CN115855695A - 一种断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置，包括：装置本体，内部限定出测试空间；前后加载机构，包括前支撑部件、后加载部件和横向冲击装置，前支撑部件连接于前边框，后加载部件由后边框向前延伸，横向冲击装置用于向后加载部件施加向前的冲击载荷；左右加载机构，包括左支撑部件、右加载部件，左支撑部件连接于左边框，右加载部件由右边框向左延伸；上下加载机构，包括下支撑部件、上加载部件和竖向冲击装置，下支撑部件连接于下边框，上加载部件由上边框向下延伸，竖向冲击装置用于向上加载部件施加向下的冲击载荷。本发明的技术方案能够在岩石真实应力条件下的动态剪切过程中，实现承受突然的冲击荷载的强度和变形分析。

Description

一种断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置

技术领域

本发明用于隧道施工测试领域，特别是涉及一种断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置。

背景技术

隧道作为穿山越岭的重要通道，工程地位独特。当隧道穿越断层破碎带等地质条件复杂的薄弱地带时，因围岩工程性质极差且破碎，开挖和支护难度均很大，并很可能与周边既有水源形成导水通道，造成隧道涌水量增大。在隧道开挖过程中，临空面的暴露会引起岩体应力突变以及地下水渗流场和水位的变化，断层破碎带围岩受到岩体应力变化与渗透水压耦合作用将引发进一步破碎。

综上所述，断层破碎带地质条件复杂，隧道周边环境十分敏感，施工存在众多处技术难题，若控制不到位，极有可能引发隧道垮塌、涌水、突泥等安全事故，准确测试真三轴应力条件下承受冲击荷载、水力耦合作用岩石的压裂渗流特性尤为重要。针对真三轴应力条件下承受冲击荷载、水力耦合作用岩石的压裂渗流特性的测试，现有技术存在以下不足：

1.现有真三轴装置不能真实模拟岩石在剪切渗流过程中承受冲击荷载和地震荷载下的力学行为。

2.现有技术在进行岩石三轴压缩和剪切过程时，不能进行三向动荷载试验，如三向简谐荷载、三角波和地震荷载。

3.现有技术对于立方体试件在剪切过程中的对液体的封堵效果不好，也不能注入有腐蚀性的液体。

4.现有技术在动态剪切的过程中不能叠加冲击荷载，而真实的工程实际中，岩石不仅承受周期性的动荷载，还可能出现一些突然的冲击荷载。

5.现有技术不能很好地模拟岩石真实受力条件下的压裂过程。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置，包括：

装置本体，所述装置本体内部限定出能够容纳测试岩石的测试空间，所述装置本体在所述测试空间的前侧形成前边框，在所述测试空间的后侧形成后边框，在所述测试空间的左侧形成左边框，在所述测试空间的右侧形成右边框，在所述测试空间的上侧形成上边框，在所述测试空间的下侧形成下边框；

前后加载机构，包括前支撑部件、后加载部件和横向冲击装置，所述前支撑部件连接于所述前边框，用于从前侧抵住位于所述测试空间的测试岩石，所述后加载部件由所述后边框向前延伸，用于从后侧向测试岩石施加作用力，所述横向冲击装置用于向所述后加载部件施加向前的冲击载荷；

左右加载机构，包括左支撑部件和右加载部件，所述左支撑部件连接于所述左边框，用于从左侧抵住位于所述测试空间的测试岩石，所述右加载部件由所述右边框向左延伸，用于从右侧向测试岩石施加作用力；

