[发明专利]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

说明书

本发明公开了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，属岩石力学特性测试领域，包括弹簧、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，提供恒定法向刚度，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，所示摆锤冲击机构对岩石试样进行切向动态冲击，本发明通过布设弹簧及加载系统控制岩石试样处于恒定法向刚度条件下限制性剪切蠕变状态，利用摆锤冲击机构进行切向动态冲击，进而研究深地环境导致的复杂力学边界条件下动态冲击扰动诱致岩石剪切蠕变失稳机理。

技术领域

本发明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-冲击试验机及其试验方法。

背景技术

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。

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。

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-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。

发明内容

本发明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-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。

为解决上述问题，本发明针对现有技术不足，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-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。

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。

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。

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。

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。

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。