本實(shí)用新型涉及一種巖石力學(xué)真三軸試驗(yàn)的試樣夾具,用于動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆模擬的真三軸試驗(yàn),屬于巖石力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
近年來,國內(nèi)外的礦山、水利水電工程、交通隧道、國防防護(hù)工程、核廢料埋設(shè)等地下工程向深部不斷擴(kuò)展。在深部巖體開挖過程中,常遇到巖爆災(zāi)害問題。巖爆是指巖體中聚積的彈性變形勢(shì)能在開挖擾動(dòng)條件下突然猛烈釋放從而導(dǎo)致巖體碎塊爆裂并以一定初速度彈射出來的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。巖爆可分為應(yīng)變型巖爆與動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆兩大類型。應(yīng)變型巖爆是指高地應(yīng)力巖體由于開挖卸荷引起的應(yīng)力集中超過圍巖的承載能力導(dǎo)致巖體積蓄的彈性應(yīng)變能急劇釋放的巖爆。動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆是指開挖前地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或開挖后切向應(yīng)力集中作用而存儲(chǔ)大量彈性應(yīng)變能的巖體在工程爆破、機(jī)械振動(dòng)、地震波等外界動(dòng)力擾動(dòng)作用下觸發(fā)的巖爆。動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆的發(fā)生具有隨機(jī)性、滯后性和突然性等三個(gè)特點(diǎn),可導(dǎo)致深部地下巖體工程施工中人員的傷亡、開挖設(shè)備的毀壞和工期的拖延,從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。
當(dāng)前,動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆的發(fā)生機(jī)理尚不清楚,導(dǎo)致巖爆預(yù)測(cè)問題成為了世界性難題,迫切需要通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)來揭示其發(fā)生機(jī)理。與單軸、常規(guī)三軸、真三軸等常規(guī)試驗(yàn)相比較,考慮單面臨空的真三軸試驗(yàn)可以更好地模擬地下洞室開挖后臨空面附近圍巖單元的受力狀態(tài),并可實(shí)現(xiàn)巖爆碎塊彈射過程的觀測(cè),該類型試驗(yàn)將成為巖爆室內(nèi)試驗(yàn)的一種發(fā)展趨勢(shì)。
地下洞室開挖后,巖體出現(xiàn)臨空面,而臨空面附近圍巖單元的受力狀態(tài)從三向六面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向五面應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)逐漸增大的切向應(yīng)力超過巖體承載力時(shí)將導(dǎo)致應(yīng)變型巖爆的發(fā)生,當(dāng)切向應(yīng)力不超過但接近于巖體承載力時(shí),動(dòng)力擾動(dòng)通過應(yīng)力波可觸發(fā)動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆。巖爆發(fā)生時(shí),巖石碎塊通過臨空面向洞內(nèi)猛烈彈射。因此,與真三軸壓縮試驗(yàn)利用夾具將立方體巖樣進(jìn)行三向六面包圍不同,真三軸巖爆試驗(yàn)需要巖樣在三向受力的條件下至少出現(xiàn)一個(gè)臨空面。
