深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，包括节理岩体，所述节理岩体通过压力板与法向压力系统和动态加载装置连接，节理岩体还分别与围压加载装置、能量吸收装置连接，节理岩体上方，还设置有裂纹扩展可视化系统，节理岩体还与数据监测系统连接，数据监测系统与数据采集系统相连。本发明专利技术还公开了一种深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验方法。本发明专利技术提供了一种全新的深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，能实现法向方向和围压方向的分别控制加载，能更精确的模拟深部节理岩体的受力环境。该装置可以更好的模拟深部应力波在地下围岩中的传播规律以及裂纹扩展过程。

Laboratory test system and method for propagation of stress wave in deep jointed rock mass

The invention discloses a laboratory test system for stress wave propagation law in deep jointed rock mass, including jointed rock mass. The jointed rock mass is connected with normal pressure system and dynamic loading device through pressure plate, and the jointed rock mass is also connected with confining pressure loading device and energy absorption device respectively. The jointed rock mass is also arranged above the jointed rock mass. Visualization system of crack propagation, jointed rock mass is also connected with data monitoring system, data monitoring system is connected with data acquisition system. The invention also discloses an indoor test method for the propagation of stress wave in deep jointed rock mass. The invention provides a brand new laboratory test system for stress wave propagation law in deep jointed rock mass, which can realize controlled loading in normal direction and confining pressure direction respectively, and can more accurately simulate the stress environment of deep jointed rock mass. The device can better simulate the propagation law of deep stress wave in underground surrounding rock and the crack propagation process.

【技术实现步骤摘要】
深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统及方法
本专利技术涉及含节理岩体的动态响应以及波传播领域，具体涉及深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统及方法。
技术介绍
深部地下岩体内包含这多种不连续结构面，如裂纹、节理、夹层或者断层等。这些结构面使得岩体具有不均性和各向异性。岩体的破坏往往由于这些不连续面的扩展、贯通或者滑移造成。地震波或者爆破波在结构面处往往会发生透射和反射，引起结构面的张开、闭合或者滑移，对地下工程的安全稳定性有着重要的不利影响。节理和裂纹作为一种中小尺度的不连续面，其动态力学特性和对应力波传播规律的影响，对分析地下岩体大型结构体的动态响应有着不可忽略的作用。此外，地下岩体往往面临高地应力和强动力扰动这一复杂的赋存地质条件。已有的关于应力波传播规律的试验装置更多的局限于应力波垂直入射的情况，且地应力的影响难以考虑。因此，能够制作出能够考虑高地应力影响的应力波在节理处传播规律，同时能观察到裂纹扩展过程的室内模拟装置十分重要。