CN109738609A - 动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统，其特征在于，具有：剪切盒构件；垂直加载装置，对试样施加垂直载荷，包含：施加激振载荷的电磁式激振器，设置在电磁式激振器端部的垂直动态压力传感器；水平加载装置，包含：水平加载器，和设置在水平加载器端部的水平压力传感器；数据采集部，包含：设置在电磁式激振器上的动态位移传感器，设置在水平加载器上的水平位移传感器，呈网状均匀地设置在试样的待测部位上、对待测部位进行实时动态应变测量的分布式光纤光栅传感器，和朝向剪切盒构件、对盒内试样进行扫描、并获得试样裂隙信息的CT实时扫面系统；以及控制部。

Description

动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统

技术领域

本发明属于岩土工程室内力学试验技术领域，具体涉及一种动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统。

背景技术

随着人类对地下空间和蕴藏资源的开发，现代岩土工程涉及的深度不断增加。由于深部岩体＂三高＂状态(高地应力、高温度、高渗透压)及其节理化特点，进行工程作业时，会出现大量的岩体动力灾害，滑移型岩爆是岩石力学工程领域专家和学者研究的热点之一。

在爆破开挖等动力加卸载扰动下，深部岩体结构面附件会产生应力集中和高应力作用环境变化，加卸载将导致结构面压力出现增减特征，甚至出现张开滑移、抗滑力陡降现象，同时扰动也将影响裂纹闭合和扩展等机制。这些无法用传统连续介质力学理论解释和分析的新特征科学现象，通常采用室内试验进行机理研究。

针对室内试验，一方面，传统的结构面摩擦试验设备多为静态(准静态)试验设备，无法模拟动力扰动或扰动能力受限，如常规伺服试验机由于技术等原因大多扰动频率停留在5HZ左右的上限的低频扰动，而爆破应力波、岩体失稳传来的地震波、机械钻凿或重型设备振动引起的振动波大多远超出此范围，通过这些试验设备得到的数据，往往无法较好的再现工程中的实际情况；另一方面，受到监测困难等诸多因素影响，目前仍主要采用应变片、位移计等单点测量法，测量能力有限，限制了对试验的进一步监测和分析。

为建立岩体结构面特性、地应力、动力扰动等参数与岩体结构面抗滑力、动摩擦系数的变化影响关系，进一步研究剪切面附近质点动态变形场、应力场、裂纹演化规律，探讨深部岩体摩擦力减弱效应、超低摩擦效应等产生原因及深部含结构面岩体的滑移型岩爆发生机理，发明一种动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统有较大意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统，能够研究深部含结构面岩体在不同振幅、扰动频率、波形的振动荷载作用下，深部岩体结构面动态变形场、应力场、动摩擦系数、裂纹等演化规律，进一步认识复杂动力扰动作用下滑移型岩爆的发生机理。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统，其特征在于，具有：剪切盒构件，用于放置待测试的试样；垂直加载装置，对试样施加垂直载荷，包含：施加激振载荷的电磁式激振器，设置在电磁式激振器端部的垂直动态压力传感器；水平加载装置，对试样施加水平载荷，包含：载荷施加端朝向剪切盒构件的水平加载器，和设置在水平加载器端部的水平压力传感器；数据采集部，包含：设置在电磁式激振器上的动态位移传感器，设置在水平加载器上的水平位移传感器，呈网状均匀地设置在试样的待测部位上、对待测部位进行实时动态应变测量的分布式光纤光栅传感器，和朝向剪切盒构件、对盒内试样进行扫描、并获得试样中的裂隙信息的CT实时扫面系统；以及控制部，与垂直加载装置、水平加载装置、数据采集部通信相连，并控制它们的运行。

在本发明所涉及的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统中，还可以具有这样的特征：电磁式激振器通过函数信号控制激振波形，施加扰动信号，工作频率上限为400Hz，振幅最大范围为-1～1mm。

在本发明所涉及的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统中，还可以具有这样的特征：水平加载器为伺服作动器。

在本发明所涉及的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统中，还可以具有这样的特征：动态位移传感器为差动变压器式位移传感器，测量精度为0.05％。

