CN109142671B - 研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法，包括制作试验试块,计算试验试块的初始应力状态，先对试验试块静力边界条件下进行加载，再对试验试块不同爆破振动模拟荷载条件下进行加载；对结构面进行声波测试，分析爆破振动对于结构面的损失程度；对结构面爆破振动波穿过情况进行监测，获得爆破振动对于结构面爆破振动速度传播规律的影响；测量结构面抗剪强度参数，获得爆破振动对于结构面抗剪强度的变化规律的影响；最终得到爆破振动作用下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律。本发明能真实直接的反映出不同特性爆破振动荷载对饱水软弱结构面强度渐变劣化规律影响。

Description

研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法
技术领域
本发明涉及岩土力学领域，尤其涉及一种研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法。
背景技术
爆破作为岩体开挖、矿石开采等生产与工程建设的必要手段，在带来巨大效益同时，爆破振动动力扰动效应常常是诱发的边坡岩体失稳灾害发生的重要影响因素。软弱结构面是控制边坡岩体稳定性的重要因素，雨季及春季融雪期边坡饱水状态软弱结构面在爆破振动扰动作用下极易发生滑移失稳。
目前，针对爆破振动对结构面的影响问题的研究较多，但对于边坡软弱结构面的影响相对较少，且多集中在近区爆炸荷载作用下软弱结构面变形破坏方面；同时缺乏专门针对爆炸远区重复性爆破振动下软弱结构面渐近劣化机制方面的研究。对于边坡饱水软弱结构面爆破振动破坏效应方面的研究仍显有涉及。
基于此，针对爆破振动影响下受软弱结构面控制的岩质边坡工程，选取岩质边坡中广泛发育、饱水易软化、受爆破振动影响敏感的岩屑夹泥型软弱结构面为主要研究对象，开展爆破振动作用下饱水岩屑夹泥型软弱结构面(剪切)强度劣化试验研究，揭示爆破振动作用下饱水软弱结构面强度劣化规律，研究成果对于解决边坡爆破工程安全生产问题，指导边坡工程地质灾害的预防及爆破安全控制等技术发展具有重要的实际意义和工程应用价值；对于丰富边坡稳定性预测和评价方法具有重要的理论意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法。
本发明的实施例提供研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法，包括以下步骤：
S1.制作试验试块,试验试块包括结构面、位于结构面上方的上盘岩体和位于结构面下方的下盘岩体；
S2.计算试验试块的初始应力状态，先对试验试块静力边界条件下进行加载，再对试验试块不同爆破振动模拟荷载条件下进行加载；
S3.在静力边界条件下和不同爆破振动模拟荷载条件下，对结构面进行声波测试，分析爆破振动对于结构面的损失程度；
S4.在静力边界条件下和不同爆破振动模拟荷载条件下，对结构面爆破振动波穿过情况进行监测，获得爆破振动对于结构面爆破振动速度传播规律的影响；
S5.测量结构面抗剪强度参数，获得爆破振动对于结构面抗剪强度的变化规律的影响；
S6.结合步骤S3-S5的结果得到爆破振动作用下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律。
进一步，所述步骤S1中，在断层附近采集符合试验要求的含结构面的岩石试块，并用铁丝对含结构面的岩石试块进行捆绑；然后加工成标准试验试块，并保证结构面位于试样的中间部位；对加工好的试验试块先进行声波测试，再在饱水条件下进行饱水处理。
进一步，所述步骤S1中，包括以下步骤：
S1.1.根据研究选取的试验地点，在断层附近，采用金刚石岩石切割机或风镐剥离结构面岩石，利用岩石切割机切取结构面及其上下盘岩体，并进行位置标记，在岩样脱离母岩前后，用铁丝对含结构面岩样进行捆绑；并用铁铲剥离剔出临近其他结构面充填材料,然后将采集回来的试件加工成标准试验试块，并保证结构面位于试样的中间部位；
S1.2.根据对加工完成的试验试块上下盘岩体以及结构面进行声波测试，根据声波测试数据对试验试块进行分组，尽量保证试验试块初始状态的一致性；
S1.3.对符合试验要求试验试块进行饱水处理，即在饱水试验前对试验试块进行称重，然后在相同pH值的纯净水里面进行相同时间的浸泡处理，并通过一定时间内的多次称量，直至试验试块总体质量不变或者变化量很小，即完成试验试块的饱水处理，得到符合试验要求的试验试块。
