[发明专利]模拟冻融扰动下断层泥性状劣化的可视化剪切系统及方法

说明书

本发明公开了一种模拟冻融扰动下断层泥性状劣化的可视化剪切系统，包括控制装置、CT成像装置、爆破振动波加载装置、冻融箱和变角度剪切装置，变角度剪切装置设置在冻融箱内，冻融箱设置在爆破振动波加载装置上，爆破振动波加载装置设置在CT成像装置的转台上。同时公开了一种基于上述系统的试验方法，采用上述一种模拟冻融扰动下断层泥性状劣化的可视化剪切系统及其方法，通过CT成像装置对断层泥结构劣化进行透明化和数字化表征，通过爆破振动波加载装置和冻融箱实现振动波扰动和冻融加载环境的施加，通过变角度剪切装置进行剪切试验，获取不同冻融‑扰动作用后样品的抗剪强度参数，为寒区岩体工程采动灾害防控提供可靠的力学数据。

技术领域

本发明涉及寒区工程岩体采动断层泥物理力学性质试验技术领域，尤其是涉及一种模拟冻融扰动下断层泥性状劣化的可视化剪切系统及方法。

背景技术

高海拔寒区露天矿山赋存环境具有高烈度、高寒、反复冻融循环及爆破地震波频繁扰动的特点，寒区高陡边坡的稳定性问题日益突出。露天矿边坡的稳定性受坡体内软弱夹层影响，尤其是大部分的露天矿中都存在断层破碎带，断层破碎带物源主要由角砾岩，糜棱岩及粘土颗粒组成，称之为断层泥，这些断层破碎带严重降低了边坡的稳定性，使得边坡体的变形破坏机制及稳定性问题变得极为复杂。大量实践表明，很多边坡岩体工程失稳都与断层物质的力学特性有关，冻融循环和工程扰动对断层物质力学性质的影响又大大增加了工程岩体失稳的几率。为此，研究断层泥在冻融循环和开采扰动作用下细观结构劣化和抗剪能力弱化的物理过程和力学机制显得尤为重要，对保障矿山人员以及安全生产具有重要的理论和实际意义。

高寒地区露天矿断层泥冻融损伤的主要诱因是岩土体中赋存的孔隙、裂隙水在气温交替变化中水-冰相变诱发的冻胀力作用对岩土体造成的损伤劣化，包括微观损伤、渗流劈裂以及冻胀碎裂等。与此同时，由于遭受频繁的开采扰动，露采工作区内边坡断层破碎带经冻融循环后，其剪切活化的影响因素较低海拔平原地区更加复杂。

目前，有关断层泥物理力学性质在常温下已经开展了大量研究。现有技术中断层泥地质力学参数获取时，多采用直剪试验、原位推剪试验或室内重塑样试验实现，很少考虑强度重构的时间效应，也不涉及冻融作用对断层泥地质力学强度的影响。关于断层泥在冻融循环和开采扰动耦合作用下的土－石相互作用、内部结构致溃规律、土石界面灾变扩展机理以及抗剪强度弱化的宏细观机制的研究少之甚少。现有的力学性质的研究结果难以应用到实际的岩体工程上，参考价值不高，所以亟需一种考虑冻融环境和开采扰动下的断层物理力学性质的试验系统及方法。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术存在的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种模拟冻融扰动下断层泥性状劣化的可视化剪切系统，包括控制装置、CT成像装置、爆破振动波加载装置、冻融箱以及变角度剪切装置，所述变角度剪切装置设置在冻融箱内，所述冻融箱设置在所述爆破振动波加载装置上，所述爆破振动波加载装置设置在CT成像装置的转台上，所述CT成像装置、所述爆破振动波加载装置、所述冻融箱以及所述变角度剪切装置均与所述控制装置电连接。

优选的，所述爆破振动波加载装置包括振动台底座、振动台面以及若干个振动缸，所述振动缸的缸体底部与振动台底座铰接，所述振动缸的伸缩杆顶部与所述振动台面铰接，所述振动缸与所述控制装置电连接。

优选的，所述冻融箱固定在振动台面上，所述冻融箱包括箱体、制冷机以及加热器，所述加热器连接有换热管道，所述换热管道设置在箱体内侧，所述制冷机连接有制冷管道，所述制冷管道设置在箱体内侧，所述箱体内设置有温度传感器，所述温度传感器、所述制冷机以及所述加热器均与所述控制装置电连接。

优选的，所述变角度剪切装置包括应力加载机构和剪切角度调节机构，所述应力加载机构包括加载底座、加载架体、安装在加载底座上的水平应力加载缸以及安装在加载架体顶部的垂直应力加载缸，所述加载底座中部安装有辊架，所述水平应力加载缸和所述垂直应力加载缸均与所述控制装置电连接。