CN113588412B - 围岩稳定性试验夹具及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种围岩稳定性试验夹具及试验方法，涉及岩石力学技术领域，主要目的是在单轴压缩条件下即可实现模拟巷道围岩环向和径向均受力的状态，为地下巷道围岩稳定性分析及岩爆灾害等研究提供重要基础。该围岩稳定性试验夹具包括垫块；压块，所述压块与所述垫块相对设置；支撑部，所述支撑部连接于所述垫块和所述压块之间，所述支撑部、所述垫块和所述压块围成夹持空间，所述夹持空间用于夹紧岩石试样；调节块，所述调节块设置于所述压块上，且与所述夹持空间相对，所述调节块各处的厚度不同。

Description

围岩稳定性试验夹具及试验方法
技术领域
本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是涉及到一种围岩稳定性试验夹具及试验方法。
背景技术
在地下巷(隧)道开挖后，围岩稳定性是最为重要的课题之一，它直接关系到作业人员与设备的安全、施工效率及支护成本等诸多方面问题。特别是随着我国水力工程、采矿工程、交通建设等岩石工程逐渐向深部发展，地应力状态较浅部岩石工程显著提高，硬岩岩爆及软岩大变形等围岩稳定性问题愈加突出。
关于巷道的围岩稳定性，在实验室内针对性地开展相关模型试验是重要的研究手段。目前，在各类岩石力学试验中，单轴加载试验机因其成本相对较低，是最为常用的实验设备。如果需要进行有围压条件下的加载或卸荷试验，通常需要采用双轴或三轴压力机才得以实现，设备成本高昂。此外，巷道围岩的受力状态可以简化为平面应变问题，在弹性状态并且不考虑围岩爆破损伤的情况下，巷道壁的环向应力最高，并向围岩深部逐渐降低，处于非均布载荷状态。即使在考虑围岩塑性破坏的情况下，巷道围岩环向应力峰值向内部转移，依然属于非均布力状态，如果需要在一些较大尺寸的模型试验中实现巷道周边非均布力加载效果，更是需要采用分布式多压头加载机构予以辅助完成，加载系统均极为复杂，试验成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种围岩稳定性试验夹具及试验方法，主要目的是在单轴压缩条件下即可实现模拟巷道围岩环向和径向均受力的状态，为地下巷道围岩稳定性分析及岩爆灾害等研究提供重要基础。
为达到上述目的，本发明实施例主要提供如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种围岩稳定性试验夹具，包括：
垫块；
压块，所述压块与所述垫块相对设置；
支撑部，所述支撑部连接于所述垫块和所述压块之间，所述支撑部、所述垫块和所述压块围成夹持空间，所述夹持空间用于夹紧岩石试样；
调节块，所述调节块设置于所述压块上，且与所述夹持空间相对，所述调节块各处的厚度不同。
进一步地，所述调节块为楔形块、凸形块或凹形块。
进一步地，所述支撑部包括：
支撑块，所述支撑块包括相对的第一侧和第二侧，所述第一侧与所述垫块和所述压块围成所述夹持空间；
连接件，所述连接件位于所述第二侧，所述连接件的一端与所述垫块转动连接，所述连接件的另一端与所述压块转动连接，所述连接件用于拉紧所述垫块和所述压块并迫使所述支撑块压紧所述岩石试样。
进一步地，所述连接件为柔性件；
所述连接件包括至少一根链条。
进一步地，所述第二侧的侧壁面上与所述连接件相对应的部分为外凸的弧形面。
进一步地，所述垫块呈L形，所述垫块包括相连接的水平段和竖直段；
所述水平段与所述压块相对，并与所述压块和所述支撑部围成所述夹持空间；
所述支撑块设置于所述水平段上且与所述竖直段相抵接；
所述连接件与所述竖直段连接。
进一步地，所述的围岩稳定性试验夹具还包括：
限位部，所述限位部用于限制所述支撑块的水平方向位移，以使所述支撑块能够向所述岩石试样提供侧向挤压力。
进一步地，所述限位部包括至少一个螺纹通孔和至少一个顶紧螺栓，所述螺纹通孔设置于所述竖直段上，所述顶紧螺栓螺纹连接于所述螺纹通孔中并与所述支撑块相抵接。
进一步地，所述压块包括压块本体和第一限位板,所述第一限位板可拆卸地连接于所述压块本体的端部，所述第一限位板的一侧凸出于所述压块本体的内表面；
所述垫块包括垫块本体和第二限位板,所述第二限位板可拆卸地连接于所述垫块本体的端部，所述第二限位板的一侧凸出于所述垫块本体的内表面；