进一步，所述步骤S1中采用模型制作系统制作试验试块，模型制作系统包括采集工具、加工工具、声波测试仪和饱水处理系统，所述采集工具用于获取符合试验条件的试验试块；所述加工工具用于将采集回来的试件加工成标准试验试块；所述声波测试仪用来对多组加工完成的试验试块初始参数进行测量，所述饱水处理系统用于对符合试验要求的试验试块进行饱水处理。
进一步，所述步骤S2中，试验试块静力边界条件加载：通过分析边坡原型，对试验模型进行简化分析，然后根据岩体力学和构造力学理论对试验试块初始应力状态进行计算，并据此对试验试块施加初始应力；试验试块不同爆破振动模拟荷载加载：在初始应力状态平衡后，通过加载不同振动强度、持时以及频率的正弦波来实现对试验试块施加不同爆破振动模拟荷载。
进一步，所述步骤S2中，对试验试块的加载采用模型加载系统，所述模型加载系统包括反力架和振动台，所述反力架安装在振动台上，所述试验试块放置在试验框架内，所述试验试块和试验框架之间设有海绵，所述试验框架固定在振动台上，且位于反力架内，所述反力架由一反力梁和两铁板构成，所述反力梁水平设置，两铁板竖直设置，且反力梁固接在两铁板的上方，所述反力梁和一铁板上预留有剪切试验孔，所述试验框架上与剪切试验孔对应的位置设有木板，所述木板的外侧设有钢球，所述钢球的外侧设有隔档铁板，所述隔档铁板与铁板和反力梁之间均通过弹簧连接，所述弹簧靠近预留剪切试验孔的位置，且分布在剪切试验孔的两侧，向反力梁和铁板上预留的剪切试验孔加载千斤顶，施加剪应力和正应力，先加载在隔档铁板上，再依次传递给弹簧、钢球和木板，最后通过海绵传递给试验试块，所述隔档铁板隔挡住钢球，使钢球减小摩擦力，所述海绵起到模拟无反射边界条件的作用，通过控制振动台和试验框架，对试验试块加载不同振动强度、持时以及频率的正弦波。
进一步，所述试验框架上设有加速度计、速度计、应变仪、声波测试仪和抗剪强度参数测试装置，所述加速度计、速度计、应变仪在上盘岩体和下盘岩体的位置均设有，用于测量穿过结构面前后速度、加速度以及应力应变变化情况，所述声波测试仪设在结构面的两侧，用于获得爆破振动对于结构面声波速度传播的影响，所述抗剪强度参数测试装置用于对试验试块结构面抗剪强度参数测量。
进一步，所述抗剪强度参数测试装置包括拉线式位移传感器、土压力计、智能数显油压表和动态信号测试分析系统，所述千斤顶通过分离式油缸驱动，所述智能数显油压表连接在千斤顶和分离式油缸之间，所述土压力计安装在千斤顶的端头，所述土压力计和数显油压表用于对剪应力和剪切正应力进行对比监测，所述动态信号测试分析系统连接土压力计，随时读取千斤顶端头应力变化情况，所述拉线式位移传感器感应剪切位移。
9.根据权利要求1所述的研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法，其特征在于，所述步骤S5中，对试验试块设置不同剪应力进行剪切试验，剪应力保持恒定，逐级施加剪应力，每加一级，坚持30s，直至试验试块剪断，其中每级剪应力的大小，按正应力的2％-5％取值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、通过对同一研究地点附近符合试验要求的试验试块进行选取，以及根据初始声波测试结果的分类，保证了试验试块均一性，同时加载波形选取正弦波，更是很大程度的实现了试验控制单一变量的原则；
2、剪切试验装置的改装，避免了试验模型在受到模拟爆破振动波加载后，要进行剪切试验时，对结构面造成二次扰动，从而影响试验数据，同时动态分析系统、拉线式位移传感器、土压力计、智能数显油压表的配合使用，更是有效的保证了得到的结构面抗剪强度变化规律的可靠性；
3、试验测试系统包含多种测量装置，通过不同测试方面，多角度的研究了不同特性爆破振动荷载对饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的影响，试验过程简单可行，且能实现不同特性振动波反复加载，又能在试验过程中对于结构面抗剪强度的测量时避免扰动，从而真实直接的反映出不同特性爆破振动荷载对饱水软弱结构面强度渐变劣化规律影响。
附图说明
图1是本发明研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法的一流程图。
图2是本发明一实施例中模型加载系统的一示意图。
图3是本发明一实施例制备的试验试块。
图4是本发明一实施例中抗剪强度参数测试装置的一示意图。
图5是本发明一实施例中相同加载大小不同加载时间下爆破振动荷载对饱水软弱结构面强度渐变劣化规律分布图。
图6是本发明一实施例中相同加载时间不同加载大小下爆破振动荷载对饱水软弱结构面强度渐变劣化规律分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法，包括以下步骤：