本专利技术针对现在技术存在的上述问题，结合应变片、速度传感器实现地应力作用下应力波传播规律的室内模拟，同时基于超高速摄像仪器实现节理和裂纹扩展过程的实时记录和监测。本专利技术的提出可以更精确的模拟深部地下工程中应力波与节理的相互作用，对应力波传播规律以及岩石的动力学特性的室内试验的发展和应用有着重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种适用于深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统和方法。本专利技术是这样实现的：深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，包括节理岩体试样，在节理岩体试样前端设置有压力板，法向压力系统和动态加载装置通过压力板与节理岩体试样连接，节理岩体试样还分别与围压加载装置、能量吸收装置连接，节理岩体试样上方，还设置有裂纹扩展可视化系统，节理岩体试样上还设置有数据监测系统，数据监测系统与数据采集系统相连。更进一步的方案是：在节理岩体试样与压力板之间，还设置有整形片。更进一步的方案是：所述的节理岩体试样是由岩石板以及人工制作的节理共同组成，所述的节理岩体试样分为四类：第一类为不贯穿不充填节理，在岩石板上通过切割成适度长度的空心裂隙形成；第二类为贯穿不填充节理，将岩石块切割为两块岩石板，直接接触形成；第三类为不贯穿充填节理，在岩石板上通过切割成适度长度的空心裂隙形成，并将裂隙填充软弱材料；第四类为贯穿填充节理，将岩石块切割为两块岩石板，然后在中间填充软弱材料。更进一步的方案是：所述的裂纹扩展可视化系统是由位于节理岩体上方的依次连接的高速摄像镜头、连接支架和底部支座组成。更进一步的方案是：所述的法向压力系统是由法向压力千斤顶、法向压力钢结构反力支撑装置组成，所述的围压加载装置由围压加载千斤顶、可滚动传力装置和围压加载钢结构反力支撑装置组成。更进一步的方案是：所述的动态加载装置是由弹簧冲击器、子弹、轨道，侧边支撑共同组成。其中子弹与轨道接触，受到弹簧冲击器的作用后，沿着轨道进行滚动，然后与压力板接触。更进一步的方案是：所述的数据监测系统由六组数据监测系统组成，数据采集系统由四芯导线和超动态应变仪组成，数据监测系统通过四芯导线和超动态应变仪连接，实现数据的采集和记录。更进一步的方案是：所述的能量吸收装置与节理岩体试样接触，包括相互连接的能量缓冲金属装置和能量吸收橡胶装置以及反力支撑装置。更进一步的方案是：所述的压力板能够活动，并与整形片接触，压力板为钢板，厚度为30mm,整形片为橡胶材质，厚度为1～3mm。本专利技术中，法向压力系统、动态加载装置分别给节理岩体提供法向压力和应力波；围压加载装置与节理岩体连接，提供侧向围压；能量吸收装置与节理岩体连接，对动态能量进行吸收和耗散；裂纹扩展可视化系统位于节理岩体试样上方，进行节理裂纹扩展过程的记录；数据监测系统与节理岩体连接，同时并与数据采集系统连接，实现数据的采集和记录。节理岩体纵向与能量吸收装置以及整形片后端紧密接触，横向受到围压系统的约束。节理岩体表面贴有应变片和压电式速度传感器，与数据采集系统连接，进行数据的监测、记录和分析。本申请中，节理岩体的尺寸为长方形薄板，宽度为20cm左右，既可减小边界效应，同时可保证子弹与节理岩体更好的接触均匀。本申请中，因为冲击子弹的形态非圆柱体形状，为长方体形状，优先采用通过压缩弹簧冲击装置，也可以通过改装采用压缩气体冲击子弹发射装置。本申请中，能量吸收装置和整形装置均采用塑性材料，如高分子塑料、橡胶、铜或者铝等韧度和塑性较好的金属。优先采用橡胶材质作为整形材质，因为整形片除了具有调整入射波周期和幅值的功能外，还可以使法向加载装置、动态加载装置与节理岩体接触的更加均匀和平整。能量吸收装置优先采用金属与橡胶结合的方式，即可吸收足够大的应力波能量，同时可以保证施加较大的法向应力。本专利技术还提供了一种深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验方法，采用了本专利技术公开的深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，并具体包括：步骤一、制备得到满足要求的四种不同类型的节理岩体试样；其中，根据试验目的通过高压水预制不同尺度和方向的节理裂隙，可贯穿或不贯穿；并且节理裂隙可采用软弱材料填充或者不填充的方式以考虑充填节理的影响；步骤二、根据现场监测数据得到的地应力，设计和调节作用与节理岩体的围压和法向压力大小，分别通过围压加载装置和法向压力系统中的千斤顶装置进行调节；围压和法向压力根据现场实际情况设计为不同的数值；步骤三、通过弹簧冲击器内的压缩弹簧进行蓄能，然后打开控制开关突然释放，子弹撞击压力板，压力板将入射波传递到节理岩体前端波形整形片；通过调整整形片以获得上升较缓的入射波，以此实现节理岩体两端的动态应力平衡；步骤四、在节理岩体表面沿着应力波传播方向贴有六组应变片和四组压电式速度传感器，通过数据采集系统分别采集节理岩体上的应变和振动速度；基于应力波理论计算节理前后的应力应变时程曲线，通过采集到的速度分析应变与速度的关系，并基于断裂力学以及高速摄像分析裂纹动态扩展过程。