本發(fā)明涉及巖石節(jié)理動(dòng)態(tài)剪切技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于平面波動(dòng)的剪切波傳播和節(jié)理動(dòng)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

自然界的巖體中包含很多不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，從尺度上劃分，不連續(xù)結(jié)構(gòu)面可分為斷層、節(jié)理、裂縫和微裂紋等。節(jié)理屬于中等尺度的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面。從是否含有充填物，節(jié)理又分為充填節(jié)理和非充填節(jié)理。由于不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的存在，巖體具有非連續(xù)性、非均勻性和非線性等復(fù)雜特性。節(jié)理不僅影響巖體的力學(xué)特性，特別是動(dòng)力學(xué)特性，也影響應(yīng)力波在節(jié)理巖體中的傳播。同時(shí)，自然界的巖體處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。在外力的作用下，巖石節(jié)理將張開、閉合或發(fā)生節(jié)理的兩個(gè)面之間的相對(duì)滑移。節(jié)理面的相對(duì)滑移，也成為剪切變形，是造成各種工程地質(zhì)災(zāi)害的根源。隨地下工程、水利工程的深度與廣度發(fā)展，工程設(shè)計(jì)、施工以及安全生產(chǎn)，迫切需要得到節(jié)理的動(dòng)態(tài)剪切力學(xué)參數(shù)，設(shè)計(jì)制造一種能對(duì)處于地應(yīng)力和剪切應(yīng)力波作用下的巖石節(jié)理動(dòng)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)裝置顯得尤為迫切。

節(jié)理的動(dòng)態(tài)剪切力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)?zāi)壳皣?guó)內(nèi)外主要采用直剪裝置和循環(huán)剪切裝置。直剪裝置主要通過(guò)分析脈沖載荷作用下節(jié)理面之間的一次性相對(duì)位移建立節(jié)理的剪切力學(xué)特性，缺點(diǎn)是不能反映自然界中循環(huán)動(dòng)荷載或應(yīng)力波的作用；循環(huán)剪切裝置通過(guò)控制兩個(gè)巖塊之間的相對(duì)水平循環(huán)運(yùn)動(dòng)來(lái)分析巖石之間的接觸面（即節(jié)理面）的剪切力和水平相對(duì)位移之間的關(guān)系，并分析剪切循環(huán)次數(shù)和法向作用力對(duì)節(jié)理剪切力學(xué)特性的影響。上述兩種實(shí)驗(yàn)裝置都是開展了兩個(gè)巖塊之間的相對(duì)滑移分析，并不能反映在實(shí)際工程中剪切波通過(guò)巖石節(jié)理時(shí)的傳播規(guī)律以及節(jié)理的相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)，即節(jié)理動(dòng)態(tài)剪切特性。

經(jīng)檢索，目前國(guó)內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)有一種基于平面波動(dòng)的剪切波傳播和節(jié)理剪切實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，提供一種基于平面波動(dòng)的剪切波傳播和節(jié)理動(dòng)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明包括實(shí)驗(yàn)對(duì)象——節(jié)理；

設(shè)置有底座、法向壓力加載單元、滑動(dòng)支撐單元、動(dòng)力加載單元和巖體模擬單元；

其位置和連接關(guān)系是：

在巖體模擬單元內(nèi)設(shè)置有節(jié)理；

底座、滑動(dòng)支撐單元和巖體模擬單元依次連接，給巖體模擬單元提供支撐；

動(dòng)力加載單元、底座和巖體模擬單元依次接觸，給巖體模擬單元提供摩擦力；

底座、法向壓力加載單元和巖體模擬單元依次連接，給巖體模擬單元提供法向壓力。

本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

1、通過(guò)動(dòng)力加載單元、撞擊鋼桿和入射巖石板產(chǎn)生平面剪切應(yīng)力波，并通過(guò)法向壓力加載裝置實(shí)現(xiàn)剪切應(yīng)力波的可控性；

2、通過(guò)法向壓力加載單元產(chǎn)生作用在節(jié)理上的法向壓力，調(diào)整入射巖石板受壓面積實(shí)現(xiàn)節(jié)理法向壓力的可控性；

3、通過(guò)入射和透射巖石板上應(yīng)變片的布置以及理論分析，實(shí)現(xiàn)平面剪切波的可測(cè)量性；

4、通過(guò)測(cè)量得到的入射巖石板和透射巖石板上的平面剪切波，結(jié)合波動(dòng)理論實(shí)現(xiàn)研究節(jié)理動(dòng)態(tài)剪切特性的可行性。

適用于研究一維平面剪切波通過(guò)節(jié)理的傳播規(guī)律和節(jié)理的動(dòng)態(tài)剪切特性。

附圖說(shuō)明

圖1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖；

圖2.1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主視圖，

圖2.2是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖3.1是底座10的結(jié)構(gòu)主視圖；

圖3.2是底座10的結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖4.1是法向壓力加載單元20的結(jié)構(gòu)爆炸主視圖；