S1.制作试验试块(如图3所示),试验试块9包括结构面91、位于结构面上方的上盘岩体92和位于结构面下方的下盘岩体93；
断层附近采集符合试验要求的含结构面的岩石试块，并用铁丝对含结构面的岩石试块进行捆绑；然后加工成标准试验试块，并保证结构面位于试样的中间部位；对加工好的试验试块先进行声波测试，再在饱水条件下进行饱水处理。
具体包括以下步骤：
S1.1.根据研究选取的试验地点，在断层附近，采用金刚石岩石切割机或风镐剥离结构面岩石，利用岩石切割机切取结构面及其上下盘岩体，并进行位置标记，在岩样脱离母岩前后，用铁丝对含结构面岩样进行捆绑；并用铁铲剥离剔出临近其他结构面充填材料,然后将采集回来的试件加工成标准试验试块，并保证结构面位于试样的中间部位；
S1.2.根据对加工完成的试验试块上下盘岩体以及结构面进行声波测试，根据声波测试数据对试验试块进行分组，尽量保证试验试块初始状态的一致性；
S1.3.对符合试验要求试验试块进行饱水处理，即在饱水试验前对试验试块进行称重，然后在相同pH值的纯净水里面进行相同时间的浸泡处理，并通过一定时间内的多次称量，直至试验试块总体质量不变或者变化量很小，即完成试验试块的饱水处理，得到符合试验要求的试验试块。
采用模型制作系统制作试验试块，模型制作系统包括采集工具、加工工具、声波测试仪和饱水处理系统，所述采集工具用于获取符合试验条件的试验试块；所述加工工具用于将采集回来的试件加工成标准试验试块；所述声波测试仪用来对多组加工完成的试验试块初始参数进行测量，所述饱水处理系统用于对符合试验要求的试验试块进行饱水处理。
S2.计算试验试块的初始应力状态，先对试验试块静力边界条件下进行加载，再对试验试块不同爆破振动模拟荷载条件下进行加载；
试验试块静力边界条件加载：通过分析边坡原型，对试验模型进行简化分析，然后根据岩体力学和构造力学理论对试验试块初始应力状态进行计算，并据此对试验试块施加初始应力；试验试块不同爆破振动模拟荷载加载：在初始应力状态平衡后，通过加载不同振动强度、持时以及频率的正弦波来实现对试验试块施加不同爆破振动模拟荷载。
请参考图2，对试验试块的加载采用模型加载系统，所述模型加载系统包括反力架1和振动台2，所述反力架1安装在振动台2上，所述试验试块放置在试验框架3内，所述试验试块和试验框架3之间设有海绵,所述试验框架3固定在振动台2上，且位于反力架1内，所述反力架1由一反力梁11和两铁板12构成，所述反力梁11水平设置，两铁板12竖直设置，且反力梁11固接在两铁板12的上方，所述反力梁11预留有剪切试验孔111和一铁板12上预留有剪切试验孔121，所述试验框架3上与剪切试验孔对应的位置设有木板4，所述木板4的外侧设有钢球5，所述钢球5的外侧设有隔档铁板6，所述隔档铁板6与铁板12和反力梁11之间均通过弹簧7连接，所述弹簧7靠近预留剪切试验孔的位置，且分布在剪切试验孔的两侧，向反力梁11和铁板12上预留的剪切试验孔加载千斤顶8，施加剪应力和正应力，千斤顶8的力首先是传给隔档铁板6,因水平设置的弹簧6是仅有一端固定且焊接在反力架1铁板12上的,竖直设置的弹簧6是仅有一端固定且焊接在反力梁11上的,弹簧6具有预应力,故而，千斤顶8加载时首先是直接加载在隔档铁板8上的，并将其依次传递给弹簧7、钢球5和木板4,最后通过海绵传递给试验试块，所述隔档铁板6隔挡住钢球5，使钢球5减小摩擦力，所述海绵起到模拟无反射边界条件的作用，所述振动台2连接R-272水平-垂直双向液压振动系统，通过控制振动台2和试验框架3，对试验试块加载不同振动强度、持时以及频率的正弦波。
试验框架3上设有加速度计31、速度计32、应变仪33、声波测试仪34和抗剪强度参数测试装置35，所述加速度计31、速度计32、应变仪33在上盘岩体92和下盘岩体93的位置均设有，用于测量穿过结构面91前后速度、加速度以及应力应变变化情况，所述声波测试仪34设在结构面91的两侧，用于获得爆破振动对于结构面91声波速度传播的影响，所述抗剪强度参数测试装置35用于对试验试块结构面抗剪强度参数测量。
请参考图4，所述抗剪强度参数测试装置35包括拉线式位移传感器351、土压力计352、智能数显油压表353和动态信号测试分析系统354，所述千斤顶通过分离式油缸驱动，所述智能数显油压表连接在千斤顶和分离式油缸之间，所述土压力计安装在千斤顶8的端头，所述土压力计352和数显油压表353用于对剪应力和剪切正应力进行对比监测，所述动态信号测试分析系统354连接土压力计352，随时读取千斤顶8端头应力变化情况，所述拉线式位移传感器351感应剪切位移。
S3.在静力边界条件下和不同爆破振动模拟荷载条件下，对结构面进行声波测试，分析爆破振动对于结构面的损失程度；
