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

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决上述现有技术存在的技术问题。
6.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。
7.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。
8.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。
9.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。
10.优选的，所述剪切角度调节机构包括上下对称设置的上剪切盒和下剪切盒，所述上剪切盒两侧设置有中部开设通孔的导向块，所述导向块套设在加载架体的导向柱上，所述导向柱安装在加载架体的顶部，所述下剪切盒放置于辊架上并与水平应力加载缸相对设置，所述上剪切盒的顶部与所述垂直应力加载缸相对设置。
11.优选的，所述上剪切盒包括上盒体、上剪切夹具、上旋转轴、上调节轴和上紧固螺母，所述上盒体的两侧开设有半圆形通孔，所述半圆形通孔的边缘设置有角度刻度，所述上剪切夹具与所述上旋转轴固定连接，所述上旋转轴铰接在所述上盒体的两侧，所述上剪切夹具的两侧均固定有所述上调节轴，所述上调节轴穿过所述半圆形通孔并螺纹连接有上紧固螺母；所述下剪切盒包括下盒体、下剪切夹具、下旋转轴、下调节轴和下紧固螺母，所述下盒体的两侧开设有半圆形通孔，所述半圆形通孔的边缘设置有角度刻度，所述下剪切夹具与所述下旋转轴固定连接，所述下旋转轴铰接在所述下盒体的两侧，所述下剪切夹具的两侧均固定有所述下调节轴，所述下调节轴穿过所述半圆形通孔并螺纹连接有下紧固螺母。
12.优选的，所述上剪切夹具和所述下剪切夹具相对设置且均包括底板、第一侧板和第二侧板，两个所述第一侧板相对设置在底板上，所述第二侧板安装在底板上且两端与两个所述第一侧板相连接。
13.一种基于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的试验方法，具体步骤如下：步骤s1：根据地质体中出露断层的产状，制备采动断层样品，采动断层样品，母岩和断层泥的复合结构体，母岩为完整岩块，两块母岩中间断层泥夹层为现场获取的原状样品；步骤s2：将采动断层样品放置于剪切角度调节机构内，根据断层倾角调节上剪切夹具和下剪切夹具的旋转轴并固定锁紧；步骤s3：根据测试要求通过控制装置设置振动波、冻融循环次数、冻融温度以及冻融周期；步骤s4：通过爆破振动波加载装置进行振动波加载，同时通过冻融箱进行冻融循环，直到达到测试要求；步骤s5：开启ct成像装置，对采动断层样品的细观结构进行透明化表征，获取土体基质、土石界面及块石非线性运动的物理参数，建立物理量与振动频幅、冻融次数的关系；步骤s6：对振动波和冻融加载后的采动断层样品进行力学加载试验，
首先通过垂直应力加载缸施加法向应力，达到目标值后，设定保压时间进行保压，使采动断层样品固结；其次通过水平应力加载缸进行剪切应力施加直到采动断层样品破坏，采用是应力控制或者位移控制，剪切应力施加采用逐级增加方式，每一级剪切加载后，启动ct成像装置进行360度转动扫描成像，获取不同剪切应力水平下断层泥细观破坏形态，并获取样品的剪切应力-位移曲线。
14.优选的，选择与测试剪切方向相适配的下剪切夹具和上剪切夹具，将采动断层样品放置在下剪切夹具内，并通过下调节轴转动调节下剪切夹具的角度，并通过下紧固螺母固定角度，再通过上调节轴转动调节上剪切夹具的角度，并通过上紧固螺母固定角度，使得上剪切夹具与下剪切夹具的角度相适配；在步骤s4中，所述振动波为爆破产生的等效随机地震波或简化后的正弦波。
15.优选的，在步骤s4中，剪切过程中，垂直于采动断层样品施加三到五个不同的垂直方向的法向应力，然后再施加水平方向的剪应力，由3-5组数据拟合得到采动断层样品的抗剪强度参数，所述抗剪强度参数包括黏聚力和内摩擦角。
16.因此，本发明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方法，具有以下有益效果：（1）增设爆破振动波加载装置和冻融箱，用于加载冻融环境和振动波，实现冻融环境和振动波加载模拟，提高剪切试验结果的在实际工程中的应用价值。