上下加载机构，包括下支撑部件、上加载部件和竖向冲击装置，所述下支撑部件连接于所述下边框，用于从下侧抵住位于所述测试空间的测试岩石，所述上加载部件由所述上边框向下延伸，用于从上侧向测试岩石施加作用力，所述竖向冲击装置用于向所述上加载部件施加向下的冲击载荷。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述前支撑部件、后加载部件、左支撑部件、右加载部件、下支撑部件和上加载部件的端部均设有加载压头。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述后边框上于对应所述后加载部件的位置设有第一伺服液压机孔，还包括第一伺服液压机，所述第一伺服液压机的输出端穿过所述第一伺服液压机孔与所述后加载部件连接。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述右边框上于对应所述右加载部件的位置设有第二伺服液压机孔，还包括第二伺服液压机，所述第二伺服液压机的输出端穿过所述第二伺服液压机孔与所述右加载部件连接。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述上边框上于对应所述上加载部件的位置设有第三伺服液压机孔，还包括第三伺服液压机，所述第三伺服液压机的输出端穿过所述第三伺服液压机孔与所述上加载部件连接。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述横向冲击装置设置于所述后边框，所述竖向冲击装置设置于所述上边框，所述横向冲击装置和竖向冲击装置均包括冲击杆、用于驱动所述冲击杆的电磁驱动装置和用于驱动所述冲击杆复位的弹性复位部件。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述左边框上设有用于调节所述左支撑部件高度的预留安装孔，还包括剪切盒，所述剪切盒包括上盒和下盒，所述上盒和下盒均包括前侧板、后侧板、左侧板和右侧板，所述前侧板、后侧板、左侧板和右侧板分布于四周并在内部围蔽形成用于放置测试岩石的盒腔，所述上盒的顶部设有顶板，所述下盒的底部设有底板，所述顶板上设有注水孔。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述顶板能够嵌入所述上盒的盒腔，所述顶板的四周边缘设有与所述上盒的前侧板、后侧板、左侧板和右侧板配合的第一止水胶带，所述底板能够嵌入所述下盒的盒腔，所述底板的四周边缘设有与所述下盒的前侧板、后侧板、左侧板和右侧板配合的第二止水胶带，所述底板上设有排水孔。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述前侧板、后侧板、左侧板和右侧板的内表面设有凸台，并在所述凸台的两侧设置嵌槽，相邻侧板之间设有第三止水胶带，所述第三止水胶带通过压条压装于所述嵌槽中，所述上盒和下盒之间设有第四止水胶带。

结合上述实现方式，在某些实现方式中，所述剪切盒上设有用于检测测试岩石变形的变形传感器。

上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：本发明的技术方案中，分别设置前后加载机构、左右加载机构和上下加载机构，测试过程中能够将测试岩石放置于测试空间，借助于前后加载机构、左右加载机构和上下加载机构进行三向动荷载试验。同时，前后加载机构和上下加载机构中设有冲击装置，能够在动态剪切的过程中叠加冲击荷载，从而真实的模拟工程实际中，岩石不仅承受周期性的动荷载，还可能出现一些突然的冲击荷载的场景。本发明的技术方案能够在岩石真实应力条件下的动态剪切过程中，实现承受突然的冲击荷载的强度和变形分析。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例整体结构示意图；

图2是图1所示的一个实施例剪切盒结构示意图；

图3是图1所示的一个实施例剪切盒的上盒结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征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。

本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

其中，图1给出了本发明实施例的参考方向坐标系，以下结合图1所示的方向，对本发明的实施例进行说明。

参见图1，本发明的实施例提供了一种断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置，包括装置本体100、前后加载机构、左右加载机构和上下加载机构。

参见图1，其中，装置本体100用于测试岩石提供测试空间，并为各加载机构提供支撑，装置本体100内部限定出能够容纳测试岩石的测试空间，装置本体100在测试空间的前侧形成前边框101，在测试空间的后侧形成后边框102，在测试空间的左侧形成左边框103，在测试空间的右侧形成右边框104，在测试空间的上侧形成上边框105，在测试空间的下侧形成下边框106。