S4.在静力边界条件下和不同爆破振动模拟荷载条件下，对结构面爆破振动波穿过情况进行监测，获得爆破振动对于结构面爆破振动速度传播规律的影响；
S5.测量结构面抗剪强度参数，获得爆破振动对于结构面抗剪强度的变化规律的影响；试验试块设置不同剪应力进行剪切试验，剪应力保持恒定，逐级施加剪应力，每加一级，坚持30s，直至试验试块剪断，其中每级剪应力的大小，按正应力的2％-5％取值。
S6.结合步骤S3-S5的结果得到爆破振动作用下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律。
实施例1
本发明的实施例提供了研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法。
试验过程中的系统包括模型制作系统、模型加载系统以及模型测试系统：
a.所述模型制作系统用于制作试验试块，包括采集工具、加工工具、声波测试仪、饱水处理系统和试验框架；所述采集工具用于获取符合试验条件的试验试块，即采用金刚石岩石切割机或风镐剥离结构面岩石，利用岩石切割机切取结构面及其上下层岩石，并进行岩石位置标记，在岩样脱离母岩前后，用铁丝对含结构面岩样进行捆绑；所述加工工具用于即将采集回来的试件加工成标准试验试块，即在标准试验车床上将采集回来的试验试块,安照试验方案设计的尺寸,加工成符合试验要求的试验试块，并保证结构面位于中间部位；所述声波测试仪用来对多组加工完成的试验试块初始参数进行测量，即对每组试验试块结构面进行测试，根据测试结果，对试验试块进行分类，从而尽量保证了试验试块结构面初始状态的一致性。所述饱水处理系统用于对符合试验要求的试验试块进行饱水处理，即在饱水试验前对试验试块进行称重，然后在相同pH值的纯净水里面进行相同时间的浸泡处理，并通过一定时间内的质量多次称量，直至试验试块总体质量不变或者变化量很小，即完成试验试块的饱水处理。所述试验框架用于将试验试块固定在试验振动台上，从而方便振动台对试验试块加载不同振动特性的振动波。
b.所述模型加载系统包括试验试块静力边界条件施加装置、爆破振动模拟荷载施加装置：所述试验试块静力边界条件施加装置用于施加试验试块初始应力状态，包括“铁板+反力梁”作为试验加载的反力系统，铁板底部焊接有一定宽度的角铁，角铁上含有螺栓孔，通过螺栓将试验反力架固定在振动台上，反力梁由一定宽度的铁板组成，与两端的铁板焊接连接在一起，同时在反力梁和试验试块的左侧预留一定宽度的剪切试验孔，用于千斤顶对试验试块施加剪切正应力以及剪应力，并在剪切试验孔附近铁板和反力梁一定范围内焊接个数不同弹簧，通过调节弹簧个数及其与试验试块的距离对试验试块施加静力边界条件，同时在弹簧的另一端为通过焊接连在一起的铁板，并在铁板靠近试验试块一侧焊接有隔档铁板，隔档铁板的作用为隔挡住钢球，钢球的作用为减小在试验过程中，因试验装置接触产生的摩擦力，所述爆破振动模拟荷载施加装置，所述振动台优选连接R-272水平-垂直双向液压振动系统，即通过控制R-272水平-垂直双向液压振动系统和试验框架，对试验试块加载不同振动强度、持时以及频率的正弦波，来试验不同爆破振动波对试验试块爆破振动荷载的加载。
c.所述模型测试系统包括：结构面上下盘岩体加速度计、速度计、应变仪、声波测试仪和抗剪强度参数测试装置，所述构面上下盘岩体加速度计、速度计和应变仪用于测量穿过断层前后速度、加速度以及结构面前后应力应变变化情况，即通过DH5956动态信号测试分析系统连接加速度计、应变计和速度计，DH5956动态信号测试分析系统对通过结构面前后的应力应变、加速度以及速度进行监测，从而获得结构面前后动力响应特征的变化衰减规律；所述声波测试仪用于获得爆破振动对于结构面声波速度传播的影响，即对试验试块结构面试验前和试验后进行声波测试，并记录相关数据。所述抗剪强度参数测试装置用于对试验试块结构面抗剪强度参数测量，包括千斤顶、反力架、DH5956动态信号测试分析系统、拉线式位移传感器、土压力计、智能数显油压表；所述千斤顶用于对剪切试验提供不同大小正应力和剪应力，所述剪切反力架用于为千斤顶提供反力，其由“铁板+反力梁”作为剪切试验的反力系统，铁板底部焊接有一定宽度的角铁，角铁上含有螺栓孔，通过螺栓将试验加载反力系统固定在振动台上，反力梁由一定宽度的铁板组成，与两端的铁板焊接连接在一起；所述拉线式位移传感器用于对剪切试验时剪切位移进行测量，所述土压力计和智能数显油压表用于对剪应力和正应力进行对比监测，数显油压表连接在千斤顶和分离式油缸之间，土压力计放置在千斤顶的端头位置，与DH5956动态信号测试分析系统连接，可随时读取千斤顶端头应力变化情况。