所述压块本体与所述垫块本体相对设置，所述支撑部连接于所述压块本体和所述垫块本体之间。
另一方面，本发明实施例还提供了一种围岩稳定性试验方法，所述试验方法采用前述的围岩稳定性试验夹具，包括：
在岩石试样表面喷涂散斑标记点；
将所述围岩稳定性试验夹具放置在加载试验机的平台上，再将所述岩石试样放入所述围岩稳定性试验夹具的夹持空间内并夹紧，其中，所述调节块位于所述加载试验机的压头和所述压块之间；
在所述岩石试样的前后表面分别安装声发射监测探头，并将摄像机、散斑监测设备分别与声发射监测系统连接；
控制所述加载试验机对处于所述夹持空间内的所述岩石试样施加法向载荷，直至所述岩石试样破坏，且在加载过程中记录试验数据；
改变试验条件，多次重复上述步骤。
借由上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
本发明实施例提供的技术方案，通过将垫块和压块相对设置，支撑部连接在垫块和压块之间，使得支撑部、垫块和压块可以围成半包裹式的夹持空间，岩石试样可以夹紧在该夹持空间内，单轴加载试验机可以通过压块向岩石试样施加法向载荷，此时，支撑部可以向岩石试样施加单面侧向约束力，从而实现采用单轴加载试验机也能够对岩石试样提供单侧围压加载的目的；而且，通过在压块上设置调节块，单轴加载试验机可以通过调节块和压块向岩石试样施加法向载荷，由于调节块各处的厚度不同，因此单轴加载试验机能够通过调节块向岩石试样施加法向非均布力，也就是说，采用本发明实施例提供的围岩稳定性试验夹具装夹岩石试样，即可实现采用单轴加载试验机对岩石试样提供单侧围压和非均布力的加载，有效降低了试验成本和对加载系统的要求，提高了试验效率。此外，本发明实施例提供的围岩稳定性试验夹具装夹岩石试样实现了在单轴压缩条件下即可实现模拟巷道围岩环向和径向均受力的状态，而且，该夹具允许在实验过程中观察岩石试样的前后表面变形及破坏趋势，为地下巷道围岩稳定性分析及岩爆灾害等研究提供了重要基础。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种围岩稳定性试验夹具的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种围岩稳定性试验夹具夹紧岩石试样的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种围岩稳定性试验夹具的实物图；
图4为采用本发明实施例提供的一种围岩稳定性试验夹具进行试验时岩石试样被破坏的实物图。
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，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实施例保护范围的限制。
如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供了一种围岩稳定性试验夹具，包括垫块1；压块2，与垫块1相对设置，压块2位于该夹具的顶部，垫块1位于该夹具的底部；支撑部3，连接于垫块1和压块2之间，支撑部3位于该夹具的侧部，支撑部3、垫块1和压块2围成半包裹式夹持空间4，该夹持空间4用于夹紧岩石试样100；调节块5，设置于压块2上，且与夹持空间4相对，调节块5各处的厚度不同。其中，压块2、垫块1和调节块5均可以为采用钢材质制成的刚性块。
可以理解的是，本发明实施例中，支撑部3、垫块1和压块2围成用于夹紧岩石试样100的半包裹式夹持空间4，岩石试样100夹紧在该夹持空间4中时，其一侧面可以显露在外，其余侧都处于被包裹状态，这样在进行加载试验时，可以更真实地模拟巷道壁环向应力最高，并向围岩深部逐渐降低，处于非均布载荷的状态，以及在径向方向上，巷道围岩处于单向卸压另一侧有内部围岩支撑的受力条件，从而提高了试验结果的准确性。
