一种模拟采动岩体渐进破坏的试验装置及试验方法与流程

本发明涉及岩石力学试验装置技术领域，尤其是一种用于模拟采动条件下的岩体渐进破坏的试验装置和利用该装置进行试验的方法。

背景技术：

矿山和隧道等地下工程中，由于硐室开挖会引起原岩应力的转移与改变，所以在采动应力作用下硐室围岩会发生变形与破坏，并在岩体内依次产生破裂区、塑性区和弹性区，其中破裂区和塑性区的破裂程度与范围演化规律的研究，对围岩稳定性控制具有重要意义。

目前，在岩石力学室内试验中，围岩变形破坏的研究一般采用相似材料模拟试验及岩石力学试验手段，其中相似材料模拟试验的试验周期长、工作量大，而且相似材料的变形破坏特征与真实的岩石具有一定的差距。虽然岩石力学试验手段可直接测试岩石的力学性能，但现有的岩石力学试验机一般只能进行标准尺寸试件的均布加载，监测数据为试件整体的强度及变形，无法再现工程硐室围岩的采动应力条件下的演化过程，以及由边壁至深部的渐进破坏特征。

在中国专利201410206492.x中，公开了一种深部开采采动应力场演变过程试验方法，该方法通过布置若干伺服加载油缸，实现了大尺度煤体的非均布动态加载，为采动应力场研究提供了一种新的试验方法。但该试验方法中的采动应力是主动施加的，无法分析由煤体变形破坏引起的应力自我转移过程，且该试验装置的体积庞大，成本较高。因此，为了降低成本，充分发挥常规岩石力学试验机的功能，实现对采动引起的岩体渐进破坏的实验室模拟，对现有的试验装置及试验方法做进一步的改进。

技术实现要素：

为解决模拟采动应力条件下的岩体渐进破坏过程的技术问题，本发明提供了一种模拟采动岩体渐进破坏的试验装置及试验方法，具体技术方案如下。

一种模拟采动岩体渐进破坏的试验装置，包括柔性加载装置和侧压转换装置；所述柔性加载装置包括被动承载油缸、轴向承压板、轴向压力传感器和轴向位移传感器；所述被动承载油缸的上端设置有轴向压力传感器，所述被动承载油缸的侧面安装有轴向位移传感器，所述被动承载油缸的下端设置有轴向承压板；所述侧压转换装置包括固定架、固定板、三角块体组合、侧向承压板、侧向压力传感器和工业相机；所述固定架设置在被动承载油缸的上方，固定架与岩石力学试验机的上部承压柱相连；所述固定板设置在岩体试件的下方，固定板的下表面与岩石力学试验机的加载油缸相连；所述三角块体组合包括固定三角块体、滑动三角块体，所述固定三角块体固定设置在固定板上，所述滑动三角块体和固定架之间通过卡槽和钢珠滑动连接。

优选的是，三角块体组合设置在固定架和固定板之间，所述岩体试件放置在轴向承压板和固定板之间，在岩体试件的左、右两侧和后侧分别设置有三角块体组合。

进一步优选的是，滑动三角块体和固定三角块体的斜面相互贴合，斜面的倾斜角度小于斜面间的最大静摩擦角；所述滑动三角块体的内侧设置有侧向压力传感器和侧向承压板。

进一步优选的是，侧向压力传感器和侧向承压板之间通过滚动钢珠连接；所述侧向承压板由高强度透明材料制作而成。

进一步优选的是，侧向承压板上设置有多个工业相机的安装槽，所述安装槽内设置有工业相机。

还优选的是，岩体试件的上方设置有多个被动承载油缸；所述进油阀控制被动承载油缸内液压油的含量，充入液压油后关闭进油阀。

利用一种模拟采动岩体渐进破坏的试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：

a.将所述侧压转换装置的上端固定架与岩石力学试验机的上部承压柱连接，将所述固定板与岩石力学试验机的加载油缸连接；

b.打开被动承载油缸的进油阀，分别调整控制每个被动承载油缸内部液压油含量后，关闭进油阀；

c、放置岩体试件，依次调整固定三角块体、滑动三角块体、侧向承压板的位置，并安装工业相机；

d、开启岩石力学试验机进行加载，试验过程中同步记录轴向应力、轴向位移、侧向应力和加载时间，所述工业相机实时拍摄记录岩体试件侧面的图像，直至试件完全破坏。

本发明的有益效果包括：

(1)利用柔性加载装置，实现了试件不同区域的轴向非均匀受力加载，并使用了多个被动承载油缸实现了对岩体试件的柔性加载，因此该装置能够模拟采动条件下的岩体渐进破坏过程，进一步为研究围岩稳定性控制提供依据。

(2)侧压转换装置通过三角块体组合，实现了轴向载荷转换为侧向压力，并且由于侧向压力是由轴向压力转换来实现的，因此实现了侧向压力和轴向压力的同步施加，侧向压力和轴向压力通过试验设备联动施加，更好的模拟了岩体的真实受力状态，进一步提高了实验室岩石力学试验的可靠性。

(3)模拟采动岩体渐进破坏的试验装置能够实现对现有岩石力学试验机的直接改进，节省了试验机的制作成本，能够使普通的单轴试验机实现轴向和侧向两个方向的加载；并且该机械传动结构稳定，保证了压力的平稳传递，进而保证了试验精度。