申請(qǐng)?zhí)枮镃N201110099596.1的專利介紹了一種環(huán)狀骨架的真三軸試驗(yàn)巖樣裝置,該夾具適用于油壓加載試驗(yàn)機(jī)的加載,無法適用于剛性推頭壓力加載。
申請(qǐng)?zhí)枮镃N201310178266.0的專利介紹了一種可進(jìn)行真三軸力學(xué)試驗(yàn)的夾具裝置,該模型無法實(shí)現(xiàn)單面臨空、三向五面受力且一向擾動(dòng)荷載等基本受力條件下的動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆的模擬。為了利用真三軸試驗(yàn)機(jī)在室內(nèi)再現(xiàn)動(dòng)力擾動(dòng)性巖爆,需要開發(fā)新的巖樣夾具,以實(shí)現(xiàn)保持單面臨空、三向五面加載軸向力且施加擾動(dòng)荷載等三個(gè)特殊條件下的真三軸巖爆試驗(yàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決上述技術(shù)問題,本實(shí)用新型提供一種用于動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆模擬的真三軸試驗(yàn)夾具。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本實(shí)用新型采用以下技術(shù)措施:
一種用于動(dòng)力擾動(dòng)型真三軸巖爆試驗(yàn)的巖樣夾具,包括頂壓板、底壓板、左壓板、右壓板、后壓板、水平擾動(dòng)桿、豎直擾動(dòng)桿、若干個(gè)普通螺釘以及若干個(gè)U形頭螺釘,
所述左壓板與巖樣的接觸面上開有用于放置應(yīng)變片的應(yīng)變片槽,應(yīng)變片槽中開有應(yīng)變片線通孔,
所述右壓板與巖樣的接觸面上開有水平擾動(dòng)桿安裝通孔,水平擾動(dòng)桿安裝在水平擾動(dòng)桿安裝通孔中,
所述頂壓板與巖樣的接觸面上開有豎直擾動(dòng)桿安裝通孔,豎直擾動(dòng)桿安裝在豎直擾動(dòng)桿安裝通孔中,
所述頂壓板、底壓板、左壓板、右壓板以及后壓板的四周側(cè)面均設(shè)有螺孔,
所述頂壓板安裝在巖樣的頂面,底壓板安裝在巖樣的底面,左壓板安裝在巖樣的左側(cè),右壓板安裝在巖樣的右側(cè),后壓板安裝在巖樣的后側(cè),并由安裝在螺孔中的普通螺釘和U形頭螺釘連接組裝成一個(gè)單面臨空的框架。
進(jìn)一步的,所述普通螺釘和U形頭螺釘?shù)木唧w安裝結(jié)構(gòu)如下:所述普通螺釘位于U形頭螺釘?shù)念^部U形槽中,U形頭螺釘和普通螺釘中的一個(gè)安裝在頂壓板和底壓板四周的螺孔中,另一個(gè)安裝在左壓板、右壓板和后壓板頂面和底面螺孔中。
進(jìn)一步的,
所述普通螺釘和U形頭螺釘?shù)木唧w安裝結(jié)構(gòu)如下:
所述U形頭螺釘安裝在頂壓板和底壓板的左側(cè)面、右側(cè)面和后側(cè)面的螺孔中,普通螺釘安裝在左壓板、右壓板和后壓板頂面和底面螺孔中,普通螺釘位于U形頭螺釘?shù)念^部U形槽中。
進(jìn)一步的,
所述普通螺釘和U形頭螺釘?shù)木唧w安裝結(jié)構(gòu)如下:
所述左壓板底面螺孔中安裝有普通螺釘,左壓板頂面螺孔中安裝有U形頭螺釘,
所述頂壓板左側(cè)面螺孔中安裝有普通螺釘,頂壓板右側(cè)面螺孔中安裝有U形頭螺釘,
所述右壓板頂面螺孔中安裝有普通螺釘,右壓板底面螺孔中安裝有U形頭螺釘,
所述底壓板右側(cè)面螺孔中安裝有普通螺釘,底壓板左側(cè)面螺孔中安裝有U形頭螺釘,
所述后壓板頂面和底面螺孔中安裝有普通螺釘,頂壓板后側(cè)面和底壓板后側(cè)面螺孔中安裝有U形頭螺釘,在位置相對(duì)應(yīng)的一組中,普通螺釘安裝在U形頭螺釘?shù)念^部U形槽中。
