一种利用岩体动态卸荷效应测试试验装置的测试方法与流程

本发明属于岩体爆破领域，具体涉及一种利用深部岩体爆破开挖时的动态卸荷效应测试试验装置的测试方法。

背景技术：
在水利水电、交通及采矿工程中都会遇到边坡及地下洞室开挖，开挖即意味着岩体卸荷，其明显影响到岩体变形破坏过程，使工程岩体出现分区破裂、大变形等一系列问题。目前对这一问题研究主要有理论研究、相似试验、数值试验三种方法。理论研究涉及到损伤力学、断裂力学、岩石力学等多种学科，理论分析难度较大；数值模拟因为对工程岩体参数具有较大的依赖性，并且涉及参数多，需要现场及实验室进行大量样本测定参数，所需成本较大；因此，借助相似模拟进行研究，已成为研究岩石力学与工程问题的一种重要方法。目前利用相似模拟方法研究岩体动态卸荷效应的主要有：（1）、高地应力柔性加载瞬间卸载试验装置及试验方法（专利申请号：201310331903.3），该装置通过柔性橡胶囊内液压油的瞬间卸油，能够实现模拟深部洞室瞬间卸载开挖过程，但该装置无法考虑岩体处于不同侧压力系数及不同围压的情况，与实际工程不符；（2）、地下洞室结构面开挖瞬态卸荷松动模拟试验系统（专利申请号：201510203951.3），该装置通过杠杆型加卸载构件实现已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型上荷载的快速卸除，但该装置结构较为复杂。针对现有技术存在的问题，有必要提供一种利用简单实用的针对深部岩体爆破开挖时的动态卸荷效应测试的试验装置的测试方法。

