硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪

摘要

本发明提供一种硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪，属于岩石破坏定位与监测技术领域。该模拟仪包括前腹板、左腹板、四孔腹板、半窗腹板、全窗腹板、后腹板和底座，左腹板内仓侧设有一对楔形板，对试样位置进行调整，试样除前侧外其余五个面均有垫板，三个侧向垫板上有四个钻孔，前腹板有一个观察窗，窗上有预留孔，用以安装纵向LVDT位移传感器和内窥激光散斑观察纵向应变位移和试样内部破损。前后腹板采用高强度螺栓与侧腹板连接，置于底座上，整个装置放在压力机上进行加载，通过内窥激光散斑、数字图像技术、LVDT技术、声发射技术定位试样的变形和开裂破坏，观察岩石表面破坏现象，可适用花岗岩等高强度岩石。该模拟仪组装方便，操作简单。

说明书

技术领域

本发明涉及岩石破坏定位与监测技术领域，特别是指一种硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪。

背景技术

深部岩体所受应力条件复杂，地应力随着埋深的增加逐渐加大，岩体的应力路径发生变化，破坏模式也发生转变，深部硐室岩壁的脆剪过渡式破坏较为常见，围岩在开挖过程中，往往未达到其单轴抗压强度便发生片帮岩爆等低强度破坏现象，因此，了解深部硐室围岩的物理力学特性是实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。浅部地应力测量以线弹性理论为基础，围压率定测定岩石恒定变形参数。但进入深部，岩石、岩体在压力水平逐渐增大的情况下表现出明显的非线性变形特征，深部硐室围岩的所受到的应力状态是双向应力状态，围岩在平行于硐室轴向和壁面切向方向上有应力，而垂直于壁面方向上无应力，事实发现，硐室表面强度往往达不到单轴抗压强度，这种低强度脆剪过渡式破坏现象尤其在深部硐室中较为常见，到目前为止仍没有针对这种破坏现象试验研究。现有的研究指出，深部硐室围岩破坏与浅层岩体不同，破坏模拟随着深度的增加而发生转化，但目前尚无一次试验中对多种破坏模式体现和研究的试验仪器。因此，研究深部硐室围岩的破坏模式对深部开挖具有重要意义，需要研发实验室水平的双向应力状态下岩石表面破坏分析仪器，模拟围岩实际应力状态，观察监测岩石的破坏。

之前室内试验对岩石的强度研究往往集中在圆柱形试样单轴或三轴试验，而对实际岩体的双向应力状态室内模拟和平面表面试样的试验研究鲜少，发明一种更贴切实际的实验室室内模拟开挖面应力状态的实验技术和方法对研究深部岩体物理力学特性甚为关键。本发明硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪综合考虑了洞室围岩表面的几何因素(平面形状)和围岩表面岩石的双向应力状态，结合内窥激光散斑技术、LVDT技术、数字图像技术和声发射技术等新技术对试验试样的内部、外部变形和破坏进行测量和定位。相对于真三轴试验，该发明的破坏是渐进破坏，可涉及到破坏模式转化的研究，考虑几何因素，并具有一定延伸度的测量，不同于岩块，也不同于物理模拟，可获取轴线位移量、表面位移场，内部位移场，破裂声信号，压力数据等多种信息。本发明配合压力机试验，可达到很高的压力。

本发明硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪拥有带孔腹板、半窗腹板、全窗腹板三种匹配腹板，满足声发射和激光散斑技术要求，本发明能够模拟深部硐室围岩表面岩石的应力状态，监测岩体在双向应力状态下加载变形和开裂破坏，组装方便，操作简单。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪。

该模拟仪包括前腹板、左腹板、四孔腹板、半窗腹板、全窗腹板、后腹板和底座，前腹板有一个观察窗，观察窗上有两个预留孔，预留孔用于观察试样表面破坏现象和安装传感器；四孔腹板、半窗腹板、全窗腹板共同组成匹配腹板，根据不同的实验要求进行选择；破坏模拟仪内部除相邻匹配腹板的垫板为玻璃垫板外，左侧和后侧垫板均为带孔普通钢性垫板；左腹板内侧为一对楔形板，用于调整适应试样尺寸；左腹板和匹配腹板通过高强度螺栓与前腹板和后腹板连接，置于底座上；玻璃垫板外依次设置四孔腹板、半窗腹板和全窗腹板。

