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一种降雨渗流和爆破振动耦合模拟软岩剪切流变试验系统

技术领域

本发明涉及一种试验系统，具体地说是涉及一种降雨渗流和爆破振动耦合模拟软岩剪切流变试验系统。

背景技术

软弱夹层是露天采矿边坡剪切滑动垮塌破坏的一种重要结构形式，其流变力学性质是影响边坡稳定性的最重要因素之一。在矿山开采爆破振动、降雨渗流与干湿循环这三种因素耦合作用影响下，软弱夹层的流变效应会显著增加，由此导致的边坡失稳是矿山安全问题中最重要的研究对象之一。为了模拟、预测软弱夹层在实际工况下流变效应的变化情况，采用室内剪切流变试验来获得软岩在各种条件下的力学性质参数是目前最为简便、有效的方法。

目前，通常采用剪切流变试验系统对软弱夹层的流变性质进行室内试验研究，然而现有的剪切流变试验系统难以模拟降雨渗流与爆破振动耦合作用对试件的影响。一般现有的岩石剪切流变试验系统主要存在以下具体问题：

⑴、渗流剪切盒以辐射流的方式进行高压水注入时，仅为单孔注入高压水，且插入岩样内部的试件接头与法向加载垫块一体成型，完成一组试验后拆卸岩样过程繁琐，影响试验效率。

⑵、在试验过程中可以注入高压水使岩样含水率增加，但是无法使岩样迅速干燥，因此难以模拟岩样在自然条件下干湿循环的过程。

⑶、渗流剪切盒内部用于放置岩样的空腔尺寸是固定的，岩样放入空腔之后会存有一定的空隙，有可能导致试件在剪切的过程中发生偏转，影响试件受力方向，降低试验结果的准确性。

⑷、渗流剪切盒的上、下剪切盒在剪切过程中会产生滑动摩擦，这不仅会造成不必要的能量损耗，更重要的是所测出的岩样抗剪强度大于实际抗剪强度，如何降低摩擦力是一个亟待解决的问题。

⑸、在剪切流变试验过程中施加循环振动荷载可以很好地模拟岩样在实际工况下受到爆破振动影响，而国内外目前尚无在剪切流变试验过程中模拟爆破振动对岩样流变效应影响的试验设备。为此，很有必要开发一种软岩剪切流变试验系统用于模拟降雨渗流与爆破振动耦合作用对试件流变效应的影响。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷,而提供一种能承受高水压、试验精度及效率高、方便快速实现岩样的干湿循环，且可以施加法向和切向循环振动荷载来模拟爆破振动作用的降雨渗流和爆破振动耦合模拟软岩剪切流变试验系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种降雨渗流和爆破振动耦合模拟软岩剪切流变试验系统，至少设有加载装置和剪切盒；

所述的加载装置包括机架、法向静载电动缸、法向动载电动缸、水平静载电动缸、水平动载电动缸和反力柱；在机架的中部设有机架横梁，机架底部设有支撑脚；在机架上部设有法向静载电动缸，在机架下部设有法向动载电动缸，法向静载电动缸的压头与法向动载电动缸的压头在同一中心线上；在机架两侧设有水平静载电动缸和水平动载电动缸，水平静载电动缸的压头与水平动载电动缸的压头处在同一中心线上，水平动载电动缸的正上方设置有反力柱；

所述的剪切盒设有上剪切盒、下剪切盒、法向加载压头、法向加载垫块和试件接头，上剪切盒由上顶板与上剪切体通过内六角圆柱头螺钉连接构成；下剪切盒由下剪切体和下底板通过内六角圆柱头螺钉连接构成；上剪切盒、下剪切盒通过竖向辊轴压紧连接，下剪切盒的两侧设有内螺纹连接孔，上剪切盒两侧设有通孔，竖向辊轴穿过上剪切盒两侧的通孔，通过内螺纹连接孔与下剪切盒啮合，进行剪切流变试验时竖向辊轴能在通孔范围内随下剪切盒一同沿切向移动；上剪切盒和下剪切盒固定连接后在内壁形成一个放置试件的长方体空腔；上剪切盒与反力柱的一端接触；下剪切盒的下剪切体与水平静载电动缸压头在同一水平高度；

所述的上剪切盒的上顶板中设有圆形通孔，所述的法向加载压头穿过圆形通孔压在法向加载垫块上，法向加载压头顶部设有上部凹槽，上部凹槽用于隼接所述的法向静载电动缸的球形万向压头以施加法向的荷载，法向加载压头的下部设有用于连接法向加载垫块的下部凹槽，法向加载垫块为“凸”字形，法向加载垫块“凸”字形头部嵌合在法向加载压头的下部凹槽中，法向加载垫块的两肩部分与上剪切盒的上顶板接触，法向加载垫块的侧边与上剪切体内壁接触；法向加载压头中设有与外界连通的入水/气通道，入水/气通道从法向加载压头垂直向下延伸进入法向加载垫块后转为水平水/气通道，水平水/气通道两端的出口用内六角螺塞堵住，在水平水/气通道下部等间距设有三个出水/气孔，三个出水/气孔中安装有试件接头，试件接头与出水/气孔均设置有倒角，且试件接头与出水/气孔接触部分设有接头密封圈用于对高压水/气密封，试件接头的另一端直接隼接于试件内部；