试验框架用于将试验试块固定在试验振动台上，即试验框架由一定厚度的铁板焊接组成，共有5个面，其顶部开放，底部留有螺栓孔，通过螺栓将试验框架固定在振动台上，试验框架水平四周平面高度为试验试块下盘围岩的三分之一左右。
具体试验过程包括以下步骤：
制作试验试块：①研究地点选取为大冶铁矿东露天采场北帮A区边坡F9断层，在断层附近，采集符合试验要求的含结构面的岩石试块，并用铁丝对含结构面岩样进行捆绑；然后将采集回来的试件加工成标准试验试块，并保证结构面位于试样的中间部位；②对加工好的试验试块进行一定饱水条件下的饱水处理。
试验试块的制作具体包括以下几个工序：
a.根据研究选取的试验地点，在断层附近，采用金刚石岩石切割机或风镐剥离结构面岩石，利用岩石切割机切取结构面及其上下层岩石，并进行岩石位置标记，在岩样脱离母岩前后，用铁丝对含结构面岩样进行捆绑；并用铁铲剥离剔出临近其他结构面充填材料,然后将采集回来的试件加工成标准试验试块，并保证结构面位于试样的中间部位；
b.根据对加工完成的试验试块上下盘岩体以及结构面进行声波测试，根据数据对试验试块进行分组，尽量保证试验试块初始状态的一致性。
c.对符合试验要求试验试块进行饱水处理，即在饱水试验前对试验试块进行称重，然后在相同pH值的纯净水里面进行相同时间的浸泡处理，并通过一定时间内的质量多次称量，直至试验试块总体质量不变或者变化量很小，即完成试验试块的饱水处理。得到符合试验要求的应用于不同特性爆破振动荷载对饱水软弱结构面强度渐变劣化规律影响研究的试验试块。
加载试验模型：分为两个部分：①试验试块静力边界条件加载，通过分析边坡原型，对试验模型进行简化分析，然后根据岩体力学、构造力学等理论对试验试块初始应力状态进行计算，并通过调整弹簧的个数及其与试验试块的距离来对试验试块施加初始应力；②试验试块不同爆破振动模拟荷载加载：在初始应力状态平衡后，通过振动台加载不同振动强度、持时以及频率的正弦波来实现对试验模型施加不同爆破振动模拟荷载，从而研究爆破振动荷载作用下软弱结构面强度渐近劣化规律；
a.试验试块静力边界条件的加载具体流程为：预先通过试验计算出弹簧的弹性系数，并根据岩体力学、构造力学等相关理论计算出试验试块的初始应力状态，从而计算出试验试块在不同应力状态下，所对应相同弹模弹簧的施加个数及其与试验试块的相对距离；
b.试验试块不同爆破振动模拟荷载加载：通过控制R-272水平-垂直双向液压振动系统，对试验试块加载不同振动强度、持时以及频率的正弦波，来试验不同爆破振动波对试验试块爆破振动荷载的加载。
模型试验测试：通过DH5956动态信号测试分析系统以及加速度计、应变计和速度计，对通过结构面前后的应力应变、加速度以及速度进行监测，从而获得结构面前后动力响应特征的变化衰减规律；通过声波测试仪对结构面前后进行监测，分析声波穿过结构面前后，声波在爆破损伤结构面中传播时的衰减特性；通过自制的新型无扰动应力控制式剪切仪，对每组进行过振动台试验的试验试块进行直剪试验，从而分析爆破振动荷载作用下软弱结构面抗剪强度参数劣化规律。
具体测试为：
a.对试验试块结构面试验前和试验后进行声波测试，根据声波降低原理，通过对声波速度数据进行研究，直观分析爆破振动对于结构面的损失程度；
b.对试验试块结构面前后在试验过程中布置应变片，对试验试块结构面前后应力应变变化情况进行监测，获得爆破振动对于结构面前后应力应变的变化影响；
c.对试验试块结构面前后在试验过程中布置速度计和加速度计，对试验试块结构面前后爆破振动波穿过情况进行监测，获得爆破振动对于结构面前后爆破振动速度传播规律的影响；
d.对试验试块结构面抗剪强度参数测量，对每组试验试块进行剪切试验，每组试验试块共有四个，每个试验试块设置不同剪切正应力，在进行每个试验试块剪切试验时，正应力保持恒定，逐级施加剪应力，每加一级，坚持30s，直至试验试块剪断，其中每级剪应力的大小，按正应力的2％-5％取值，得到爆破振动对于结构面抗剪强度的变化规律的影响。
静力边界条件中的加载弹簧与试验试块表面接触时均为海绵与木板的结合，即弹簧在施加静力边界荷载时依次通过弹簧、钢球、木板，然后通过海绵将模拟爆破振动波传递给试验试块，海绵起到了模型试验模拟无反射边界条件的作用；
在进行声波测试、速度、加速度、应力应变测试时，应做到测试位置不变，且多次反复测量，求取平均值，从而保证实验数据的可对比性。
在进行结构面剪切试验时，应做到正应力以及剪应力加载频率的一致性，从而避免加载频率对试验数据的影响。
实施例2
