专利摘要

本发明公开了一种深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，包括节理岩体，所述节理岩体通过压力板与法向压力系统和动态加载装置连接，节理岩体还分别与围压加载装置、能量吸收装置连接，节理岩体上方，还设置有裂纹扩展可视化系统，节理岩体还与数据监测系统连接，数据监测系统与数据采集系统相连。本发明还公开了一种深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验方法。本发明提供了一种全新的深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，能实现法向方向和围压方向的分别控制加载，能更精确的模拟深部节理岩体的受力环境。该装置可以更好的模拟深部应力波在地下围岩中的传播规律以及裂纹扩展过程。

权利要求

1.深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，包括节理岩体试样（000），其特征在于：

在节理岩体试样（000）前端设置有压力板（7），法向压力系统（100）和动态加载装置（200）通过压力板与节理岩体试样（000）连接，节理岩体试样（000）还分别与围压加载装置（700）、能量吸收装置（800）连接，节理岩体试样（000）上方，还设置有裂纹扩展可视化系统（500），节理岩体试样（000）上还设置有数据监测系统（600），数据监测系统（600）与数据采集系统（900）相连；节理岩体试样为长方形薄板，宽度为20cm；

在节理岩体试样（000）与压力板（7）之间，还设置有整形片（8），整形片为橡胶材质；

所述的节理岩体试样（000）是由岩石板（21）以及人工制作的节理（20）共同组成，所述的节理岩体试样（000）分为四类：第一类为不贯穿不充填节理，在岩石板上通过切割成适度长度的空心裂隙形成；第二类为贯穿不填充节理，将岩石块切割为两块岩石板，直接接触形成；第三类为不贯穿充填节理，在岩石板上通过切割成适度长度的空心裂隙形成，并将裂隙填充软弱材料；第四类为贯穿填充节理，将岩石块切割为两块岩石板，然后在中间填充软弱材料；

所述的裂纹扩展可视化系统（500）是由位于节理岩体上方的相互连接的高速摄像镜头（13）、连接支架（14）和底部支座（15）组成；

所述的法向压力系统（100）是由法向压力千斤顶（61）、法向压力钢结构反力支撑装置（51）组成，所述的围压加载装置（700）由围压加载千斤顶（62）、可滚动传力装置（9）和围压加载钢结构反力支撑装置（52）组成；

所述的动态加载装置（200）是由弹簧冲击器（1）、子弹（2）、轨道（4），侧边支撑（3）共同组成；其中子弹（2）与轨道（4）接触，受到弹簧冲击器（1）的作用后，沿着轨道（4）进行滚动，然后与压力板（7）接触；

所述的数据监测系统（600）由六组应变片（10）和速度传感器（11）组成，数据采集系统（900）由四芯导线（12）和超动态应变仪（16）组成，应变片（10）和速度传感器（11）通过四芯导线（12）和超动态应变仪（16）连接，实现数据的采集和记录；

所述的能量吸收装置与节理岩体试样（000）接触，包括相互连接的能量缓冲金属装置（17）和能量吸收橡胶装置（18）以及反力支撑装置（53）；

所述的压力板（7）能够活动，并与整形片（8）接触，压力板为钢板，厚度为30mm, 整形片厚度为1～3mm。

2.深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验方法，使用了权利要求1所述的深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，并具体包括：

步骤一、制备得到满足要求的四种不同类型的节理岩体试样；

根据试验目的通过高压水预制不同尺度和方向的节理裂隙，可贯穿或不贯穿；并且节理裂隙可采用软弱材料填充或者不填充的方式以考虑充填节理的影响；

步骤二、根据现场监测数据得到的地应力，设计和调节作用与节理岩体的围压和法向压力大小，分别通过围压加载装置和法向压力系统中的千斤顶装置进行调节；围压和法向压力根据现场实际情况设计为不同的数值；

步骤三、通过弹簧冲击器内的压缩弹簧进行蓄能，然后打开控制开关突然释放，子弹撞击压力板，压力板将入射波传递到节理岩体前端波形整形片；通过调整整形片以获得上升较缓的入射波，以此实现节理岩体两端的动态应力平衡；

步骤四、在节理岩体表面沿着应力波传播方向贴有六组应变片和四组压电式速度传感器，通过数据采集系统分别采集节理岩体上的应变和振动速度；基于应力波理论计算节理前后的应力应变时程曲线，通过采集到的速度分析应变与速度的关系，并基于断裂力学以及高速摄像分析裂纹动态扩展过程。

