CN109580912A - 一种研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法,步骤如下：在振动台上安装一个模型箱，然后根据围岩原型与断层破碎带原型的结构，先利用围岩相似材料在模型箱的内部浇筑边坡模型下盘围岩，再利用断层破碎带相似材料在边坡模型下盘围岩的上方浇筑边坡模型断层，最后利用围岩相似材料在边坡模型断层的上方浇筑边坡模型上盘围岩，在自然条件下养护成型，即得到边坡试验模型；在边坡试验模型内埋设若干监测仪器；对边坡试验模型加载不同振动变量的模拟爆破振动波进行正交试验；改变边坡试验模型中边坡模型断层的倾角和厚度，重复执行上述步骤，根据监测仪器的监测结果，得到含断层边坡在爆破振动惯性力作用下的动力响应变化规律。
Description
技术领域
本发明涉及岩石爆破动力学领域，尤其涉及一种研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法。
背景技术
爆破是我国矿石开采、岩体开挖等采矿生产与工程建设的必要手段，反复多次爆破动力极易引起含断层边坡失稳问题，从边坡爆破动力作用方式来看，露天转地下开采爆破振动荷载对缺陷边坡的作用体现在两个方面：一是“弱化”作用。即采矿爆破振动荷载的反复作用，导致岩体结构面扩展、变形以及岩体结构松动变形，抗剪强度参数降低，从而导致结构岩体累积损伤破坏；其次是“附加荷载”作用,即爆破振动产生的惯性力使缺陷边坡岩体沿结构面整体下滑力增大，从而导致不稳定边坡的惯性动力失稳。
目前关于含断层边坡爆破动力失稳机理的研究中，大多数结合加载频率较低的土动三轴仪以及声波试验进行研究，直观的分析断层带受爆破振动影响的损伤程度，或者间接的结合现场测试和数值模拟反演分析边坡稳定性系数的变化规律,忽视了含断层边坡在爆破动力惯性力作用下的动力响应特征对于边坡稳定性的影响，因此研究爆破振动惯性力作用下含断层边坡动力响应特征是具有重要的理论价值和实际应用价值的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法，通过该方法能够客观直接反映出含断层边坡在爆破振动惯性力作用下的动力响应变化规律，得到在断层前后爆破振动波的衰减规律，间接的揭示含断层边坡在爆破振动惯性力作用下的变形失稳机理。
本发明提供一种研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法,包括以下步骤：
S1，在振动台上安装一个模型箱，然后根据围岩原型与断层破碎带原型的结构，先利用围岩相似材料在所述模型箱的内部浇筑边坡模型下盘围岩，再利用断层破碎带相似材料在所述边坡模型下盘围岩的上方浇筑边坡模型断层，最后利用围岩相似材料在所述边坡模型断层的上方浇筑边坡模型上盘围岩，在自然条件下养护成型，即得到边坡试验模型；
S2，在所述边坡试验模型内埋设若干监测仪器；
S3，对所述边坡试验模型加载不同振动变量的模拟爆破振动波进行正交试验；
S4，改变所述边坡试验模型中边坡模型断层的倾角和厚度，重复执行步骤S1至S3，根据所述监测仪器的监测结果，得到含断层边坡在爆破振动惯性力作用下的动力响应变化规律。
进一步地，所述围岩相似材料包括石膏、粗砂、中砂、铁精粉、柠檬酸钠、水，其质量比例为0.21:0.33:0.05:0.42:0.01:0.16。
进一步地，所述断层破碎带相似材料包括重晶石粉、粗砂、中砂、粉砂、水，其质量比例为0.74:0.21:0.05:0.01:0.14。
进一步地，围岩原型与所述围岩相似材料的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角的相似系数分别为1.29、129、1、129、1。
进一步地，所述围岩相似材料的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角分别为2.10g/cm3、0.16GPa、0.23、3.61KPa、29.00°。
进一步地，断层破碎带原型与所述断层破碎带相似材料的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角的相似系数分别为1.29、129、1、129、1。
进一步地，所述断层破碎带相似材料的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角分别为1.37g/cm3、0.019GPa、0.20、1.72KPa、24.34°。
进一步地，所述监测仪器包括土压力计、速度计、加速度计和应力应变监测仪，所述土压力计埋设在边坡模型断层处，所述速度计、加速度计和应力应变监测仪布置在边坡模型下盘围岩和边坡模型上盘围岩处。
进一步地，步骤S3中，所述模拟爆破振动波的爆破时间为1-5s,振动强度为0.2-1.2cm/s。
