[发明专利]一种研究爆破动力失稳机理的边坡模型试验方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及高陡边坡露天、地下开采或岩体开挖的各类岩土工程物理模型试验领域，具体涉及一种研究露天转地下开采爆破动力失稳机理的边坡模型试验方法及系统。

背景技术

爆破动力作用导致的失稳边坡是局部的缺陷边坡(含有潜在滑动结构弱面或断层破碎带的边坡)，其引起边坡整体失稳的现象几乎不存在。缺陷边坡的爆破动力作用表现在两个方面；首先是“弱化”作用，即爆破振动荷载反复作用下，岩体结构面力学性质逐渐弱化，导致缺陷边坡累积损伤破坏；其次是“附加荷载”作用，即爆破振动惯性力作用下，缺陷边坡下滑力增大，导致其惯性动力失稳。因此，爆破动力产生的“弱化作用”和“附加荷载作用”，是导致缺陷边坡动力失稳的关键所在。边坡爆破动力稳定性是涉及工程地质学、爆炸力学与岩石动力学等多学科交叉的边缘科学问题。

与边坡静力学相关研究相比，迄今为止，人们在单一露天开采(挖)爆破动力稳定性方面虽已做了不少研究，并取得了一定的认识，但总体来看进展缓慢，仍处探索阶段。特别是在露天转地下开采爆破动力稳定性等问题研究方面，还鲜见涉及。因此，露天转地下开采边坡爆破动力失稳机理研究，是国内外工程地质学界普遍关心而又未解决的前沿和难点课题。

关于爆破振动荷载作用的研究大多采用数值模拟进行分析，但是数值模拟难以模拟爆破振动荷载反复作用，而针对于保证多次可重复且符合相似试验理论的模型试验相对较少，即使现存的有通过鞭炮模拟反复爆破振动，又难以保证控制单一变量原则，其中也有人利用冲击球以不同的水平冲击速度和变化振动装置中水平向弹簧数量来模拟爆破振动，虽然达到了控制单一变量的效果，但是难以达到试验成百上千次爆破振动累积作用的效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种研究露天转地下开采爆破动力失稳机理的边坡模型试验方法及系统，其试验过程便于操作，既可实现控制单一变量原则，解决模拟爆破振动波加载可重复操作性难的问题，又能够客观直接的反映出边坡岩体结构面的抗剪强度在反复爆破振动作用下的衰减规律。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种研究露天转地下开采爆破动力失稳机理的边坡模型试验方法，包括以下步骤：

1)制作试验模型：合理概括高陡边坡原型断层带和上下盘围岩的空间相对关系，并考虑模型试验相似理论及其模型试验的实际可操作性，得出基本物理量的相似比尺，选取典型研究模型断面，并制作与高陡边坡原型区域地质条件相似的小比例尺边坡试验模型，考虑现有试验条件的局限以及试验研究的目的，将试验模型简化为平面应变模型，并最终以试验试块的形式制作并进行研究，试验试块断面包括上盘围岩-断层-下盘围岩；

2)加载试验模型：分为两个部分：①试验试块初始应力状态加载，通过分析边坡原型，对试验模型进行简化分析，然后根据模型试验相似理论对试验试块初始应力状态进行计算，并通过调整弹簧的个数及其与试验试块的距离来对试验试块施加初始应力；②试验试块不同爆破振动模拟荷载加载：在初始应力状态平衡后，通过振动台运行时与模型加载系统的相对位置变化，间接的对试验模型施加不同爆破振动模拟荷载，来研究高陡缺陷边坡在反复加载条件下的边坡岩体结构面的抗剪强度变化规律；

3)模型试验测试：通过应力控制式剪切仪，对每组进行过振动台试验的试验试块进行直剪试验，获取边坡岩体结构面在反复爆破振动作用下抗剪强度的衰减规律。

按上述方案，所述步骤1)试验试块的制作具体包括以下几个工序：

a.根据选取的试验试块断面设计出试验试块形状，并标明上盘围岩、下盘围岩以及断层的具体位置和尺寸；

b.分别以配方量混合各组分得到砂浆状的上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料和断层带相似材料，放入预先制备好的试验试块制作模具中进行养护成型；

c.将制作好的上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料放入试验模型框架中的对应位置处，并以砂浆状的上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料作为胶结剂，将断层带相似材料胶结于上盘围岩体相似材料、下盘围岩体相似材料之间，得到符合试验要求应用于模拟高陡边坡露天转地下开采爆破动力失稳机理研究的试验试块(试验模型)。

按上述方案，所述步骤2)中试验试块初始应力状态施加的具体流程为：预先通过试验计算出弹簧的弹性系数，并根据模型试验相似理论计算出相似转换后的试验试块的初始应力状态，从而计算出试验试块在不同应力状态下，所对应相同弹模弹簧的施加个数及其与试验试块的相对距离；