本實(shí)用新型涉及一種巖石力學(xué)真三軸試驗(yàn)的試樣夾具，用于動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆模擬的真三軸試驗(yàn)，屬于巖石力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，國內(nèi)外的礦山、水利水電工程、交通隧道、國防防護(hù)工程、核廢料埋設(shè)等地下工程向深部不斷擴(kuò)展。在深部巖體開挖過程中，常遇到巖爆災(zāi)害問題。巖爆是指巖體中聚積的彈性變形勢能在開挖擾動(dòng)條件下突然猛烈釋放從而導(dǎo)致巖體碎塊爆裂并以一定初速度彈射出來的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。巖爆可分為應(yīng)變型巖爆與動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆兩大類型。應(yīng)變型巖爆是指高地應(yīng)力巖體由于開挖卸荷引起的應(yīng)力集中超過圍巖的承載能力導(dǎo)致巖體積蓄的彈性應(yīng)變能急劇釋放的巖爆。動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆是指開挖前地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或開挖后切向應(yīng)力集中作用而存儲(chǔ)大量彈性應(yīng)變能的巖體在工程爆破、機(jī)械振動(dòng)、地震波等外界動(dòng)力擾動(dòng)作用下觸發(fā)的巖爆。動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆的發(fā)生具有隨機(jī)性、滯后性和突然性等三個(gè)特點(diǎn)，可導(dǎo)致深部地下巖體工程施工中人員的傷亡、開挖設(shè)備的毀壞和工期的拖延，從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

當(dāng)前，動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆的發(fā)生機(jī)理尚不清楚，導(dǎo)致巖爆預(yù)測問題成為了世界性難題，迫切需要通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)來揭示其發(fā)生機(jī)理。與單軸、常規(guī)三軸、真三軸等常規(guī)試驗(yàn)相比較，考慮單面臨空的真三軸試驗(yàn)可以更好地模擬地下洞室開挖后臨空面附近圍巖單元的受力狀態(tài)，并可實(shí)現(xiàn)巖爆碎塊彈射過程的觀測，該類型試驗(yàn)將成為巖爆室內(nèi)試驗(yàn)的一種發(fā)展趨勢。

地下洞室開挖后，巖體出現(xiàn)臨空面，而臨空面附近圍巖單元的受力狀態(tài)從三向六面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向五面應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)逐漸增大的切向應(yīng)力超過巖體承載力時(shí)將導(dǎo)致應(yīng)變型巖爆的發(fā)生，當(dāng)切向應(yīng)力不超過但接近于巖體承載力時(shí)，動(dòng)力擾動(dòng)通過應(yīng)力波可觸發(fā)動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆。巖爆發(fā)生時(shí)，巖石碎塊通過臨空面向洞內(nèi)猛烈彈射。因此，與真三軸壓縮試驗(yàn)利用夾具將立方體巖樣進(jìn)行三向六面包圍不同，真三軸巖爆試驗(yàn)需要巖樣在三向受力的條件下至少出現(xiàn)一個(gè)臨空面。

申請(qǐng)?zhí)枮镃N201110099596.1的專利介紹了一種環(huán)狀骨架的真三軸試驗(yàn)巖樣裝置，該夾具適用于油壓加載試驗(yàn)機(jī)的加載，無法適用于剛性推頭壓力加載。

申請(qǐng)?zhí)枮镃N201310178266.0的專利介紹了一種可進(jìn)行真三軸力學(xué)試驗(yàn)的夾具裝置，該模型無法實(shí)現(xiàn)單面臨空、三向五面受力且一向擾動(dòng)荷載等基本受力條件下的動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆的模擬。為了利用真三軸試驗(yàn)機(jī)在室內(nèi)再現(xiàn)動(dòng)力擾動(dòng)性巖爆，需要開發(fā)新的巖樣夾具，以實(shí)現(xiàn)保持單面臨空、三向五面加載軸向力且施加擾動(dòng)荷載等三個(gè)特殊條件下的真三軸巖爆試驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種用于動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆模擬的真三軸試驗(yàn)夾具。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)措施：