说明书

技术领域

本发明涉及含节理岩体的动态响应以及波传播领域，具体涉及深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统及方法。

背景技术

深部地下岩体内包含这多种不连续结构面，如裂纹、节理、夹层或者断层等。这些结构面使得岩体具有不均性和各向异性。岩体的破坏往往由于这些不连续面的扩展、贯通或者滑移造成。地震波或者爆破波在结构面处往往会发生透射和反射，引起结构面的张开、闭合或者滑移，对地下工程的安全稳定性有着重要的不利影响。节理和裂纹作为一种中小尺度的不连续面，其动态力学特性和对应力波传播规律的影响，对分析地下岩体大型结构体的动态响应有着不可忽略的作用。此外，地下岩体往往面临高地应力和强动力扰动这一复杂的赋存地质条件。已有的关于应力波传播规律的试验装置更多的局限于应力波垂直入射的情况，且地应力的影响难以考虑。因此，能够制作出能够考虑高地应力影响的应力波在节理处传播规律，同时能观察到裂纹扩展过程的室内模拟装置十分重要。

本发明针对现在技术存在的上述问题，结合应变片、速度传感器实现地应力作用下应力波传播规律的室内模拟，同时基于超高速摄像仪器实现节理和裂纹扩展过程的实时记录和监测。本发明的提出可以更精确的模拟深部地下工程中应力波与节理的相互作用，对应力波传播规律以及岩石的动力学特性的室内试验的发展和应用有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种适用于深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统和方法。

本发明是这样实现的：

深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，包括节理岩体试样，在节理岩体试样前端设置有压力板，法向压力系统和动态加载装置通过压力板与节理岩体试样连接，节理岩体试样还分别与围压加载装置、能量吸收装置连接，节理岩体试样上方，还设置有裂纹扩展可视化系统，节理岩体试样上还设置有数据监测系统，数据监测系统与数据采集系统相连。

更进一步的方案是：

在节理岩体试样与压力板之间，还设置有整形片。

更进一步的方案是：

所述的节理岩体试样是由岩石板以及人工制作的节理共同组成，所述的节理岩体试样分为四类：第一类为不贯穿不充填节理，在岩石板上通过切割成适度长度的空心裂隙形成；第二类为贯穿不填充节理，将岩石块切割为两块岩石板，直接接触形成；第三类为不贯穿充填节理，在岩石板上通过切割成适度长度的空心裂隙形成，并将裂隙填充软弱材料；第四类为贯穿填充节理，将岩石块切割为两块岩石板，然后在中间填充软弱材料。

