一种恒定法向刚度条件下含结构面岩石剪切蠕变-冲击试验机及其试验方法技术

本发明专利技术公开了一种恒定法向刚度条件下含结构面岩石剪切蠕变

【技术实现步骤摘要】
一种恒定法向刚度条件下含结构面岩石剪切蠕变
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冲击试验机及其试验方法


[0001]本专利技术涉及岩石力学特性测试领域，主要为一种恒定法向刚度条件下含结构面岩石剪切蠕变
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冲击试验机及其试验方法。

技术介绍

[0002]深部岩体变形控制机理，是我国深部资源开发及重大基础工程建设亟待解决的关键问题之一。浅部矿产资源开采殆尽，进而使得地下1000～2000 m的深部开采成为新常态。雅鲁藏布江墨脱水电站埋深高达4000 m，川藏铁路39座隧道埋深大于1000m，最大埋深2096m。确保深部岩体结构的稳定及预防灾变突发成为迫切解决的第一要务。深部岩体具有明显的强流变状态，极易因掘进或开采爆破等扰动加剧流变状态发生失稳破坏。因此，复杂力学环境下结构面的长期抗剪效应是控制岩体工程稳定最为关键的因素之一。
[0003]目前研究岩石结构面剪切特性大都局限于恒定法向应力边界条件下，即结构面剪切过程中作用于其上的法向应力保持恒定，而此情况仅适合于地表或浅埋工程等，如边坡中未锚固的节理面；对于深部地下工程的岩体，结构面剪切滑移过程中剪胀变形受到围岩的约束，作用在其上法向应力随剪切不断变化，更为符合恒定法向刚度边界条件。
[0004]开挖掘进或开采爆破扰动破坏了岩体的初始应力平衡状态，是深部岩体失稳破坏的根本原因。基于恒定法向刚度边界条件与冲击扰动效应组合，可以准确反映深地工程活动下岩体真实的力学性质。因此开展恒定法向刚度条件下岩石结构面剪切蠕变
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冲击扰动变形失稳机理研究，为深部岩体工程安全生产与灾害科学防治提供关键科技支撑，具有重要的科学意义和工程价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是克服传统岩石结构面剪切试验机只能施加恒定法向应力边界及单一剪切作用的缺陷，设计一种恒定法向刚度条件下含结构面岩石剪切蠕变
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冲击试验机及其试验方法，研究岩石结构面在深部岩体所处力学环境条件下的剪切力学特性，进而研究动态冲击扰动导致的岩石剪切蠕变失稳机理。
[0006]为解决上述问题，本专利技术针对现有技术不足，采用以下技术方案：一种恒定法向刚度条件下含结构面岩石剪切蠕变
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冲击试验机：本试验机包括顶部限制板、底部限制板、左侧面限制板、右侧面限制架、限位螺母、限制杆、垫板、减摩滚珠、剪切盒限制杆、竖向液压千斤顶、水平液压千斤顶、电机控制器、剪切盒、滑块、冲力传递杆、支撑杆、冲击重锤、摆杆、滚动轴承、刻度立杆、横杆、水平尺、位置限制阀、底板、信息采集控制系统。
[0007]所述岩石试样为为150mm的含结构面立方体岩石试样，将岩石试样放置于剪切盒内使结构面置于预留剪切缝中心。
[0008]所述剪切盒由上剪切盒与下剪切盒组成，上剪切盒右侧施加动态冲击，冲击扰动
一侧上剪切盒设置滑块，剪切盒底面呈正方形，边长155mm，盒深70mm，上剪切盒与上方垫板焊接呈整体。
[0009]所述顶部限制板、底部限制板、左侧面限制板、右侧面限制架、限制杆通过预留孔槽，利用限位螺母相连，所述剪切盒限制杆一端与所述底部限制板焊接固定，一端与所述上剪切盒相抵接触，形成外部反力框架。
[0010]所述竖向液压千斤顶、水平液压千斤顶分别与顶部限制板、左侧面限制板焊接固定连接，并分别与电机控制器相连。
[0011]岩石试样粘贴应变片、竖向压力传感器、水平压力传感器、位移传感器、冲力传感器与采集仪相连，采集仪与电脑相连。
[0012]框架内部由上至下，竖向液压千斤顶、竖向压力传感器、垫板、弹簧、垫板、减摩滚珠、千分表、垫板、上剪切盒及滑块、下剪切盒、减摩滚珠。
[0013]框架内部由左至右，水平液压千斤顶、水平压力传感器、竖向加载系统、剪切盒限制杆、位移传感器。
[0014]所述的摆锤冲击机构包括冲力传递杆、支撑杆、冲击重锤、摆杆、滚动轴承、刻度立杆、横杆、水平尺、位置限制阀、底板。
[0015]将冲力传递杆放置在支撑杆上，冲力传递杆一端位于上剪切盒滑块端，一端位于冲击重锤端；将滚动轴承穿入横杆中，将刻度立杆焊接至底板上，利用位置限制阀将摆杆、刻度立杆、横杆连接为整体，冲击重锤焊接螺栓与摆杆相连接。将水平尺布设在横杆上，利用所述位置限制阀调整横杆水平，调整冲击重锤下落高度，同时调整摆杆长度，使所述重锤击打所述冲力传递杆，进而通过滑块直接作用在岩石试样上。
[0016]一种恒定法向刚度条件下含结构面岩石剪切蠕变
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冲击试验方法：利用上述恒定法向刚度条件下含结构面岩石剪切蠕变
