CN108535115B - 一种深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统 - Google Patents

一种深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统，主要包括岩体模型、支撑框体、试验台、水平加载装置、竖直加载装置、加卸载装置和监测装置，岩体模型内置于支撑框体，支撑框体设于试验台上；岩体模型的底部和左侧均与支撑框体的内壁面相贴，岩体模型的右侧与水平加载装置的输出端相连，岩体模型的顶部与竖直加载装置相连；加卸载装置穿过支撑框体，与岩体模型的右侧面下部相连；监测装置的输入端与岩体模型相连。本发明的有益效果为：本发明可实现模拟如下两种机制的模拟试验：爆破开挖过程中围岩瞬态卸荷导致的二次应力场瞬态重分布；围岩蠕变导致二次应力场准静态变化，可能发生局部破坏，进而引起二次应力场瞬态调整，更加符合工程中的实际卸荷情况。

Description

一种深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统
技术领域
本发明涉及岩石工程模拟试验技术设备领域，具体涉及一种深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统。
技术背景
自然界中的岩石，经过长期的构造运动及人为扰动，通常会在不同情况下发生瞬态卸荷，局部瞬态卸荷会引起围岩应力的变化。而围岩应力变化存在以下两种机制：(1)爆破开挖过程中围岩瞬态卸荷导致的二次应力场瞬态重分布；(2)围岩蠕变导致二次应力场准静态变化，可能发生局部破坏，进而引起二次应力场瞬态调整。两种机制都可能导致围岩应力状态的变化，进而引起灾难的发生。然而，现有的瞬态卸荷模拟系统很少根据岩体所处的特定工程环境进行模拟。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统。
本发明采用的技术方案为：一种深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统，主要包括岩体模型、支撑框体、试验台、水平加载装置、竖直加载装置、加卸载装置和监测装置，所述岩体模型内置于支撑框体，支撑框体设于试验台上；所述岩体模型的底部和左侧均与支撑框体的内壁面相贴，岩体模型的右侧与水平加载装置的输出端相连，岩体模型的顶部与竖直加载装置相连；所述加卸载装置穿过支撑框体，与岩体模型的右侧面下部相连；所述监测装置的输入端与岩体模型相连。
按上述方案，所述水平加载装置和竖直加载装置均为液压加载系统，水平加载装置包括液压缸A和与液压缸A相连的液压管A，竖直加载装置包括液压缸B和与液压缸B相连的液压管B,所述液压管A和液压管B均分别与液压站相连。
按上述方案，所述加卸载装置包括传力块、加载机构、脆性断裂板、反力墩，所述传力块的一端伸入支撑框体内，与岩体模型的右侧下部紧贴；传力块的另一端与脆性断裂板的一侧中部紧贴，脆性断裂板的另一侧与加载机构的加载端相连，加载机构的另一端与反力墩连接。
按上述方案，所述加载机构为液压加载机构，主要包括液压缸C和与液压缸C相连的液压管C，液压管C与液压站相连。
按上述方案，所述监测装置包括设置于试验台外部的高速摄影仪计算机，设置在岩体模型表面的应变计及与应变计连接的动态应变仪，振动传感器及与振动传感器连接的振动信号采集器，设置在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；所述高速摄影仪、动态应变仪、振动信号采集器和加速度信号采集器均与计算机相连，且动态应变仪、振动信号采集器、加速度信号采集器和计算机均放置于监测工作台上。
按上述方案，所述支撑框体为由工字钢连接而成的矩形框架，矩形框架包括左边框、右边框、上边框和下边框。
按上述方案，在两根工字钢的连接处焊接有加固板。
按上述方案，在岩体模型与支撑框体的左边框之间安设吸波板。
按上述方案，岩体模型采用石膏或者类石膏材料制成；所述岩体模型内部插有云母片。
本发明的有益效果为：
1、本发明针对以往试验模拟系统无法模拟裂隙岩体瞬态卸荷导致围岩应力变化的两种机制的不足，实现了模拟如下两种机制的模拟试验：(1)爆破开挖过程中围岩瞬态卸荷导致的二次应力场瞬态重分布；(2)围岩蠕变导致二次应力场准静态变化，可能发生局部破坏，进而引起二次应力场瞬态调整，更加符合工程中的实际卸荷情况；
2、本发明可以实现二维试件两向应力状态下的裂隙岩体局部瞬态卸荷过程的模拟，并通过对裂隙岩体模型在瞬态卸荷条件下的应变监测、位移监测、振动监测及高速摄影，探明两种机制下的裂隙岩体局部瞬态卸荷过程对裂隙岩体的影响，揭示裂隙岩体在围岩应力局部瞬态卸荷条件下的力学行为，对了解二维应力条件下裂隙岩体局部瞬态卸荷的瞬变过程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石膏或其他类岩石材料制成，通过内插云母片模拟岩体裂隙，通过模型外侧所施加的围压，模拟出不同受力情况下的岩体，适用范围广；
4、本发明中采用的吸波板可以吸收卸荷过程中的应力波在支撑框体处产生的干扰反射波，与实际工程岩体在卸荷条件下的实际情况更加相符，更好的模拟大块岩体卸荷的实际工程情况。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
