CN112067469B - 一种适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切实验装置 - Google Patents

一种适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明的一种适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切实验装置，包括剪切盒，剪切盒外围分别设置有：动态剪切加载单元，用于对剪切上盒施加切向的冲击力；静态剪切加载单元，用于从剪切上盒一侧对试样施加静态剪切荷载；动态法向加载单元，设置于剪切上盒远离剪切下盒的一端，用于对试样进行法向动态加载；法向压力伺服加载单元，设置于剪切下盒远离剪切上盒的一端，用于对试样进行法向压力加载，其包括有法向加载伺服控制系统；数据监测和采集单元，包括法向压力传感器、法向位移传感器、切向压力传感器、切向位移传感器、信号控制器和计算机。本发明能够为进一步开展岩石节理的动态剪切特性研究提供实验条件。

Description

一种适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切实验装置
技术领域
本发明属于领域，尤其涉及一种适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切实验装置。
背景技术
天然岩体中存在各种不连续面，其中，节理是最为常见的中等尺度不连续面。由于节理的存在，岩体与完整岩石在物理、力学性质方面具有显著差别。岩石节理的变形有两个方面：一是节理的法向变形，主要表现为节理的张开、闭合；二是节理的切向变形，主要表现为节理的剪切滑移及粗糙面的剪切破坏。节理的切向变形性质是导致岩体结构失稳、诱发地震、岩爆等地质灾害的重要原因，开展节理的剪切力学特性研究，特别是动力学特性研究，对工程设计、施工及运营维护全过程都具有十分重要的意义。
目前，常用的岩石节理动态剪切实验技术为直接剪切，其利用直剪仪进行岩石节理的动态剪切实验。由于直剪仪采用液压伺服方式加载，动态剪切加载速率一般低于103mm/min或102kN/s量级，这明显低于地震波或爆破应力波作用下的节理剪切速率。同时，在现有岩石节理动态剪切实验技术中，岩石节理的法向边界控制方式以恒定法向压力控制较为多见，这对于模拟未锚固岩体边坡和浅部岩体的动态剪切是有效的。而对于深部硐室的围岩体、锚固岩体边坡等，节理剪切过程中，法向压力有较大变化，显然采用恒定法向压力的法向边界控制方式并不合适，而应采用恒定法向刚度边界。另外，由于地下硐室开挖后岩体存在临空面，在地应力作用下，岩石节理将发生初始的剪切变形；并且节理切向和法向可能同时受到动态荷载的作用。因此，节理岩体在发生剪切变形的过程中，其法向边界具有恒定法向压力、恒定法向刚度、法向动压、法向静压与法向动压组合等4种类型；切向边界具有静态剪切、动态剪切、静态剪切与动态剪切组合等3种类型。因此，为更为真实地再现工程岩体的动态剪切破坏过程，亟待开发一种能够适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切实验装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切实验装置，本发明能够为进一步开展岩石节理的动态剪切特性研究提供实验条件。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切实验装置，包括用于放置试样的剪切盒，剪切盒由尺寸形状一致的剪切上盒和剪切下盒拼接而成；剪切盒外围分别设置有：
动态剪切加载单元，设置于剪切上盒的关于剪切下盒对称的两侧的其中一侧，用于对剪切上盒施加切向的冲击力，即对试样进行剪切冲击加载；
静态剪切加载单元，设置于剪切上盒的关于剪切下盒对称的两侧的其中一侧，用于从剪切下盒一侧对试样施加静态剪切荷载；
动态法向加载单元，设置于剪切上盒远离剪切下盒的一端，用于对试样进行法向动态加载；
法向压力伺服加载单元，设置于剪切下盒远离剪切上盒的一端，用于对试样进行法向压力加载，其包括有法向加载伺服控制系统；
数据监测和采集单元，包括计算机以及与计算机连接的法向压力传感器、法向位移传感器、切向压力传感器、切向位移传感器和信号控制器。
进一步的，所述动态剪切加载单元包括切向发射腔，切向发射腔靠近剪切上盒的一端滑动设置有切向磁铁，另一端安装有切向磁力发生器。
进一步的，所述静态剪切加载单元包括切向加载框架，所述切向加载框架远离剪切上盒的一端通过切向作动器连接有切向电液伺服压力缸。
进一步的，所述动态法向加载单元包括法向磁力发生器、法向发射腔和法向磁铁。
进一步的，法向压力伺服加载单元包括法向电液伺服压力缸、法向作动器和法向载荷框架。
进一步的，还包括隔振基座平台和载荷外框架，所述剪切盒放置于荷载外框架中部，所述静态剪切加载单元、法向动态加载单元、法向压力伺服加载单元分布于剪切盒周围。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切实验装置，采用冲击加载的方式对试样进行动态剪切加载，通过不同的磁力驱动磁铁撞击剪切上盒，以方便地实现不同剪切加载速率，磁力的大小可由磁力发生器的输入电压值精确控制。通过改变磁铁的长度以实现不同加载频率，且频率较高，可以有效地模拟地震波、爆破应力波。本发明的装置可以适用多种边界条件的岩石节理动态剪切实验，其中节理面的法向边界条件可以是：恒定法向压力、恒定法向刚度、法向动压、法向静压与法向动压组合；节理面的切向边界条件可以是：静态剪切、动态剪切、静态剪切与动态剪切组合。根据拟研究的工程问题不同，合理选择切向边界和法向边界，可以更为真实地再现节理岩体的剪切破坏过程，进而探究节理岩体的失稳机理。并且装置构造简单，实验方法操作简单易行，能够为进一步开展岩石节理的动态剪切特性提供实验条件。
附图说明
图1为适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切实验装置的立体结构示意图；
图2为适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切实验装置的俯视结构示意图。