更进一步的方案是：

所述的裂纹扩展可视化系统是由位于节理岩体上方的依次连接的高速摄像镜头、连接支架和底部支座组成。

更进一步的方案是：

所述的法向压力系统是由法向压力千斤顶、法向压力钢结构反力支撑装置组成，所述的围压加载装置由围压加载千斤顶、可滚动传力装置和围压加载钢结构反力支撑装置组成。

更进一步的方案是：

所述的动态加载装置是由弹簧冲击器、子弹、轨道，侧边支撑共同组成。其中子弹与轨道接触，受到弹簧冲击器的作用后，沿着轨道进行滚动，然后与压力板接触。

更进一步的方案是：

所述的数据监测系统由六组数据监测系统组成，数据采集系统由四芯导线和超动态应变仪组成，数据监测系统通过四芯导线和超动态应变仪连接，实现数据的采集和记录。

更进一步的方案是：

所述的能量吸收装置与节理岩体试样接触，包括相互连接的能量缓冲金属装置和能量吸收橡胶装置以及反力支撑装置。

更进一步的方案是：

所述的压力板能够活动，并与整形片接触，压力板为钢板，厚度为30mm, 整形片为橡胶材质，厚度为1～3mm。

本发明中，法向压力系统、动态加载装置分别给节理岩体提供法向压力和应力波；

围压加载装置与节理岩体连接，提供侧向围压；

能量吸收装置与节理岩体连接，对动态能量进行吸收和耗散；

裂纹扩展可视化系统位于节理岩体试样上方，进行节理裂纹扩展过程的记录；

数据监测系统与节理岩体连接，同时并与数据采集系统连接，实现数据的采集和记录。

节理岩体纵向与能量吸收装置以及整形片后端紧密接触，横向受到围压系统的约束。

节理岩体表面贴有应变片和压电式速度传感器，与数据采集系统连接，进行数据的监测、记录和分析。

本申请中，节理岩体的尺寸为长方形薄板，宽度为20cm左右，既可减小边界效应，同时可保证子弹与节理岩体更好的接触均匀。

本申请中，因为冲击子弹的形态非圆柱体形状，为长方体形状，优先采用通过压缩弹簧冲击装置，也可以通过改装采用压缩气体冲击子弹发射装置。

本申请中，能量吸收装置和整形装置均采用塑性材料，如高分子塑料、橡胶、铜或者铝等韧度和塑性较好的金属。优先采用橡胶材质作为整形材质，因为整形片除了具有调整入射波周期和幅值的功能外，还可以使法向加载装置、动态加载装置与节理岩体接触的更加均匀和平整。能量吸收装置优先采用金属与橡胶结合的方式，即可吸收足够大的应力波能量，同时可以保证施加较大的法向应力。

本发明还提供了一种深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验方法，采用了本发明公开的深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统，并具体包括：

步骤一、制备得到满足要求的四种不同类型的节理岩体试样；

其中，根据试验目的通过高压水预制不同尺度和方向的节理裂隙，可贯穿或不贯穿；并且节理裂隙可采用软弱材料填充或者不填充的方式以考虑充填节理的影响；

步骤二、根据现场监测数据得到的地应力，设计和调节作用与节理岩体的围压和法向压力大小，分别通过围压加载装置和法向压力系统中的千斤顶装置进行调节；围压和法向压力根据现场实际情况设计为不同的数值；

步骤三、通过弹簧冲击器内的压缩弹簧进行蓄能，然后打开控制开关突然释放，子弹撞击压力板，压力板将入射波传递到节理岩体前端波形整形片；通过调整整形片以获得上升较缓的入射波，以此实现节理岩体两端的动态应力平衡；

步骤四、在节理岩体表面沿着应力波传播方向贴有六组应变片和四组压电式速度传感器，通过数据采集系统分别采集节理岩体上的应变和振动速度；基于应力波理论计算节理前后的应力应变时程曲线，通过采集到的速度分析应变与速度的关系，并基于断裂力学以及高速摄像分析裂纹动态扩展过程。

本发明的深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验方法，其原理是：首先在岩石块体里面通过高压水切割预制不同尺度的裂隙和节理，然后通过法向加载装置以及侧向的围压加载装置以模拟施加地应力。通过冲击子弹撞击节理岩体产生应力波，沿着节理岩体纵轴中心线上贴一组数据监测系统，分别测出节理前后的入射波和透射波，通过数据采集处理系统监测和记录，从而得到应力波在深部节理岩体中的传播规律，同时通过高速摄像装置查看节理裂隙在应力波作用下的动态响应与扩展过程。

本发明提供的深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统及方法，具有以下优点：

（1）通过不同角度和尺度的预制裂隙模拟同时结合填充情况可以模拟不同类型的节理的受力状态；

（2）能实现法向方向和围压方向的分别控制加载，能更精确的模拟深部节理岩体的受力环境（可考虑侧向压力系数的影响），同时能够实现法向动态应力波的施加，从而模拟了深部节理岩体收到开挖扰动或者地震作用等动态荷载时面临的动静组合受力状态；

（3）采用高速摄像机可实现节理裂隙在动静组合下扩展过程的可视化，结合应力波理论、断裂力学和热力学原理等理论分析节理裂隙的扩展机理。

附图说明

图1为本发明的深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统结构方框图；

图2为本发明的深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统结构示意图；

图3为高速摄像仪与节理岩体的空间位置图；

图4为深部节理岩体试样的受力示意图；

图5为不同尺度与填充状态下的节理岩体示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如附图1所示，深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统包括节理岩体试样000、法向压力系统100、动态加载装置200、压力板7、整形片8、裂纹扩展可视化系统500，数据监测系统600、围压加载装置700、能量吸收装置800以及数据采集系统900，在节理岩体试样000前端依次通过整形片8、压力板7与法向压力系统100和动态加载装置200接触，分别由法向压力系统100施加法向压力，动态加载装置200施加应力波。围压加载装置700与节理岩体试样000两侧接触施加侧向压力。能量吸收装置800与节理岩体试样000后端接触，将传递过来的动态能量进行吸收和耗散。