在本发明所涉及的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统中，还可以具有这样的特征：水平位移传感器为LVDT位移传感器，测量精度为0.001mm。

在本发明所涉及的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统中，还可以具有这样的特征：分布式光纤光栅传感器的采样频率为4K。

在本发明所涉及的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统中，还可以具有这样的特征：CT实时扫描系统的空间分辨率为1um，扫描速度达到3s/幅。

发明的作用与效果

1.本发明系统考虑到传统结构面摩擦试验设备多为静态(准静态)的不足，结合电磁式激振器、液压伺服系统等，模拟爆破、机械开挖等扰动作用，更加符合工程岩体实际受力，除满足定法向力、定法向刚度的常规剪切试验要求外，还可模拟高应力条件，施加不同频率、振幅、波形的振动荷载及复合形式荷载，进行动态循环剪切试验、摩擦力减弱效应、超低摩擦差效应等动态试验的研究，极大满足试验需求；

2.本发明系统针对电液伺服扰动系统可实现的工作频率较低，导致试验时间长，而油压、油温对输出的波形会产生一定干扰，影响机器性能的特点，采用电磁式激振器施加扰动荷载，所采用电磁式激振器与被激对象不接触，没有附加质量和刚度的影响，其以电磁力为周期干扰力的强迫振动系统，转化为相应强度恒荷载或相应强度、频率的激振荷载；其工作频带宽，频率上限可达400Hz左右，且电磁式激振器具有体积重量小、控制精确等特征；

3.本发明系统针对试验中传统测量工具应变片、位移计等测量法测量能力有限，此单点测量法限制了对试验的进一步监测和分析的缺陷，采用先进的分布式光纤光栅传感器技术，其抗干扰能力强，传感网络形式布置灵活、应变感知能力好，可精确研究在动力扰动作用下，深部岩体结构面附近动态变形场变化规律；

4.本发明系统基于射线的CT扫描技术，可对同一岩石试件的连续无损扫描和直观岩石图像监测，实现岩石变形破坏过程的裂纹演化规律性(如裂纹宽度、长度、空间位置)的定量测试、岩石裂纹三维重构、损伤演化与损伤变量分析。

附图说明

图1是本发明实施例中涉及的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中涉及的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统的剖视图；

图3是本发明实施例中涉及的分布式光栅传感器布置图(图3a)及剖面示意图(图3b)；

图4是本发明实施例中涉及的扰动荷载典型波形图；

图5是本发明实施例中涉及的CT实时扫描仪的扫描过程示意图；

图6是本发明实施例中涉及的系统受力分析示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明所涉及的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统作详细阐述。

如图1和2所示，动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统10具有支撑架11、垂直加载装置12、水平加载装置13、剪切盒构件14、数据采集部15、以及控制部16。

垂直加载装置12安装在支撑架11上部，用于对剪切盒构件14中的试样S施加垂直载荷，可进行定法向力剪切试验、法向扰动荷载试验等，它包含安装框12a、电磁式激振器12b和垂直动态压力传感器12c。安装框12a能够沿着支撑架上的滑轨在水平方向上来回移动并定位。电磁式激振器12b安装在安装框顶部，并且加载端朝向正下方，电磁式激振器12b通过输入交流电，或交流电加直流电，或半波整流后的脉动电流时，内部铁芯内产生相应强度和频率的磁感应，继而转化为相应强度恒荷载或相应强度、频率的激振荷载，通过函数信号可控制激振波形，如图4所示，施加典型扰动信号如斜坡波、三角波、正弦波、方形波、节约脉冲波、复合波等，可控性强，操作精度高；其工作频带宽，频率上限达400Hz左右，振幅最大范围-1～1mm。垂直动态压力传感器12c设置在电磁式激振器12b的加载端上，获取实时压力信息。

水平加载装置13安装在支撑架11的侧面，能够沿着支撑架11侧面上的轨道进行移动，用于对剪切盒构件14中的试样S施加水平载荷，其采用定速率、变速率剪切位移控制和剪切应力控制方式，可满足岩体结构面动态位移剪切试验等多种试验要求。水平加载装置13包含水平加载器13a和水平压力传感器13b。水平加载器13a的载荷施加端朝向剪切盒构件14；本实施例中采用的水平加载器13a为伺服作动器，最大输出为500kN。水平压力传感器13b设置在水平加载器13a的端部。