图中，1为隔振基座平台；2为载荷外框架；3为剪切上盒；4为剪切下盒；5为节理岩石试样；6为垫板；7为钢滚轴；80为切向磁力发生器；81为法向磁力发生器；90为切向发射腔；91为法向发射腔；100为切向磁铁；101为法向磁铁；11为支架；12为切向载荷框架；130为切向电液伺服压力缸；131为法向电液伺服压力缸；140为切向作动器；141为法向作动器；15为法向载荷框架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
一种适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切实验装置，如图1和2所示，包括隔振基座平台1和载荷外框架2，隔振基座平台1位于整个装置的底部，用于支撑整个装置的自重，并提供水平、稳定的实验台面；载荷外框架2固定于隔振基座平台1上，用于安装剪切盒和其他加载单元，作为装置的约束反力单元。还包括有：
剪切盒，用于盛放节理岩石试样，包括几何尺寸相同的剪切上盒3和剪切下盒4两部分，可容纳试样的最大尺寸为300mm×300mm×100mm。剪切盒的顶面无盖板，以便利用高速摄像机拍摄记录节理岩石试样5的变形破坏过程。剪切上盒3可以沿剪切方向自由移动，但不允许发生沿节理面法向的位移；剪切下盒4可以沿节理面的法向自由移动，但不允许发生沿剪切方向的位移。
动态剪切加载单元，包括切向磁力发生器80、切向发射腔90、切向磁铁100，用以对节理岩石试样5产生切向的冲击力。切向磁力发生器80产生一定大小的斥力，驱动切向磁铁10沿切向发射腔9运动并撞击剪切上盒3，以对试样5进行剪切冲击加载。切向磁力发生器80由程序控制，通过控制输入电压值，精确控制所产生磁力的大小。
静态剪切加载单元，包括切向电液伺服压力缸130、切向作动器140、切向加载框架12、加载控制系统，用于给节理岩石试样5施加静态剪切荷载。静态剪切加载单元可由程序控制，精确控制剪切加载速率。
动态法向加载单元，包括法向磁力发生器81、法向发射腔91、法向磁铁101，用以对试样5产生法向的冲击力。法向磁力发生器81产生一定大小的斥力，驱动法向磁铁101沿法向发射腔9运动并撞击剪切上盒3，以对试样5进行法向动态加载。法向磁力发生器81由程序控制，通过控制输入电压值，精确控制所产生磁力的大小，以方便地改变法向动态荷载的大小。通过改变法向磁铁101的长度以实现不同加载频率。
法向压力伺服加载单元，包括法向电液伺服压力缸131、法向作动器141、法向载荷框架15、法向加载伺服控制系统，用于给节理岩石试样5提供法向压力。法向压力伺服加载单元可实现完全程序控制，在动态剪切加载过程中实时调整法向压力，以实现恒定法向压力和恒定法向刚度两种法向边界条件。其中，恒定法向刚度条件的实现原理是：实验前在控制系统中设定法向刚度值kn，在实验过程中的t1时刻，节理法向压力为σ(t1)，节理法向位移为Aun，则在下一时刻t2，通过伺服反馈机制，节理法向压力值将被调整为σ(t2)＝σ(t1)+knΔun，通过这种方式完成一次法向应力调节。并在整个剪切实验过程中，以此方式实时调整法向压力值，以实现恒定的法向刚度边界控制。
所述的数据监测和采集单元包括计算机以及与计算机连接的法向压力传感器(如轮辐式压力传感器)、法向位移传感器(如LVDT位移传感器)、切向压力传感器(如轮辐式压力传感器)、切向位移传感器(如LVDT位移传感器)和信号控制器，以实现实验全过程的数据监测、采集、存储和指令反馈。法向压力信号和法向位移信号作为输出信号被采集、存储在计算机中，同时作为法向伺服加载机制的输入信号，形成法向压力的闭环控制。
装置各部分的连接关系是：
隔振基座平台1位于装置的底部，载荷外框架2安装于隔振基座平台1上，载荷外框架2内部布置剪切盒；剪切盒内放置拟测试的节理岩石试样5，以此形成装置的受力系统。
所述的剪切盒安装于载荷外框架2内，包括几何尺寸相同的剪切上盒3和剪切下盒4两部分，其中剪切上盒3与载荷外框架2内壁的接触面间安装一定数量的钢滚轴7，以确保剪切上盒3可沿节理面的切向自由移动；剪切下盒4中平行于节理法向的侧面与载荷外框架2内壁的接触面间安装一定数量的钢滚轴7，以确保剪切下盒4可沿节理面的法向自由移动。剪切下盒4中平行于节理切向的侧面与法向载荷框架2内壁接触。
所述的动态剪切加载单元安装于载荷外框架2的外侧，包括切向磁力发生器80、切向发射腔90和切向磁铁100。切向磁力发生器80与切向发射腔90连接组成整体，并由固定在隔振基座平台1上的支架11支撑；切向磁铁100位于切向发射腔90内。切向发射腔90的轴线平行于节理面的切向，且位于剪切上盒3的深度和宽度的二分之一处。
所述静态剪切加载单元的切向载荷框架12安装于剪切上盒3的外侧，切向载荷框架12的右侧外壁与剪切上盒3的左侧外壁接触。切向载荷框架12的左侧依次安装切向作动器140、切向电液伺服压力缸130，切向电液伺服压力缸130固定在装置的载荷外框架2上。
所述的动态法向加载单元安装于载荷外框架2的外侧，且靠近剪切上盒3，包括法向磁力发生器81、法向发射腔91和法向磁铁101。法向磁力发生器81与法向发射腔91连接组成整体，并由固定在隔振基座平台1上的支架11支撑；法向磁铁101位于法向发射腔91内。法向发射腔91的轴线垂直于节理面的切向，且位于剪切上盒3的深度和宽度的二分之一处。
所述法向伺服加载单元包括法向电液伺服压力缸131、法向作动器141、法向载荷框架15，法向电液伺服压力缸131安装于载荷外框架2的外侧，并与法向作动器141连接，以为节理岩石试样5提供法向压力；法向作动器141的轴线平行于节理面的法向，且位于剪切下盒4的深度和宽度的二分之一处。法向载荷框架15位于法向作动器141和剪切下盒4之间，组成节理法向加载机构。
所述的法向压力传感器(如轮辐式压力传感器)集成在法向作动器141的内部，切向压力传感器(如轮辐式压力传感器)集成在切向作动器140的内部；所述的法向位移传感器(如LVDT位移传感器)包含靶标和笔式探针两部分，其中靶标安装在剪切下盒4中平行于节理面的挡板上表面，通过支撑件将笔式探针安装在隔振基座平台1上，并使得笔式探针的轴线垂直于靶标并沿节理面的法向。所述的切向位移传感器(如LVDT位移传感器)包含靶标和笔式探针两部分，其中靶标安装在剪切上盒2中垂直于节理面的挡板上表面，通过支撑件将笔式探针安装在隔振基座平台1上，并使得笔式探针的轴线垂直于靶标并沿节理面的切向。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (1)