所述的上剪切体在与下剪切体连接处且围绕所述的长方体空腔设有扁平凹槽，扁平凹槽用于避免损坏试件的剪切面，扁平凹槽内设有与剪切盒外部连通的出水/气通道；

所述的下剪切盒的下方设有滑动滚排，滑动滚排有上、下两层滑动板，两层滑动板中设有滚珠孔用于放置滚珠，滑动滚排中间有矩形孔；滑动滚排两侧设置有滚排挡板，滚排挡板通过紧固螺钉紧固在下底板两侧用于限定滑动滚排的移动范围；

所述的机架横梁上固定有轨道安装架，轨道安装架上设有移动轨道；机架横梁中部有开孔，所述的法向动载电动缸穿过所述开孔和滑动滚排中间的矩形孔与下剪切盒的下底板接触。

所述的上顶板与法向加载压头之间设置有3根环形密封圈，用于上顶板与法向加载压头之间密封，防止高压水/气从上顶板与法向加载垫块的连接处外泄；法向加载压头底部与法向加载垫块之间设置有1根密封条，用于法向加载压头与法向加载垫块之间密封，防止高压水/气从法向加载压头与法向加载垫块的连接处外泄；上剪切盒的上顶板与上剪切体之间、上剪切盒与下剪切盒之间以及下剪切盒的下剪切体与下底板之间均设置有矩形密封条。

所述的下剪切体在两侧设置有用于减小上剪切盒与下剪切盒之间摩擦力的大滚珠排和滚珠挡板，滚珠挡板通过紧固螺钉紧固在下剪切体上。

所述的上剪切盒在上顶板上方设有移动滑板和小滚珠排，小滚珠排用于使移动滑板与上顶板之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，以减小系统的摩擦力。

所述的上剪切体在与水平动载电动缸同侧处设置有用于推动试件的预夹紧板和推动螺钉，推动螺钉穿过上剪切体顶住预夹紧板，可通过扭动推动螺钉推动预夹紧板和试件，使试件与上剪切体贴合。

在法向静载电动缸与法向加载压头侧边设有法向光栅尺和平行板，法向光栅尺下端与平行板接触，用于测量垂直位移；在上剪切盒与下剪切盒外侧沿剪切方向布置有水平光栅尺用于剪切盒水平位移的测量。

所述的试件为长方体，试件上预制有三个孔径大于试件接头外径的圆柱孔，进行剪切流变试验时试件接头与试件上圆柱孔的孔壁之间用胶水进行黏合。

本发明的试验系统中在入水/气通道的端口连接能够提供稳定高压水的柱塞泵与蓄能器，在出水/气通道一端连接流量测量装置，流量测量装置为大流量测量装置和小流量测量装置，大流量测量装置采用流量计对渗出的水量进行测量，小流量测量装置则采用电子天平对渗出水量进行计量，入水端与出水端均设置有监测水压的水压传感器，水压传感器与微型渗流伺服控制系统连接，可自动进行水压的稳定调节。同时入水/气通道的端口可以转接空气压缩泵，空气压缩泵与微型气压伺服控制系统连接，空气压缩泵出气端设置有气压计，微型气压伺服控制系统可以进行气压的自动调节。

本发明的模拟软岩剪切流变试验系统与现有技术相比具有的有益效果是：

⑴、本发明试验系统中通过在长方体试件上等间距预制有三个孔径大于试件接头外径的圆柱孔，将试件接头直接隼接于所述圆柱孔内，可以很好地使整个试件快速受到高压水的渗透，提升试验效率。

⑵、本发明试验系统中试件接头与法向加载垫块之间的安装简单易行，且试件接头与试件之间采用胶水进行黏合即可，试件接头在每组试验完成之后重新更换，方便快捷，可以很好地提高试验效率。

⑶、本发明试验系统中设计的入水/气通道结构简单，将入水通道与进气通道合二为一，不仅可以进行高渗透水压作用下的软岩剪切流变试验，还可以在不拆卸剪切盒的情况下，在入水/气通道的端口转接空气压缩泵，直接风干试件进行试验，能够很好地模拟试件的干湿循环状态。

⑷、本发明试验系统的上剪切盒内设置了试件预夹紧板，在进行剪切流变试验之前可尝试通过扭动推动螺钉来推动预夹紧板和试件，使试件与剪切体紧密贴合，有效地避免了因试件与剪切体初始未紧密接触而导致剪切过程试件发生偏转，提高了试验结果的准确性。

⑸、本发明试验系统的上剪切盒的上顶板与移动滑板之间，上剪切盒与下剪切盒之间均设置有滚珠排，下剪切盒底部设置有滑动滚排，将滑动摩擦变为滚动摩擦，有效地降低了系统摩擦力和不必要的能量消耗。

⑹、本发明试验系统的加载装置整体结构科学合理，剪切盒能保证高压水/气的密封，本系统可以在剪切流变试验过程中快速对试件进行干湿循环操作，试验效率高；且由于避免了剪切过程中试件发生偏移，同时也降低了剪切盒构件之间的摩擦力，使试验结果更吻合真实情况。