進(jìn)一步的,
所述頂壓板與巖樣的頂面的形狀一致,底壓板與巖樣的底面的形狀一致,左壓板與巖樣的左側(cè)面的形狀一致,右壓板與巖樣的右側(cè)面的形狀一致,后壓板與巖樣的后側(cè)面的形狀一致,各側(cè)壓板超過百分之九十五的面積覆蓋巖樣對(duì)應(yīng)面面積,且安裝時(shí),頂壓板位于巖樣頂面的正中央,底壓板位于巖樣底面的正中央,左壓板位于巖樣左側(cè)面的正中央,右壓板位于巖樣右側(cè)面的正中央,后壓板位于巖樣后側(cè)面的正中央。
進(jìn)一步的,
所述頂壓板左邊緣和前邊緣與巖樣頂面左邊緣和前邊緣平齊,
所述底壓板右邊緣和后邊緣與巖樣底面右邊緣和后邊緣平齊,
所述左壓板下邊緣和前邊緣與巖樣左側(cè)面下邊緣和前邊緣平齊,
所述右壓板上邊緣和后邊緣與巖樣右側(cè)面上邊緣和后邊緣平齊,
所述后壓板上邊緣和左邊緣與巖樣右側(cè)面上邊緣和左邊緣平齊。
進(jìn)一步的,所述頂壓板和底壓板與巖樣接觸面的相對(duì)面的中心設(shè)有確保夾具置于加載平臺(tái)的中央頂定位孔和底定位孔。
本實(shí)用新型取得了以下技術(shù)效果:
本實(shí)用新型通過上述的技術(shù)方案,可以實(shí)現(xiàn)利用真三軸壓力推頭通過夾具給立方體巖樣的三個(gè)方向的五個(gè)表面?zhèn)鬟f均勻壓力,以模擬地下洞室開挖后洞壁上的圍巖單元的“單面臨空,三向五面”受壓應(yīng)力狀態(tài),解決了傳統(tǒng)真三軸試驗(yàn)夾具未能完全覆蓋試件表面積而造成的“端角效應(yīng)”問題,進(jìn)而給試驗(yàn)結(jié)果帶來不利影響的局限性問題。
本實(shí)用新型通過上述的技術(shù)方案,可以利用具有剛性壓力推頭的真三軸試驗(yàn)機(jī)通過夾具向巖樣施加“三向五面”的靜力荷載后再施加動(dòng)力擾動(dòng)荷載直至臨空面發(fā)生巖爆彈射破壞現(xiàn)象,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆的室內(nèi)模擬,克服傳統(tǒng)真三軸試驗(yàn)夾具不適用于動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆試驗(yàn)的不足,本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,拆裝方便的優(yōu)點(diǎn),適用于具有剛性壓力推頭的真三軸試驗(yàn)機(jī)。
附圖說明
圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為實(shí)施例3各側(cè)壓板安裝方式的主視圖。
圖3為實(shí)施例3各側(cè)壓板安裝方式的后視圖。
圖4為實(shí)施例3各側(cè)壓板安裝方式的俯視圖。
圖5為實(shí)施例3各側(cè)壓板安裝方式的仰視圖。
圖6為使用本實(shí)用新型夾具的巖爆彈射破壞過程影像圖。
圖中:1-頂壓板,2-底壓板,3-右壓板,4-左壓板,5-U形頭螺釘,6-普通螺釘,7-豎直擾動(dòng)桿,8-水平擾動(dòng)桿,9-應(yīng)變片線通孔,10-應(yīng)變片槽,11-頂定位孔,12-底定位孔,13-巖樣,14-螺孔,15-后壓板。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和隧洞洞軸向動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆實(shí)例,對(duì)本實(shí)用新型專利作進(jìn)一步說明:
實(shí)施例1
一種用于動(dòng)力擾動(dòng)型真三軸巖爆試驗(yàn)的巖樣夾具,包括頂壓板1、底壓板2、左壓板4、右壓板3、后壓板15、水平擾動(dòng)桿8、豎直擾動(dòng)桿7、若干個(gè)普通螺釘6以及若干個(gè)U形頭螺釘5,
