[发明专利]低温岩体变频变幅动态剪切声学物理试验系统及试验方法

说明书

本发明公开了低温岩体变频变幅动态剪切声学物理试验系统及试验方法，所述试验系统包括低温控制子系统、动态剪切子系统、声学物理测试子系统和测量与控制子系统，本试验机通过框架系统和环境箱，实现可变频率和可变幅值的疲劳循环剪切试验，同时进行声发射、超声波测试，可以对岩体受剪破裂过程中的震源机制进行反演，也可对岩体变形破裂过程中细观结构的劣化进行声波成像，具有频率、幅值可调，可同时进行声发射、超声波测试，对岩体受剪破裂过程中的震源机制进行反演、对岩体变形破裂过程中细观结构的劣化进行声波成像的特点。

技术领域

本发明属于岩石力学特性测试领域，具体涉及一种低温岩体变频变幅动态剪切声学物理试验系统及试验方法。

背景技术

露天矿工程边坡经常遭遇开挖及频繁爆破应力波的扰动，当台阶边坡与爆源位置较远时，爆破应力波演化为地震波，对岩体力学性能劣化起到促进作用，为此，矿山边坡岩体结构劣化是一个典型的动力学问题；据不完全统计，露天采场边坡因岩桥贯通而失稳的占滑坡总数的60％以上，典型的露天滑坡有攀钢朱家包铁矿滑坡、内蒙古白云鄂博铁矿东帮滑坡、印尼格拉斯堡露天矿滑坡及美国宾汉姆峡谷露天铜矿滑坡等；持续发生的露天矿顺层岩质边坡滑坡事故，不仅严重威胁着矿山企业的正常运营，也对从业人员的生命安全构成了巨大威胁；相比于低海拔地区的平原矿山，低温寒区露天矿边坡除受开挖和远场爆破等动力扰动外，频繁的冻融作用是引起边坡岩桥结构劣化的另一个不容忽视的因素，水冰相变过程产生的冻胀力以及水分迁移作用加速了岩桥的劣化变异；我国寒区矿产资源丰富，在高海拔高寒地区，面对恶劣的自然环境，边坡环境地质灾害致灾机理认识尚不够深入，未能提供有效防控措施，因此，岩体结构冻融劣化触发了大量灾难性事件；

文献调研表明，国内外大量学者采用现场原位试验、室内试验和数值计算等多种手段对含锁固段的关键岩桥断裂贯通进行了较为系统的研究，模型中考虑岩石中的岩桥规模从一个向多个、多组发展，模型试验考虑了节理的粗糙度、空间分布、排列形式、岩桥宽度及法向应力的影响，集中对裂隙岩体的岩桥力学性质、破坏机理、强度及贯通模式进行了探讨，几乎所有的研究都是常温下的静态加载环境，没有考虑冻融的影响。然而，由于工程岩体经常受环境因素、开挖卸荷、爆破振动及地震波的频繁扰动，从而导致岩桥断裂的动力学特性不同于以往的静态加载断裂，是一个典型的动力学(中应变率)问题。目前，有关复杂应力扰动作用下岩石节理动态加载力学试验研究较多，常温下岩桥在法向卸载条件下的力学试验有零星报道，然而关于冻融岩桥剪切断裂机制的研究较少，岩桥断裂过程中因体积膨胀导致的岩桥与节理耦联机制研究不够深入；

当岩体这种多孔介质处于低温环境时，赋存于岩体内部孔隙及裂隙中的水发生相变、冻结，导致岩体的物理力学性质不仅与其本身物理结构有关，还受其内部赋存的水、温度、受力状态的影响；岩体遭受低温作用会通过收缩产生很高的拉应力，节理裂隙作为岩体中的初始缺陷会因为颗粒间的不均匀收缩进一步扩展，岩体内的温度应力同样会导致拉应力的产生，而岩体内的孔隙或裂隙水低温下发生相变，由液态的水变为固态的冰，体积的膨胀产生冻胀作用加剧裂隙的发展，继而引起裂隙的扩展、碎裂，物理力学性质骤降；在工程建设中，岩体开挖造成岩体应力重分布，伴随岩体的变形破坏，其力学特性也发生变化，对工程安全影响最大的是剪切破坏，而岩体往往会受到由机械开挖、爆破或地震荷载引发的不同频率与幅值动态扰动，因此探究低温岩体在变频变幅的动态剪切扰动下的损伤破裂机理对保障寒区工程安全建设具有重要意义；

目前声学物理测试技术包括超声波成像、声发射定位等技术为实现动态剪切破裂过程中岩体内部结构变化特征提供了手段。岩石超声成像是通过超声波测试得到岩体内部的数据并以此数据重建岩体内部图像并根据此图像上声速值的差异来判读内部情况的方法；声发射信号则通过声发射计数、信号能量、声发射振幅等多个参数以及波形特征反演岩体的内部结构变化特征，对岩体裂纹的萌生进行定位，通过理论研究与相关的数学分析方法能够将声发射参数与波形等丰富的信息进行描述，得出岩体破裂的本质；