其中，后腹板和左腹板均为带孔腹板。

匹配腹板为声发射和激光散斑技术匹配型腹板；相邻匹配腹板的玻璃垫板为玻璃钢垫板，参数如下：抗压强度为310.3MPa，拉伸强度551.6Mpa，弯曲强度689.5MPa，弹性模量为21GPa，弯曲模量34.48GPa。

该模拟仪采用的材料为调质处理后的45号钢(JIS中称为：S45C,ASTM中称为1045,080M46,DIN称为：C45)，具有良好的综合机械性能，参数如下：含碳量0.42～0.50％，密度为7.85g/cm³，抗拉强度不小于700Mpa，屈服强度不小于355Mpa，伸长率≥16％，弹性模量210GPa，泊松比0.269。

左腹板和匹配腹板与前腹板和后腹板采用10个22mm口径的12.9级强度内六角高强度螺栓连接，抗拉强度为1220MPa。

一对楔形板在正常贴合下上楔形板高出腹板5mm，上楔形板下部高出底座5mm，以便楔形板对试样尺寸进行适应；楔形板带有四个直径为5mm的圆孔用作声发射探头安装；在完成安装后，对上楔形板进行轻敲确保内侧垫板与试样紧密接触。

前腹板观察窗高度比试样小10mm，防止试样在加载过程中崩出，试样长度方向上尺寸小于模拟仪内部空腔长度，确保试样在长度方向上无应力。

该破坏模拟仪能够加压到200MPa以上装置的应变不超过3000με，因此装置可测量岩石强度200MPa以下的岩石；经试验和模拟证明，试样为花岗岩时，装置应变仅有2500με。该模拟仪采用了4种技术实现对试样的定位测量：内窥激光散斑技术、LVDT技术、数字图像技术和声发射技术。内窥激光散斑可以看出内部变形和破裂，LVDT技术测量试样的纵向变形和整体位移，数字图像技术测量试样侧面表面的变形，声发射技术可定位试样破坏。纵向位移由线性可变差动传感器(LVDT)测量，每次测试前，需对装置变形进行校正。试样纵向位移由RDP GT-1000弹簧加载的LVDT测量，线性范围为±1mm，线性度为0.15％，灵敏度为155mV/V/mm(5VAC激励电压)。内窥激光散斑干涉技术用于钻孔内窥测量进行试样内部破裂观察，具备内窥测量功能，仪器包括测量头、光源、驱动控制器、主机和软件，光源线宽≤30MHz，中心波长532nm，测量头采用硬管内窥镜探头，相机像素≥500万，能够测量直径为40mm、深度为200mm以内的深孔孔壁的面内变形，测量分辨率≥200nm。

整个系统前后腹板采用高强度螺栓与侧腹板连接，置于底座上，根据要求匹配侧腹板，整个装置放在压力机上进行加载，通过激光散斑和声发射技术实时监测定位试样的变形和开裂破坏，观察岩石表面破坏现象，可适用花岗岩等高强度岩石。装置的右侧垫板采用玻璃钢材料，试样与垫板接触面采用硬脂酸润滑剂均匀涂抹。本发明能够模拟深部硐室围岩表面岩石的应力状态，监测岩体在双向应力状态下加载变形和开裂破坏，具有体积较小，组装方便，操作简单等优点。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明能够根据加载要求匹配侧腹板，整个装置放在压力机上加载，并适用激光散斑和声发射技术实时监测定位试样变相和破损。该破坏模拟仪能够加压到200MPa以上装置的应变不超过3000με，可测量岩石强度200MPa以下的岩石。本发明能够模拟深部硐室围岩表面岩石的应力状态，监测岩体在双向应力状态下加载变形和开裂破坏，具有组装方便，操作简单等优点。

附图说明

图1为本发明的硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪结构示意图；

图2为本发明硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪结构设计三维图；

图3为本发明硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪结构设计三视图，(a)为正视图，(b)为左视图，(c)为俯视图，(d)为A-B剖面示意图；

图4为本发明硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪左腹板设计图，(a)为左视图，(b)为俯视图；

图5为本发明硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪匹配腹板设计图，(a)为四孔腹板右视图，(b)为四孔腹板俯视图，(c)为半窗腹板右视图，(d)为全窗腹板右视图；

图6为本发明硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪楔形板设计图，(a)为上楔形板正视图，(b)为上楔形板左视图，(c)为下楔形板正视图，(d)为下楔形板右视图。