进一步地，步骤S4中，所述边坡模型断层的倾角为20°-70°，厚度为1-3cm。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
1、本发明提供的方法通过改变含断层边坡试验模型的断层厚度、倾角以及爆破振动加载次数，结合声波测试结果、断层前后速度、加速度、应力应变以及断层内土压力的测试结果，分析爆破振动荷载作用下边坡动力响应的变化规律；
2、本发明提供的方法试验过程便于操作，可实现控制单一变量原则，能客观直接反映出含断层边坡在爆破振动惯性力作用下的动力响应变化规律，得到在断层前后爆破振动波的衰减规律，间接的揭示含断层边坡在爆破振动惯性力作用下的变形失稳机理；
3、本发明提供的方法通过试验过程中的加速度的测试，可得到断层前后边坡的加速度变化规律，弥补了边坡稳定性计算中拟静力法和强度折减法的缺陷。
附图说明
图1是本发明一种研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法的流程示意图。
图2是本发明一实施例中边坡试验模型的结构示意图。
图3是本发明一实施例中的模型箱的结构示意图。
图4是本发明一实施例中土压力计、声波测速仪、速度计、加速度计及应力应变监测仪的监测点布置示意图。
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一种研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法，包括以下步骤：
步骤S1，构建边坡试验模型：通过螺栓在振动台上固定安装一个模型箱，根据围岩原型(围岩原型指实际工程背景下的围岩)与断层破碎带原型(断层破碎带原型指实际工程背景下的断层破碎带)的结构，先利用围岩相似材料在模型箱的内部浇筑边坡模型下盘围岩，再利用断层破碎带相似材料在边坡模型下盘围岩的上方浇筑边坡模型断层，最后利用围岩相似材料在边坡模型断层的上方浇筑边坡模型上盘围岩，在自然条件下养护成型，边坡模型上盘围岩、边坡模型断层和边坡模型下盘围岩一起构成了边坡试验模型，在模型箱内浇筑边坡试验模型，能够保证试验过程中边坡试验模型的稳固性。
根据实际工程背景，考虑振动台试验设备承重能力的限制来确定各关键物理量的相似系数，围岩相似材料和断层破碎带相似材料的物理力学参数的取值通过开展大量的常规物理力学特性试验(抗压强度、弹性模量、抗剪强度等)获得，并确定围岩原型与围岩相似材料的相似系数以及断层破碎带原型与断层破碎带相似材料的相似系数，表1为围岩原型、围岩相似材料、断层破碎带原型与断层破碎带相似材料的物理学参数取值，表2为围岩原型与围岩相似材料、断层破碎带原型与断层破碎带相似材料的各关键物理量的相似系数。
表1围岩原型、围岩相似材料、断层破碎带原型与断层破碎带相似材料的物理学参数取值
表2各关键物理量的相似系数
步骤S1中，围岩相似材料包括石膏、粗砂、中砂、铁精粉、柠檬酸钠、水，其质量比例为0.21:0.33:0.05:0.42:0.01:0.16，断层破碎带相似材料包括重晶石粉、粗砂、中砂、粉砂、水，其质量比例为0.74:0.21:0.05:0.01:0.14。
参考图2，其为本发明一实施例中的边坡试验模型的结构示意图，图2中，1表示边坡模型上盘围岩，2表示边坡模型断层，3表示边坡模型下盘围岩，边坡倾角即边坡面与水平线的夹角为40°，边坡模型断层倾角即边坡模型断层与水平线的夹角为30°。
步骤S2，在边坡模型断层处埋设土压力计，在边坡模型下盘围岩和边坡模型上盘围岩处布置速度计、加速度计、应力应变监测仪、声波测速仪等相关监测仪器，并对这些监测仪器进行调试准备；其中土压力计在断层破碎带相似材料浇筑时进行预埋，其他监测仪器在养护成型后布置。
步骤S2中，在边坡试验模型与模型箱的空隙部分放置泡沫板，模拟无反射边界条件。
图3为本发明一实施例中的模型箱的结构示意图，图3中，4代表模型箱，模型箱的尺寸为1m*0.5m*0.4m。
步骤S3，对边坡试验模型加载不同振动变量的模拟爆破振动波进行正交试验。
步骤S4，改变边坡试验模型中边坡模型断层的倾角和厚度，重复执行步骤S1至S3，速度计和加速度计测量边坡试验模型随高度变化以及边坡模型断层前后振动速度、加速度的变化规律；土压力计测量边坡模型断层在振动作用下土动应力的变化情况；应力应变监测仪测量边坡试验模型随高度变化以及边坡模型断层前后应力应变的变化规律，即通过上述步骤根据监测仪器的监测结果得到含断层边坡在爆破振动惯性力作用下的动力响应变化规律；表3为边坡模型断层的倾角、厚度及模拟爆破振动波的爆破时间、振动强度列表。
表3边坡模型断层的倾角、厚度及模拟爆破振动波的爆破时间、振动强度
一实施例中，对边坡试验模型加载振动幅值为0.5cm/s、频率为50Hz的正弦波，加载时间为2s,设置完成后，打开各监测仪器进行监测，同时启动振动台开始按钮，进行试验。
图4为本发明一实施例中土压力计、声波测速仪、速度计、加速度计及应力应变监测仪的监测点布置示意图。