圖4.2是法向壓力加載單元20的結(jié)構(gòu)爆炸俯視圖；

圖5.1是滑動(dòng)支撐單元30的結(jié)構(gòu)主視圖；

圖5.2是滑動(dòng)支撐單元30的結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖6.1是動(dòng)力加載單元40的結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖6.2是動(dòng)力加載單元40的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；

圖7.1是巖體模擬單元50的結(jié)構(gòu)主視圖；

圖7.2是巖體模擬單元50的結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖中：

00—節(jié)理；

10—底座，

11a—左縱向鋼支座，11b—右縱向鋼支座，12—縱向槽型鋼支座，

13—側(cè)壁滾軸，14—底部滾軸，15—縱向鋼板，

16—橫向鋼支座，17—撞擊鋼桿；

20—法向壓力加載單元，

21—小螺栓，22—螺栓孔，23—T型鋼，

24—左側(cè)鋼板，25—測(cè)力千斤頂；

30—滑動(dòng)支撐單元，

31—支撐鋼板，32—滾輪；

40—?jiǎng)恿虞d單元

41—彈簧，42—支撐臺(tái)，43—沖擊鋼塊，

44—?jiǎng)恿︿摰鬃?45—沖擊力發(fā)生器。

50—巖體模擬單元，

51—入射巖石板， 52—透射巖石板。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明。

一、總體

如圖1，本系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)對(duì)象——節(jié)理00；

設(shè)置有底座10、法向壓力加載單元20、滑動(dòng)支撐單元30、動(dòng)力加載單元40和巖體模擬單元50；

其位置和連接關(guān)系是：

在巖體模擬單元50內(nèi)設(shè)置有節(jié)理00；

底座10、滑動(dòng)支撐單元30和巖體模擬單元50依次連接，給巖體模擬單元50提供支撐；

動(dòng)力加載單元40、底座10和巖體模擬單元50依次接觸，給巖體模擬單元50提供摩擦力；

底座10、法向壓力加載單元20和巖體模擬單元50依次連接，給巖體模擬單元50提供法向壓力。

二、功能單元

0、節(jié)理00

節(jié)理00分為兩類：一類為充填節(jié)理，由砂土、黏土等軟弱介質(zhì)填充于兩個(gè)巖石板之間構(gòu)成；另一類為非充填節(jié)理，由兩個(gè)巖石板的粗糙面直接接觸形成。

1、底座10

如圖1、圖2.1、圖2.2、圖3.1、圖3.2，底座10包括左縱向鋼支座11a、右縱向鋼支座11b、縱向槽型鋼支座12、側(cè)壁滾軸13、底部滾軸14、縱向鋼板15、橫向鋼支座16和撞擊鋼桿17；

其位置和連接關(guān)系是：

在橫向鋼支座16上面，從左至右，縱向鋼支座11a、側(cè)壁滾軸13、撞擊鋼桿17、多個(gè)縱向槽型鋼支座12、縱向鋼板15、右縱向鋼支座11b依次連接。

其功能是提供支撐作用。

2、法向壓力加載單元20

如圖1、圖2.1、圖2.2、圖4.1、圖4.2，法向壓力加載單元20包括小螺栓21、螺栓孔22、T型鋼23、左側(cè)鋼板24和測(cè)力千斤頂25；

其位置連接關(guān)系是：

T型鋼23位于左側(cè)鋼板24上面，由小螺栓21和螺栓孔22固定在左側(cè)鋼板24上，測(cè)力千斤頂25位于左側(cè)鋼板24的右邊；左側(cè)鋼板24焊接在底座10的上面；測(cè)力千斤頂25位于底座10的縱向鋼板15的上面，測(cè)力千斤頂25左端面與巖體模擬單元50的透射巖石板52的右端面接觸。

其功能是為巖體模擬單元50和節(jié)理00提供法向壓力。

3、滑動(dòng)支撐單元30

如圖1、圖2.1、圖2.2、圖5.1、圖5.2，滑動(dòng)支撐單元30包括上下連接的支撐鋼板31和滾輪32。

其功能是為巖體模擬單元50提供支撐作用。

4、動(dòng)力加載單元40

如圖1、圖2.1、圖2.2、圖6.1、圖6.2，，動(dòng)力加載單元40包括彈簧41、支撐臺(tái)42、沖擊鋼塊43、動(dòng)力鋼底座44和沖擊力發(fā)生器45；

其位置連接關(guān)系是：

在動(dòng)力鋼底座44的上面，從后到前，支撐臺(tái)42、沖擊鋼塊43、彈簧41和沖力發(fā)生器45依次連接；沖擊鋼塊43位于支撐臺(tái)42上面，沖擊鋼塊43的前端面與彈簧41的后端面接觸；