前后加载机构用于对测试岩石施加沿前后方向的动态荷载以及冲击荷载，前后加载机构包括前支撑部件107、后加载部件108和横向冲击装置111，前支撑部件107连接于前边框101，用于从前侧抵住位于测试空间的测试岩石，后加载部件108由后边框102向前延伸，用于从后侧向测试岩石施加作用力，横向冲击装置111用于向后加载部件108施加向前的冲击载荷。

左右加载机构用于对测试岩石施加沿左右方向的动态荷载左右加载机构包括左支撑部件109、右加载部件110，左支撑部件109连接于左边框103，用于从左侧抵住位于测试空间的测试岩石，右加载部件110由右边框104向左延伸，用于从右侧向测试岩石施加作用力。

上下加载机构用于对测试岩石施加沿上下方向的动态荷载以及冲击荷载，上下加载机构包括下支撑部件112、上加载部件113和竖向冲击装置114，下支撑部件112连接于下边框106，用于从下侧抵住位于测试空间的测试岩石，上加载部件113由上边框105向下延伸，用于从上侧向测试岩石施加作用力，竖向冲击装置114用于向上加载部件113施加向下的冲击载荷。

本方案能真实模拟岩石在三向动态荷载受压过程中岩石的剪切破坏过程，并且能准确记录三向动态剪切过程中的峰值强度和残余强度。实现此功能的意义是模拟振动冲击荷载下岩体的开裂滑移，还有一系列的隧洞坍塌问题。本发明的技术方案中，分别设置前后加载机构、左右加载机构和上下加载机构，测试过程中能够将测试岩石放置于测试空间，借助于前后加载机构、左右加载机构和上下加载机构进行三向动荷载试验。同时，前后加载机构和上下加载机构中设有冲击装置，能够在动态剪切的过程中叠加冲击荷载，从而真实的模拟工程实际中，岩石不仅承受周期性的动荷载，还可能出现一些突然的冲击荷载的场景，相比于直接用编程来控制液压油缸施加动态荷载的优点是能在动态剪切的同时，施加突然的冲击荷载。比较符合隧道围岩承受动态荷载的同时受到突然的冲击荷载，或地震荷载时的不利情况，更符合实际。可以研究的剪切特性更多。本发明的技术方案能够在岩石真实应力条件下的动态剪切过程中，实现承受突然的冲击荷载的强度和变形分析。

在一些实施例中，参见图1，装置本体100的前边框101、后边框102、左边框103和右边框104，通过顶部的呈十字形的上边框105和底部的呈十字形的下边框106连接，形成笼状结构，相邻边框之间留有间隙，既保证整体结构强度，又能够方便内部设备安装、测试岩石的取放以及观测测试进程。

参见图1，前支撑部件107、后加载部件108、左支撑部件109、右加载部件110、下支撑部件112和上加载部件113的端部均设有加载压头115，加载压头115具有一定面积的端面，用于均匀给试样加荷载。

参见图1，后边框102上于对应后加载部件108的位置设有第一伺服液压机孔116，模拟装置还包括第一伺服液压机，第一伺服液压机的输出端穿过第一伺服液压机孔116与后加载部件108连接。

参见图1，右边框104上于对应右加载部件110的位置设有第二伺服液压机孔，模拟装置还包括第二伺服液压机，第二伺服液压机的输出端穿过第二伺服液压机孔与右加载部件110连接。

参见图1，上边框105上于对应上加载部件113的位置设有第三伺服液压机孔117，模拟装置还包括第三伺服液压机，第三伺服液压机的输出端穿过第三伺服液压机孔117与上加载部件113连接。

前后加载机构、左右加载机构和上下加载机构均采用伺服液压控制，能较好地控制力和位移。

在一些实施例中，参见图1，横向冲击装置111设置于后边框102，竖向冲击装置114设置于上边框105，横向冲击装置111和竖向冲击装置114均包括冲击杆118、用于驱动冲击杆118的电磁驱动装置和用于驱动冲击杆118复位的弹性复位部件。需要施加突然的冲击荷载时，电磁驱动装置通电驱动冲击杆118，冲击杆118快速的撞击对应的加载部件，撞击后，电磁驱动装置断电，冲击杆118在弹性复位部件的驱动下复位，根据需要可如此往复。