所述左壓板4與巖樣13的接觸面上開有用于放置應(yīng)變片的應(yīng)變片槽10,應(yīng)變片槽10中開有應(yīng)變片線通孔9,
所述右壓板3與巖樣13的接觸面上開有水平擾動(dòng)桿8安裝通孔,水平擾動(dòng)桿8安裝在水平擾動(dòng)桿8安裝通孔中,
所述頂壓板1與巖樣13的接觸面上開有豎直擾動(dòng)桿7安裝通孔,豎直擾動(dòng)桿7安裝在豎直擾動(dòng)桿7安裝通孔中,
所述頂壓板1、底壓板2、左壓板4、右壓板3以及后壓板15的四周側(cè)面均設(shè)有螺孔14,
所述頂壓板1安裝在巖樣13的頂面,底壓板2安裝在巖樣13的底面,左壓板4安裝在巖樣13的左側(cè),右壓板3安裝在巖樣13的右側(cè),后壓板15安裝在巖樣13的后側(cè),并由安裝在螺孔14中的普通螺釘6和U形頭螺釘5連接組裝成一個(gè)單面臨空的框架。
所述普通螺釘6和U形頭螺釘5的具體安裝結(jié)構(gòu)如下:所述普通螺釘6位于U形頭螺釘5的頭部U形槽中,U形頭螺釘5和普通螺釘6中的一個(gè)安裝在頂壓板1和底壓板2四周的螺孔14中,另一個(gè)安裝在左壓板4、右壓板3和后壓板15頂面和底面螺孔14中。
所述頂壓板1和底壓板2與巖樣13接觸面的相對(duì)面的中心設(shè)有確保夾具置于加載平臺(tái)的 中央頂定位孔11和底定位孔12。
夾具的安裝方法為:
(1)將用于測(cè)試試樣變形的應(yīng)變片安裝在左壓板4的應(yīng)變片槽10中,應(yīng)變片線從應(yīng)變片線通孔9中引出,將水平擾動(dòng)桿8安裝到右壓板3的水平擾動(dòng)桿8安裝通孔,將豎直擾動(dòng)桿7安裝到頂壓板1的豎直擾動(dòng)桿7安裝通孔中;
(2)將立方體巖樣13放置在底壓板2上,再將頂壓板1放置在巖樣13頂面;將左壓板4、右壓板3和后壓板15分別安裝在巖樣13的左側(cè)、右側(cè)以及后側(cè);
(3)然后將普通螺釘6和U形頭螺釘5安裝到頂壓板1和底壓板2的左側(cè)面、右側(cè)面和后側(cè)面的螺孔14中以及左壓板4、右壓板3和后壓板15的頂面和底面螺孔14中,所述頂壓板1、底壓板2、左壓板4、右壓板3以及后壓板15的四周側(cè)面是指以與巖樣13的接觸面及其相對(duì)面為基準(zhǔn),其他四個(gè)面為四周側(cè)面;
(4)安裝左壓板4時(shí),使得左壓板4上端與頂壓板1左側(cè)面的普通螺釘6和U形頭螺釘5成為一組,普通螺釘6安裝在U形頭螺釘5的頭部U形槽中,其他位置的安裝方法同上;
(5)將裝好夾具的巖樣13放置于真三軸試驗(yàn)機(jī)的加載平臺(tái)上,保證底定位孔12與試驗(yàn)機(jī)加載平臺(tái)中心的圓柱形定位銷釘相對(duì)應(yīng)。
本實(shí)用新型的試樣夾具采用CrWMn的鋼材制作,設(shè)置U形頭螺釘5的目的主要是為了滿足巖樣13在受力后變形過程中普通螺釘6可以起到滑塊的作用沿著U形頭螺釘5上的滑槽同步發(fā)生一定的位移,從而保證夾具滿足在單面臨空、三向五面受力條件下將三個(gè)相互垂直方向的推力轉(zhuǎn)化為巖樣13五個(gè)面均布力,并從一個(gè)豎直方向和一個(gè)水平方向通過擾動(dòng)桿高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳遞而來的動(dòng)力擾動(dòng)荷載的要求。
為了使得各側(cè)壓板能對(duì)巖樣13施加均勻的壓力,并且保證巖樣13受力發(fā)生形變時(shí),各側(cè)壓板能夠往相應(yīng)的方向移動(dòng),我們提出了實(shí)施例2和實(shí)施例3兩種較優(yōu)的具體安裝結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2