技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：一种岩体动态卸荷效应测试试验装置，包括承重台6和垂直于承重台架设的承重钢架7，所述的承重钢架7上固设有沿承重台6周边设置的上部加载装置1、左侧加载装置2和右侧加载装置3，所述承重台6上放置有相似配比材料4，所述的相似配比材料4中间横向铺设有泄压装置5,所述的泄压装置5用于给相似配比材料4加载和卸载，所述的相似配比材料4中靠近上部加载装置1、左侧加载装置2和右侧加载装置3侧分别设有一个压力盒18，用于测试各方向上的内部应力；所述的泄压装置5包括两端的圆形端口和中部连接两端口的高强度橡胶套12，所述的两圆形端口分别连接减压装置10和增压装置11，所述的减压装置10由减压出口14和连接在出口端的压力控制阀A13组成，所述的增压装置11由增压进口15和连接在进口端的压力控制阀B17和压力表16组成；所述的承重台6前后方向分别设有前约束挡板8和后约束挡板9，所述的前后固定挡板与承重钢架7共同组成对承重台6上的相似配比材料4五面环绕的框架，所述的前后约束挡板可防止相似配比材料在受压过程中从承重台前后滑脱；一种利用上述测试试验装置的测试方法，包含如下步骤：①制备相似配比材料：制备过程中以具体工程背景岩体材料组成为参考，使相似配比材料的力学性质与相关岩体力学性质较为接近；②安装泄压装置：先将相似配比材料搭建到试验装置的承重台6上，当相似配比材料搭建到预设高度的中间位置时，暂停搭建，将泄压装置5横向铺设于相似配比材料中部，并向泄压装置中充压，充压过程中泄压装置的中部橡胶套部分膨胀，当橡胶套膨胀为圆柱形时，继续充压至橡胶套发生进一步变形之前，使得泄压装置能够承载一定外界压力，而又不至于改变泄压装置中部橡胶套的形状；泄压装置安装完成后，继续搭建相似配比材料，在搭建过程中根据预设位置分别在靠近上部加载装置1、左侧加载装置2和右侧加载装置3侧依次放入一个压力盒18，继续搭建直至相似配比材料搭建至预设尺寸，在此过程中，应尽量使泄压装置和相似配比材料紧密接触，避免有太大的缝隙；③对相似配比材料进行加静水压力荷载：根据需要，组合操作上部加载装置1、左侧加载装置2和右侧加载装置3对相似配比材料施加静水压力荷载P，加载的荷载压力值应与相应的地应力耦合，加载过程匀速缓慢进行，使压力荷载达到预设值，加载过程中，泄压装置在与相似配比材料的相互作用中发生变形，泄压装置内部压力增大，通过泄压装置上的压力表对泄压装置内的压力进行监测，当泄压装置内的压力值与压力盒18测试的压力值相同时，即系统达到平衡，若泄压装置内部压力值小于压力盒18测试的压力值时，则继续向泄压装置内充压直至平衡；④根据侧压系数λ，施加横向荷载λP：等泄压装置5上的压力表16的压力值不变化时，预示荷载达到稳定，然后根据预设侧压系数，控制左侧加载装置2和右侧加载装置3，在侧向继续给相似配比材料施加压力荷载，使其达到预设的压力荷载值λP，所述的横向压力荷载值λP与相应状态下的横向地应力耦合；⑤测试竖直方向应力和横向方向应力：待泄压装置5上的压力表16的压力稳定后，采用压力盒18测试竖直方向应力和横向方向应力，即测试其真实的竖直方向应力和横向方向应力，并与竖直方向和横向方向所加载的压力荷载值对比，观察他们的差别，根据他们在各个方向的差别，通过微调上部加载装置1、左侧加载装置2和右侧加载装置3，使得在各个方向的应力测试值与预设加载值一致；⑥安装测试探头：根据需要在相似配比材料中放入若干振动测试仪探头，探头与相似配比材料紧密接触；⑦测试卸荷波：在加载装置加载后，保持一段时间，使得试样内部受力均衡，待相似配比材料固结后，开始操作泄压装置5进行泄压，打开泄压装置5的减压出口14上的压力控制阀A13，调节卸载速率，泄压完成后，即当泄压装置内部压力降低到与大气压相同时，通过探头得到相应的地应力条件下的卸荷波。本发明具有如下优点：本发明的一种测试岩体动态卸荷响应的试验装置及其测试方法，结构简单，能够模拟不同围压、不同侧压系数及不同卸荷速度的岩体卸荷情况。附图说明图1为本发明主视剖面示意图；图2为本发明左视剖面示意图；图3为本发明中的泄压装置剖面图；图4为本发明试验装置的原理图（图中P代表所施加的竖直方向压力，λ代表侧压系数，竖直压力与侧压系数相乘即为横向压力λP）；其中：1-上部加载装置、2-左侧加载装置、3-右侧加载装置、4-相似配比材料、5-泄压装置、6-承重台、7-承载钢架、8-前约束挡板、9-后约束挡板、10-减压装置、11-增压装置、12-橡胶套、13-压力控制阀A、14-减压出口、15-增压进口，16-压力表，17-压力控制阀B,18-压力盒。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1-4所示，某边坡需要进行爆破开挖施工，在爆破过程中可能会引起该边坡附近的岩体产生松动或者裂缝，而岩体开挖过程中应力场的动态卸荷效应可能是引起岩体松动的重要因素之一，故需要测定该岩体的动态卸荷效应；本发明中利用的岩体动态卸荷效应测试试验装置，包括承重台6和垂直于承重台架设的承重钢架7，所述的承重钢架7上固设有沿承重台6周边设置的上部加载装置1、左侧加载装置2和右侧加载装置3，所述承重台6上放置有相似配比材料4，所述的相似配比材料4中间横向铺设有泄压装置5,所述的泄压装置5用于给相似配比材料4加载和卸载，所述的相似配比材料4中靠近上部加载装置1、左侧加载装置2和右侧加载装置3侧分别设有一个压力盒18，用于测试各方向上的内部应力；所述的泄压装置5包括两端的圆形端口和中部连接两端口的高强度橡胶套12，所述的两圆形端口分别连接减压装置10和增压装置11，所述的减压装置10由减压出口14和连接在出口端的压力控制阀A13组成，所述的增压装置11由增压进口15和连接在进口端的压力控制阀B17和压力表16组成；所述的承重台6前后方向分别设有前约束挡板8和后约束挡板9，所述的前后固定挡板与承重钢架7共同组成对承重台6上的相似配比材料4五面环绕的框架，所述的前后约束挡板可防止相似配比材料在受压过程中从承重台前后滑脱；利用上述测试试验装置的测试方法，包含如下步骤：①制备相似配比材料：制备过程中以具体工程背景岩体材料组成为参考，使相似配比材料的力学性质与相关岩体力学性质较为接近，相似配比材料在搭建过程中为未凝结状态；②安装泄压装置：先将相似配比材料搭建到试验装置的承重台6上，当相似配比材料搭建到预设高度的中间位置时，暂停搭建，将泄压装置5横向铺设于相似配比材料中部，并向泄压装置中充压，充压过程中泄压装置的中部橡胶套部分膨胀，当橡胶套膨胀为圆柱形时，继续充压至橡胶套发生进一步变形之前，使得泄压装置能够承载一定外界压力，而又不至于改变泄压装置中部橡胶套的形状；泄压装置安装完成后，继续搭建相似配比材料，在搭建过程中根据预设位置分别在靠近上部加载装置1、左侧加载装置2和右侧加载装置3侧依次放入一个压力盒18，继续搭建直至相似配比材料搭建至预设尺寸，在此过程中，应尽量使泄压装置和相似配比材料紧密接触，避免有太大的缝隙；③对相似配比材料进行加静水压力荷载：根据需要，组合操作上部加载装置1、左侧加载装置2和右侧加载装置3对相似配比材料施加静水压力荷载P，加载压力值应与相应的地应力耦合，加载过程匀速缓慢进行，使压力荷载达到预设值，加载过程中，泄压装置在与相似配比材料的相互作用中发生变形，泄压装置内部压力增大，通过泄压装置上的压力表对泄压装置内的压力进行监测，当泄压装置内的压力值与压力盒18测试的压力值相同时，即系统达到平衡，若泄压装置内部压力值小于压力盒18测试的压力值时，则继续向泄压装置内充压直至平衡；④根据侧压系数λ，施加横向荷载λP：等泄压装置5上的压力表16的压力值不变化时，预示荷载达到稳定，然后根据预设侧压系数，控制左侧加载装置2和右侧加载装置3，在侧向继续给相似配比材料施加压力荷载，使其达到预设的压力荷载值λP，所述的横向压力荷载值λP与相应状态下的横向地应力耦合；⑤测试竖直方向应力和横向方向应力：待泄压装置5上的压力表16的压力稳定后，采用压力盒18测试竖直方向应力和横向方向应力，即测试其真实的竖直方向应力和横向方向应力，并与竖直方向与横向方向所加载的压力荷载值对比，观察他们的差别，根据他们在各个方向的差别，通过微调上部加载装置1、左侧加载装置2和右侧加载装置3，使得在各个方向的应力测试值与预设加载值一致；⑥安装测试探头：根据需要在相似配比材料中放入若干振动测试仪探头，探头与相似配比材料紧密接触；⑦测试卸荷波：在加载装置加载后，保持一段时间，使得试样内部受力均衡，待相似配比材料固结后，开始操作泄压装置5进行泄压，打开泄压装置5的减压出口14上的压力控制阀A13，调节卸载速率，泄压完成后，即当泄压装置内部压力降低到与大气压相同时，通过探头得到相应的地应力条件下的卸荷波。本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。