一種用于動(dòng)力擾動(dòng)型真三軸巖爆試驗(yàn)的巖樣夾具，包括頂壓板、底壓板、左壓板、右壓板、后壓板、水平擾動(dòng)桿、豎直擾動(dòng)桿、若干個(gè)普通螺釘以及若干個(gè)U形頭螺釘，

所述左壓板與巖樣的接觸面上開有用于放置應(yīng)變片的應(yīng)變片槽，應(yīng)變片槽中開有應(yīng)變片線通孔，

所述右壓板與巖樣的接觸面上開有水平擾動(dòng)桿安裝通孔，水平擾動(dòng)桿安裝在水平擾動(dòng)桿安裝通孔中，

所述頂壓板與巖樣的接觸面上開有豎直擾動(dòng)桿安裝通孔，豎直擾動(dòng)桿安裝在豎直擾動(dòng)桿安裝通孔中，

所述頂壓板、底壓板、左壓板、右壓板以及后壓板的四周側(cè)面均設(shè)有螺孔，

所述頂壓板安裝在巖樣的頂面，底壓板安裝在巖樣的底面，左壓板安裝在巖樣的左側(cè)，右壓板安裝在巖樣的右側(cè)，后壓板安裝在巖樣的后側(cè)，并由安裝在螺孔中的普通螺釘和U形頭螺釘連接組裝成一個(gè)單面臨空的框架。

進(jìn)一步的，所述普通螺釘和U形頭螺釘?shù)木唧w安裝結(jié)構(gòu)如下：所述普通螺釘位于U形頭螺釘?shù)念^部U形槽中，U形頭螺釘和普通螺釘中的一個(gè)安裝在頂壓板和底壓板四周的螺孔中，另一個(gè)安裝在左壓板、右壓板和后壓板頂面和底面螺孔中。

進(jìn)一步的，

所述普通螺釘和U形頭螺釘?shù)木唧w安裝結(jié)構(gòu)如下：

所述U形頭螺釘安裝在頂壓板和底壓板的左側(cè)面、右側(cè)面和后側(cè)面的螺孔中，普通螺釘安裝在左壓板、右壓板和后壓板頂面和底面螺孔中，普通螺釘位于U形頭螺釘?shù)念^部U形槽中。

進(jìn)一步的，

所述普通螺釘和U形頭螺釘?shù)木唧w安裝結(jié)構(gòu)如下：

所述左壓板底面螺孔中安裝有普通螺釘，左壓板頂面螺孔中安裝有U形頭螺釘，

所述頂壓板左側(cè)面螺孔中安裝有普通螺釘，頂壓板右側(cè)面螺孔中安裝有U形頭螺釘，

所述右壓板頂面螺孔中安裝有普通螺釘，右壓板底面螺孔中安裝有U形頭螺釘，

所述底壓板右側(cè)面螺孔中安裝有普通螺釘，底壓板左側(cè)面螺孔中安裝有U形頭螺釘，

所述后壓板頂面和底面螺孔中安裝有普通螺釘，頂壓板后側(cè)面和底壓板后側(cè)面螺孔中安裝有U形頭螺釘，在位置相對(duì)應(yīng)的一組中，普通螺釘安裝在U形頭螺釘?shù)念^部U形槽中。

進(jìn)一步的，

所述頂壓板與巖樣的頂面的形狀一致，底壓板與巖樣的底面的形狀一致，左壓板與巖樣的左側(cè)面的形狀一致，右壓板與巖樣的右側(cè)面的形狀一致，后壓板與巖樣的后側(cè)面的形狀一致，各側(cè)壓板超過百分之九十五的面積覆蓋巖樣對(duì)應(yīng)面面積，且安裝時(shí)，頂壓板位于巖樣頂面的正中央，底壓板位于巖樣底面的正中央，左壓板位于巖樣左側(cè)面的正中央，右壓板位于巖樣右側(cè)面的正中央，后壓板位于巖樣后側(cè)面的正中央。