图2为本实施例中加卸载装置的局部示意图。
图3为本实施例中监测装置的结构示意图。
其中：1、加卸载装置；2、液压缸B；3、液压缸A；4、吸波板；5、支撑框体；6、加固板；7、岩体模型；8、传力块；9、脆性断裂板；11、液压缸C；10、反力墩；12、液压管C；13、动态应变仪；14、振动信号采集器；15、加速度信号采集器；16、计算机；17、高速摄影仪；18、液压管A；19、液压管B；20、液压站；21、监测工作台。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统，主要包括岩体模型7、支撑框体5、试验台、水平加载装置、竖直加载装置、加卸载装置1和监测装置，所述岩体模型7内置于支撑框体5，支撑框体5设于试验台上；所述岩体模型7的底部和左侧均与支撑框体5的内壁面相贴，岩体模型7的右侧与水平加载装置的输出端相连，岩体模型7的顶部与竖直加载装置相连；所述加卸载装置1穿过支撑框体5，与岩体模型7的右侧面下部相连；所述监测装置的输入端与岩体模型7相连。本实施例中，在岩体模型7的左侧与支撑框体5之间安设吸波板4,吸波板4用于吸收卸荷过程中的应力波在支撑框体5处产生的干扰反射波。本发明中，所述支撑框体5为由工字钢连接而成的矩形框架(可为焊接)，矩形框架包括左边框、右边框、上边框和下边框；在两根工字钢的连接处焊接有加固板6，以提高支撑框体5的稳定性。本实施例中，组成支撑框体5的工字钢可为25a型工字钢或者其他型号工字钢，优选高强度工字钢；支撑框体5的左边框长度为2000mm，右边框长度为1800mm，上边框为2500mm，下边框为3000mm。
本发明中，所述水平加载装置和竖直加载装置均为液压加载系统，水平加载装置包括液压缸A3和与液压缸A3相连的液压管A18，竖直加载装置包括液压缸B2和与液压缸B2相连的液压管B19,所述液压管A18和液压管B19均分别与液压站20相连。
本发明中，如图2所示，所述加卸载装置包括传力块8、加载机构、脆性断裂板9、反力墩10，其中加载机构与脆性断裂板9实现模拟两种类型瞬态卸荷过程。所述传力块8的一端伸入支撑框体5内，与岩体模型7的右侧下部紧贴；传力块8的另一端与脆性断裂板9的一侧中部紧贴，脆性断裂板9的另一侧与加载机构的加载端相连，加载机构11的另一端与反力墩10连接。本实施例中，所述加载机构为液压加载机构，主要包括液压缸C11和与液压缸C11相连的液压管C12，液压管C12与液压站20相连。
本发明中，如图3所示，所述监测装置包括设置于试验台外部的高速摄影仪17计算机16，设置在岩体模型7表面的应变计及与其连接的动态应变仪13，振动传感器及与其连接的振动信号采集器14，设置在岩体模型7内部的加速度传感器及与其连接的加速度信号采集器15；所述高速摄影仪17、动态应变仪13、振动信号采集器14和加速度信号采集器15均与计算机16相连，且动态应变仪13、振动信号采集器14、加速度信号采集器15和计算机16均放置于监测工作台21上；其中：应变计用于测量记录岩体模型7的应变变化数据，并通过动态应变仪13将测得的数据传送至计算机16；振动传感器用于测量记录岩体模型7的振动速度变化，并通过振动信号采集器14将监测数据传至计算机16；加速度传感器用于测量并记录岩体模型7的振动加速度变化，并通过加速度信号采集器,15将监测数据传至计算机16；高速摄影仪17用于对实验过程进行高速摄影；计算机16用于接收高速摄影仪17、动态应变仪13、振动信号采集器14、加速度信号采集器15传来的数据，储存并分析所采集的实验数据。
本发明中，岩体模型7为近似薄片的二维构件，其采用石膏或者类石膏材料制成，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，并通过在岩体模型7内部加入云母片来模拟岩石裂隙，从而模拟不同力学参数的岩体模型。此外，可通过改变岩石模型7外侧所施加的围压，模拟不同受力作用下的岩体。本实施例中，岩体模型7的长度为1600mm,宽度为200mm，高度为1600mm。
本发明的试验过程为：首先，将岩体模型7装入支撑框架5内，再将应变计、振动传感器和加速度传感器装入岩体模型7内，启动竖直加载装置、水平加载装置和加卸载装置1进行加载，同时启动动态应变仪13、振动信号采集器14和加速度信号采集器15并用计算机16记录实验数据。以加卸载装置1加载为例：通过加载机构加载，对脆性断裂板9施加压力到达设定值时，脆性断裂板9在加载机构和传力块8的共同作用下发生断裂，实现瞬态卸荷，从而模拟爆破开挖过程中围岩瞬态卸荷；通过加载机构(液压缸C11)加载，对脆性断裂板9施加压力达到设定值时停止加载(其中液压缸C11的加载端与水平加载装置3的加载端加载进度保持一致)，通过对脆性断裂板9进行湿润、加热、加酸液等实现可控蠕变，直至脆性断裂板9发生断裂，模拟围岩蠕变导致的瞬态卸载。记录下监测装置获得的数据，分析实验数据后将加卸载装置1复位。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是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。