模型制作系统用于制作试验试块，包括采集工具、加工工具、声波测试仪、饱水处理系统和试验框架；试验试块的立体结构如图3所示，试验试块9上盘岩体92尺寸为15cm*15cm*6cm，下盘岩体93尺寸为15cm*15cm*6cm，结构面91尺寸为15cm*15cm*3cm；所述采集工具用于获取符合试验条件的试验试块，即采用金刚石岩石切割机或风镐剥离结构面岩石，利用岩石切割机切取结构面及其上下层岩石，并进行岩石位置标记，在岩样脱离母岩前后，用铁丝对含结构面岩样进行捆绑；所述加工工具用于即将采集回来的试件加工成标准试验试块，即在标准试验车床上将采集回来的试验试块安照试验方案设计的尺寸加工成符合试验要求的试验试块，并保证结构面位于试样的中间部位；所述声波测试仪用来对多组加工完成的试验试块初始参数进行测量，即对每组试验试块结构面进行测试，根据测试结果，对试验试块进行分类，从而尽量保证了试验试块结构面初始状态的一致性。所述饱水处理系统用于对符合试验要求的试验试块进行饱水处理，即在饱水试验前对试验试块进行称重，然后在相同pH值的纯净水里面进行相同时间的浸泡处理，并通过一定时间内的质量多次称量，直至试验试块总体质量不变或者变化量很小，即完成试验试块的饱水处理。
请参考图2,所述试验框架用于将试验试块固定在振动台上，从而方便振动台对试验试块加载不同振动特性的振动波，试验框架由5mm厚度的铁板焊接组成，共有5个面，其顶部开放，底部留有螺栓孔，通过螺栓将试验模型框架固定在振动台上，试验模型框架水平四周平面高度为2cm,其试验试块与框架之间含有1cm厚的海绵，海绵的作用时模拟无反射边界条件。
所述模型加载系统包括试验试块静力边界条件施加装置、爆破振动模拟荷载施加装置：所述试验试块静力边界条件施加装置其用于施加试验试块初始应力状态，包括“铁板+反力梁”作为试验加载的反力系统，铁板底部焊接有宽度为3cm的角铁，角铁上含有螺栓孔，通过螺栓将试验加载反力系统固定在振动台上，反力梁由宽度为5cm，厚度为的铁板组成1cm，与两端的铁板焊接连接在一起，两端铁板的厚度为1cm，高度为宽度为20cm，同时在反力梁和试验试块的左侧预留尺寸为直径为2.5cm的剪切试验孔，用于千斤顶对试验试块施加剪切正应力以及剪应力，并在剪切试验孔附近铁板上下5cm焊接个数为4的弹簧，通过调节与试验试块的距离对试验试块施加静力边界条件。
所述爆破振动模拟荷载施加装置，即振动台优选连接R-272水平-垂直双向液压振动系统，通过控制R-272水平-垂直双向液压振动系统和试验框架，对试验试块加载不同振动强度、持时以及频率的正弦波，来试验不同爆破振动波对试验试块爆破振动荷载的加载。
所述模型测试系统包括：结构面上下盘岩体加速度计、速度计、应变仪、声波测试仪和抗剪强度参数测试装置，所述构面上下盘岩体加速度计、速度计和应变仪用于测量穿过断层前后速度、加速度以及结构面前后应力应变变化情况，，即通过DH5956动态信号测试分析系统以及加速度计、应变计和速度计，对通过结构面前后的应力应变、加速度以及速度进行监测，从而获得结构面前后动力响应特征的变化衰减规律；所述声波测试装置用于获得爆破振动对于结构面声波速度传播的影响，即对试验试块结构面试验前和试验后进行声波测试，并记录相关数据。
所述抗剪强度参数测试装置用于对试验试块结构面抗剪强度参数测量，包括千斤顶、反力架、DH5956动态信号测试分析系统、拉线式位移传感器、土压力计、智能数显油压表；所述千斤顶用于对剪切试验提供不同大小正应力和剪应力，所述剪切反力架用于为千斤顶提供反力，其由“铁板+反力梁”作为剪切试验的反力系统，铁板底部焊接有宽度为3cm的角铁，角铁上含有螺栓孔，通过螺栓将试验加载反力系统固定在振动台上，反力梁由宽度为5cm,厚度为1cm,长度为40cm的铁板组成，与两端的铁板焊接连接在一起，两端铁板的高度为40cm,宽度为5cm,厚度为1cm；
所述拉线式位移传感器用于对剪切试验时剪切位移进行测量，所述土压力计和智能数显油压表用于对剪应力和正应力进行对比监测，数显油压表连接在千斤顶和分离式油缸之间，土压力计放置在千斤顶的端头位置，与DH5956动态信号测试分析系统连接，可随时读取千斤顶端头应力变化情况。
本发明边坡模型系统的试验方法，包括以下步骤：
本实施例中，所述制作试验模型：①研究地点选取为大冶铁矿东露天采场北帮A区边坡F9断层，在断层附近，采集符合试验要求的含结构面的岩石试块，并用铁丝对含结构面岩样进行捆绑；同时并将采集回来的试件加工成标准试验试块，其试验试块上盘围岩尺寸为15cm*15cm*6cm，下盘尺寸为15cm*15cm*6cm，结构面尺寸为15cm*15cm*3cm；并保证结构面位于试样的中间部位；②对加工好的试验试块进行声波测量，根据实验数据对试验数据进行分类；③对分类后的试验试块进行称重测量，然后在相同pH值的纯净水里面进行5个小时的浸泡处理，并通过每小时对试验试块质量进行称量，直至试验试块总体质量不变或者变化量很小，即完成对试验试块的饱水处理；