進(jìn)一步的，

所述頂壓板左邊緣和前邊緣與巖樣頂面左邊緣和前邊緣平齊，

所述底壓板右邊緣和后邊緣與巖樣底面右邊緣和后邊緣平齊，

所述左壓板下邊緣和前邊緣與巖樣左側(cè)面下邊緣和前邊緣平齊，

所述右壓板上邊緣和后邊緣與巖樣右側(cè)面上邊緣和后邊緣平齊，

所述后壓板上邊緣和左邊緣與巖樣右側(cè)面上邊緣和左邊緣平齊。

進(jìn)一步的，所述頂壓板和底壓板與巖樣接觸面的相對(duì)面的中心設(shè)有確保夾具置于加載平臺(tái)的中央頂定位孔和底定位孔。

本實(shí)用新型取得了以下技術(shù)效果：

本實(shí)用新型通過上述的技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)利用真三軸壓力推頭通過夾具給立方體巖樣的三個(gè)方向的五個(gè)表面?zhèn)鬟f均勻壓力，以模擬地下洞室開挖后洞壁上的圍巖單元的“單面臨空，三向五面”受壓應(yīng)力狀態(tài)，解決了傳統(tǒng)真三軸試驗(yàn)夾具未能完全覆蓋試件表面積而造成的“端角效應(yīng)”問題，進(jìn)而給試驗(yàn)結(jié)果帶來不利影響的局限性問題。

本實(shí)用新型通過上述的技術(shù)方案，可以利用具有剛性壓力推頭的真三軸試驗(yàn)機(jī)通過夾具向巖樣施加“三向五面”的靜力荷載后再施加動(dòng)力擾動(dòng)荷載直至臨空面發(fā)生巖爆彈射破壞現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆的室內(nèi)模擬，克服傳統(tǒng)真三軸試驗(yàn)夾具不適用于動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆試驗(yàn)的不足，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便的優(yōu)點(diǎn)，適用于具有剛性壓力推頭的真三軸試驗(yàn)機(jī)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實(shí)施例3各側(cè)壓板安裝方式的主視圖。

圖3為實(shí)施例3各側(cè)壓板安裝方式的后視圖。

圖4為實(shí)施例3各側(cè)壓板安裝方式的俯視圖。

圖5為實(shí)施例3各側(cè)壓板安裝方式的仰視圖。

圖6為使用本實(shí)用新型夾具的巖爆彈射破壞過程影像圖。

圖中：1-頂壓板，2-底壓板，3-右壓板，4-左壓板，5-U形頭螺釘，6-普通螺釘，7-豎直擾動(dòng)桿，8-水平擾動(dòng)桿，9-應(yīng)變片線通孔，10-應(yīng)變片槽，11-頂定位孔，12-底定位孔，13-巖樣，14-螺孔，15-后壓板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和隧洞洞軸向動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆實(shí)例，對(duì)本實(shí)用新型專利作進(jìn)一步說明：

實(shí)施例1

一種用于動(dòng)力擾動(dòng)型真三軸巖爆試驗(yàn)的巖樣夾具，包括頂壓板1、底壓板2、左壓板4、右壓板3、后壓板15、水平擾動(dòng)桿8、豎直擾動(dòng)桿7、若干個(gè)普通螺釘6以及若干個(gè)U形頭螺釘5，

所述左壓板4與巖樣13的接觸面上開有用于放置應(yīng)變片的應(yīng)變片槽10，應(yīng)變片槽10中開有應(yīng)變片線通孔9，

所述右壓板3與巖樣13的接觸面上開有水平擾動(dòng)桿8安裝通孔，水平擾動(dòng)桿8安裝在水平擾動(dòng)桿8安裝通孔中，

所述頂壓板1與巖樣13的接觸面上開有豎直擾動(dòng)桿7安裝通孔，豎直擾動(dòng)桿7安裝在豎直擾動(dòng)桿7安裝通孔中，

所述頂壓板1、底壓板2、左壓板4、右壓板3以及后壓板15的四周側(cè)面均設(shè)有螺孔14，

所述頂壓板1安裝在巖樣13的頂面，底壓板2安裝在巖樣13的底面，左壓板4安裝在巖樣13的左側(cè)，右壓板3安裝在巖樣13的右側(cè)，后壓板15安裝在巖樣13的后側(cè)，并由安裝在螺孔14中的普通螺釘6和U形頭螺釘5連接組裝成一個(gè)單面臨空的框架。