本发明提供的方法通过改变含断层边坡试验模型的断层厚度、倾角以及爆破振动加载次数，结合声波测试结果、断层前后速度、加速度、应力应变以及断层内土压力的测试结果，分析爆破振动荷载作用下边坡动力响应的变化规律；本发明提供的方法试验过程便于操作，可实现控制单一变量原则，能客观直接反映出含断层边坡在爆破振动惯性力作用下的动力响应变化规律，得到在断层前后爆破振动波的衰减规律，间接的揭示含断层边坡在爆破振动惯性力作用下的变形失稳机理；本发明提供的方法通过试验过程中的加速度的测试，可得到断层前后边坡的加速度变化规律，弥补了边坡稳定性计算中拟静力法和强度折减法的缺陷。
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 (10)
1.一种研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法,其特征在于，包括以下步骤：
S1，在振动台上安装一个模型箱，然后根据围岩原型与断层破碎带原型的结构，先利用围岩相似材料在所述模型箱的内部浇筑边坡模型下盘围岩，再利用断层破碎带相似材料在所述边坡模型下盘围岩的上方浇筑边坡模型断层，最后利用围岩相似材料在所述边坡模型断层的上方浇筑边坡模型上盘围岩，在自然条件下养护成型，即得到边坡试验模型；
S2，在所述边坡试验模型内埋设若干监测仪器；
S3，对所述边坡试验模型加载不同振动变量的模拟爆破振动波进行正交试验；
S4，改变所述边坡试验模型中边坡模型断层的倾角和厚度，重复执行步骤S1至S3，根据所述监测仪器的监测结果，得到含断层边坡在爆破振动惯性力作用下的动力响应变化规律。
2.根据权利要求1所述的研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法,其特征在于，所述围岩相似材料包括石膏、粗砂、中砂、铁精粉、柠檬酸钠、水，其质量比例为0.21:0.33:0.05:0.42:0.01:0.16。
3.根据权利要求1所述的研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法,其特征在于，所述断层破碎带相似材料包括重晶石粉、粗砂、中砂、粉砂、水，其质量比例为0.74:0.21:0.05:0.01:0.14。
4.根据权利要求1所述的研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法,其特征在于，所述围岩原型与围岩相似材料的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角的相似系数分别为1.29、129、1、129、1。
5.根据权利要求4所述的研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法,其特征在于，所述围岩相似材料的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角分别为2.10g/cm3、0.16GPa、0.23、3.61KPa、29.00°。
6.根据权利要求1所述的研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法,其特征在于，所述断层破碎带原型与断层破碎带相似材料的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角的相似系数分别为1.29、129、1、129、1。
7.根据权利要求6所述的研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法,其特征在于，所述断层破碎带相似材料的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角分别为1.37g/cm3、0.019GPa、0.20、1.72KPa、24.34°。
8.根据权利要求1所述的研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法,其特征在于，所述监测仪器包括土压力计、速度计、加速度计和应力应变监测仪，所述土压力计埋设在边坡模型断层处，所述速度计、加速度计和应力应变监测仪布置在边坡模型下盘围岩和边坡模型上盘围岩处。
9.根据权利要求1所述的研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法,其特征在于，步骤S3中，所述模拟爆破振动波的爆破时间为1-5s,振动强度为0.2-1.2cm/s。
10.根据权利要求1所述的研究爆破惯性力作用下断层边坡动力响应特征的方法,其特征在于，步骤S4中，所述边坡模型断层的倾角为20°-70°，厚度为1-3cm。
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