CN115494223A - 一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统及方法 - Google Patents

一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统，包括控制装置、冻融环境箱、振动台、模型箱和边坡相似材料物理模型；边坡相似材料物理模型内嵌设有与控制装置电连接的水平光纤监测机构、垂直光纤监测机构以及补充传感器机构，边坡相似材料物理模型放置在模型箱内，模型箱放置在振动台上，振动台设置在冻融环境箱内，振动台和冻融环境箱均与控制装置电连接。同时公开了一种基于上述系统的试验方法，实现了冻融循环和工程扰动的加载，模拟了高海拔高寒地区露天矿山冻融循环和爆破地震波扰动耦合作用下断层的活化灾变并诱发边坡失稳的全过程，同时对边坡失稳过程中的位移场、应力场、温度场以及孔隙水压力场的进行全面监测。

Description

一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统及方法
技术领域
本发明涉及采矿岩石力学中断层活化诱发岩体失稳技术领域，尤其是涉及一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统及方法。
背景技术
低海拔平原地区露天矿山资源日益枯竭，高海拔寒区金属矿产资源越来越具有开采与利用的前景，研究露天矿边坡的失稳机理对于保障矿山安全开采至关重要。当露天矿边帮资源开采完成后，会在边坡上开挖平硐，称之为挂帮矿开采（也称为露天转地下开采），平硐开挖后，边坡的整体稳定性变差，露天矿边坡处露有多个断层破碎带，在经受冻融循环和工程扰动耦合作用下断层带发生活化大变形，容易在断层破碎带处发生滑坡灾害。
高海拔高寒地区工程岩体赋存环境十分复杂，冻融损伤是寒区常见的工程难题，其主要诱因是岩体中赋存的孔隙和裂隙水在气温交替变化中冰-水相变诱发的冻胀力对岩石造成的损伤劣化，包括微观损伤、渗流劈裂、冻胀碎裂等，破坏机理复杂、损伤演化过程影响因素众多，传统理论方法难以胜任，现场原位试验条件受限且费用高。数值模拟技术在处理寒区岩体应力－温度－渗流－相变扰动等多相特征方面发挥着巨大优势。然而，数值模型在处理岩体非均质物性方面有一定缺陷，尚不能很好地处理模型材料初始损伤与微细观结构冻融劣化间的内在联系。目前常用的研究应力扰动作用下岩体失稳过程的物理模型试验主要有地震振动台试验和爆破振动台试验。但现有技术针对于边坡整体模型进行试验，同时并没有对断层活化诱发边坡失稳破坏过程中应力场、位移场、温度场和孔压场等多元信息进行实时监测试验系统。
发明内容
本发明的目的是解决上述提到的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统，包括控制装置、冻融环境箱、振动台、模型箱以及边坡相似材料物理模型；
所述边坡相似材料物理模型设置在模型箱内并内嵌设有水平光纤监测机构、垂直光纤监测机构以及补充传感器机构，所述水平光纤监测机构、所述垂直光纤监测机构以及补充传感器机构均与控制装置电连接；
所述模型箱设置在振动台上，所述振动台设置在冻融环境箱内，所述振动台和所述冻融环境箱均与所述控制装置电连接。
优选的，所述冻融环境箱顶部设置有制冷机用于调节冻融环境箱内的温度，所述制冷机连接的制冷管路固定在冻融环境箱内壁，所述制冷机与所述控制装置电连接。
优选的，所述振动台包括托盘、支撑弹簧、底座以及三方向六自由度振动驱动器，所述三方向六自由度振动驱动器安装在托盘底部，所述托盘通过支撑弹簧安装在底座上，所述底座安装在冻融环境箱内，所述三方向六自由度振动驱动器与所述控制装置电连接，所述托盘的顶面开设有固定槽。
优选的，所述水平光纤监测机构并列设置有多个，每个水平光纤监测机构包括若干并联设置的水平光纤监测分支，所述水平光纤监测分支通过光纤连接线与所述控制装置相连接。
优选的，所述垂直光纤监测机构设置有至少一个且包括若干并联设置的垂直光纤监测分支，所述垂直光纤监测分支通过光纤连接线与所述控制装置相连接，所述垂直光纤监测分支和所述水平光纤监测分支用于监测边坡相似材料物理模型内的孔压、活化变形以及温度参数。
优选的，所述补充传感器机构并列设置有若干个，所述补充传感器机构包括多个监测探头，每个监测探头嵌入深度不同，用于监测断层破碎带和坡体内部的土压力。
一种基于上述一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统的试验方法，具体步骤如下：
步骤S1：根据实际测试要求制备边坡相似材料物理模型，并在其内部中预制断层破碎带，开挖挂帮平硐，同时在边坡相似材料物理模型内铺设水平光纤监测机构、垂直光纤监测机构以及补充传感器机构；
