[发明专利]用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置

说明书

本发明涉及用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置，包括用于承载模型试件的底座、分别设有丝杠的垂直加载机架和水平加载机架、两个设有激振器的冲击加载单元以及水平静力加载单元，垂直加载机架竖直地固定在底座上，水平加载机架与水平静力加载单元分别设置于垂直加载机架两侧的底座上，冲击加载单元分别通过丝杠驱动可上下滑动地连接于水平加载机架与垂直加载机架上，使得激振器随冲击加载单元滑动至与模型试件相应的指定位置时通过激振器产生作用于模型试件的扰动，水平静力加载单元包括一根拉力可调节的钢丝，钢丝的一端可拆卸地连接于模型试件上。有益效果为：采用激振器进行模拟冲击扰动，可以实现多种波形，相较落锤冲击更符合实际情况，保证了试验的科学性。

技术领域

本发明涉及深部岩体力学状态模拟研究领域，尤其涉及用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置。

背景技术

众所周知，岩体是实际的地质体，它由断层、节理和裂隙等所分割，这些结构面之间由强度较低的充填体所联系，所以岩体是典型的非均匀非连续介质，可看作由不同尺度的岩块相凝聚而成的集合体，其最主要特性是其块体性。

外力作用下，岩体的变形主要由岩块变形和结构面处充填材料的变形所组成，而后者占整个岩体变形的主要部分。实测资料显示，在岩体中进行地下工程施工开挖或者爆炸时，岩体边界面处产生了显著的岩块相差位移，主要是岩块的旋转和相互间的滑移，这种旋转和滑移在具有不同等级尺寸的岩块间传递，因此形成大振幅、慢速传播的广谱非线性弹塑性变“位”波系或称为摆形波。同时，岩块间的相互旋转和滑移使岩块间充填物被破坏从而出现摩擦力的减少或相互间接触的脱离，从而产生岩块间的低摩擦现象，使得岩块间的断裂滑移相对更加容易，岩块界面间“约束力(摩擦力)”的消失还可使原先岩块内储存的能量得以释放，从而诱发断裂滑移型岩爆或者工程性地震。

上述岩体变形破坏特征和机制的研究显然是传统的连续介质模型所无法得到的，必须基于岩体的块系构造理论，采用科学手段研究扰动作用下块系岩体的动态力学特性。

目前国内外许多学者进行了相关工作，分别在理论研究和模拟试验取得了一定的进展。但目前试验设备普遍采用落锤冲击的方法，控制精度低，操作性不强，不能定量地开展模拟试验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现高地应力、开挖扰动和爆炸扰动模拟的基于相似理论对深部岩体应力状态进行模拟测试的方法。

所述用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置，包括用于承载模型试件的底座、分别设有丝杠的垂直加载机架和水平加载机架、两个设有激振器的冲击加载单元以及水平静力加载单元，垂直加载机架竖直地固定在底座上，所述水平加载机架与水平静力加载单元分别设置于垂直加载机架两侧的底座上，所述冲击加载单元分别通过丝杠驱动可上下滑动地连接于水平加载机架与垂直加载机架上，使得激振器随冲击加载单元滑动至与模型试件相应的指定位置时通过激振器产生作用于模型试件的扰动，所述水平静力加载单元包括一根拉力可调节的钢丝，所述钢丝的一端可拆卸地连接于模型试件上。

所述用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置的进一步设计在于，所述钢丝的另一端通过以拉力调节单元调节拉力的大小，所述拉力调节单元包括砝码盘与滑轮组，钢丝的另一端穿过所述滑轮组与所述砝码盘相连，通过改变砝码盘承载的砝码重量，实现水平拉力大小的调节。

所述用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置的进一步设计在于，垂直加载机架和水平加载机架上分别设有固定组件，所述固定组件包括支架与调节螺栓，所述支架设于竖直滑轨的两侧且每个支架的一端为设有内螺纹的顶圈，所述调节螺栓通过与所述顶圈旋横向地支撑在支架上，用于在滑块到达指定位置时，锁紧调节螺栓固定冲击加载单元。

所述用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置的进一步设计在于，所述冲击加载单元还包括荷载传感器、冲击头以及滑块，荷载传感器和冲击头安装于激振器相对于模拟试件的一侧，激振器产生冲击扰动，所述扰动依次经荷载传感器、冲击头作用于模型试件，激振器通过滑块滑动连接于对应的垂直加载机架或水平加载机架。