所述頂壓板1與巖樣13的頂面的形狀一致,底壓板2與巖樣13的底面的形狀一致,左壓板4與巖樣13的左側(cè)面的形狀一致,右壓板3與巖樣13的右側(cè)面的形狀一致,后壓板15與巖樣13的后側(cè)面的形狀一致,各側(cè)壓板超過百分之九十五的面積覆蓋巖樣對(duì)應(yīng)面面積(意味著各側(cè)壓板面積小于巖樣對(duì)應(yīng)面面積且大于巖樣對(duì)應(yīng)面面積的百分之九十五),且安裝時(shí),頂壓板1位于巖樣13頂面的正中央,底壓板2位于巖樣13底面的正中央,左壓板4位于巖樣13左側(cè)面的正中央,右壓板3位于巖樣13右側(cè)面的正中央,后壓板15位于巖樣13后側(cè)面的正中央。這是為了防止巖樣受力體積縮小后各側(cè)壓板不互相抵觸,保證壓板能夠?qū)r樣 均勻的施力。
這是為了防止巖樣受力體積縮小后各側(cè)壓板不互相抵觸,保證壓板能夠?qū)r樣均勻的施力。
本實(shí)施例的普通螺釘6和U形頭螺釘5的具體安裝結(jié)構(gòu)如下:
所述U形頭螺釘5安裝在頂壓板1和底壓板2的左側(cè)面、右側(cè)面和后側(cè)面的螺孔14中,普通螺釘6安裝在左壓板4、右壓板3和后壓板15頂面和底面螺孔14中,普通螺釘6位于U形頭螺釘5的頭部U形槽中。
實(shí)施例3
所述左壓板4、右壓板3以及后壓板15的尺寸一致,頂壓板1和底壓板2的尺寸一致,頂壓板1、底壓板2、左壓板4、右壓板3以及后壓板15的尺寸大于巖樣13對(duì)應(yīng)頂面、底面、左側(cè)面、右側(cè)面以及后側(cè)面的尺寸,安裝時(shí),各側(cè)壓板通過相互錯(cuò)開組合在一起,已達(dá)到滿足試件變形所帶來的移動(dòng)。
所述頂壓板1左邊緣和前邊緣與巖樣13頂面左邊緣和前邊緣平齊,
所述底壓板2右邊緣和后邊緣與巖樣13底面右邊緣和后邊緣平齊,
所述左壓板4下邊緣和前邊緣與巖樣13左側(cè)面下邊緣和前邊緣平齊,
所述右壓板3上邊緣和后邊緣與巖樣13右側(cè)面上邊緣和后邊緣平齊,
所述后壓板15上邊緣和左邊緣與巖樣13右側(cè)面上邊緣和左邊緣平齊。
本實(shí)施例的普通螺釘6和U形頭螺釘5的具體安裝結(jié)構(gòu)如下:
所述左壓板4底面螺孔14中安裝有普通螺釘6,左壓板4頂面螺孔14中安裝有U形頭螺釘5,
所述頂壓板1左側(cè)面螺孔14中安裝有普通螺釘6,頂壓板1右側(cè)面螺孔14中安裝有U形頭螺釘5,
所述右壓板3頂面螺孔14中安裝有普通螺釘6,右壓板3底面螺孔14中安裝有U形頭螺釘5,
所述底壓板2右側(cè)面螺孔14中安裝有普通螺釘6,底壓板2左側(cè)面螺孔14中安裝有U形頭螺釘5,
所述后壓板15頂面和底面螺孔14中安裝有普通螺釘6,頂壓板1后側(cè)面和底壓板2后側(cè)面螺孔14中安裝有U形頭螺釘5,在位置相對(duì)應(yīng)的一組中,普通螺釘6安裝在U形頭螺釘5的頭部U形槽中。
實(shí)施例4
為模擬隧洞洞軸向方向的動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆,對(duì)100mm×100mm×200mm尺寸的紅色粗晶花崗巖立方體試件進(jìn)行本實(shí)用新型夾具安裝,將安裝有夾具的巖石試件放置于具有剛性推頭的真三軸試驗(yàn)機(jī)的加載平臺(tái)中心,采用具有剛性壓力推頭的三軸試驗(yàn)機(jī),以0.5MPa/s的加載速率同時(shí)加載σ3至5MPa、σ2至30MPa、σ1至221MPa(巖石試件單面臨空真三軸強(qiáng)度260MPa的85%),保持σ1、σ2、σ3不變,通過水平擾動(dòng)桿8在水平方向上對(duì)巖石試件右側(cè)面施加動(dòng)力余弦波(頻率f=10Hz,幅值A(chǔ)=200kN)至試件發(fā)生巖爆彈射破壞,巖樣13臨空面的巖爆彈射破壞過程影像如圖6所示。