步骤S2：将边坡相似材料物理模型放置在模型箱内，将模型箱放置在托盘上；
步骤S3：将水平光纤监测机构、垂直光纤监测机构以及补充传感器机构与控制装置电连，测试上述的监测机构是否正常工作，若正常工作进行下一步，否则检查故障原因进行修复，直到正常工作；
步骤S4：根据实际测试要求设定实时冻融温度、冻融时长以及冻融次数，对边坡相似材料物理模型进行冻融循环；
步骤S5：通过控制装置启动振动台对边坡相似材料物理模型施加现场采集到的扰动应力波，并通过水平光纤监测机构、垂直光纤监测机构以及补充传感器机构实时采集过程中的参数数据；
步骤S6：基于步骤S5中获取的参数数据建立多元信息融合的冻融断层活化判据，对比分析理论计算结果与实测数据。
优选的，实时边坡相似材料物理模型采用实际测试环境相似材料和结构制成，所述模型箱为透明箱体。
因此，本发明具有的有益效果如下：
实现冻融循环和工程扰动的加载，模拟了冻融循环和扰动应力耦合作用下断层的活化灾变并诱发边坡失稳的全过程。
水平光纤监测机构、垂直光纤监测机构以及补充传感器机构用于变形测量、孔隙水压力以及温度等参数的监测，实现对断层活化滑动过程中位移场、应力场、温度场以及孔隙水压场的多元信息监测。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统结构示意图；
图2为本发明水平光纤监测机构结构示意图；
图3为本发明补充传感器监测机构结构示意图；
图4为本发明边坡相似材料物理模型剖视图；
图5为本发明边坡相似材料物理模型立体图。
附图标记
1、控制装置；2、冻融环境箱；21、制冷机；22、制冷管路；3、振动台；31、托盘；32、支撑弹簧；33、底座；34、三方向六自由度振动驱动器；4、边坡相似材料物理模型；5、水平光纤监测机构；6、垂直光纤监测机构；7、补充传感器机构；8、模型箱。
具体实施方式
实施例
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的实施方式作详细说明。
参考图1，一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统，包括控制装置1、冻融环境箱2、振动台3、模型箱8以及边坡相似材料物理模型4。
边坡相似材料物理模型4内嵌设有水平光纤监测机构5、垂直光纤监测机构6以及补充传感器机构7。水平光纤监测机构5并列设置有多个，每个水平光纤监测机构5包括若干并联设置的水平光纤监测分支，水平光纤监测分支通过光纤连接线与控制装置1相连接。垂直光纤监测机构6设置有一个且包括若干并联设置的垂直光纤监测分支，垂直光纤监测分支通过光纤连接线与控制装置2相连接，垂直光纤监测分支和水平光纤监测分支用于监测边坡相似材料物理模型4内的孔压、活化变形以及温度参数等参数。
补充传感器机构7并列设置有若干个，补充传感器机构7包括多个监测探头，每个监测探头嵌入深度不同，用于监测断层破碎带及坡体内部的土压力，全面的监测边坡相似材料物理模型4的应力场、压力场以及温度场。水平光纤监测机构5、垂直光纤监测机构6以及补充传感器机构7用于变形测量、孔隙水压力以及温度等参数的监测，实现对断层活化滑动过程中应力场、位移场、温度场以及孔隙水压场等的全面监测。
边坡相似材料物理模型4放置在模型箱8内，模型箱8为透明箱体。模型箱8设置在振动台3上，振动台3设置在冻融环境箱2内，振动台3和冻融环境箱2均与控制装置1电连接。振动台3包括托盘31、支撑弹簧32、底座33以及三方向六自由度振动驱动器34，本实施例采用电机和激振重块组成的振动驱动器34，为试验提供三方向六自由度的振动，等效模拟工程扰动。振动驱动器34安装在托盘31底部，托盘31通过支撑弹簧32安装在底座33上，底座33安装在冻融环境箱2内，三方向六自由度振动驱动器34与控制装置2电连接，托盘31的顶面开设有固定槽，用于放置边坡相似材料物理模型4。实时边坡相似材料物理模型4采用实际测试环境相似材料和结构制成，采用局部模型进行试验模拟。
冻融环境箱2顶部设置有制冷机21用于调节冻融环境箱2内的温度，制冷机21连接的制冷管路22固定在冻融环境箱2内壁，制冷机21与控制装置1电连接，用于调整实时制冷温度。实现冻融和工程扰动的加载，模拟了冻融循环和扰动应力耦合作用下断层的活化灾变并诱发边坡失稳的全过程。
一种基于上述一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统的试验方法，具体步骤如下：
步骤S1：根据实际测试要求制备边坡相似材料物理模型，并在其内部预制断层破碎带，开挖挂帮平硐，同时在边坡相似材料物理模型内铺设水平光纤监测机构、垂直光纤监测机构以及补充传感器机构；
步骤S2：将边坡相似材料物理模型放置在模型箱内，将模型箱放置在托盘上；