所述普通螺釘6和U形頭螺釘5的具體安裝結(jié)構(gòu)如下：所述普通螺釘6位于U形頭螺釘5的頭部U形槽中，U形頭螺釘5和普通螺釘6中的一個(gè)安裝在頂壓板1和底壓板2四周的螺孔14中，另一個(gè)安裝在左壓板4、右壓板3和后壓板15頂面和底面螺孔14中。

所述頂壓板1和底壓板2與巖樣13接觸面的相對(duì)面的中心設(shè)有確保夾具置于加載平臺(tái)的 中央頂定位孔11和底定位孔12。

夾具的安裝方法為：

(1)將用于測試試樣變形的應(yīng)變片安裝在左壓板4的應(yīng)變片槽10中，應(yīng)變片線從應(yīng)變片線通孔9中引出，將水平擾動(dòng)桿8安裝到右壓板3的水平擾動(dòng)桿8安裝通孔，將豎直擾動(dòng)桿7安裝到頂壓板1的豎直擾動(dòng)桿7安裝通孔中；

(2)將立方體巖樣13放置在底壓板2上，再將頂壓板1放置在巖樣13頂面；將左壓板4、右壓板3和后壓板15分別安裝在巖樣13的左側(cè)、右側(cè)以及后側(cè)；

(3)然后將普通螺釘6和U形頭螺釘5安裝到頂壓板1和底壓板2的左側(cè)面、右側(cè)面和后側(cè)面的螺孔14中以及左壓板4、右壓板3和后壓板15的頂面和底面螺孔14中，所述頂壓板1、底壓板2、左壓板4、右壓板3以及后壓板15的四周側(cè)面是指以與巖樣13的接觸面及其相對(duì)面為基準(zhǔn)，其他四個(gè)面為四周側(cè)面；

(4)安裝左壓板4時(shí)，使得左壓板4上端與頂壓板1左側(cè)面的普通螺釘6和U形頭螺釘5成為一組，普通螺釘6安裝在U形頭螺釘5的頭部U形槽中，其他位置的安裝方法同上；

(5)將裝好夾具的巖樣13放置于真三軸試驗(yàn)機(jī)的加載平臺(tái)上，保證底定位孔12與試驗(yàn)機(jī)加載平臺(tái)中心的圓柱形定位銷釘相對(duì)應(yīng)。

本實(shí)用新型的試樣夾具采用CrWMn的鋼材制作，設(shè)置U形頭螺釘5的目的主要是為了滿足巖樣13在受力后變形過程中普通螺釘6可以起到滑塊的作用沿著U形頭螺釘5上的滑槽同步發(fā)生一定的位移，從而保證夾具滿足在單面臨空、三向五面受力條件下將三個(gè)相互垂直方向的推力轉(zhuǎn)化為巖樣13五個(gè)面均布力，并從一個(gè)豎直方向和一個(gè)水平方向通過擾動(dòng)桿高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳遞而來的動(dòng)力擾動(dòng)荷載的要求。

為了使得各側(cè)壓板能對(duì)巖樣13施加均勻的壓力，并且保證巖樣13受力發(fā)生形變時(shí)，各側(cè)壓板能夠往相應(yīng)的方向移動(dòng)，我們提出了實(shí)施例2和實(shí)施例3兩種較優(yōu)的具體安裝結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例2

所述頂壓板1與巖樣13的頂面的形狀一致，底壓板2與巖樣13的底面的形狀一致，左壓板4與巖樣13的左側(cè)面的形狀一致，右壓板3與巖樣13的右側(cè)面的形狀一致，后壓板15與巖樣13的后側(cè)面的形狀一致，各側(cè)壓板超過百分之九十五的面積覆蓋巖樣對(duì)應(yīng)面面積(意味著各側(cè)壓板面積小于巖樣對(duì)應(yīng)面面積且大于巖樣對(duì)應(yīng)面面積的百分之九十五)，且安裝時(shí)，頂壓板1位于巖樣13頂面的正中央，底壓板2位于巖樣13底面的正中央，左壓板4位于巖樣13左側(cè)面的正中央，右壓板3位于巖樣13右側(cè)面的正中央，后壓板15位于巖樣13后側(cè)面的正中央。這是為了防止巖樣受力體積縮小后各側(cè)壓板不互相抵觸，保證壓板能夠?qū)r樣 均勻的施力。

