一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统和方法，涉及地震波或爆破波作用下岩体洞室围岩的动态响应及波传播领域，该实验系统包括动态加载单元、入射板、岩体洞室模拟单元、透射板、吸能单元、地应力模拟单元、可视化监测单元及数据监测采集单元，该实验方法包括地应力模拟单元施压、动态加载单元施加动态荷载、入射板和透射板传递应力波、吸能电源对动态能量进行吸收和耗散、可视化监测单元对洞室围岩的失稳动态过程进行记录及数据监测采集单元实现数据的监测和采集。该系统和方法可在考虑地应力影响的应力波作用下实现洞室围岩的稳定性分析，并观察失稳过程。

【技术实现步骤摘要】
一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统和方法
本专利技术涉及地震波或爆破波作用下岩体洞室围岩的动态响应及波传播领域，具体涉及一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统和方法。
技术介绍
目前地下工程的深度和广度发展，迫切需要得到应力波作用下洞室围岩的动态力学响应。对于深部地下岩体洞室，因为地质构造应力、人工开挖活动等外部活动影响，其围岩结构变得复杂，包含复杂的不连续结构面，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。在外部载荷特别是地震波或者爆破波作用下，结构面处往往会发生透射和反射，引起结构面的张开、闭合或滑移，围岩稳定性变的极差，洞室内可能会出现掉块、塌落等现象。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，对分析地下岩体洞室结构体的动态响应有着不可忽略的作用。此外，地下岩体洞室往往面临高地应力和强动力扰动的复杂地质条件。已有的关于节理洞室的力学响应验装置局限于静态，且地应力的影响难以考虑。因此，现在需要一种新的方案。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统和方法，该系统和方法可在考虑地应力影响的应力波作用下实现洞室围岩的稳定性分析，并观察失稳过程。为了达到以上目的，本专利技术提供如下技术方案：一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统，该系统包括依次设有的动态加载单元、入射板、岩体洞室模拟单元、透射板及吸能单元，所述动态加载单元与所述岩体洞室模拟单元之间设有入射板，所述岩体洞室模拟单元与所述吸能单元之间设有透射板，该系统另包括地应力模拟单元、可视化监测单元及数据监测采集单元，所述岩体洞室模拟单元前后方向两侧均分别设有所述地应力模拟单元，所述岩体洞室模拟单元上方设有可视化监测单元，所述数据监测采集单元分别与所述入射板、岩体洞室模拟单元及透射板连接，所述入射板对应所述动态加载单元位置一侧设有整形片。整形片是橡胶或塑性较大的金属材质组成，厚度为1-3mm，不仅对入射应力波的周期和幅值进行调节，还可以使得应力的传递更加均匀和平整。作为本专利技术的一种改进，所述动态加载单元包括轨道支撑框架、轨道支撑框架内侧间隔平行设有的一组轨道、轨道之间设有的子弹及轨道之间且固定设于轨道支撑框架上的弹簧冲击器。入射板、透射板的形状均为长方形薄板，可减少边界效应，子弹形状、尺寸与入射板形状、厚度一致，弹簧冲击器也可以为通过改装采用压缩气体冲击子弹发射的装置替代。作为本专利技术的一种改进，所述岩体洞室模拟单元包括洞室及洞室外侧的围岩，所述围岩内部包含节理，所述围岩包括层状节理岩体围岩及交叉节理岩体围岩。洞室形状为多变性，包括圆形、马蹄形、矩形等，洞室及其围岩是通过不同形状、尺寸的岩石块件拼装而成。作为本专利技术的一种改进，所述层状节理岩体围岩是通过切割岩石板形成贯通均匀层状节理形成的，所述交叉节理岩体围岩是将岩石块切割成多块拼装而成的。层状节理岩体围岩通过调整节理长度、密度、间距来模拟不同情况的层状节理，交叉节理岩体围岩模拟块系岩体下洞室围岩稳定性。作为本专利技术的一种改进，所述节理中填充有填充物。填充物包括软弱物质、胶结物、黏土等材料。作为本专利技术的一种改进，所述地应力模拟单元设于所述岩体洞室模拟单元前后方向两侧，所述地应力模拟单元包括千斤顶固定架、固定设于千斤顶固定架上的围压加载千斤顶及围压加载千斤顶伸缩端固定设有的围压支架，所述围压加载千斤顶伸缩端均对应所述岩体洞室模拟单元位置设置，所述围压支架与所述岩体洞室模拟单元之间均分别均匀设有传动滚珠。作为本专利技术的一种改进，所述可视化监测单元包括固定支座、设于所述岩体洞室模拟单元上方的高速摄像仪及高速摄像仪与固定支座之间设有的连接支架。作为本专利技术的一种改进，所述数据监测采集单元包括速度传感器、速度采集仪、第一应变片、第二应变片、惠斯通桥路、超动态应变仪及示波器，所述速度传感器均匀设于所述围岩上，所述速度传感器均与所述速度采集仪连接，所述第一应变片设于所述入射板上，所述第二应变片设于所述透射板上，所述第一应变片通过所述惠斯通桥路、超动态应变仪与所述示波器连接，所述第二应变片与所述示波器连接。作为本专利技术的一种改进，所述吸能单元包括能量吸收橡胶模块及反应力支撑固定架，所述反应力支撑固定架对应所述透射板位置一侧端设有所述能量吸收橡胶模块。能量吸收橡胶模块材料可以采用塑性材料或塑性较好的金属。作为本专利技术的一种改进，一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验方法，该实验方法包括以下步骤：1、地应力模拟单元中围压加载千斤顶通过围压支架对岩体洞室模拟单元前后方向两侧均分别施加围压；2、弹簧冲击器压缩然后突然释放施加动态荷载，子弹沿着轨道运动，经由整形片和入射板对岩体洞室模拟单元施加近似正弦波形状的应力波，通过能量吸收橡胶模块以及反应力支撑固定架将经由透射板传递过来的能量进行吸收和耗散；3、通过速度传感器同时测量洞室周围岩石的振动速度，用于分析洞室不同位置的围岩位移变形情况，同时结合围压、静态应变数据分析洞室围岩的稳定性，基于第一应变片、第二应变片监测入射板、透射板的岩石表面的动态应变，再基于应力波理论，可计算出入射波和透射波的应力时程曲线、波幅及频率参数，得出洞室的应力波透射规律；4、高速摄像仪通过连接支架设于所述岩体洞室模拟单元上方，用于记录应力波作用下洞室的张开、闭合及滑移动态过程。相对于现有技术，本专利技术具有如下优点：1、洞室及其围岩是通过不同形状、尺寸的岩石块件拼装而成，简单易行，可随时调整拼装情况模拟不同地质条件的围岩情况和洞室形状；2、能准确模拟深部地下岩体洞室的地应力环境，同时能够实现法向动态应力波的施加，从而模拟深部岩体洞室受到开挖扰动或者地震作用等动态荷载时面临的受力状态；3、通过可视化监测单元可实现块体围岩在动态冲击下的张开、闭合、滑移动态过程的记录，再结合应力波理论、块体理论相关理论分析洞室围岩的失稳机理；4、采用数据监测采集单元可分析应力波作用下岩体洞室围岩的动力响应特征。附图说明图1为本专利技术一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统结构框图；图2为本专利技术一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统俯视结构示意图；图3为所述岩体洞室模拟单元受力示意图；图4为不同工程地质条件下的岩体洞室模拟单元示意图；附图标记列表：001、动态加载单元；002、入射板；003、岩体洞室模拟单元；004、透射板；005、吸能单元；006、地应力模拟单元；007、可视化监测单元；008、数据监测采集单元；009、整形片；1、轨道支撑框架；2、轨道；3、子弹；4、弹簧冲击器；5、洞室；6、围岩；7、节理；8、千斤顶固定架；9、围压加载千斤顶；10、围压支架；11、固定支座；12、高速摄像仪；13、连接支架；14、速度传感器；15、速度采集仪；16、第一应变片；17、第二应变片；18、惠斯通桥路；19、超动态应变仪；2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统，其特征在于，该系统包括依次设有的动态加载单元（001）、入射板（002）、岩体洞室模拟单元（003）、透射板（004）及吸能单元（005），所述动态加载单元（001）与所述岩体洞室模拟单元（003）之间设有入射板（002），所述岩体洞室模拟单元（003）与所述吸能单元（005）之间设有透射板（004），该系统另包括地应力模拟单元（006）、可视化监测单元（007）及数据监测采集单元（008），所述岩体洞室模拟单元（003）前后方向两侧均分别设有所述地应力模拟单元（006），所述岩体洞室模拟单元（003）上方设有可视化监测单元（007），所述数据监测采集单元（008）分别与所述入射板（002）、岩体洞室模拟单元（003）及透射板（004）连接，所述入射板（002）对应所述动态加载单元（001）位置一侧设有整形片（009）。/n