1.一种适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切实验装置，其特征在于：包括用于放置试样的剪切盒，剪切盒由尺寸形状一致的剪切上盒和剪切下盒拼接而成；还包括隔振基座平台，隔振基座平台上安装有载荷外框架，剪切盒布置在载荷外框架内部；剪切盒外围分别设置有：
动态剪切加载单元安装于载荷外框架的外侧，包括切向磁力发生器、切向发射腔和切向磁铁；切向磁力发生器与切向发射腔连接组成整体，并由固定在隔振基座平台上的支架支撑；切向磁铁位于切向发射腔内；切向发射腔的轴线平行于节理面的切向，且位于剪切上盒的深度和宽度的二分之一处；
静态剪切加载单元包括切向载荷框架、切向电液伺服压力缸、切向作动器、切向加载框架和加载控制系统；所述切向载荷框架安装于剪切上盒的外侧，切向载荷框架的右侧外壁与剪切上盒的左侧外壁接触；切向载荷框架的左侧依次安装切向作动器和切向电液伺服压力缸，切向电液伺服压力缸固定在载荷外框架上；
动态法向加载单元安装于载荷外框架的外侧，包括法向磁力发生器、法向发射腔和法向磁铁；法向磁力发生器与法向发射腔连接组成整体，并由固定在隔振基座平台上的支架支撑；法向磁铁位于法向发射腔内；法向发射腔的轴线垂直于节理面的切向，且位于剪切上盒的深度和宽度的二分之一处；
法向压力伺服加载单元，包括法向电液伺服压力缸、法向作动器、法向载荷框架和法向加载伺服控制系统，法向电液伺服压力缸安装于载荷外框架的外侧，并与法向作动器连接；法向作动器的轴线平行于节理面的法向，且位于剪切下盒的深度和宽度的二分之一处；法向载荷框架位于法向作动器和剪切下盒之间；
数据监测和采集单元，包括计算机以及与计算机连接的法向压力传感器、法向位移传感器、切向压力传感器、切向位移传感器和信号控制器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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多功能岩石节理全剪切–渗流耦合试验系统研制与应用;夏才初等人;《岩石力学与工程学报》;20181031;第37卷(第10期);全文 *

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