本发明实施例提供的围岩稳定性试验夹具，通过将垫块1和压块2相对设置，支撑部3连接在垫块1和压块2之间，使得支撑部3、垫块1和压块2可以围成半包裹式的夹持空间4，岩石试样100可以夹紧在该夹持空间4内，单轴加载试验机可以通过压块2向岩石试样100施加法向载荷，此时，支撑部3可以向岩石试样100施加单面侧向约束力，从而实现采用单轴加载试验机也能够对岩石试样100提供单侧围压加载的目的；而且，通过在压块2上设置调节块5，单轴加载试验机可以通过调节块5和压块2向岩石试样100施加法向载荷，由于调节块5各处的厚度不同，因此单轴加载试验机能够通过调节块5向岩石试样100施加法向非均布力，也就是说，采用本发明实施例提供的围岩稳定性试验夹具装夹岩石试样100，即可实现采用单轴加载试验机对岩石试样100提供单侧围压和非均布力的加载，有效降低了试验成本和对加载系统的要求，提高了试验效率。此外，本发明实施例提供的围岩稳定性试验夹具装夹岩石试样实现了在单轴压缩条件下即可实现模拟巷道围岩环向和径向均受力的状态，而且，该夹具允许在实验过程中观察岩石试样的前后表面变形及破坏趋势，为地下巷道围岩稳定性分析及岩爆灾害等研究提供了重要基础。
在一可选的实施例中，调节块5可以为楔形块、凸形块或凹形块，以实现其各处的厚度不同，从而实现为岩石试样100提供法向非均布的加载力，进而更好地模拟巷道围岩的真实受力情况,保证试验结果的准确性。当然，调节块5不限于楔形、凸形或凹形，其可以为能够实现调节应力分布目标的其它厚度不同的任意形状。
在一可选的实施例中，参见图1和图2，支撑部3可以包括支撑块31，支撑块31包括相对的第一侧和第二侧，第一侧与垫块1和压块2围成夹持空间4；连接件32，位于第二侧，连接件32的一端与垫块1转动连接，连接件32的另一端与压块2转动连接，连接件32用于拉紧垫块1和压块2并迫使支撑块31压紧岩石试样100。
上述实施例中，连接件32连接压块2和垫块1，在单轴加载试验机对岩石试样100施加法向载荷的过程中，连接件32能够拉紧压块2和垫块1，从而迫使支撑块31压紧岩石试样100，使得支撑块31可以更好地为试验过程中的岩石试样100提供侧向支撑，进而更好地模拟巷道围岩受到单侧围压的真实受力情况，更好地保证试验结果的准确性。其中，支撑块31和连接件32均采用钢材质制成。
需要说明的是，支撑块31的高度可以与岩石试样100的高度一致，支撑块31的厚度可以与岩石试样100的厚度一致，以便为岩石试验提供可靠地侧向支撑。
在一可选的实施例中，参见图1和图2，连接件32可以为柔性件，如柔性板等；具体地，连接件32可以包括至少一根链条，当链条为两根或两根以上时，可以并排布置。
上述实施例中，连接件32采用为柔性件，便于在加载试验过程中拉紧压块2和垫块1，并且在拉紧过程中，柔性的连接件32能够较匹配地贴合支撑块31的表面，从而向支撑块31施加较为均匀地外力，进而使得支撑块31能够稳定可靠地为岩石试样100提供单面侧向约束力，更好地模拟巷道围岩受到单侧围压的真实受力情况，更好地保证试验结果的准确性。
上述实施例中，连接件32具体可以包括至少一根链条，由于链条不存在挠性，因此在加载试验过程中，链条仅用于向压块2和垫块1施加拉紧力，而不会向单轴加载试验机施加反作用力；而且，链条还可以相匹配地贴合在支撑块31的表面，从而向支撑块31施加均匀地外力，进而使得支撑块31能够更加稳定可靠地为岩石试样100提供单面侧向约束力。其中，链条的数量可以根据岩石试样100和支撑块31的厚度而定。
在一可选的实施例中，参见图1和图2，支撑块31的第二侧的侧壁面上与连接件32相对应的部分为外凸的弧形面，实现了在链条拉紧压块2和垫块1的过程中，链条能够与支撑块31的弧形面接触，避免了支撑块31对链条的拉紧作用造成干涉，以便于链条拉紧压块2和垫块1；而且，通过支撑块31上弧形面的设置，还能够使得链条与支撑块31的弧形面更好地匹配贴合，从而向支撑块31施加均匀地外力，进而使得支撑块31能够更加稳定可靠地为岩石试样100提供单面侧向约束力。
在一可选的实施例中，参见图1和图2，垫块1可以呈L形，垫块1包括相连接的水平段111和竖直段112；水平段111与压块2相对，并与压块2和支撑部3围成夹持空间4；支撑块31设置于水平段111上且与竖直段112相抵接；连接件32与竖直段112连接。
上述实施例中，通过将垫块1设置为L形，且支撑块31与垫块1的竖直段112相抵接，而且链条与垫块1的竖直段112连接，可以实现在加载试验过程中，链条拉紧压块2和垫块1的竖直段112，使得链条和竖直段112可以同时向支撑块31施加挤压力，更好地保证了支撑块31在该夹具中位置的稳定性，从而使得支撑块31更加稳定可靠地为岩石试样100提供单面侧向约束力。其中，垫块1的水平段111和竖直段112可以为一体连接结构，也可以为拼接结构，具体在实施时可以根据实际情况进行选择。