本实施例中，垂直加载装置12和水平加载装置13为相互独立的两个装置，并且均可拆卸。

剪切盒构件14放置在支撑架11上，并且位于垂直加载装置12的下方，和水平加载装置13的侧旁，用于放置待测试的试样S。剪切盒构件14包含上剪切盒14a、下剪切盒14b和剪切盒配件。上剪切盒14a和下剪切盒14b合上后内部形成容纳试样S的腔体。剪切盒配件包括限位件14c、下滑板夹14d、上滑板夹14e。

数据采集部15包含动态位移传感器15a、水平位移传感器15b、多个分布式光纤光栅传感器15c以及CT实时扫描仪15d。动态位移传感器15a设置在电磁式激振器12b上，为差动变压器式位移传感器，测量精度为0.05％。

水平位移传感器15b设置在水平加载器13a上，为LVDT位移传感器，测量精度为0.001mm。

如图3所示，根据观测研究需求，集中或均匀的以网状等网络形式将多个分布式光纤光栅传感器15c埋置、粘贴于试样S上或者上盒试样S1和下盒试样S2的待测部位上，对待测部位进行实时的“线”测量，以保证动态应变监测的连续性与全面性。本实施例中，共设有两层传感器网络，数个横向设置的光纤光栅传感器15c-1和多个纵向设置的光纤光栅传感器15c-2形成第一层传感器网络；数个横向设置的光纤光栅传感器15c-3和多个纵向设置的光纤光栅传感器15c-4形成第二层传感器网络。

如图1和5所示，CT实时扫描仪15d设置在支撑架11位于的侧向，并且朝向剪切盒构件14，用于对盒内试样S进行扫描以获得试样S中的颗粒和孔隙、裂隙信息；CT实时扫描仪15d可利用微弱的电流，发射出小锥束的射线，最小的焦点尺寸为焦距为最大的功率，可以对各种金属和非金属材料进行扫描，其通过各个方向上的切片与单元分析，清楚地观测到裂隙的分布、连通及发展情况；本实施例中，CT实时扫描仪15d(404)空间分辨率为1um，扫描速度可达到3s/幅，可实现同一试件的连续无损精确扫描。CT实时扫描仪15d包括射线源15d-1和探测器板15d-2，分别朝向剪切盒构件14的正面和背面。

控制部16与垂直加载装置12、水平加载装置13、数据采集部15通信相连，并控制它们的运行。

基于以上结构，本实施例所提供的滑移型岩爆剪切试验系统10的具体使用方法为：

步骤一.基于相似理论，采用岩体相似材料(如石膏、水泥砂浆等)和改善性能的添加剂(如减水剂、缓凝剂等)组成制作试样S，试样S为150*150*150mm³或100*100*100mm³标准方体，并分为上盒试样S1和下盒试样S2，分别与上剪切盒14a、下剪切盒14b相对应。，可通过不同的材料配合比来改变试样S弹性模量、单轴抗压强度、泊松比等力学参数，从而模拟出不同力学参数和摩擦系数的岩体结构面模型试样S。

如图3所示，根据试验监测需要，集中或均匀的以网状等网络形式将多个分布式光纤光栅传感器15c埋置、粘贴于上盒试样S1和下盒试样S2之间，对监测部位进行实时的“线”测量；试样S制备过程中，根据研究内容，可设计如不同倾角、高度、分布等特征的不规则锯齿状钢模，通过上、下吻合的刻有锯齿的钢模为底面，待其完全硬化后将与结构面相对的一侧切割、磨平。

步骤二.开启垂直加载装置12、水平加载装置13及控制部16，设定测试内容。

步骤三.安装下剪切盒14b，然后依次放入下盒试样S2和上盒试样S1，再安装上剪切盒14a；安放上滑板夹14e，调节下盒试样S2、上盒试样S1、上滑板夹14e，使其与垂直加载装置12的垂直动态压力传感器12c轴心均处于同一轴线上。

