CN106770658B - 基于平面波动的剪切波传播和节理动态剪切实验系统 - Google Patents

基于平面波动的剪切波传播和节理动态剪切实验系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于平面波动的剪切波传播和节理剪切实验系统，涉及岩石节理动态剪切技术领域。本发明是在岩体模拟单元（50）内设置有节理（00）；底座（10）、滑动支撑单元（30）和岩体模拟单元（50）依次连接，给岩体模拟单元（50）提供支撑；动力加载单元（40）、底座（10）和岩体模拟单元（50）依次接触，给岩体模拟单元（50）提供摩擦力；底座（10）、法向压力加载单元（20）和岩体模拟单元（50）依次连接，给岩体模拟单元（50）提供法向压力。本发明适用于研究一维平面剪切波通过节理的传播规律和节理的动态剪切特性。

Description

基于平面波动的剪切波传播和节理动态剪切实验系统
技术领域
本发明涉及岩石节理动态剪切技术领域，尤其涉及一种基于平面波动的剪切波传播和节理动态剪切实验系统。
背景技术
自然界的岩体中包含很多不连续结构面，从尺度上划分，不连续结构面可分为断层、节理、裂缝和微裂纹等。节理属于中等尺度的不连续结构面。从是否含有充填物，节理又分为充填节理和非充填节理。由于不连续结构面的存在，岩体具有非连续性、非均匀性和非线性等复杂特性。节理不仅影响岩体的力学特性，特别是动力学特性，也影响应力波在节理岩体中的传播。同时，自然界的岩体处于复杂的应力状态。在外力的作用下，岩石节理将张开、闭合或发生节理的两个面之间的相对滑移。节理面的相对滑移，也成为剪切变形，是造成各种工程地质灾害的根源。随地下工程、水利工程的深度与广度发展，工程设计、施工以及安全生产，迫切需要得到节理的动态剪切力学参数，设计制造一种能对处于地应力和剪切应力波作用下的岩石节理动态剪切实验装置显得尤为迫切。
节理的动态剪切力学特性实验目前国内外主要采用直剪装置和循环剪切装置。直剪装置主要通过分析脉冲载荷作用下节理面之间的一次性相对位移建立节理的剪切力学特性，缺点是不能反映自然界中循环动荷载或应力波的作用；循环剪切装置通过控制两个岩块之间的相对水平循环运动来分析岩石之间的接触面（即节理面）的剪切力和水平相对位移之间的关系，并分析剪切循环次数和法向作用力对节理剪切力学特性的影响。上述两种实验装置都是开展了两个岩块之间的相对滑移分析，并不能反映在实际工程中剪切波通过岩石节理时的传播规律以及节理的相对滑移运动，即节理动态剪切特性。
经检索，目前国内外尚未发现有一种基于平面波动的剪切波传播和节理剪切实验系统。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述问题，提供一种基于平面波动的剪切波传播和节理动态剪切实验系统。
本发明的目的是这样实现的：
本发明包括实验对象——节理；
设置有底座、法向压力加载单元、滑动支撑单元、动力加载单元和岩体模拟单元；
其位置和连接关系是：
在岩体模拟单元内设置有节理；
底座、滑动支撑单元和岩体模拟单元依次连接，给岩体模拟单元提供支撑；
动力加载单元、底座和岩体模拟单元依次接触，给岩体模拟单元提供摩擦力；
底座、法向压力加载单元和岩体模拟单元依次连接，给岩体模拟单元提供法向压力。
本发明具有下列优点和积极效果：
1、通过动力加载单元、撞击钢杆和入射岩石板产生平面剪切应力波，并通过法向压力加载装置实现剪切应力波的可控性；
2、通过法向压力加载单元产生作用在节理上的法向压力，调整入射岩石板受压面积实现节理法向压力的可控性；
3、通过入射和透射岩石板上应变片的布置以及理论分析，实现平面剪切波的可测量性；
4、通过测量得到的入射岩石板和透射岩石板上的平面剪切波，结合波动理论实现研究节理动态剪切特性的可行性。
适用于研究一维平面剪切波通过节理的传播规律和节理的动态剪切特性。
附图说明
图1是本系统的结构方框图；
图2.1是本系统的结构主视图，
图2.2是本系统的结构俯视图；
图3.1是底座10的结构主视图；
图3.2是底座10的结构俯视图；
图4.1是法向压力加载单元20的结构爆炸主视图；
图4.2是法向压力加载单元20的结构爆炸俯视图；
图5.1是滑动支撑单元30的结构主视图；
图5.2是滑动支撑单元30的结构俯视图；
图6.1是动力加载单元40的结构俯视图；
图6.2是动力加载单元40的结构侧视图；
图7.1是岩体模拟单元50的结构主视图；
图7.2是岩体模拟单元50的结构俯视图。
图中：
00—节理；
10—底座，
11a—左纵向钢支座，11b—右纵向钢支座，12—纵向槽型钢支座，
13—侧壁滚轴，     14—底部滚轴，     15—纵向钢板，
16—横向钢支座，   17—撞击钢杆；
20—法向压力加载单元，
21—小螺栓，       22—螺栓孔，       23—T型钢，
24—左侧钢板，     25—测力千斤顶；
30—滑动支撑单元，
31—支撑钢板，     32—滚轮；
40—动力加载单元
41—弹簧，         42—支撑台，       43—冲击钢块，
44—动力钢底座，   45—冲击力发生器。
50—岩体模拟单元，
51—入射岩石板，   52—透射岩石板。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明。
一、总体
如图1，本系统包括实验对象——节理00；
设置有底座10、法向压力加载单元20、滑动支撑单元30、动力加载单元40和岩体模拟单元50；
其位置和连接关系是：
在岩体模拟单元50内设置有节理00；
