，考虑单面临空的真三轴试验可以更好地模拟地下洞室开挖后临空面附近围岩单元的受力状态，并可实现岩爆碎块弹射过程的观测，该类型试验将成为岩爆室内试验的一种发展趋势。
地下洞室开挖后，岩体出现临空面，而临空面附近围岩单元的受力状态从三向六面应力状态转化为三向五面应力状态，当逐渐增大的切向应力超过岩体承载力时将导致应变型岩爆的发生，当切向应力不超过但接近于岩体承载力时，动力扰动通过应力波可触发动力扰动型岩爆。岩爆发生时，岩石碎块通过临空面向洞内猛烈弹射。因此，与真三轴压缩试验利用夹具将立方体岩样进行三向六面包围不同，真三轴岩爆试验需要岩样在三向受力的条件下至少出现一个临空面。
申请号为CN201110099596.1的专利介绍了一种环状骨架的真三轴试验岩样装置，该夹具适用于油压加载试验机的加载，无法适用于刚性推头压力加载。
申请号为CN201310178266.0的专利介绍了一种可进行真三轴力学试验的夹具装置，该模型无法实现单面临空、三向五面受力且一向扰动荷载等基本受力条件下的动力扰动型岩爆的模拟。为了利用真三轴试验机在室内再现动力扰动性岩爆，需要开发新的岩样夹具，以实现保持单面临空、三向五面加载轴向力且施加扰动荷载等三个特殊条件下的真三轴岩爆试验。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于动力扰动型岩爆模拟的真三轴试验夹具。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
一种用于动力扰动型真三轴岩爆试验的岩样夹具，包括顶压板、底压板、左压板、右压板、后压板、水平扰动杆、竖直扰动杆、若干个普通螺钉以及若干个U形头螺钉，
所述左压板与岩样的接触面上开有用于放置应变片的应变片槽，应变片槽中开有应变片线通孔，
所述右压板与岩样的接触面上开有水平扰动杆安装通孔，水平扰动杆安装在水平扰动杆安装通孔中，
所述顶压板与岩样的接触面上开有竖直扰动杆安装通孔，竖直扰动杆安装在竖直扰动杆安装通孔中，
所述顶压板、底压板、左压板、右压板以及后压板的四周侧面均设有螺孔，
所述顶压板、底压板、左压板、右压板和后压板分别安装岩样的顶面、底面、左侧、右侧以及后侧，并由安装在螺孔中的普通螺钉和U形头螺钉连接组装成一个单面临空的框架。
进一步的，所述普通螺钉和U形头螺钉的具体安装结构如下：所述普通螺钉位于U形头螺钉的头部U形槽中，U形头螺钉和普通螺钉中的一个安装在顶压板和底压板四周的螺孔中，另一个安装在左压板、右压板和后压板顶面和底面螺孔中。
进一步的，
所述普通螺钉和U形头螺钉的具体安装结构如下：
所述U形头螺钉安装在顶压板和底压板的左侧面、右侧面和后侧面的螺孔中，普通螺钉安装在左压板、右压板和后压板顶面和底面螺孔中，普通螺钉位于U形头螺钉的头部U形槽中。
进一步的，
所述普通螺钉和U形头螺钉的具体安装结构如下：
所述左压板底面螺孔中安装有普通螺钉，左压板顶面螺孔中安装有U形头螺钉，
所述顶压板左侧面螺孔中安装有普通螺钉，顶压板右侧面螺孔中安装有U形头螺钉，
所述右压板顶面螺孔中安装有普通螺钉，右压板底面螺孔中安装有U形头螺钉，
所述底压板右侧面螺孔中安装有普通螺钉，底压板左侧面螺孔中安装有U形头螺钉，
所述后压板顶面和底面螺孔中安装有普通螺钉，顶压板后侧面和底压板后侧面螺孔中安装有U形头螺钉，在位置相对应的一组中，普通螺钉安装在U形头螺钉的头部U形槽中。
进一步的，
所述顶压板、底压板、左压板、右压板以及后压板分别为岩样的顶面、底面、左侧面、右侧面以及后侧面的形状一致，各侧压板超过百分之九十五的面积覆盖岩样对应面面积，且安装时，顶压板、底压板、左压板、右压板和后压板分别位于岩样顶面、底面、左侧面、右侧面和后侧面的正中央。