步骤S3：将水平光纤监测机构、垂直光纤监测机构以及补充传感器机构与控制装置电连，测试上述的监测机构是否正常工作，若正常工作进行下一步，否则检查故障原因进行修复，直到正常工作；
步骤S4：根据实际测试要求设定实时冻融温度、冻融时长以及冻融循环次数，对边坡相似材料物理模型进行冻融循环；
步骤S5：通过控制装置启动三方向六自由度振动驱动器对边坡相似材料物理模型施加现场采集到的扰动应力波，并通过水平光纤监测机构、垂直光纤监测机构以及补充传感器机构实时采集过程中的参数数据；
步骤S6：基于步骤S5中获取的参数数据建立多元信息融合的冻融断层活化判据，对比分析理论计算结果与实测数据。
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进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统，其特征在于：包括控制装置、冻融环境箱、振动台、模型箱以及边坡相似材料物理模型；
所述边坡相似材料物理模型设置在模型箱内并内嵌设有水平光纤监测机构、垂直光纤监测机构以及补充传感器机构，所述水平光纤监测机构、所述垂直光纤监测机构以及补充传感器机构均与控制装置电连接；
所述模型箱设置在振动台上，所述振动台设置在冻融环境箱内，所述振动台和所述冻融环境箱均与所述控制装置电连接。
2.根据权利要求1所述的一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统，其特征在于：所述冻融环境箱顶部设置有制冷机用于调节冻融环境箱内的温度，所述制冷机连接的制冷管路固定在冻融环境箱内壁，所述制冷机与所述控制装置电连接。
3.根据权利要求2所述的一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统，其特征在于：所述振动台包括托盘、支撑弹簧、底座以及三方向六自由度振动驱动器，所述三方向六自由度振动驱动器安装在托盘底部，所述托盘通过支撑弹簧安装在底座上，所述底座安装在冻融环境箱内，所述三方向六自由度振动驱动器与所述控制装置电连接，所述托盘的顶面开设有固定槽。
4.根据权利要求1所述的一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统，其特征在于：所述水平光纤监测机构并列设置有多个，每个水平光纤监测机构包括若干并联设置的水平光纤监测分支，所述水平光纤监测分支通过光纤连接线与所述控制装置相连接。
5.根据权利要求4所述的一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统，其特征在于：所述垂直光纤监测机构设置有至少一个且包括若干并联设置的垂直光纤监测分支，所述垂直光纤监测分支通过光纤连接线与所述控制装置相连接，所述垂直光纤监测分支和所述水平光纤监测分支用于监测边坡相似材料物理模型内的孔压、活化变形以及温度参数。
6.根据权利要求1所述的一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统，其特征在于：所述补充传感器机构并列设置有若干个，所述补充传感器机构包括多个监测探头，每个监测探头嵌入深度不同，用于监测断层破碎带和坡体内部的土压力。
7.一种基于上述权利要求1-6任意一项的一种模拟寒区采动断层冻融活化灾变的试验系统的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1：根据实际测试要求制备边坡相似材料物理模型，并在其内部预制断层破碎带，开挖挂帮平硐，同时在边坡相似材料物理模型内铺设水平光纤监测机构、垂直光纤监测机构以及补充传感器机构；
步骤S2：将边坡相似材料物理模型放置在模型箱内，将模型箱放置在托盘上；
步骤S3：将水平光纤监测机构、垂直光纤监测机构以及补充传感器机构与控制装置电连，测试上述的监测机构是否正常工作，若正常工作进行下一步，否则检查故障原因进行修复，直到正常工作；
步骤S4：根据实际测试要求设定实时冻融温度、冻融时长以及冻融循环次数，对边坡相似材料物理模型进行冻融循环；
步骤S5：通过控制装置启动三方向六自由度振动驱动器对边坡相似材料物理模型施加现场采集到的等效扰动应力波，并通过水平光纤监测机构、垂直光纤监测机构以及补充传感器机构实时采集过程中的参数数据；
步骤S6：基于步骤S5中获取的参数数据建立多元信息融合的冻融断层活化判据，对比分析理论计算结果与实测数据。
8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：实时边坡相似材料物理模型采用实际测试环境相似材料和结构制成，所述模型箱为透明箱体。
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