17.（2）增设ct成像装置，用于观察断层泥内块石和土体基质的相互作用情况，包括块石转动、界面开裂及裂纹扩展等，对结构劣化进行透明化和精细显示。
18.（3）设置有剪切角度调节机构，可以调节角度，针对产状复杂的断层，倾向和倾角发生变化时，均可对不同走向的断层实现剪切力的施加，所述上剪切盒和下剪切盒通过上下旋转轴可以调节角度，实现不同出露产状断层泥的变角度直剪试验，保证了在原位剪切过程中始终沿断层泥所在轴线进行原位剪切，不会剪切到断层两侧的母岩，从而保证了不同冻融循环和不同振动作用下断层泥抗剪强度参数（内摩擦角和黏聚力）的获取。
19.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
20.图1为本发明一种模拟冻融扰动下断层泥性状劣化的可视化剪切系统立体结构示意图；图2为本发明一种模拟冻融扰动下断层泥性状劣化的可视化剪切系统正视图；图3为本发明变角度剪切装置立体图；图4为本发明变角度剪切装置正视图；图5为本发明剪切角度调节机构剖视图；图6为本发明上剪切夹具结构示意图；图7为本发明下盒体结构示意图。
21.附图标记1、控制装置；2、ct成像装置；21、转台；3、爆破振动波加载装置；31、振动台底座；32、振动台面；33、振动缸；4、冻融箱；41、箱体；42、制冷机；43、加热器；5、变角度剪切装置；
51、应力加载机构；511、加载底座；512、加载架体；513、水平应力加载缸；514、垂直应力加载缸；515、辊架；516、导向柱；52、剪切角度调节机构；521、上剪切盒；5211、上盒体；5212、上剪切夹具；5213、上旋转轴；5214、上调节轴；5215、上紧固螺母；5216、导向块；522、下剪切盒；5221、下盒体；5222、下剪切夹具；5223、下旋转轴；5224、下调节轴；5225、下紧固螺母；523、底板；524、第一侧板；525、第二侧板。
具体实施方式
22.实施例为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
23.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
26.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.下面结合附图，对本发明的实施方式作详细说明。
28.参考图1-2，一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1、ct成像装置2、爆破振动波加载装置3、冻融箱4以及变角度剪切装置5。变角度剪切装置5设置在冻融箱4内，冻融箱4设置在爆破振动波加载装置3上，爆破振动波加载装置3设置在ct成像装置2中的转台上，ct成像装置2、爆破振动波加载装置3、冻融箱4以及变角度剪切装置5均与控制装置电连接。
29.控制装置包括控制柜和显示器，用于相应装置的控制和数据的显示，控制装置属于现有技术现在不再详细描述其具体型号。
30.爆破振动波加载装置3包括振动台底座31、振动台面32以及若干个振动缸33，振动缸33采用液压缸或电动推杆等实现伸缩可控器件。振动台底座31固定在ct成像装置2的转台上。振动缸33的缸体底部通过铰接座与振动台底座31铰接，振动缸33的伸缩杆顶部通过铰接座与振动台面32铰接，振动缸33与控制装置1电连接，通过控制装置1控制各个振动缸
33的伸缩量，便于不同振动波的加载。
31.冻融箱4固定在振动台面32上，冻融箱4包括箱体41、制冷机42以及加热器43，加热器43连接有换热管道，换热管道设置在箱体41内侧，制冷机42连接有制冷管道，制冷管道设置在箱体41内侧，箱体41内设置有温度传感器（图中未画出），温度传感器、制冷机42以及加热器43均与控制装置1电连接，用于实现箱体41内变角度剪切装置的冻融循环。