底座10、滑动支撑单元30和岩体模拟单元50依次连接，给岩体模拟单元50提供支撑；
动力加载单元40、底座10和岩体模拟单元50依次接触，给岩体模拟单元50提供摩擦力；
底座10、法向压力加载单元20和岩体模拟单元50依次连接，给岩体模拟单元50提供法向压力。
二、功能单元
0、节理00
节理00分为两类：一类为充填节理，由砂土、黏土等软弱介质填充于两个岩石板之间构成；另一类为非充填节理，由两个岩石板的粗糙面直接接触形成。
1、底座10
如图1、图2.1、图2.2、图3.1、图3.2，底座10包括左纵向钢支座11a、右纵向钢支座11b、纵向槽型钢支座12、侧壁滚轴13、底部滚轴14、纵向钢板15、横向钢支座16和撞击钢杆17；
其位置和连接关系是：
在横向钢支座16上面，从左至右，纵向钢支座11a、侧壁滚轴13、撞击钢杆17、多个纵向槽型钢支座12、纵向钢板15、右纵向钢支座11b依次连接。
其功能是提供支撑作用。
2、法向压力加载单元20
如图1、图2.1、图2.2、图4.1、图4.2，法向压力加载单元20包括小螺栓21、螺栓孔22、T型钢23、左侧钢板24和测力千斤顶25；
其位置连接关系是：
T型钢23位于左侧钢板24上面，由小螺栓21和螺栓孔22固定在左侧钢板24上，测力千斤顶25位于左侧钢板24的右边；左侧钢板24焊接在底座10的上面；测力千斤顶25位于底座10的纵向钢板15的上面，测力千斤顶25左端面与岩体模拟单元50的透射岩石板52的右端面接触。
其功能是为岩体模拟单元50和节理00提供法向压力。
3、滑动支撑单元30
如图1、图2.1、图2.2、图5.1、图5.2，滑动支撑单元30包括上下连接的支撑钢板31和滚轮32。
其功能是为岩体模拟单元50提供支撑作用。
4、动力加载单元40
如图1、图2.1、图2.2、图6.1、图6.2，，动力加载单元40包括弹簧41、支撑台42、冲击钢块43、动力钢底座44和冲击力发生器45；
其位置连接关系是：
在动力钢底座44的上面，从后到前，支撑台42、冲击钢块43、弹簧41和冲力发生器45依次连接；冲击钢块43位于支撑台42上面，冲击钢块43的前端面与弹簧41的后端面接触；
冲击钢块43的后端面运动后和底座10的撞击杠杆17接触。
其功能是通过底座10的撞击杠杆17给岩体模拟单元50的入射岩石板51
提供摩擦力。
5、岩体模拟单元50
岩体模拟单元50包括左右接触的入射岩石板51和透射岩石板52。
其功能是传导平面剪切波。
三、工作机理：
动力加载单元40为整个系统提供动力来源，其通过冲击力发生器45压缩弹簧41蓄能，然后释放，弹簧41将冲击钢块43以一定速度弹出，钢块43撞击位于底座10上的撞击钢杆17，使撞击钢杆17滑动，撞击钢杆17与入射岩石板51接触面为粗糙接触面，撞击杠杆17的滑动引起与入射岩石板51接触面上的摩擦，摩擦力引起入射岩石板51的剪切变形，即在入射岩石板51中产生剪切波。
剪切波经过入射岩石板51到达节理00，与节理00相互作用后，部分剪切波透过节理00进入透射岩石板52，另一部分反射回入射岩石板53。入射岩石板51和透射岩石板52均采用坚硬的均质性较好的花岗岩加工而成，尺寸可根据剪切波的波长来合理控制。
由滑动支撑单元30支撑入射岩石板51和透射岩石板52，当入射岩石板51和透射岩石板52发生剪切变形或纵向位移时，滑动支撑单元30与入射岩石板51和透射岩石板52一起移动，与底座之间的摩擦形式为滚动摩擦，目的是减小剪切波在岩石板中传播时，也即岩石板发生剪切变形或纵向位移时滑动支撑单元所受到的来自于底座10的摩擦阻力。
位于岩体模拟单元50两端的法向压力加载单元20为岩体模拟单元50和节理00提供法向压力，用来模拟岩体和节理00处于不同地应力水平下。另外，法向压力加载单元20还为撞击钢杆17和入射岩石板51之间的接触面提供法向压力；通过改变法向压力加载单元20中T型钢23与入射岩石板51接触面积的大小，可以同时调节法向压力加载单元20分配给岩体模拟单元50的法向压力和入射岩石板51与撞击杆17接触压力的大小。
本系统在岩体模拟单元50的入射岩石板51中产生剪切波幅值的大小由两方面控制，一方面是动力加载单元40中弹簧41的压缩量，弹簧41压缩量越大，则其复位时对冲击钢块43做功越多，冲击钢块43撞击速度越大，撞击钢杆17的速度也越大，在入射岩石板51与撞击杆17接触面上产生的摩擦力越大，那么在入射岩石板51中产生的剪切波也越大；另一方面是法向压力加载单元20分配给入射岩石板51与撞击杆17接触面的接触压力，接触越大，接触面产生的摩擦力越大，在入射岩石板51中产生的剪切波也越大。
通过测量入射岩石板51和透射岩石板52上的剪切波数据可以分析剪切波通过节理的传播规律，并基于应力波波动理论可以分析节理00的动态剪切力学特性。
四、实验方法
1、将入射岩石板51和透射岩石板52位置对齐，若测试对象——节理00为充填节理，则在入射岩石板51和透射岩石板52之间添加黏土或砂土等软弱介质（根据实验情况选取）；若测试对象——节理00为非充填节理，则入射岩石板51与透射岩石板52直接接触，二者接触面的粗糙程度可按实验要求加工；
2、调整法向压力加载单元20中T型钢23的位置，启动测力千斤顶25，达到岩体模拟单元50和节理00需要的法向压力后保持压力；
3、用冲力发生器45压缩弹簧41，达到所需冲量后固定，将冲击钢块43贴紧弹簧41后端面放置；
4、松开冲力发生器45，发射冲击钢块43；
5、实验系统启动，收集数据。
6、根据实验数据分析剪切波通过节理的传播规律，并基于应力波波动理论分析节理的动态剪切力学特性。