在一可选的实施例中，参见图1和图2，该围岩稳定性试验夹具还可以包括限位部6，该限位部6用于限制支撑块31的水平方向位移，以使得支撑块31能够在岩石试样100的法向加载过程中，向岩石试样100提供侧向挤压力，使得支撑块31更加稳定可靠地为岩石试样100提供单面侧向约束力。
在一可选的实施例中，参见图1和图2，限位部6可以包括至少一个螺纹通孔和至少一个顶紧螺栓61，螺纹通孔设置于竖直段112上，顶紧螺栓61螺纹连接于螺纹通孔中并与支撑块31相抵接。
根据上述实施例，在将该夹具放置在单轴加载试验机的平台上后，可以将岩石试样100放入夹持空间4内，然后拧紧顶紧螺栓61，使得顶紧螺栓61的端部与支撑块31相抵，从而防止支撑块31发生轴向位移。
当然，限位部6还可以包括两个挡板，该两个挡板可以对应设置在竖直段112的两侧，且两个挡板之间的距离与支撑块31的厚度相适配，支撑块31的第二侧可以卡合于该两个挡板之间，从而实现限制支撑块31轴向位移的目的。
在一可选的实施例中，参见图1和图2，压块2可以包括压块本体21和第一限位板22,第一限位板22可拆卸地连接于压块本体21的端部，第一限位板22的一侧凸出于压块本体21的内表面；垫块1可以包括垫块本体11和第二限位板12,第二限位板12可拆卸地连接于垫块本体11的端部，第二限位板12的一侧凸出于垫块本体11的内表面；压块本体21与垫块本体11相对设置，支撑部3连接于压块本体21和垫块本体11之间。其中，垫块本体11包括前述一体连接的水平段111和竖直段112。
上述实施例中，第一限位板22和第二限位板12能够对岩石试样100进行径向限位，以保证岩石试样100更加稳定地夹紧在夹持空间4中，更好地模拟巷道围岩受到单侧围压的真实受力情况，更好地保证试验结果的准确性。
上述实施例中，在将该夹具放置在单轴加载试验机的平台上后，可以将岩石试样100放入夹持空间4内，然后拧紧顶紧螺栓61，组装连接第一限位板22和第二限位板12，以防止支撑块31发生轴向位移，保证岩石试样100更加稳定地夹紧在夹持空间4中。
需要说明的是，第一限位板22可以连接在压块本体21的端部内表面上，或者连接在压块本体21的端面，并保持其一侧凸出于压块本体21的内表面；相应地，第二限位板12可以连接在垫块本体11的端部内表面上，即水平段111的端部内表面上，或者连接在垫块本体11的端面，并保持其一侧凸出于垫块本体11的内表面，只要不影响岩石试样100的装夹即可，此外，第一限位板22与压块本体21，以及第二限位板12与垫块本体11之间的可拆卸连接方式可以有多种，只要保证二者之间的连接强度即可，例如，第一限位板22与压块本体21，以及第二限位板12与垫块本体11均可以采用螺栓连接方式。
本发明实施例还提供了一种围岩稳定性试验方法，该试验方法采用前述的围岩稳定性试验夹具，可参见图1、图2、图3和图4，该方法可以包括：
S1、在岩石试样100表面喷涂散斑标记点，以便于试验过程中监测岩石试样100变形场。
其中，岩石试样100可选用易发生岩爆的花岗岩，试验尺寸可以为高150mm厚50mm宽100mm。
S2、将围岩稳定性试验夹具放置在加载试验机的平台上，再将岩石试样100放入围岩稳定性试验夹具的夹持空间4内并夹紧。其中，调节块5位于加载试验机的压头和压块2之间。
具体地，将岩石试样100放入围岩稳定性试验夹具的夹持空间4后，可以先组装连接第一限位板22和第二限位板12，然后再先后拧紧限位部6的顶紧螺栓61，以使得岩石试样100夹紧在夹持空间4内。然后在压块2和试验机压头之间放置调节块5，该调节块5具体可以为楔形块，并保持调节块5的右侧比左侧高1mm，以实现偏心加载，利于岩石试样100向右侧劈裂破坏，以便更真实地模拟巷道壁的环向应力最高的状态。
S3、在岩石试样100的前后表面分别安装声发射监测探头，并将摄像机、散斑监测设备分别与声发射监测系统连接。
其中，在岩石试样100的前后表面可以分别安装四个声发射监测探头，并在试验前设置好摄像机和散斑监测设备。具体地，摄像机可以为高速摄像机。
S4、控制加载试验机对处于夹持空间4内的岩石试样100施加法向载荷，直至岩石试样100破坏，且在加载过程中记录试验数据。
其中，控制加载试验机对处于夹持空间4内的岩石试样100进行预设速率如0.5KN/s的恒定速率施加法向载荷，直至试样破坏。所述的试验数据可以包括加载时间、法向应力与位移、声发射信号、试样表面位移场以及用高速摄影记录的试样压碎后的破坏区域和弹射速度。
