一种块系岩体洞室失稳破坏试验模型

本技术涉及一种块系岩体洞室失稳破坏试验模型，属于岩石动力学与工程。

背景技术：

1、由于地质构造及开挖扰动作用，地下工程围岩常常被结构面和开挖面切割形成形状各异的镶嵌块体。在外力作用下(特别是地震、爆破等动力作用)，部分洞室围岩块体将产生松动、滑移，诱发工程地质灾害。因此，探究块系岩体动力失稳破坏特征和机制具有重要的实际工程价值。

2、目前，块系岩体洞室失稳破坏特征和机制的研究多集中于数值仿真，物理试验模型研究相对较少。存在的物理试验模型主要是完整岩体模型开挖洞室，也有部分试验模型通过预制非贯通节理来研究节理围岩洞室的稳定性。后者的试验价值相对较大，但存在以下问题：首先，预制的非贯通节理多同一倾角，不能交叉，这限制了地质条件模拟范围；其次，预制节理的难度较大，对于大模型，预制节理的精度不能保证。同时，对于洞室模型动力学试验，多采用被动围压加载，缺乏恒围压的加载试验装置。鉴于此，设计能够反映实际地质构造特征和应力环境的块系岩体洞室失稳破坏试验模型对于研究实际工程的失稳机制以及探寻安全评价指标和控制措施具有重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本实用新型提供一种块系岩体洞室失稳破坏试验模型，可以对洞室模型施加恒定围压和垂向压力，结构设计合理，保证有效施加洞室模型初始应力的同时还可以通过超高速摄像机记录试验过程中洞室模型的滑移特征，而且本实用新型的洞室模型为现场取样制作，完美模拟天然岩体的结构特征和应力环境特点，对于研究实际工程的失稳机制以及探寻安全评价指标和控制措施具有重要的意义。

2、本实用新型的技术方案如下：

3、一种块系岩体洞室失稳破坏试验模型，包括洞室模型、刚性框架、配重装置、围压加载装置、侧向加载板、垂向加载板、振动台面、超高速摄像机、控制系统和透明塑料板，其中，

4、洞室模型设置于刚性框架内底面上，洞室模型对向的两侧分别设置有侧向加载板，侧向加载板通过围压加载装置连接有刚性框架，洞室模型剩余的两侧分别设置有透明塑料板，透明塑料板活动连接有刚性框架，洞室模型顶部设置有垂向加载板，垂向加载板上设置有配重装置，洞室模型内设置有传感器布置点，刚性框架固定于振动台面，刚性框架外侧水平面上设置有超高速摄像机，超高速摄像机朝向透明塑料板，围压加载装置、振动台面和超高速摄像机均连接有控制系统。

5、根据本实用新型优选的，洞室模型为根据实际工程岩体制备的离散岩块组合体，洞室模型内的洞室形状可以为马蹄形、矩形、圆形、椭圆形等等，不做限制。

6、根据本实用新型优选的，配重装置包括长方体型的配重箱和质量块，配重箱内设置有若干质量块，根据试验需求设置不同数量的质量块，以此来模拟垂向荷载。

7、根据本实用新型进一步优选的，配重箱对向的两侧分别设置有竖向的滑槽，刚性框架内对向设置有支撑杆，支撑杆上设置有滚轮，滚轮设置于滑槽内，对配重箱限位的同时保证其可以竖向运动。