步骤四.调整垂直加载装置12的位置，使处于支撑架11的中线位置，然后旋转限位件14c，对上剪切盒14a进行约束。

步骤五.调整动态位移传感器15a和水平位移传感器15b位置以保证传感器处于最佳试验量程范围内。

步骤六.通过垂直加载装置12施加预压荷载，使试样S的结构面完全接触。

步骤七.通过垂直加载装置12和水平加载装置13施加预定静荷载，采用力或位移的控制加载方式。

步骤八.根据试验方案，通过垂直加载装置12的电磁式激振器12b施加静荷载或设计频率、幅值、波形等特征的振荷载，模拟爆破应力波、岩体失稳传来的地震波、机械钻凿或重型设备振动引起的中、低频扰动、微荷载扰动、强荷载扰动等多种工况条件。试验过程中开启CT实时扫描仪15d的CT实时扫描仪15d的射线源15d-1及探测器板15d-2，对试件进行高精度CT实时扫描，监测裂纹演化过程.

步骤九.基于数据采集部15记录动态位移传感器15a、分布式光纤光栅传感器15c等测试数据，结合各压力传感器记录压力参数，绘制试验曲线，观察模型试样S变形情况。

步骤十.对水平加载装置13、垂直加载装置12进行卸荷，拆除试样S，结束试验。

本实施例中，如图6所示，通过水平位移传感器15b可以采集到相对位移信息，表示为x＝f(t)，以表示残余位移随时间变化关系；通过水平加载装置13可以测得摩擦力，表示为F＝F(t)，则界面摩擦系数u＝u(t)＝F/N，以表示摩擦力随时间的变化关系，N为法向荷载；通过分布式光纤光栅传感器15c采集预剪面附近应变值，表示为ξ＝ξ(t)，以表示接触界面应变随时间变化关系；根据方案施加的不同大小、振动荷载振幅、振动频率的荷载等，结合CT实时扫描仪15d研究预剪面力学性质、变形机理及损伤演化，探讨深部岩体岩爆的发生机理。

整个系统可进行深部岩体摩擦力减弱效应、超低摩擦效应等产生原因及深部含结构面岩体的滑移型岩爆发生机理研究试验。

针对研究内容不同，上述试验步骤及方法可进行相应改变，以便进一步了解深部岩体在复杂条件下的剪切破坏等力学机制。

以上仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统，其特征在于，具有：

剪切盒构件，用于放置待测试的试样；

垂直加载装置，对所述试样施加垂直载荷，包含：施加激振载荷的电磁式激振器，设置在所述电磁式激振器端部的垂直动态压力传感器；

水平加载装置，对所述试样施加水平载荷，包含：载荷施加端朝向所述剪切盒构件的水平加载器，和设置在所述水平加载器端部的水平压力传感器；

数据采集部，包含：设置在所述电磁式激振器上的动态位移传感器，设置在所述水平加载器上的水平位移传感器，呈网状均匀地设置在所述试样的待测部位上、对所述待测部位进行实时动态应变测量的多个分布式光纤光栅传感器，和朝向所述剪切盒构件、对盒内试样进行扫描、并获得所述试样中裂隙信息的CT实时扫描仪；以及控制部，与所述垂直加载装置、所述水平加载装置、所述数据采集部通信相连，并控制它们的运行。

2.根据权利要求1所述的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统，其特征在于：

其中，所述电磁式激振器通过函数信号控制激振波形，施加扰动信号，工作频率上限为400Hz，振幅最大范围为-1～1mm。

3.根据权利要求1所述的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统，其特征在于：

其中，所述水平加载器为伺服作动器。

4.根据权利要求1所述的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统，其特征在于：

其中，所述动态位移传感器为差动变压器式位移传感器，测量精度为0.05％。

5.根据权利要求1所述的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统，其特征在于：

其中，所述水平位移传感器为LVDT位移传感器，测量精度为0.001mm。

6.根据权利要求1所述的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统，其特征在于：

其中，所述分布式光纤光栅传感器的采样频率为4K。

7.根据权利要求1所述的动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统，其特征在于：

其中，所述CT实时扫描仪的空间分辨率为1um，扫描速度达到3s/幅。