Claims (7)

1.一种深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统，其特征在于，主要包括岩体模型、支撑框体、试验台、水平加载装置、竖直加载装置、加卸载装置和监测装置，所述岩体模型内置于支撑框体，支撑框体设于试验台上；所述岩体模型的底部和左侧均与支撑框体的内壁面相贴，岩体模型的右侧与水平加载装置的输出端相连，岩体模型的顶部与竖直加载装置相连；所述加卸载装置穿过支撑框体，与岩体模型的右侧面下部相连；所述监测装置的输入端与岩体模型相连；所述水平加载装置和竖直加载装置均为液压加载系统，水平加载装置包括液压缸A和与液压缸A相连的液压管A，竖直加载装置包括液压缸B和与液压缸B相连的液压管B,所述液压管A和液压管B均分别与液压站相连；所述加卸载装置包括传力块、加载机构、脆性断裂板、反力墩，所述传力块的一端伸入支撑框体内，与岩体模型的右侧下部紧贴；传力块的另一端与脆性断裂板的一侧中部紧贴，脆性断裂板的另一侧与加载机构的加载端相连，加载机构的另一端与反力墩连接。
2.如权利要求1所述的深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统，其特征在于，所述加载机构为液压加载机构，主要包括液压缸C和与液压缸C相连的液压管C，液压管C与液压站相连。
3.如权利要求1所述的深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统，其特征在于，所述监测装置包括设置于试验台外部的高速摄影仪、 计算机，设置在岩体模型表面的应变计及与应变计连接的动态应变仪，振动传感器及与振动传感器连接的振动信号采集器，设置在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；所述高速摄影仪、动态应变仪、振动信号采集器和加速度信号采集器均与计算机相连，且动态应变仪、振动信号采集器、加速度信号采集器和计算机均放置于监测工作台上。
4.如权利要求1所述的深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统，其特征在于，所述支撑框体为由工字钢连接而成的矩形框架，矩形框架包括左边框、右边框、上边框和下边框。
5.如权利要求4所述的深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统，其特征在于，在两根工字钢的连接处焊接有加固板。
6.如权利要求4所述的深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统，其特征在于，在岩体模型与支撑框体的左边框之间安设吸波板。
7.如权利要求1所述的深部裂隙岩体高围压局部瞬态卸荷试验模拟系统，其特征在于，岩体模型采用石膏或者类石膏材料制成；所述岩体模型内部插有云母片。
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