[發明專利]硐室巖壁脆剪過渡式破壞模擬儀

有效

• 申請號: 201711099093.8
• 申請日: 2017-11-09
• 公開（公告）號: CN107907402B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 張普錦;李遠;喬蘭;李曉光;王守力;張立志;何洋;劉志國
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明提供一種硐室巖壁脆剪過渡式破壞模擬儀，屬于巖石破壞定位與監測技術領域。該模擬儀包括前腹板、左腹板、四孔腹板、半窗腹板、全窗腹板、后腹板和底座，左腹板內倉側設有一對楔形板，對試樣位置進行調整，試樣除前側外其余五個面均有墊板，三個側向墊板上有四個鉆孔，前腹板有一個觀察窗，窗上有預留孔，用以安裝縱向LVDT位移傳感器和內窺激光散斑觀察縱向應變位移和試樣內部破損。前后腹板采用高強度螺栓與側腹板連接，置于底座上，整個裝置放在壓力機上進行加載，通過內窺激光散斑、數字圖像技術、LVDT技術、聲發射技術定位試樣的變形和開裂破壞，觀察巖石表面破壞現象，可適用花崗巖等高強度巖石。該模擬儀組裝方便，操作簡單。

技術領域

本發明涉及巖石破壞定位與監測技術領域，特別是指一種硐室巖壁脆剪過渡式破壞模擬儀。

背景技術

深部巖體所受應力條件復雜，地應力隨著埋深的增加逐漸加大，巖體的應力路徑發生變化，破壞模式也發生轉變，深部硐室巖壁的脆剪過渡式破壞較為常見，圍巖在開挖過程中，往往未達到其單軸抗壓強度便發生片幫巖爆等低強度破壞現象，因此，了解深部硐室圍巖的物理力學特性是實現巖土工程開挖設計和決策科學化的必要前提。淺部地應力測量以線彈性理論為基礎，圍壓率定測定巖石恒定變形參數。但進入深部，巖石、巖體在壓力水平逐漸增大的情況下表現出明顯的非線性變形特征，深部硐室圍巖的所受到的應力狀態是雙向應力狀態，圍巖在平行于硐室軸向和壁面切向方向上有應力，而垂直于壁面方向上無應力，事實發現，硐室表面強度往往達不到單軸抗壓強度，這種低強度脆剪過渡式破壞現象尤其在深部硐室中較為常見，到目前為止仍沒有針對這種破壞現象試驗研究。現有的研究指出，深部硐室圍巖破壞與淺層巖體不同，破壞模擬隨著深度的增加而發生轉化，但目前尚無一次試驗中對多種破壞模式體現和研究的試驗儀器。因此，研究深部硐室圍巖的破壞模式對深部開挖具有重要意義，需要研發實驗室水平的雙向應力狀態下巖石表面破壞分析儀器，模擬圍巖實際應力狀態，觀察監測巖石的破壞。

之前室內試驗對巖石的強度研究往往集中在圓柱形試樣單軸或三軸試驗，而對實際巖體的雙向應力狀態室內模擬和平面表面試樣的試驗研究鮮少，發明一種更貼切實際的實驗室室內模擬開挖面應力狀態的實驗技術和方法對研究深部巖體物理力學特性甚為關鍵。本發明硐室巖壁脆剪過渡式破壞模擬儀綜合考慮了洞室圍巖表面的幾何因素(平面形狀)和圍巖表面巖石的雙向應力狀態，結合內窺激光散斑技術、LVDT技術、數字圖像技術和聲發射技術等新技術對試驗試樣的內部、外部變形和破壞進行測量和定位。相對于真三軸試驗，該發明的破壞是漸進破壞，可涉及到破壞模式轉化的研究，考慮幾何因素，并具有一定延伸度的測量，不同于巖塊，也不同于物理模擬，可獲取軸線位移量、表面位移場，內部位移場，破裂聲信號，壓力數據等多種信息。本發明配合壓力機試驗，可達到很高的壓力。

本發明硐室巖壁脆剪過渡式破壞模擬儀擁有帶孔腹板、半窗腹板、全窗腹板三種匹配腹板，滿足聲發射和激光散斑技術要求，本發明能夠模擬深部硐室圍巖表面巖石的應力狀態，監測巖體在雙向應力狀態下加載變形和開裂破壞，組裝方便，操作簡單。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種硐室巖壁脆剪過渡式破壞模擬儀。

該模擬儀包括前腹板、左腹板、四孔腹板、半窗腹板、全窗腹板、后腹板和底座，前腹板有一個觀察窗，觀察窗上有兩個預留孔，預留孔用于觀察試樣表面破壞現象和安裝傳感器；四孔腹板、半窗腹板、全窗腹板共同組成匹配腹板，根據不同的實驗要求進行選擇；破壞模擬儀內部除相鄰匹配腹板的墊板為玻璃墊板外，左側和后側墊板均為帶孔普通鋼性墊板；左腹板內側為一對楔形板，用于調整適應試樣尺寸；左腹板和匹配腹板通過高強度螺栓與前腹板和后腹板連接，置于底座上；玻璃墊板外依次設置四孔腹板、半窗腹板和全窗腹板。

其中，后腹板和左腹板均為帶孔腹板。

匹配腹板為聲發射和激光散斑技術匹配型腹板；相鄰匹配腹板的玻璃墊板為玻璃鋼墊板，參數如下：抗壓強度為310.3MPa，拉伸強度551.6Mpa，彎曲強度689.5MPa，彈性模量為21GPa，彎曲模量34.48GPa。