本发明的实施例可以用于岩石压缩破坏实验，岩石压缩破坏实验具体过程如下：把100mm×100mm×100mm的岩石试样放到测试空间中，岩石试样上面贴好应变片，打开电脑和伺服液压控制仪，对岩石试样施加载荷，并记录岩石的破坏和强度。本发明的实施例可以和声发射和应变片联合使用，可以进行真实受力情况下的岩石黏滑实验。并且可以比较准确测得岩石剪切破坏过程中的应力和应变。

在一些实施例中，模拟装置能真实模拟岩石在水力耦合状态下的压裂过程，具体的，参见图1、图2、图3，左边框103上设有用于调节左支撑部件109高度的预留安装孔119，模拟装置还包括剪切盒200，剪切盒200包括上盒201和下盒202，上盒201和下盒202均包括前侧板203、后侧板204、左侧板205和右侧板206，前侧板203、后侧板204、左侧板205和右侧板206分布于四周并在内部围蔽形成用于放置测试岩石的盒腔207，上盒201的顶部设有顶板208，下盒202的底部设有底板，顶板208上设有注水孔。

本实施例可以用于岩石剪切渗流实验，岩石剪切渗流实验过程如下：将100mm×100mm×200mm的岩石试样剪断，将试样放入渗流的剪切盒200中，剪切盒200四周是分开的四块耐腐蚀高刚度的侧板，将左右方向的左支撑部件109和右加载部件110上下错开安装并施加围压，然后施加竖向动态荷载，在上部顶板208的注水孔中注入液体，水平向施加剪切荷载进行剪切。在剪切过程中记录剪切力，法向变形和剪切变形。能真实模拟岩石水力耦合状态下的压裂过程。岩石真实应力状态下的动态剪切和节理面渗流耦合作用下的受力和变形情况。

进一步的，参见图2，顶板208能够嵌入上盒201的盒腔207，顶板208的四周边缘设有与上盒201的前侧板203、后侧板204、左侧板205和右侧板206配合的第一止水胶带，底板能够嵌入下盒202的盒腔207，底板的四周边缘设有与下盒202的前侧板203、后侧板204、左侧板205和右侧板206配合的第二止水胶带，底板上设有排水孔。

参见图3，前侧板203、后侧板204、左侧板205和右侧板206的内表面设有凸台209，并在凸台209的两侧设置嵌槽，其中，凸台209用于平衡不均匀应力，相邻侧板之间设有第三止水胶带210，第三止水胶带210通过压条压装于嵌槽中，上盒201和下盒202之间设有第四止水胶带。四止水胶带有一定的弹性，在剪切拉伸时候不会断裂，剪切的距离控制在钢边橡胶止水带的弹性范围之内。本方案的加载板采用内外钢边橡胶止水带，渗流过程中的堵水效果比较好。并且剪切板采用耐腐蚀钢材，不容易锈蚀。在剪切过程中，水从上部的孔中流入，岩石在上下预留孔位置处钻孔，以确保水能进入剪切面上。用来固定钢边橡胶止水带的螺栓没有穿透剪切盒200，并且和里面剪切盒200高度一样，避免岩石出现局部的应力集中而产生破坏。

在一些实施例中，剪切盒200上设有用于检测测试岩石变形的变形传感器，用于辅助检测岩石的变形分析。

在本说明书的描述中，参考术语“示例”、“实施例”或“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置，其特征在于，包括：

装置本体，所述装置本体内部限定出能够容纳测试岩石的测试空间，所述装置本体在所述测试空间的前侧形成前边框，在所述测试空间的后侧形成后边框，在所述测试空间的左侧形成左边框，在所述测试空间的右侧形成右边框，在所述测试空间的上侧形成上边框，在所述测试空间的下侧形成下边框；