本实施例中，所述加载试验模型分为两个部分：①试验试块静力边界条件加载，通过分析边坡原型，对试验模型进行简化分析，然后根岩体力学和构造力学理论对试验试块初始应力状态进行计算，并通过调整弹簧的个数及其与试验试块的距离来对试验试块施加初始应力；②试验试块不同爆破振动模拟荷载加载：在初始应力状态平衡后，通过振动台加载不同振动强度、持时以及频率的正弦波来实现对试验模型施加不同爆破振动模拟荷载，从而研究爆破振动荷载作用下软弱结构面强度渐近劣化规律；
具体的：
计算得到试验试块的应力状态中垂直围岩应力为50KPa，水平围岩应力为30KPa，根据弹簧的弹性系数，得到每个弹簧的压缩量为5cm，静力边界条件加载完成后，对试验试块施加正弦波，操作振动台操作界面，点击k2文件，选择正弦振动控制，设置点目标定义中加速度的大小为1.6m/s2，驻留时间为30s，点击「试验开始」按钮，初期环检确认、初始均衡就自动进行，即对试验模型进行加载，试验被运行。
本实施例中，所述模型试验测试：通过DH5956动态信号测试分析系统以及加速度计、应变计和速度计，对通过结构面前后的应力应变、加速度以及速度进行监测，从而获得结构面前后动力响应特征的变化衰减规律；通过声波测试仪对结构面前后进行监测，分析穿过前后，声波在爆破损伤结构面中传播时的衰减特性；通过自制的新型无扰动应力控制式剪切仪，对每组进行过振动台试验的试验试块进行直剪试验，从而分析爆破振动荷载作用下软弱结构面抗剪强度参数劣化规律。
具体的：
根据上述试验方法做三组试验，其中加载正弦波加速度大小均为1.6m/s2，剪切试验时正应力均为200kpa，加载时间分别为30s、60s、90s、120s，从而得到三条应力应变曲线，根据三条曲线的变化趋势，找到各个正应力所对应的最大剪切力，从而可得相同加载大小不同加载时间下爆破振动荷载对饱水软弱结构面强度渐变劣化规律如图5所示。
根据上述试验方法再做四组试验，其中剪切试验时正应力均为200kpa，加载时间均为60s，加载正弦波大小分别为1.6m/s2、3m/s2、5m/s2、7m/s2，从而得到四条应力应变曲线，根据四条曲线的变化趋势，找到各个正应力所对应的最大剪切力，从而可得相同加载时间不同加载大小下爆破振动荷载对饱水软弱结构面强度渐变劣化规律，如图6所示。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (8)

1.研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.制作试验试块，试验试块包括结构面、位于结构面上方的上盘岩体和位于结构面下方的下盘岩体；在断层附近采集符合试验要求的含结构面的岩石试块，并用铁丝对含结构面的岩石试块进行捆绑；然后加工成标准试验试块，并保证结构面位于试样的中间部位；对加工好的试验试块先进行声波测试，再在饱水条件下进行饱水处理；
S2.计算试验试块的初始应力状态，先对试验试块静力边界条件下进行加载，再对试验试块不同爆破振动模拟荷载条件下进行加载；
S3.在静力边界条件下和不同爆破振动模拟荷载条件下，对结构面进行声波测试，分析爆破振动对于结构面的损失程度；
S4.在静力边界条件下和不同爆破振动模拟荷载条件下，对结构面爆破振动波穿过情况进行监测，获得爆破振动对于结构面爆破振动速度传播规律的影响；
S5.测量结构面抗剪强度参数，获得爆破振动对于结构面抗剪强度的变化规律的影响；
S6.结合步骤S3-S5的结果得到爆破振动作用下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律；
对试验试块的加载采用模型加载系统，所述模型加载系统包括反力架和振动台，所述反力架安装在振动台上，所述试验试块放置在试验框架内，所述试验试块和试验框架之间设有海绵，所述试验框架固定在振动台上，且位于反力架内，所述反力架由一反力梁和两铁板构成，所述反力梁水平设置，两铁板竖直设置，且反力梁固接在两铁板的上方，所述反力梁预留有剪切试验孔和一铁板上预留有剪切试验孔，所述试验框架上与剪切试验孔对应的位置设有木板，所述木板的外侧设有钢球，所述钢球的外侧设有隔档铁板，所述隔档铁板与铁板和反力梁之间均通过弹簧连接，所述弹簧靠近预留剪切试验孔的位置，且分布在剪切试验孔的两侧，向反力梁和铁板上预留的剪切试验孔加载千斤顶，施加剪应力和正应力，所述振动台连接R-272水平—垂直双向液压振动系统，通过控制振动台和试验框架，对试验试块加载不同振动强度、持时以及频率的正弦波。
2.根据权利要求1所述的研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法，其特征在于，所述步骤S1中，包括以下步骤：