进一步的，
所述顶压板左边缘和前边缘与岩样顶面左边缘和前边缘平齐，
所述底压板右边缘和后边缘与岩样底面右边缘和后边缘平齐，
所述左压板下边缘和前边缘与岩样左侧面下边缘和前边缘平齐，
所述右压板上边缘和后边缘与岩样右侧面上边缘和后边缘平齐，
所述后压板上边缘和左边缘与岩样右侧面上边缘和左边缘平齐。
进一步的，所述顶压板和底压板与岩样接触面的相对面的中心设有确保夹具置于加载平台的中央顶定位孔和底定位孔。
本发明取得了以下技术效果：
本发明通过上述的技术方案，可以实现利用真三轴压力推头通过夹具给立方体岩样的三个方向的五个表面传递均匀压力，以模拟地下洞室开挖后洞壁上的围岩单元的“单面临空，三向五面”受压应力状态，解决了传统真三轴试验夹具未能完全覆盖试件表面积而造成的“端角效应”问题，进而给试验结果带来不利影响的局限性问题。
本发明通过上述的技术方案，可以利用具有刚性压力推头的真三轴试验机通过夹具向岩样施加“三向五面”的静力荷载后再施加动力扰动荷载直至临空面发生岩爆弹射破坏现象，从而实现动力扰动型岩爆的室内模拟，克服传统真三轴试验夹具不适用于动力扰动型岩爆试验的不足，本发明具有结构简单，拆装方便的优点，适用于具有刚性压力推头的真三轴试验机。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为实施例3各侧压板安装方式的主视图。
图3为实施例3各侧压板安装方式的后视图。
图4为实施例3各侧压板安装方式的俯视图。
图5为实施例3各侧压板安装方式的仰视图。
图6为使用本发明夹具的岩爆弹射破坏过程影像图。
图中：1-顶压板，2-底压板，3-右压板，4-左压板，5-U形头螺钉，6-普通螺钉，7-竖直扰动杆，8-水平扰动杆，9-应变片线通孔，10-应变片槽，11-顶定位孔，12-底定位孔，13-岩样，14-螺孔，15-后压板。
具体实施方式
下面结合附图和隧洞洞轴向动力扰动型岩爆实例，对本发明专利作进一步说明：
实施例1
一种用于动力扰动型真三轴岩爆试验的岩样夹具，包括顶压板1、底压板2、左压板4、右压板3、后压板15、水平扰动杆8、竖直扰动杆7、若干个普通螺钉6以及若干个U形头螺钉5，
所述左压板4与岩样13的接触面上开有用于放置应变片的应变片槽10，应变片槽10中开有应变片线通孔9，
所述右压板3与岩样13的接触面上开有水平扰动杆8安装通孔，水平扰动杆8安装在水平扰动杆8安装通孔中，
所述顶压板1与岩样13的接触面上开有竖直扰动杆7安装通孔，竖直扰动杆7安装在竖直扰动杆7安装通孔中，
所述顶压板1、底压板2、左压板4、右压板3以及后压板15的四周侧面均设有螺孔14，
所述顶压板1、底压板2、左压板4、右压板3和后压板15分别安装岩样13的顶面、底面、左侧、右侧以及后侧，并由安装在螺孔14中的普通螺钉6和U形头螺钉5连接组装成一个单面临空的框架。
所述普通螺钉6和U形头螺钉5的具体安装结构如下：所述普通螺钉6位于U形头螺钉5的头部U形槽中，U形头螺钉5和普通螺钉6中的一个安装在顶压板1和底压板2四周的螺孔14中，另一个安装在左压板4、右压板3和后压板15顶面和底面螺孔14中。
所述顶压板1和底压板2与岩样13接触面的相对面的中心设有确保夹具置于加载平台的中央顶定位孔11和底定位孔12。
夹具的安装方法为：
(1)将用于测试试样变形的应变片安装在左压板4的应变片槽10中，应变片线从应变片线通孔9中引出，将水平扰动杆8安装到右压板3的水平扰动杆8安装通孔，将竖直扰动杆7安装到顶压板1的竖直扰动杆7安装通孔中；
(2)将立方体岩样13放置在底压板2上，再将顶压板1放置在岩样13顶面；将左压板4、右压板3和后压板15分别安装在岩样13的左侧、右侧以及后侧；