(4)侧向承压板采用高强透明材料，并通过安装工业相机对试验过程中岩体试件的破坏形式进行记录，从而实现了岩体试件承压面一侧的可视化监测。

另外该装置还具有结构简单，安装拆卸方便，制作成本低，与现有试验设备的相匹配，节省试验成本等优点。

附图说明

图1是模拟采动岩体渐进破坏的试验装置的结构示意图；

图2是模拟采动岩体渐进破坏的试验装置的剖面结构示意图；

图3是加载过程中的岩体试件轴向应力演化示意图；

图中：1-柔性加载装置；11-被动承载油缸；12-轴向承压板；13-进油阀；14-轴向压力传感器；15-轴向位移传感器；2-侧压转换装置；21-固定架；22-固定板；23-三角块体组合；231-固定三角块体；232-滑动三角块体；24-侧向承压板；25-侧向压力传感器；26-工业相机；3-岩石力学试验机；31-加载油缸；32-上部承压柱；4-岩体试件。

具体实施方式

结合图1至图3所示，本发明提供的一种模拟采动岩体渐进破坏的试验装置及试验方法，具体实施方式如下。

如图1和图2所示，一种模拟采动岩体渐进破坏的试验装置具体包括柔性加载装置1和侧压转换装置2。利用柔性加载装置1，实现试件不同区域的轴向非均匀受力加载，使用多个被动承载油缸实现了对岩体试件4的柔性加载；侧压转换装置2通过三角块体组合，使单轴实验机实现了轴向载荷和侧向压力的转换。

其中，柔性加载装置2具体包括被动承载油缸11、轴向承压板12、轴向压力传感器14和轴向位移传感器15。在岩体试件4的上方设置有多个被动承载油缸11，被动承载油缸11通过进油阀13控制被动承载油缸11的伸缩。被动承载油缸11的上端设置有轴向压力传感器14，被动承载油缸11的侧面安装有轴向位移传感器15，用于实时监测轴向压力载荷和轴向位移情况。被动承载油缸11的下端设置有轴向承压板12，轴向承压板12和被动承载油缸11的数目相对应，通过轴向承压板12对岩体试件施加轴向载荷。岩体试件4的上方设置有多个被动承载油缸11，进油阀13控制被动承载油缸11内液压油的含量，充入液压油后关闭进油阀13。利用进油阀13和轴向压力传感器14监测并控制轴向载荷的大小和分布，并可以模拟再现实际采动过程中的岩体支承压力曲线。

侧压转换装置2具体包括固定架21、固定板22、三角块体组合23、侧向承压板24、侧向压力传感器25和工业相机26。固定架21设置被动承载油缸11的上方，固定架21与岩石力学试验机3的上部承压柱相连，可以通过螺纹连接。固定板22设置在岩体试件4的下方，固定板22的下表面与岩石力学试验机3下部的加载油缸31相连，固定板22为刚性不变形材料制作而成，固定板22和加载油缸31通过螺纹连接。三角块体组合23包括固定三角块体231、滑动三角块体232，其中固定三角块体231固定设置在固定板22上，滑动三角块体232和固定架21之间通过卡槽和钢珠滑动连接。三角块体组合23设置在固定架21和固定板22之间，岩体试件4放置在轴向承压板12和固定板22之间，在岩体试件4的左、右两侧和后侧分别设置有三角块体组合23，岩体试件4的前侧面临空不受压。滑动三角块体232和固定三角块体231的斜面相互贴合，斜面的倾斜角度小于斜面间的最大静摩擦角，保证其顺利滑动。滑动三角块体232的内侧设置有侧向压力传感器25和侧向承压板24，用于实时监测压力情况。侧向压力传感器25和侧向承压板24之间通过滚动钢珠连接，侧向承压板24由高强度透明材料制作而成。侧向承压板24上设置有多个工业相机26的安装槽，安装槽内设置有工业相机26，通过工业相机26对岩体试件的侧面变形情况进行实时记录，实现了岩体试件承压面的可视化监测。

该装置能够模拟采动条件下的岩体渐进破坏过程，进一步为研究围岩稳定性控制提供依据。侧向压力是通过轴向压力转换来实现的，侧向压力和轴向压力施加联动更好的模拟了岩体的真实受力状态，进一步提高了实验室岩石力学试验的可靠性。并且该试验装置的结构简单，安装拆卸方便，制作成本低，能够与现有试验设备的相匹配，节省了试验成本。

利用一种模拟采动岩体渐进破坏的试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：

a.将侧压转换装置2的上端固定架21与岩石力学试验机3的上部承压柱32连接，将固定板22与岩石力学试验机3的加载油缸31连接。

b.打开被动承载油缸11的进油阀13，根据试验方案分别调整控制每个被动承载油缸11内部液压油含量后，关闭进油阀13。

c、放置岩体试件4，依次调整固定三角块体231、滑动三角块体232、侧向承压板24的位置，并安装工业相机26。

d、开启岩石力学试验机3进行加载，试验过程中同步记录轴向应力、轴向位移、侧向应力和加载时间，工业相机26实时拍摄记录岩体试件侧面的图像，直至试件完全破坏。岩体试件加载过程中的应力变化情况如图3所示。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。此外，本文中较多的使用了诸如“轴向承压板、固定架、固定板、三角块体组合、侧向承压板和工业相机”等术语，但不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更为方便的描述和解释本发明的本质；把他们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神向违背的。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。