沖擊鋼塊43的后端面運(yùn)動(dòng)后和底座10的撞擊杠桿17接觸。

其功能是通過(guò)底座10的撞擊杠桿17給巖體模擬單元50的入射巖石板51

提供摩擦力。

5、巖體模擬單元50

巖體模擬單元50包括左右接觸的入射巖石板51和透射巖石板52。

其功能是傳導(dǎo)平面剪切波。

三、工作機(jī)理：

動(dòng)力加載單元40為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力來(lái)源，其通過(guò)沖擊力發(fā)生器45壓縮彈簧41蓄能，然后釋放，彈簧41將沖擊鋼塊43以一定速度彈出，鋼塊43撞擊位于底座10上的撞擊鋼桿17，使撞擊鋼桿17滑動(dòng)，撞擊鋼桿17與入射巖石板51接觸面為粗糙接觸面，撞擊杠桿17的滑動(dòng)引起與入射巖石板51接觸面上的摩擦，摩擦力引起入射巖石板51的剪切變形，即在入射巖石板51中產(chǎn)生剪切波。

剪切波經(jīng)過(guò)入射巖石板51到達(dá)節(jié)理00，與節(jié)理00相互作用后，部分剪切波透過(guò)節(jié)理00進(jìn)入透射巖石板52，另一部分反射回入射巖石板53。入射巖石板51和透射巖石板52均采用堅(jiān)硬的均質(zhì)性較好的花崗巖加工而成，尺寸可根據(jù)剪切波的波長(zhǎng)來(lái)合理控制。

由滑動(dòng)支撐單元30支撐入射巖石板51和透射巖石板52，當(dāng)入射巖石板51和透射巖石板52發(fā)生剪切變形或縱向位移時(shí)，滑動(dòng)支撐單元30與入射巖石板51和透射巖石板52一起移動(dòng)，與底座之間的摩擦形式為滾動(dòng)摩擦，目的是減小剪切波在巖石板中傳播時(shí)，也即巖石板發(fā)生剪切變形或縱向位移時(shí)滑動(dòng)支撐單元所受到的來(lái)自于底座10的摩擦阻力。

位于巖體模擬單元50兩端的法向壓力加載單元20為巖體模擬單元50和節(jié)理00提供法向壓力，用來(lái)模擬巖體和節(jié)理00處于不同地應(yīng)力水平下。另外，法向壓力加載單元20還為撞擊鋼桿17和入射巖石板51之間的接觸面提供法向壓力；通過(guò)改變法向壓力加載單元20中T型鋼23與入射巖石板51接觸面積的大小，可以同時(shí)調(diào)節(jié)法向壓力加載單元20分配給巖體模擬單元50的法向壓力和入射巖石板51與撞擊桿17接觸壓力的大小。

本系統(tǒng)在巖體模擬單元50的入射巖石板51中產(chǎn)生剪切波幅值的大小由兩方面控制，一方面是動(dòng)力加載單元40中彈簧41的壓縮量，彈簧41壓縮量越大，則其復(fù)位時(shí)對(duì)沖擊鋼塊43做功越多，沖擊鋼塊43撞擊速度越大，撞擊鋼桿17的速度也越大，在入射巖石板51與撞擊桿17接觸面上產(chǎn)生的摩擦力越大，那么在入射巖石板51中產(chǎn)生的剪切波也越大；另一方面是法向壓力加載單元20分配給入射巖石板51與撞擊桿17接觸面的接觸壓力，接觸越大，接觸面產(chǎn)生的摩擦力越大，在入射巖石板51中產(chǎn)生的剪切波也越大。

通過(guò)測(cè)量入射巖石板51和透射巖石板52上的剪切波數(shù)據(jù)可以分析剪切波通過(guò)節(jié)理的傳播規(guī)律，并基于應(yīng)力波波動(dòng)理論可以分析節(jié)理00的動(dòng)態(tài)剪切力學(xué)特性。

四、實(shí)驗(yàn)方法

1、將入射巖石板51和透射巖石板52位置對(duì)齊，若測(cè)試對(duì)象——節(jié)理00為充填節(jié)理，則在入射巖石板51和透射巖石板52之間添加黏土或砂土等軟弱介質(zhì)（根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況選?。?；若測(cè)試對(duì)象——節(jié)理00為非充填節(jié)理，則入射巖石板51與透射巖石板52直接接觸，二者接觸面的粗糙程度可按實(shí)驗(yàn)要求加工；

2、調(diào)整法向壓力加載單元20中T型鋼23的位置，啟動(dòng)測(cè)力千斤頂25，達(dá)到巖體模擬單元50和節(jié)理00需要的法向壓力后保持壓力；

3、用沖力發(fā)生器45壓縮彈簧41，達(dá)到所需沖量后固定，將沖擊鋼塊43貼緊彈簧41后端面放置；

4、松開沖力發(fā)生器45，發(fā)射沖擊鋼塊43；

5、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)啟動(dòng)，收集數(shù)據(jù)。

6、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析剪切波通過(guò)節(jié)理的傳播規(guī)律，并基于應(yīng)力波波動(dòng)理論分析節(jié)理的動(dòng)態(tài)剪切力學(xué)特性。