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冲击试验机，包括以下步骤：1.制作边长为150mm含结构面立方体岩石试样，将试样放置于剪切盒内使结构面置于预留剪切缝中心；2.根据要求布设恒定刚度弹簧；3.利用竖向液压千斤顶施加法向压力，将根据竖向压力传感器测得压力数值，将竖向压力施加至目标荷载值；4.利用水平液压千斤顶施加水平剪切力，根据水平剪切力传感器测得压力数值，将水平剪切力施加至目标荷载值，荷载施加完毕；5.根据所需冲击高度、冲击重锤重量，设置横杆高度、摆杆长度及冲击重锤重量，释放冲击重锤，使得冲击重锤打击冲力传递杆，进而通过滑块直接作用在岩石试样上。
[0017]根据冲力传感器、测速仪记录冲击力及接触时冲击速度。通过千分表记录试样法向位移，通过位移传感器记录试样水平剪切蠕变
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冲击位移，通过应变片记录试样竖向、水平方向应变。
[0018]本专利技术的有益效果体现在：顶部限制板、底部限制板、左侧面限制板、右侧面限制架、限制杆剪切盒限制杆均为高强度钢材，通过预留孔槽，采用螺栓螺母锚固及焊接组成外部反力框架，可为试验提供足够反力支撑；根据要求可布设任意刚度弹簧，弹簧放置预留凹槽垫板中间及四角位置，可在试
验过程中保证其稳定性；上剪切盒右侧设置滑块体，一侧与岩石试样接触，并且只可向岩石试样方向移动，一侧与冲力传递杆相接触，可使动态冲击力全部、直接作用于岩石试样，避免了动态冲击力的损失；通过控制冲击重锤重量及调整刻度立杆改变冲击重锤下落高度两种相结合的方式改变动态冲击力的施加；设备可以实时测得法向压力、剪切力、法向位移、水平剪切
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冲击位移、法向应变、剪切
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冲击应变、冲击力、冲击速度参数；本专利技术的有益效果为，利用恒定法向刚度条件下含结构面岩石剪切蠕变
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冲击试验机，模拟深部地下岩石所处力学环境，开展恒定法向刚度条件下动态冲击扰动诱致岩石剪切蠕变失稳机理研究。
附图说明
[0019]图1为恒定法向刚度条件下含结构面岩石剪切蠕变
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冲击试验机的结构示意图；图2为摆锤冲击机构示意图；图3为上剪切盒滑块局部示意图；附图标记说明摆锤冲击机构1；电机控制器2；限位螺母3；顶部限制板4；竖向液压千斤顶5；限制杆6；竖向压力传感器7；垫板8；弹簧9；千分表10；上剪切盒11；水平液压千斤顶12；应变片13；位移传感器14；岩石试样15；底部限制板本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种恒定法向刚度条件下含结构面岩石剪切蠕变
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冲击试验机，其特征在于：弹簧、加载系统、含滑块剪切盒、摆锤冲击机构，所述弹簧布设在岩石试样法向方向，根据需求在垫板中间及四角凹槽处布设5个刚度相同弹簧，所述加载系统使岩石试样处于限制性剪切蠕变状态，所述含滑块剪切盒使所述摆锤冲击机构直接作用在岩石试样上，所述摆锤冲击机构对岩石试样进行切向动态冲击；所述加载系统包括顶部限制板、底部限制板、左侧面限制板、右侧面限制架、限位螺母、限制杆、垫板、减摩滚珠、剪切盒限制杆、竖向液压千斤顶、水平液压千斤顶，所述顶部限制板与底部限制板设有圆形槽，所述左侧面限制板、右侧面限制架的顶部、底部设有螺栓，四角位置设有圆形槽，右侧面限制架便于一侧冲击荷载的施加，通过限位螺母将顶部限制板、底部限制板、左侧面限制板、右侧面限制架相连接，并将左侧面限制板、右侧面限制架与底部限制板焊接，限制杆安装在左侧面限制板、右侧面限制架四角位置预留圆形槽内，通过限位螺母进一步加固装置；将竖向液压千斤顶及水平液压千斤顶分别固定在顶部限制板与左侧面限制板上，并连接电机控制箱，提供稳定压力；竖向千斤顶下设置中间及四角带凹槽的垫板，用于安装弹簧，弹簧下部同样设置设置中间及四角带凹槽的垫板，垫板下布置减摩滚珠，减摩滚珠下设置垫板，将含滑块剪切盒设置在垫板下方并与垫板焊接为整体，滑块位于上剪切盒右侧冲击扰动一端，上剪切盒与下剪切盒用于放置岩石试样，上剪切盒两侧与剪切盒限制杆一端相抵接触，剪切盒限制杆另一端与底部限制板焊接，限制上剪切盒右移；下剪切盒与底部限制板中间布设减摩滚珠。2.根据权利要求1所述的恒定法向刚度条件下含结构面岩石剪切蠕变
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冲击试验机，其特征在于：通过设置不同刚度弹簧，可实现不同恒定法向刚度边界条件施加。3.根据权利要求1所述的恒定法向刚度条件下含结构面岩石剪切蠕变
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冲击试验机，其特征在于：含滑块剪切盒，剪切盒由上剪切盒与下剪切盒组成，底面呈正方形，正方形边长155mm，盒深70mm，滑块呈楔形形状，布设在上剪切盒受冲击扰动一侧，滑块一端直接作用在剪切盒内岩石试样上，另一端直接受冲击扰动作用。4.根据权利要求1所述的恒定法向...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋洋，王贺平，李昂，范波，李永启，徐筱锋，祝百茹，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：