S5、改变试验条件，多次重复上述步骤，进行多次试验，以便探索巷道岩爆的发生机理和治理方案。
其中，改变试验条件可以包括调整岩石试样100的偏心加载程度、进行切缝卸压加载等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种围岩稳定性试验夹具，其特征在于，包括：
垫块；
压块，所述压块与所述垫块相对设置；
支撑部，所述支撑部连接于所述垫块和所述压块之间，所述支撑部、所述垫块和所述压块围成夹持空间，所述夹持空间用于夹紧岩石试样；所述支撑部包括：支撑块，所述支撑块包括相对的第一侧和第二侧，所述第一侧与所述垫块和所述压块围成所述夹持空间；连接件，所述连接件位于所述第二侧，所述连接件的一端与所述垫块转动连接，所述连接件的另一端与所述压块转动连接，所述连接件用于拉紧所述垫块和所述压块并迫使所述支撑块压紧所述岩石试样；
调节块，所述调节块设置于所述压块上，且与所述夹持空间相对，所述调节块各处的厚度不同。
2.根据权利要求1所述的围岩稳定性试验夹具，其特征在于，
所述调节块为楔形块、凸形块或凹形块。
3.根据权利要求1所述的围岩稳定性试验夹具，其特征在于，
所述连接件为柔性件；
所述连接件包括至少一根链条。
4.根据权利要求1所述的围岩稳定性试验夹具，其特征在于，
所述第二侧的侧壁面上与所述连接件相对应的部分为外凸的弧形面。
5.根据权利要求1所述的围岩稳定性试验夹具，其特征在于，
所述垫块呈L形，所述垫块包括相连接的水平段和竖直段；
所述水平段与所述压块相对，并与所述压块和所述支撑部围成所述夹持空间；
所述支撑块设置于所述水平段上且与所述竖直段相抵接；
所述连接件与所述竖直段连接。
6.根据权利要求5所述的围岩稳定性试验夹具，其特征在于，还包括：
限位部，所述限位部用于限制所述支撑块的水平方向位移，以使所述支撑块能够向所述岩石试样提供侧向挤压力。
7.根据权利要求6所述的围岩稳定性试验夹具，其特征在于，
所述限位部包括至少一个螺纹通孔和至少一个顶紧螺栓，所述螺纹通孔设置于所述竖直段上，所述顶紧螺栓螺纹连接于所述螺纹通孔中并与所述支撑块相抵接。
8.根据权利要求1所述的围岩稳定性试验夹具，其特征在于，
所述压块包括压块本体和第一限位板,所述第一限位板可拆卸地连接于所述压块本体的端部，所述第一限位板的一侧凸出于所述压块本体的内表面；
所述垫块包括垫块本体和第二限位板,所述第二限位板可拆卸地连接于所述垫块本体的端部，所述第二限位板的一侧凸出于所述垫块本体的内表面；
所述压块本体与所述垫块本体相对设置，所述支撑部连接于所述压块本体和所述垫块本体之间。
9.一种围岩稳定性试验方法，所述试验方法采用如权利要求1至8中任一项所述的围岩稳定性试验夹具，包括：
在岩石试样表面喷涂散斑标记点；
将所述围岩稳定性试验夹具放置在加载试验机的平台上，再将所述岩石试样放入所述围岩稳定性试验夹具的夹持空间内并夹紧，其中，所述调节块位于所述加载试验机的压头和所述压块之间；
在所述岩石试样的前后表面分别安装声发射监测探头，并将摄像机、散斑监测设备分别与声发射监测系统连接；
控制所述加载试验机对处于所述夹持空间内的所述岩石试样施加法向载荷，直至所述岩石试样破坏，且在加载过程中记录试验数据；
改变试验条件，多次重复上述步骤。
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Assignee: Dongying Cortes Test Instrument Co.,Ltd.

Assignor: Northeastern University

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Denomination of invention: Fixture and Test Method for Stability Test of Surrounding Rock

Granted publication date: 20221125

License type: Exclusive License

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