這是為了防止巖樣受力體積縮小后各側(cè)壓板不互相抵觸，保證壓板能夠?qū)r樣均勻的施力。

本實(shí)施例的普通螺釘6和U形頭螺釘5的具體安裝結(jié)構(gòu)如下：

所述U形頭螺釘5安裝在頂壓板1和底壓板2的左側(cè)面、右側(cè)面和后側(cè)面的螺孔14中，普通螺釘6安裝在左壓板4、右壓板3和后壓板15頂面和底面螺孔14中，普通螺釘6位于U形頭螺釘5的頭部U形槽中。

實(shí)施例3

所述左壓板4、右壓板3以及后壓板15的尺寸一致，頂壓板1和底壓板2的尺寸一致，頂壓板1、底壓板2、左壓板4、右壓板3以及后壓板15的尺寸大于巖樣13對(duì)應(yīng)頂面、底面、左側(cè)面、右側(cè)面以及后側(cè)面的尺寸，安裝時(shí)，各側(cè)壓板通過相互錯(cuò)開組合在一起，已達(dá)到滿足試件變形所帶來的移動(dòng)。

所述頂壓板1左邊緣和前邊緣與巖樣13頂面左邊緣和前邊緣平齊，

所述底壓板2右邊緣和后邊緣與巖樣13底面右邊緣和后邊緣平齊，

所述左壓板4下邊緣和前邊緣與巖樣13左側(cè)面下邊緣和前邊緣平齊，

所述右壓板3上邊緣和后邊緣與巖樣13右側(cè)面上邊緣和后邊緣平齊，

所述后壓板15上邊緣和左邊緣與巖樣13右側(cè)面上邊緣和左邊緣平齊。

本實(shí)施例的普通螺釘6和U形頭螺釘5的具體安裝結(jié)構(gòu)如下：

所述左壓板4底面螺孔14中安裝有普通螺釘6，左壓板4頂面螺孔14中安裝有U形頭螺釘5，

所述頂壓板1左側(cè)面螺孔14中安裝有普通螺釘6，頂壓板1右側(cè)面螺孔14中安裝有U形頭螺釘5，

所述右壓板3頂面螺孔14中安裝有普通螺釘6，右壓板3底面螺孔14中安裝有U形頭螺釘5，

所述底壓板2右側(cè)面螺孔14中安裝有普通螺釘6，底壓板2左側(cè)面螺孔14中安裝有U形頭螺釘5，

所述后壓板15頂面和底面螺孔14中安裝有普通螺釘6，頂壓板1后側(cè)面和底壓板2后側(cè)面螺孔14中安裝有U形頭螺釘5，在位置相對(duì)應(yīng)的一組中，普通螺釘6安裝在U形頭螺釘5的頭部U形槽中。

實(shí)施例4

為模擬隧洞洞軸向方向的動(dòng)力擾動(dòng)型巖爆，對(duì)100mm×100mm×200mm尺寸的紅色粗晶花崗巖立方體試件進(jìn)行本實(shí)用新型夾具安裝，將安裝有夾具的巖石試件放置于具有剛性推頭的真三軸試驗(yàn)機(jī)的加載平臺(tái)中心，采用具有剛性壓力推頭的三軸試驗(yàn)機(jī)，以0.5MPa/s的加載速率同時(shí)加載σ₃至5MPa、σ₂至30MPa、σ₁至221MPa(巖石試件單面臨空真三軸強(qiáng)度260MPa的85％)，保持σ₁、σ₂、σ₃不變，通過水平擾動(dòng)桿8在水平方向上對(duì)巖石試件右側(cè)面施加動(dòng)力余弦波(頻率f＝10Hz，幅值A(chǔ)＝200kN)至試件發(fā)生巖爆彈射破壞，巖樣13臨空面的巖爆彈射破壞過程影像如圖6所示。