S1.1.根据研究选取的试验地点，在断层附近，采用金刚石岩石切割机或风镐剥离结构面岩石，利用岩石切割机切取结构面及其上下盘岩体，并进行位置标记，在岩样脱离母岩前后，用铁丝对含结构面岩样进行捆绑；并用铁铲剥离剔出临近其他结构面充填材料,然后将采集回来的试件加工成标准试验试块，并保证结构面位于试样的中间部位；
S1.2.根据对加工完成的试验试块上下盘岩体以及结构面进行声波测试，根据声波测试数据对试验试块进行分组，尽量保证试验试块初始状态的一致性；
S1.3.对符合试验要求试验试块进行饱水处理，即在饱水试验前对试验试块进行称重，然后在相同pH值的纯净水里面进行相同时间的浸泡处理，并通过一定时间内的多次称量，直至试验试块总体质量不变或者变化量很小，即完成试验试块的饱水处理，得到符合试验要求的试验试块。
3.根据权利要求2所述的研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法，其特征在于，所述步骤S1中采用模型制作系统制作试验试块，模型制作系统包括采集工具、加工工具、声波测试仪和饱水处理系统，所述采集工具用于获取符合试验条件的试验试块；所述加工工具用于将采集回来的试件加工成标准试验试块；所述声波测试仪用来对多组加工完成的试验试块初始参数进行测量，所述饱水处理系统用于对符合试验要求的试验试块进行饱水处理。
4.根据权利要求1所述的研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法，其特征在于，所述步骤S2中，试验试块静力边界条件加载：通过分析边坡原型，对试验模型进行简化分析，然后根据岩体力学和构造力学理论对试验试块初始应力状态进行计算，并据此对试验试块施加初始应力；试验试块不同爆破振动模拟荷载加载：在初始应力状态平衡后，通过加载不同振动强度、持时以及频率的正弦波来实现对试验试块施加不同爆破振动模拟荷载。
5.根据权利要求1所述的研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法，其特征在于，所述步骤S2中，对试验试块的加载采用模型加载系统，所述模型加载系统包括反力架和振动台，所述反力架安装在振动台上，所述试验试块放置在试验框架内，所述试验试块和试验框架之间设有海绵，所述试验框架固定在振动台上，且位于反力架内，所述反力架由一反力梁和两铁板构成，所述反力梁水平设置，两铁板竖直设置，且反力梁固接在两铁板的上方，所述反力梁和一铁板上预留有剪切试验孔，所述试验框架上与剪切试验孔对应的位置设有木板，所述木板的外侧设有钢球，所述钢球的外侧设有隔档铁板，所述隔档铁板与铁板和反力梁之间均通过弹簧连接，所述弹簧靠近预留剪切试验孔的位置，且分布在剪切试验孔的两侧，向反力梁和铁板上预留的剪切试验孔加载千斤顶，施加剪应力和正应力，先加载在隔档铁板上，再依次传递给弹簧、钢球和木板，最后通过海绵传递给试验试块，所述隔档铁板隔挡住钢球，使钢球减小摩擦力，所述海绵起到模拟无反射边界条件的作用，通过控制振动台和试验框架，对试验试块加载不同振动强度、持时以及频率的正弦波。
6.根据权利要求5所述的研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法，其特征在于，所述试验框架上设有加速度计、速度计、应变仪、声波测试仪和抗剪强度参数测试装置，所述加速度计、速度计、应变仪在上盘岩体和下盘岩体的位置均设有，用于测量穿过结构面前后速度、加速度以及应力应变变化情况，所述声波测试仪设在结构面的两侧，用于获得爆破振动对于结构面声波速度传播的影响，所述抗剪强度参数测试装置用于对试验试块结构面抗剪强度参数测量。
7.根据权利要求6所述的研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法，其特征在于，所述抗剪强度参数测试装置包括拉线式位移传感器、土压力计、智能数显油压表和动态信号测试分析系统，所述千斤顶通过分离式油缸驱动，所述智能数显油压表连接在千斤顶和分离式油缸之间，所述土压力计安装在千斤顶的端头，所述土压力计和数显油压表用于对剪应力和剪切正应力进行对比监测，所述动态信号测试分析系统连接土压力计，随时读取千斤顶端头应力变化情况，所述拉线式位移传感器感应剪切位移。
8.根据权利要求1所述的研究爆破振动下饱水软弱结构面强度渐变劣化规律的方法，其特征在于，所述步骤S5中，对试验试块设置不同剪应力进行剪切试验，剪应力保持恒定，逐级施加剪应力，每加一级，坚持30s，直至试验试块剪断，其中每级剪应力的大小，按正应力的2％-5％取值。
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