[發明專利]一種研究爆破動力失穩機理的邊坡模型試驗方法及系統

有效

• 申請號: 201710764501.0
• 申請日: 2017-08-30
• 公開（公告）號: CN107543789B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 周傳波;吳廷堯;李韻迪;張一帆;陳友威;蔣楠;周家全;路世偉;范天成;尹濤;何如;張震
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G01N19/00
• 分類號: G01N19/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 楊曉燕

技術領域

本發明涉及高陡邊坡露天、地下開采或巖體開挖的各類巖土工程物理模型試驗領域，具體涉及一種研究露天轉地下開采爆破動力失穩機理的邊坡模型試驗方法及系統。

背景技術

爆破動力作用導致的失穩邊坡是局部的缺陷邊坡(含有潛在滑動結構弱面或斷層破碎帶的邊坡)，其引起邊坡整體失穩的現象幾乎不存在。缺陷邊坡的爆破動力作用表現在兩個方面；首先是“弱化”作用，即爆破振動荷載反復作用下，巖體結構面力學性質逐漸弱化，導致缺陷邊坡累積損傷破壞；其次是“附加荷載”作用，即爆破振動慣性力作用下，缺陷邊坡下滑力增大，導致其慣性動力失穩。因此，爆破動力產生的“弱化作用”和“附加荷載作用”，是導致缺陷邊坡動力失穩的關鍵所在。邊坡爆破動力穩定性是涉及工程地質學、爆炸力學與巖石動力學等多學科交叉的邊緣科學問題。

與邊坡靜力學相關研究相比，迄今為止，人們在單一露天開采(挖)爆破動力穩定性方面雖已做了不少研究，并取得了一定的認識，但總體來看進展緩慢，仍處探索階段。特別是在露天轉地下開采爆破動力穩定性等問題研究方面，還鮮見涉及。因此，露天轉地下開采邊坡爆破動力失穩機理研究，是國內外工程地質學界普遍關心而又未解決的前沿和難點課題。

關于爆破振動荷載作用的研究大多采用數值模擬進行分析，但是數值模擬難以模擬爆破振動荷載反復作用，而針對于保證多次可重復且符合相似試驗理論的模型試驗相對較少，即使現存的有通過鞭炮模擬反復爆破振動，又難以保證控制單一變量原則，其中也有人利用沖擊球以不同的水平沖擊速度和變化振動裝置中水平向彈簧數量來模擬爆破振動，雖然達到了控制單一變量的效果，但是難以達到試驗成百上千次爆破振動累積作用的效果。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，針對現有技術存在的上述不足，提供一種研究露天轉地下開采爆破動力失穩機理的邊坡模型試驗方法及系統，其試驗過程便于操作，既可實現控制單一變量原則，解決模擬爆破振動波加載可重復操作性難的問題，又能夠客觀直接的反映出邊坡巖體結構面的抗剪強度在反復爆破振動作用下的衰減規律。

本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案是：

一種研究露天轉地下開采爆破動力失穩機理的邊坡模型試驗方法，包括以下步驟：

1)制作試驗模型：合理概括高陡邊坡原型斷層帶和上下盤圍巖的空間相對關系，并考慮模型試驗相似理論及其模型試驗的實際可操作性，得出基本物理量的相似比尺，選取典型研究模型斷面，并制作與高陡邊坡原型區域地質條件相似的小比例尺邊坡試驗模型，考慮現有試驗條件的局限以及試驗研究的目的，將試驗模型簡化為平面應變模型，并最終以試驗試塊的形式制作并進行研究，試驗試塊斷面包括上盤圍巖-斷層-下盤圍巖；

2)加載試驗模型：分為兩個部分：①試驗試塊初始應力狀態加載，通過分析邊坡原型，對試驗模型進行簡化分析，然后根據模型試驗相似理論對試驗試塊初始應力狀態進行計算，并通過調整彈簧的個數及其與試驗試塊的距離來對試驗試塊施加初始應力；②試驗試塊不同爆破振動模擬荷載加載：在初始應力狀態平衡后，通過振動臺運行時與模型加載系統的相對位置變化，間接的對試驗模型施加不同爆破振動模擬荷載，來研究高陡缺陷邊坡在反復加載條件下的邊坡巖體結構面的抗剪強度變化規律；

3)模型試驗測試：通過應力控制式剪切儀，對每組進行過振動臺試驗的試驗試塊進行直剪試驗，獲取邊坡巖體結構面在反復爆破振動作用下抗剪強度的衰減規律。

按上述方案，所述步驟1)試驗試塊的制作具體包括以下幾個工序：

a.根據選取的試驗試塊斷面設計出試驗試塊形狀，并標明上盤圍巖、下盤圍巖以及斷層的具體位置和尺寸；

b.分別以配方量混合各組分得到砂漿狀的上盤圍巖體相似材料、下盤圍巖體相似材料和斷層帶相似材料，放入預先制備好的試驗試塊制作模具中進行養護成型；

c.將制作好的上盤圍巖體相似材料、下盤圍巖體相似材料放入試驗模型框架中的對應位置處，并以砂漿狀的上盤圍巖體相似材料、下盤圍巖體相似材料作為膠結劑，將斷層帶相似材料膠結于上盤圍巖體相似材料、下盤圍巖體相似材料之間，得到符合試驗要求應用于模擬高陡邊坡露天轉地下開采爆破動力失穩機理研究的試驗試塊(試驗模型)。

按上述方案，所述步驟2)中試驗試塊初始應力狀態施加的具體流程為：預先通過試驗計算出彈簧的彈性系數，并根據模型試驗相似理論計算出相似轉換后的試驗試塊的初始應力狀態，從而計算出試驗試塊在不同應力狀態下，所對應相同彈模彈簧的施加個數及其與試驗試塊的相對距離；