Claims (5)

1.一种基于平面波动的剪切波传播和节理动态剪切实验系统，包括节理(00)；
其特征在于：
设置有底座(10)、法向压力加载单元(20)、滑动支撑单元(30)、动力加载单元(40)和岩体模拟单元(50)；
其位置和连接关系是：
在岩体模拟单元(50)内设置有节理(00)；
底座(10)、滑动支撑单元(30)和岩体模拟单元(50)依次连接，给岩体模拟单元(50)提供支撑；
动力加载单元(40)、底座(10)和岩体模拟单元(50)依次接触，给岩体模拟单元(50)提供摩擦力；
底座(10)、法向压力加载单元(20)和岩体模拟单元(50)依次连接，给岩体模拟单元(50)提供法向压力；
所述的动力加载单元(40)包括弹簧(41)、支撑台(42)、冲击钢块(43)、动力钢底座(44)和冲击力发生器(45)；
其位置连接关系是：
在动力钢底座(44)的上面，从后到前，支撑台(42)、冲击钢块(43)、弹簧(41)和冲力发生器(45)依次连接；冲击钢块(43)位于支撑台(42)上面，冲击钢块(43)的前端面与弹簧(41)的后端面接触；冲击钢块(43)的后端面运动后和底座(10)的撞击钢杆(17)接触；
所述的岩体模拟单元(50)包括左右接触的入射岩石板(51)和透射岩石板(52)。
2.按权利要求1所述的实验系统，其特征在于：
所述的节理(00)分为两类：一类为充填节理，由砂土和黏土软弱介质填充于两个岩石板之间构成；另一类为非充填节理，由两个岩石板的粗糙面直接接触形成。
3.按权利要求1所述的实验系统，其特征在于：
所述的底座(10)包括左纵向钢支座(11a)、右纵向钢支座(11b)、纵向槽型钢支座(12)、侧壁滚轴(13)、底部滚轴(14)、纵向钢板(15)、横向钢支座(16)和撞击钢杆(17)；
其位置和连接关系是：
在横向钢支座(16)上面，从左至右，纵向钢支座(11a)、侧壁滚轴(13)、撞击钢杆(17)、多个纵向槽型钢支座(12)、纵向钢板(15)、右纵向钢支座(11b)依次连接。
4.按权利要求1所述的实验系统，其特征在于：
所述的法向压力加载单元(20)包括小螺栓(21)、螺栓孔(22)、T型钢(23)、左侧钢板(24)和测力千斤顶(25)；
其位置连接关系是：
T型钢(23)位于左侧钢板(24)上面，由小螺栓(21)和螺栓孔(22)固定在左侧钢板(24)上，测力千斤顶(25)位于左侧钢板(24)的右边；左侧钢板(24)焊接在底座(10)的上面；测力千斤顶(25)位于底座(10)的纵向钢板(15)的上面，测力千斤顶(25)左端面与岩体模拟单元(50)的透射岩石板(52)的右端面接触。
5.按权利要求1所述的实验系统，其特征在于：
所述的滑动支撑单元(30)包括上下连接的支撑钢板(31)和滚轮(32)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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王鲁明 等.节理岩体中应力波传播规律研究的进展.节理岩体中应力波传播规律研究的进展.2003,第602-605页. *

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