8、根据本实用新型优选的，侧向加载板内设置有橡胶层，减小边界效应。

9、根据本实用新型优选的，透明塑料板通过液压伸缩杆活动连接于刚性框架。

10、根据本实用新型优选的，围压加载装置为带有压力读表的千斤顶。

11、根据本实用新型优选的，侧向加载板和垂向加载板的宽度均小于洞室模型的宽度，避免侧向加载板、垂向加载板和透明塑料板相互限制，保证有效的施加洞室模型的初始应力。

12、根据本实用新型优选的，刚性框架为长方体框架，刚性框架通过紧固螺栓固定于振动台面，刚性框架用于支撑洞室模型、围压加载装置、支撑杆等结构。

13、上述块系岩体洞室失稳破坏试验模型的试验方法，步骤如下：

14、步骤一：根据实际工程岩体的节理、裂隙位置和方向以及洞室开挖位置，确定洞室模型几何特征；

15、步骤二：现场取样，根据洞室模型几何特征进行切割，制备离散岩块，离散岩块通过弱胶结材料(如石膏)胶结在一起，组成洞室模型，然后在洞室模型内设置传感器布置点；

16、步骤三：在传感器布置点内根据试验要求布置设定传感器，如加速度传感器、位移传感器、压力传感器等来监测块系洞室模型的动力响应特征；

17、步骤四：利用液压伸缩杆调整透明塑料板位置，然后将洞室模型设置于2块透明塑料板之间，传感器连线通过透明塑料板上的槽孔外延连接控制系统，围压加载装置伸长，使侧向加载板贴合洞室模型，然后洞室模型顶部放置垂向加载板，垂向加载板上侧放置设定质量的配重装置；

18、步骤五：围压加载装置施加围压，然后振动台面振动，进行地震载荷试验，试验过程中，通过超高速摄像机记录洞室模型的滑移特征，完成试验后关闭超高速摄像机，卸载围压，取出配重装置和洞室模型。

19、本实用新型的有益效果在于：

20、本实用新型提供一种块系岩体洞室失稳破坏试验模型，可以对洞室模型施加恒定围压和垂向压力，结构设计合理，保证有效施加洞室模型初始应力的同时还可以通过超高速摄像机记录试验过程中洞室模型的滑移特征，而且本实用新型的洞室模型为现场取样制作，完美模拟天然岩体的结构特征和应力环境特点，对于研究实际工程的失稳机制以及探寻安全评价指标和控制措施具有重要的意义。

技术特征：

1.一种块系岩体洞室失稳破坏试验模型，其特征在于，包括洞室模型、刚性框架、配重装置、围压加载装置、侧向加载板、垂向加载板、振动台面、超高速摄像机、控制系统和透明塑料板，其中，

2.如权利要求1所述的块系岩体洞室失稳破坏试验模型，其特征在于，洞室模型为根据实际工程岩体制备的离散岩块组合体。

3.如权利要求2所述的块系岩体洞室失稳破坏试验模型，其特征在于，配重装置包括长方体型的配重箱和质量块，配重箱内设置有若干质量块。

4.如权利要求3所述的块系岩体洞室失稳破坏试验模型，其特征在于，配重箱对向的两侧分别设置有竖向的滑槽，刚性框架内对向设置有支撑杆，支撑杆上设置有滚轮，滚轮设置于滑槽内。

5.如权利要求1所述的块系岩体洞室失稳破坏试验模型，其特征在于，侧向加载板内设置有橡胶层。

6.如权利要求4所述的块系岩体洞室失稳破坏试验模型，其特征在于，透明塑料板通过液压伸缩杆活动连接于刚性框架。

7.如权利要求6所述的块系岩体洞室失稳破坏试验模型，其特征在于，围压加载装置为带有压力读表的千斤顶。

8.如权利要求1所述的块系岩体洞室失稳破坏试验模型，其特征在于，侧向加载板和垂向加载板的宽度均小于洞室模型的宽度。

9.如权利要求1所述的块系岩体洞室失稳破坏试验模型，其特征在于，刚性框架为长方体框架，刚性框架通过紧固螺栓固定于振动台面。

技术总结
本技术涉及一种块系岩体洞室失稳破坏试验模型，模型包括洞室模型、刚性框架、配重装置、侧向加载板、垂向加载板、振动台面和透明塑料板，洞室模型设置于刚性框架内，洞室模型两侧分别通过围压加载装置和侧向加载板连接有刚性框架，洞室模型剩余的两侧分别通过透明塑料板活动连接有刚性框架，洞室模型顶部设置有垂向加载板和配重装置，刚性框架固定于振动台面，刚性框架外侧水平面上设置有超高速摄像机。本技术保证有效施加洞室模型初始应力的同时还可以通过超高速摄像机记录试验过程中洞室模型的滑移特征，完美模拟天然岩体的结构特征和应力环境特点，对于研究实际工程的失稳机制以及探寻安全评价指标和控制措施具有重要的意义。

技术研发人员：赵敏敏,王玉芬,栾恒杰,郝建,张学朋,王长盛,蒋宇静,王晓,刘建康
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：20230601
技术公布日：2024/1/15