(3)然后将普通螺钉6和U形头螺钉5安装到顶压板1和底压板2的左侧面、右侧面和后侧面的螺孔14中以及左压板4、右压板3和后压板15的顶面和底面螺孔14中，所述顶压板1、底压板2、左压板4、右压板3以及后压板15的四周侧面是指以与岩样13的接触面及其相对面为基准，其他四个面为四周侧面；
(4)安装左压板4时，使得左压板4上端与顶压板1左侧面的普通螺钉6和U形头螺钉5成为一组，普通螺钉6安装在U形头螺钉5的头部U形槽中，其他位置的安装方法同上；
(5)将装好夹具的岩样13放置于真三轴试验机的加载平台上，保证底定位孔12与试验机加载平台中心的圆柱形定位销钉相对应。
本发明的试样夹具采用CrWMn的钢材制作，设置U形头螺钉5的目的主要是为了满足岩样13在受力后变形过程中普通螺钉6可以起到滑块的作用沿着U形头螺钉5上的滑槽同步发生一定的位移，从而保证夹具满足在单面临空、三向五面受力条件下将三个相互垂直方向的推力转化为岩样13五个面均布力，并从一个竖直方向和一个水平方向通过扰动杆高频往复运动传递而来的动力扰动荷载的要求。
为了使得各侧压板能对岩样13施加均匀的压力，并且保证岩样13受力发生形变时，各侧压板能够往相应的方向移动，我们提出了实施例2和实施例3两种较优的具体安装结构。
实施例2
所述顶压板1、底压板2、左压板4、右压板3以及后压板15分别为岩样13的顶面、底面、左侧面、右侧面以及后侧面的形状一致，各侧压板超过百分之九十五的面积覆盖岩样对应面面积(意味着各侧压板面积小于岩样对应面面积且大于岩样对应面面积的百分之九十五)，且安装时，顶压板1、底压板2、左压板4、右压板3以及后压板15的分别位于岩样顶面、底面、左侧面、右侧面和后侧面的正中央。这是为了防止岩样受力体积缩小后各侧压板不互相抵触，保证压板能够对岩样均匀的施力。
本实施例的普通螺钉6和U形头螺钉5的具体安装结构如下：
所述U形头螺钉5安装在顶压板1和底压板2的左侧面、右侧面和后侧面的螺孔14中，普通螺钉6安装在左压板4、右压板3和后压板15顶面和底面螺孔14中，普通螺钉6位于U形头螺钉5的头部U形槽中。
实施例3
所述左压板4、右压板3以及后压板15的尺寸一致，顶压板1和底压板2的尺寸一致，顶压板1、底压板2、左压板4、右压板3以及后压板15的尺寸大于岩样13对应顶面、底面、左侧面、右侧面以及后侧面的尺寸，安装时，各侧压板通过相互错开组合在一起，已达到满足试件变形所带来的移动。
所述顶压板1左边缘和前边缘与岩样13顶面左边缘和前边缘平齐，
所述底压板2右边缘和后边缘与岩样13底面右边缘和后边缘平齐，
所述左压板4下边缘和前边缘与岩样13左侧面下边缘和前边缘平齐，
所述右压板3上边缘和后边缘与岩样13右侧面上边缘和后边缘平齐，
所述后压板15上边缘和左边缘与岩样13右侧面上边缘和左边缘平齐。
本实施例的普通螺钉6和U形头螺钉5的具体安装结构如下：
所述左压板4底面螺孔14中安装有普通螺钉6，左压板4顶面螺孔14中安装有U形头螺钉5，
所述顶压板1左侧面螺孔14中安装有普通螺钉6，顶压板1右侧面螺孔14中安装有U形头螺钉5，
所述右压板3顶面螺孔14中安装有普通螺钉6，右压板3底面螺孔14中安装有U形头螺钉5，
所述底压板2右侧面螺孔14中安装有普通螺钉6，底压板2左侧面螺孔14中安装有U形头螺钉5，
所述后压板15顶面和底面螺孔14中安装有普通螺钉6，顶压板1后侧面和底压板2后侧面螺孔14中安装有U形头螺钉5，在位置相对应的一组中，普通螺钉6安装在U形头螺钉5的头部U形槽中。
实施例4