如附图1、2所示，其中节理岩体试样000是由岩石板21以及人工制作的节理20共同组成。按照附图5所示，节理岩体试样000按照不同的需求可制作成不同的节理岩体试样000。具体可以分为四类：第一类为不贯穿不充填节理，在岩石板上通过切割成适度长度的空心裂隙形成，如附图5a所示；第二类为贯穿不填充节理，将岩石块切割为两块岩石板，直接接触形成，如附图5b所示；第三类为不贯穿充填节理，在岩石板上通过切割成适度长度的空心裂隙形成，并将裂隙填充黏土、砂砾或岩石碎屑等软弱材料，如附图5c所示；第四类为贯穿填充节理，将岩石块切割为两块岩石板，然后在中间填充黏土、砂砾或岩石碎屑等软弱材料形成充填节理，如附图5d所示。

如附图1、2所示，其中裂纹扩展可视化系统500是由位于节理岩体上方的高速摄像镜头13、连接支架14和固定位置的底部支座15组成，用于进行节理裂纹扩展过程的记录。裂纹扩展可视化系统500的相互连接和相互作用关系是如附图3所示，通过连接支架14固定于底部支座15上的高速摄像镜头13，记录动态荷载作用下节理尖端处裂纹的发育、扩展与贯穿过程。结合采集监测的应力波时程曲线，分析应力波作用下节理裂纹的动态扩展以及破坏规律。

如附图1、2所示，其中法向压力系统100是由法向压力千斤顶61、法向压力钢结构反力支撑装置51组成。法向压力钢结构反力支撑装置51与法向压力千斤顶61接触，为法向压力的施加提供支撑反力。法向压力千斤顶61与压力板7接触，通过压力板7对节理岩体试样000施加法向压力。

如附图1、2所示，其中围压加载装置700由围压加载千斤顶62、可滚动传力装置9和围压加载钢结构反力支撑装置52组成。

如附图1、2所示，其中动态加载装置200是由弹簧冲击器1、子弹2、轨道4，侧边支撑3共同组成。其中子弹2与轨道4接触，受到弹簧冲击器1的作用后，沿着轨道4进行滚动，然后与压力板7接触。

如附图1、2所示，其中数据监测系统600由六组应变片10和速度传感器11组成，数据采集系统900由四芯导线12和超动态应变仪16组成。应变片10和速度传感器11通过四芯导线12和超动态应变仪16连接，实现数据的采集和记录。

如附图1、2所示，其中能量吸收装置与节理岩体试样000接触，包括相互连接的能量缓冲金属装置17和能量吸收橡胶装置18以及反力支撑装置53，在具体试验时，经过节理岩体试样000传递过来的能量通过能量缓冲金属装置17和能量吸收橡胶装置18以及反力支撑装置53进行吸收和耗散。

如附图1、2所示，整形片8为橡胶材质，厚度可调，为1～3mm。

下面结合附图2进一步描述深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验方法，具体是：

首先通过围压装置中的千斤顶62通过可滚动传力装置9施加两侧围压，法向压力加载装置中的千斤顶61施加法向压力，可分别控制大小，由钢结构反力支撑装置51，52分别为两种千斤顶提供支撑反力。通过应变片10监测岩体表面的静态应变。

通过弹簧1压缩然后突然释放施加动态荷载，通过子弹2撞击压力板经由压力板7和整形片8对节理岩体试样施加近似正弦波形状的应力波。通过能量缓冲金属装置17和能量吸收橡胶装置18以及反力支撑装置53将经由节理岩体传递过来的能量进行吸收和耗散。基于通过应变片10和监测出穿过节理00前后的岩体表面的动态应变，基于应力波理论，可计算处入射波和透射波的时程曲线、波幅及频率等参数，同时通过速度传感器11测量节理前后的振动速度，用于分析振动速度的传播规律与通过应变监测得到的应力波传播规律的区别与共性，同时结合围压、法向压力和静态应变数据分析深部岩体中应力波传播规律。

由附图4所示的节理岩体000的受力图可以看出，节理岩体试样000同时受到法向压力σx，侧向围压σy、以及应力波σd的共同作用，更真实的模拟深部岩体面临的高地应力和强动力扰动的受力环境。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

深部节理岩体中应力波传播规律的室内试验系统及方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。