32.如图3-6所示，变角度剪切装置5包括应力加载机构51和剪切角度调节机构52，应力加载机构51包括加载底座511、加载架体512、安装在加载底座511上的水平应力加载缸513以及安装在加载架体512顶部的垂直应力加载缸514，水平应力加载缸513和垂直应力加载缸514均采用千斤顶，水平应力加载,513和垂直应力加载缸514均与控制装置电连接，垂直应力加载缸514用于提供法相加载应力，水平应力加载缸513用于提供剪切应力，加载底座511中部安装有辊架515。 剪切角度调节机构52包括上下对称设置的上剪切盒521和下剪切盒522，上剪切盒521两侧设置有中部开设有通孔的导向块5216，导向块5216套设在加载架体512的导向柱516上，导向柱516安装在加载架体512的顶部，下剪切盒522放置于辊架515上减少摩擦力的影响，并与水平应力加载缸513相对设置，上剪切盒521的顶部与垂直应力加载缸514相对设置。上剪切盒521包括上盒体5211、上剪切夹具5212、上旋转轴5213、上调节轴5214和上紧固螺母5215，上盒体5211的两侧开设有半圆形通孔，半圆形通孔的边缘设置有角度刻度，上剪切夹5212具与上旋转轴5213固定连接，上旋转轴5213的铰接在上盒体5211的两侧，使得上剪切夹5212可以绕上旋转轴5213转动，上剪切夹具5212的两侧均固定有上调节轴5214，上调节轴5214穿过半圆形通孔并螺纹连接有上紧固螺母5215，用于固定上剪切夹具5212的倾斜角度。如图7所示，下剪切盒522与上剪切盒521结构类似包括下盒体5221、下剪切夹具5222、下旋转轴5223、下调节轴5224和下紧固螺母5225。上剪切夹具5212和下剪切夹具5222相对设置且均包括底板523、第一侧板524和第二侧板525，两个第一侧板524相对设置在底板523上，第二侧板525安装在底板523上且两端与两个第一侧板524相连接，对非剪切面进行防护。
33.冻融箱和变角度剪切装置均采用非金属材料，射线容易穿透，便于ct成像装置清楚地成像。
34.一种基于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的试验方法，具体步骤如下：步骤s1：根据地质体中出露断层的产状，制备采动断层样品，采动断层样品，母岩和断层泥的复合结构体，母岩为完整岩块，两块母岩中间断层泥夹层为现场获取的原状样品。
35.步骤s2：将采动断层样品放置于剪切角度调节机构52内，根据断层倾角调节上剪切夹具5212和下剪切夹具5222的旋转轴并固定锁紧。具体步骤为：选择与测试剪切方向相适配的下剪切夹具5212和上剪切夹具5222，将采动断层样品放置在下剪切夹具5212内，并通过下调节轴5214转动调节下剪切夹具5212的角度，并通过下紧固螺母5225固定角度，再通过上调节轴5214转动调节上剪切夹具5222的角度，并通过上紧固螺母5215固定角度，使得上剪切夹具5215与下剪切夹具5222的角度相适配。
36.步骤s3：根据测试要求通过控制装置设置振动波、冻融循环次数、冻融温度以及冻融周期。
37.步骤s4：通过爆破振动波加载装置3进行振动波加载，同时通过冻融箱4进行冻融循环，直到达到测试要求。振动波为爆破产生的等效随机地震波或简化后的正弦波。
38.步骤s5：开启ct成像装置2，对采动断层样品的细观结构进行透明化表征，获取土体基质、土石界面及块石非线性运动的物理参数，建立物理量与振动频幅、冻融次数的关系。
39.步骤s6：对振动波和冻融加载后的采动断层样品进行力学加载试验。
40.首先通过垂直应力加载缸514施加法向应力，达到目标值后，设定保压时间进行保压，使采动断层样品固结。
41.其次通过水平应力加载缸513进行剪切应力施加直到采动断层样品破坏，采用是应力控制或者位移控制，剪切应力施加采用逐级增加方式，每一级剪切加载后，启动ct成像装置2进行360度转动扫描成像，获取不同剪切应力水平下断层泥细观破坏形态，并获取样品的剪切应力-位移曲线。
42.剪切过程中，垂直于采动断层样品施加三到五个不同的垂直方向的法向应力，然后再施加水平方向的剪应力，由3-5组数据拟合得到采动断层样品的抗剪强度参数，所述抗剪强度参数包括黏聚力和内摩擦角。
43.因此，本发明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方法，增设爆破振动波加载装置3和冻融箱4，用于加载冻融环境和振动波，实现冻融环境和振动波加载模拟，提高剪切试验结果的在实际工程中的应用价值。同时增设ct成像装置2，用于观察断层泥内块石和土体基质的相互作用情况，包括块石转动、界面开裂及裂纹扩展等，对结构劣化进行透明化和精细显示。
44.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。