为模拟隧洞洞轴向方向的动力扰动型岩爆，对100mm×100mm×200mm尺寸的红色粗晶花岗岩立方体试件进行本发明夹具安装，将安装有夹具的岩石试件放置于具有刚性推头的真三轴试验机的加载平台中心，采用具有刚性压力推头的三轴试验机，以0.5MPa/s的加载速率同时加载σ3至5MPa、σ2至30MPa、σ1至221MPa(岩石试件单面临空真三轴强度260MPa的85％)，保持σ1、σ2、σ3不变，通过水平扰动杆8在水平方向上对岩石试件右侧面施加动力余弦波(频率f＝10Hz，幅值A＝200kN)至试件发生岩爆弹射破坏，岩样13临空面的岩爆弹射破坏过程影像如图6所示。
Claims (7)
1.一种用于动力扰动型真三轴岩爆试验的岩样夹具，其特征在于，包括顶压板、底压板、左压板、右压板、后压板、水平扰动杆、竖直扰动杆、若干个普通螺钉以及若干个U形头螺钉，
所述左压板与岩样的接触面上开有用于放置应变片的应变片槽，应变片槽中开有应变片线通孔，
所述右压板与岩样的接触面上开有水平扰动杆安装通孔，水平扰动杆安装在水平扰动杆安装通孔中，
所述顶压板与岩样的接触面上开有竖直扰动杆安装通孔，竖直扰动杆安装在竖直扰动杆安装通孔中，
所述顶压板、底压板、左压板、右压板以及后压板的四周侧面均设有螺孔，
所述顶压板、底压板、左压板、右压板和后压板分别安装岩样的顶面、底面、左侧、右侧以及后侧，并由安装在螺孔中的普通螺钉和U形头螺钉连接组装成一个单面临空的框架。
2.如权利要求1所述的用于动力扰动型真三轴岩爆试验的岩样夹具，其特征在于，所述普通螺钉和U形头螺钉的具体安装结构如下：所述普通螺钉位于U形头螺钉的头部U形槽中，U形头螺钉和普通螺钉中的一个安装在顶压板和底压板四周的螺孔中，另一个安装在左压板、右压板和后压板顶面和底面螺孔中。
3.如权利要求1所述的用于动力扰动型真三轴岩爆试验的岩样夹具，其特征在于，
所述普通螺钉和U形头螺钉的具体安装结构如下：
所述U形头螺钉安装在顶压板和底压板的左侧面、右侧面和后侧面的螺孔中，普通螺钉安装在左压板、右压板和后压板顶面和底面螺孔中，普通螺钉位于U形头螺钉的头部U形槽中。
4.如权利要求1所述的用于动力扰动型真三轴岩爆试验的岩样夹具，其特征在于，
所述普通螺钉和U形头螺钉的具体安装结构如下：
所述左压板底面螺孔中安装有普通螺钉，左压板顶面螺孔中安装有U形头螺钉，
所述顶压板左侧面螺孔中安装有普通螺钉，顶压板右侧面螺孔中安装有U形头螺钉，
所述右压板顶面螺孔中安装有普通螺钉，右压板底面螺孔中安装有U形头螺钉，
所述底压板右侧面螺孔中安装有普通螺钉，底压板左侧面螺孔中安装有U形头螺钉，
所述后压板顶面和底面螺孔中安装有普通螺钉，顶压板后侧面和底压板后侧面螺孔中安装有U形头螺钉，在位置相对应的一组中，普通螺钉安装在U形头螺钉的头部U形槽中。
5.如权利要求1所述的用于动力扰动型真三轴岩爆试验的岩样夹具，其特征在于，
所述顶压板、底压板、左压板、右压板以及后压板分别为岩样的顶面、底面、左侧面、右侧面以及后侧面的形状一致，各侧压板超过百分之九十五的面积覆盖岩样对应面面积，且安装时，顶压板、底压板、左压板、右压板和后压板分别位于岩样顶面、底面、左侧面、右侧面和后侧面的正中央。
6.如权利要求1所述的用于动力扰动型真三轴岩爆试验的岩样夹具，其特征在于，
所述顶压板左边缘和前边缘与岩样顶面左边缘和前边缘平齐，
所述底压板右边缘和后边缘与岩样底面右边缘和后边缘平齐，
所述左压板下边缘和前边缘与岩样左侧面下边缘和前边缘平齐，
所述右压板上边缘和后边缘与岩样右侧面上边缘和后边缘平齐，
所述后压板上边缘和左边缘与岩样右侧面上边缘和左边缘平齐。
7.如权利要求1～6任意一项所述的用于动力扰动型真三轴岩爆试验的岩样夹具，其特征在于，所述顶压板和底压板与岩样接触面的相对面的中心设有确保夹具置于加载平台的中央顶定位孔和底定位孔。
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