本专利技术的深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验方法，其原理是：首先在岩石块体里面通过高压水切割预制不同尺度的裂隙和节理，然后通过法向加载装置以及侧向的围压加载装置以模拟施加地应力。通过冲击子弹撞击节理岩体产生应力波，沿着节理岩体纵轴中心线上贴一组数据监测系统，分别测出节理前后的入射波和透射波，通过数据采集处理系统监测和记录，从而得到应力波在深部节理岩体中的传播规律，同时通过高速摄像装置查看节理裂隙在应力波作用下的动态响应与扩展过程。本专利技术提供的深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统及方法，具有以下优点：（1）通过不同角度和尺度的预制裂隙模拟同时结合填充情况可以模拟不同类型的节理的受力状态；（2）能实现法向方向和围压方向的分别控制加载，能更精确的模拟深部节理岩体的受力环境（可考虑侧向压力系数的影响），同时能够实现法向动态应力波的施加，从而模拟了深部节理岩体收到开挖扰动或者地震作用等动态荷载时面临的动静组合受力状态；（3）采用高速摄像机可实现节理裂隙在动静组合下扩展过程的可视化，结合应力波理论、断裂力学和热力学原理等理论分析节理裂隙的扩展机理。附图说明图1为本专利技术的深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，包括节理岩体试样（000），其特征在于：在节理岩体试样（000）前端设置有压力板（7），法向压力系统（100）和动态加载装置（200）通过压力板与节理岩体试样（000）连接，节理岩体试样（000）还分别与围压加载装置（700）、能量吸收装置（800）连接，节理岩体试样（000）上方，还设置有裂纹扩展可视化系统（500），节理岩体试样（000）上还设置有数据监测系统（600），数据监测系统（600）与数据采集系统（900）相连。

【技术特征摘要】
1.深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，包括节理岩体试样（000），其特征在于：在节理岩体试样（000）前端设置有压力板（7），法向压力系统（100）和动态加载装置（200）通过压力板与节理岩体试样（000）连接，节理岩体试样（000）还分别与围压加载装置（700）、能量吸收装置（800）连接，节理岩体试样（000）上方，还设置有裂纹扩展可视化系统（500），节理岩体试样（000）上还设置有数据监测系统（600），数据监测系统（600）与数据采集系统（900）相连。2.根据权利要求1所述深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，其特征在于：在节理岩体试样（000）与压力板（7）之间，还设置有整形片（8）。3.根据权利要求1所述深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，其特征在于：所述的节理岩体试样（000）是由岩石板（21）以及人工制作的节理（20）共同组成，所述的节理岩体试样（000）分为四类：第一类为不贯穿不充填节理，在岩石板上通过切割成适度长度的空心裂隙形成；第二类为贯穿不填充节理，将岩石块切割为两块岩石板，直接接触形成；第三类为不贯穿充填节理，在岩石板上通过切割成适度长度的空心裂隙形成，并将裂隙填充软弱材料；第四类为贯穿填充节理，将岩石块切割为两块岩石板，然后在中间填充软弱材料。4.根据权利要求1或2或3所述深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，其特征在于：所述的裂纹扩展可视化系统（500）是由位于节理岩体上方的依次连接的高速摄像镜头（13）、连接支架（14）和底部支座（15）组成。5.根据权利要求1或2或3所述深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，其特征在于：所述的法向压力系统（100）是由法向压力千斤顶（61）、法向压力钢结构反力支撑装置（51）组成，所述的围压加载装置（700）由围压加载千斤顶（62）、可滚动传力装置（9）和围压加载钢结构反力支撑装置（52）组成。6.根据权利要求1或2或3所述深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，其特征在于：所述的动态加载装置（200）是由弹簧冲击器（1）、子弹（2）、轨道（4），侧边支撑（3）共同组成；其中子弹（2）与轨...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘婷婷，李新平，吕均琳，王刚，刘斓，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42