【技术特征摘要】
1.一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统，其特征在于，该系统包括依次设有的动态加载单元（001）、入射板（002）、岩体洞室模拟单元（003）、透射板（004）及吸能单元（005），所述动态加载单元（001）与所述岩体洞室模拟单元（003）之间设有入射板（002），所述岩体洞室模拟单元（003）与所述吸能单元（005）之间设有透射板（004），该系统另包括地应力模拟单元（006）、可视化监测单元（007）及数据监测采集单元（008），所述岩体洞室模拟单元（003）前后方向两侧均分别设有所述地应力模拟单元（006），所述岩体洞室模拟单元（003）上方设有可视化监测单元（007），所述数据监测采集单元（008）分别与所述入射板（002）、岩体洞室模拟单元（003）及透射板（004）连接，所述入射板（002）对应所述动态加载单元（001）位置一侧设有整形片（009）。


2.根据权利要求1所述的一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统，其特征在于：所述动态加载单元（001）包括轨道支撑框架（1）、轨道支撑框架（1）内侧间隔平行设有的一组轨道（2）、轨道（2）之间设有的子弹（3）及轨道（2）之间且固定设于轨道支撑框架（1）上的弹簧冲击器（4）。


3.根据权利要求1所述的一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统，其特征在于：所述岩体洞室模拟单元（003）包括洞室（5）及洞室（5）外侧的围岩（6），所述围岩（6）内部包含节理（7），所述围岩（6）包括层状节理岩体围岩及交叉节理岩体围岩。


4.根据权利要求3所述的一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统，其特征在于：所述层状节理岩体围岩是通过切割岩石板形成贯通均匀层状节理形成的，所述交叉节理岩体围岩是将岩石块切割成多块拼装而成的。


5.根据权利要求4所述的一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统，其特征在于：所述节理（7）中填充有填充物。


6.根据权利要求1所述的一种应力波作用下洞室围岩动态稳定性室内实验系统，其特征在于：所述地应力模拟单元（006）设于所述岩体洞室模拟单元（003）前后方向两侧，所述地应力模拟单元（006）包括千斤顶固定架（8）、固定设于千斤顶固定架（8）上的围压加载千斤顶（9）及围压加载千斤顶（9）伸缩端固定设有的围压支架（10），所述围压加载千斤顶（9）伸缩端均对应所述岩体洞室模拟单元（003）位置设置，所述围压支架...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建春，闫亚涛，王晓，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32