其中：1-前腹板；2-左腹板；3-四孔腹板；4-半窗腹板；5-全窗腹板；6-底座；7-后腹板；8-楔形板；9-玻璃垫板；10-试样；11-普通钢性垫板；12-高强度螺栓。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪。

如图1、图2和图3所示，该模拟仪包括前腹板1、左腹板2、四孔腹板3、半窗腹板4、全窗腹板5、后腹板7和底座6，前腹板1有一个观察窗，观察窗上有两个预留孔，预留孔用于观察试样表面破坏现象和安装传感器；四孔腹板3、半窗腹板4、全窗腹板5共同组成匹配腹板；破坏模拟仪内部除相邻匹配腹板的垫板为玻璃垫板9外，左侧和后侧垫板均为带孔普通钢性垫板11；左腹板2内侧为一对楔形板8，用于调整适应试样10尺寸；左腹板2和匹配腹板通过高强度螺栓12与前腹板1和后腹板7连接，置于底座6上；玻璃垫板9外依次设置四孔腹板3、半窗腹板4和全窗腹板5。后腹板7和左腹板2均为带孔腹板。前腹板1窗口高度比试样小10mm，防止试样10在加载过程中崩出；试样长度方向上尺寸小于内部空腔长度，确保试样在长度方向上无应力。

左腹板2、匹配腹板和楔形板8设计图分别如图4、图5和图6所示。

硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪采用的材料为调质处理后的45号钢(JIS中称为：S45C,ASTM中称为1045,080M46,DIN称为：C45)，具有良好的综合机械性能，参数如下：含碳(C)量是0.42～0.50％，密度为7.85g/cm3，抗拉强度不小于700Mpa，屈服强度不小于355Mpa，伸长率≥16％，弹性模量210GPa，泊松比0.269。相邻匹配腹板的垫板为玻璃钢垫板9，参数如下：抗压强度为310.3MPa，拉伸强度551.6Mpa，弯曲强度689.5MPa，弹性模量为21GPa，弯曲模量34.48GPa。左腹板2和匹配腹板3与前腹板1、后腹板7采用10个22mm口径的12.9级强度内六角高强度螺栓连接，其抗拉强度为1220MPa。

前腹板1窗口高度比试样小10mm，防止试样在加载过程中崩出。试样10长度方向上尺寸小于内部空腔长度，确保试样在长度方向上无应力。

一对楔形板8在正常贴合下上楔形板高出腹板5mm，上楔形板下部应高出底座5mm，以便楔形板对试样尺寸进行适应；楔形板带有四个直径为5mm的圆孔用作声发射探头安装；在完成安装后，需对上楔形板进行轻敲以确保内侧垫板与试样紧密接触。

该模拟仪采用了4种技术实现对试样的定位测量：内窥激光散斑技术、LVDT技术、数字图像技术和声发射技术。内窥激光散斑可以看出内部变形和破裂，LVDT技术测量试样的纵向变形和整体位移，数字图像技术测量试样侧面表面的变形，声发射技术可定位试样破坏。纵向位移由线性可变差动传感器(LVDT)测量，每次测试前，需对装置变形进行校正。试样纵向位移由RDP GT-1000弹簧加载的LVDT测量，线性范围为±1mm，线性度为0.15％，灵敏度为155mV/V/mm(5VAC激励电压)。内窥激光散斑干涉技术用于钻孔内窥测量进行试样内部破裂观察，具备内窥测量功能，仪器包括测量头、光源、驱动控制器、主机和软件，光源线宽≤30MHz，中心波长532nm，测量头采用硬管内窥镜探头，相机像素≥500万，能够测量直径为40mm、深度为200mm以内的深孔孔壁的面内变形，测量分辨率≥200nm。

具体工作原理(操作步骤)为:

1、根据要求选择合适的匹配腹板和测量设备。

2、如图2所示将试样10与各个垫板及前后腹板、侧腹板、匹配腹板组合，组装顺序从下至上，在试样与垫板接触面采用润滑技术处理，组装完成后轻敲上楔形板，以保证垫板与试样完全接触；

3、安装好试验测量设备，并做好相应调试准备；

4、然后，将整个装置放在压力机上；

5、加紧内六角高强度螺栓；

6、开启压力机进行加载试验；

7、试验结束，撤除试验仪器，松开螺栓，拆分破坏模拟仪。

本发明设计的硐室岩壁脆剪过渡式破坏模拟仪能够模拟深部硐室围岩表面岩石的应力状态，监测岩体在双向应力状态下加载变形和开裂破坏，具有组装方便，操作简单等优点。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。