前后加载机构，包括前支撑部件、后加载部件和横向冲击装置，所述前支撑部件连接于所述前边框，用于从前侧抵住位于所述测试空间的测试岩石，所述后加载部件由所述后边框向前延伸，用于从后侧向测试岩石施加作用力，所述横向冲击装置用于向所述后加载部件施加向前的冲击载荷；

左右加载机构，包括左支撑部件和右加载部件，所述左支撑部件连接于所述左边框，用于从左侧抵住位于所述测试空间的测试岩石，所述右加载部件由所述右边框向左延伸，用于从右侧向测试岩石施加作用力；

上下加载机构，包括下支撑部件、上加载部件和竖向冲击装置，所述下支撑部件连接于所述下边框，用于从下侧抵住位于所述测试空间的测试岩石，所述上加载部件由所述上边框向下延伸，用于从上侧向测试岩石施加作用力，所述竖向冲击装置用于向所述上加载部件施加向下的冲击载荷。

2.根据权利要求1所述的断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置，其特征在于，所述前支撑部件、后加载部件、左支撑部件、右加载部件、下支撑部件和上加载部件的端部均设有加载压头。

3.根据权利要求1所述的断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置，其特征在于，所述后边框上于对应所述后加载部件的位置设有第一伺服液压机孔，还包括第一伺服液压机，所述第一伺服液压机的输出端穿过所述第一伺服液压机孔与所述后加载部件连接。

4.根据权利要求1所述的断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置，其特征在于，所述右边框上于对应所述右加载部件的位置设有第二伺服液压机孔，还包括第二伺服液压机，所述第二伺服液压机的输出端穿过所述第二伺服液压机孔与所述右加载部件连接。

5.根据权利要求1所述的断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置，其特征在于，所述上边框上于对应所述上加载部件的位置设有第三伺服液压机孔，还包括第三伺服液压机，所述第三伺服液压机的输出端穿过所述第三伺服液压机孔与所述上加载部件连接。

6.根据权利要求1所述的断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置，其特征在于，所述横向冲击装置设置于所述后边框，所述竖向冲击装置设置于所述上边框，所述横向冲击装置和竖向冲击装置均包括冲击杆、用于驱动所述冲击杆的电磁驱动装置和用于驱动所述冲击杆复位的弹性复位部件。

7.根据权利要求1所述的断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置，其特征在于，所述左边框上设有用于调节所述左支撑部件高度的预留安装孔，还包括剪切盒，所述剪切盒包括上盒和下盒，所述上盒和下盒均包括前侧板、后侧板、左侧板和右侧板，所述前侧板、后侧板、左侧板和右侧板分布于四周并在内部围蔽形成用于放置测试岩石的盒腔，所述上盒的顶部设有顶板，所述下盒的底部设有底板，所述顶板上设有注水孔。

8.根据权利要求7所述的断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置，其特征在于，所述顶板能够嵌入所述上盒的盒腔，所述顶板的四周边缘设有与所述上盒的前侧板、后侧板、左侧板和右侧板配合的第一止水胶带，所述底板能够嵌入所述下盒的盒腔，所述底板的四周边缘设有与所述下盒的前侧板、后侧板、左侧板和右侧板配合的第二止水胶带，所述底板上设有排水孔。

9.根据权利要求7所述的断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置，其特征在于，所述前侧板、后侧板、左侧板和右侧板的内表面设有凸台，并在所述凸台的两侧设置嵌槽，相邻侧板之间设有第三止水胶带，所述第三止水胶带通过压条压装于所述嵌槽中，所述上盒和下盒之间设有第四止水胶带。

10.根据权利要求7所述的断层破碎带围岩真三轴冲击压缩模拟装置，其特征在于，所述剪切盒上设有用于检测测试岩石变形的变形传感器。

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