CN103471928A - 深埋隧洞岩爆简易模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深埋隧洞岩爆简易模拟试验系统，包括试件加载盒、类梯形试件、加载油缸、油源、底座和反力钢绞线，所述的试件加载盒又包括U型槽、三棱柱垫块、加载垫块和侧挡板；本发明利用柔性钢绞线特殊的变形特性，在试件破坏时对试件进行破坏能量的迅速补充，满足了岩爆的发生条件；本发明试验系统的刚度还可以根据实验需要进行调整，从而更方便更系统的研究岩爆的发生规律；由于本发明取深埋隧洞围岩的一部分进行试验，因此相对于现有全断面模型试验装置，可以开展大比例尺的模型试验；本发明有充分的力学理论依据，有助于试验和理论的结合，促进工程理论的发展。

Description

深埋隧洞岩爆简易模拟试验系统

技术领域

本发明涉及深部工程岩爆发生规律的研究，特别是涉及一种深埋隧洞岩爆简易模拟试验系统。

背景技术

岩爆是在高地应力地区硬岩隧洞施工中经常发生的一种动力地质灾害。因为岩爆发生时会有大量岩块飞出，往往会给人员、设备造成重大灾害，所以岩爆问题倍受人们关注。尽管国内外学者对岩爆问题采用多种手段，做了多项工作，也取得了不少成果，但目前仍有不少问题尚待研究解决。研究岩爆发生规律，不仅要通过理论分析，更要通过室内模拟实验来探索其本质规律。

从能量角度考虑，当岩爆体在高应力作用下吸收的内能达到极限时，围岩不再挤压变形，它就与围岩保持平衡状态。围岩再挤压变形，它就产生破坏，围岩挤压变形迅速这种破坏就成岩爆。岩爆体材料变形达到极限后，围岩再变形（再挤压），就是对岩爆体进行破坏能量补充。

上述观点启示我们，在岩爆模拟试验中，也必须对试件进行破坏能量的迅速补充。也就是说，要使材料发生岩爆，就必须在材料破坏时迅速补充加载。而要迅速加载，油缸的油路就必须迅速供油。但普通油压控制系统供油需要一个过程，这个过程远远慢于材料的破坏速度，外力功与材料内能保持动态的平衡状态，随荷载增加，破坏范围逐渐增大，停止增加荷载，破坏也就停止，无法使试件产生剧烈岩爆，所以必须加以改进。

为了实现对试件迅速补充加载，有学者提出了弹簧加载系统和油-气复合加载器系统。但是，弹簧加载系统所能达到的刚度和荷载有限，不能满足大型试验的要求，且一旦制作完成不能再改变其刚度以适应不同的试件。油-气复合加载器系统通过其气体压力的快速释放来实现迅速加载，但是其刚度难以确定且迅速变化，与实际围岩的边界条件有一定差别。另外，中国专利201210093384.7和201210102230.X公布了一种模拟冲击型岩爆的实验设备和方法，其加载系统为普通油压加载系统，通过输入扰动荷载来模拟岩爆，未能实现对试件迅速补充加载。

另外，上述各种实验设备还存在一个共同问题，即对隧洞全断面进行模拟测试，受试件尺寸的限制，可模拟硐室的尺寸较小，因此不能开展大比例尺的模型试验。而岩爆是一种剧烈的岩石动力现象，尺寸效应对实验结果影响较大，通过小试件进行模拟实验时往往效果不明显，因此不能很好的研究岩爆的发生规律。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种深埋隧洞岩爆简易模拟试验系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种深埋隧洞岩爆简易模拟试验系统，其特征在于，包括试件加载盒、类梯形试件、加载油缸、油源、底座和反力钢绞线；

所述的试件加载盒，包括U型槽、三棱柱垫块、加载垫块和侧挡板；U型槽为整体结构，包括底板和两个侧壁；三棱柱垫块两个直角面分别与U型槽的底板和侧壁内表面接触，其斜面倾角与类梯形试件两个斜面倾角匹配；加载垫块下表面为圆弧形，与类梯形试件上表面接触，其上半部分向两侧延伸，并在两侧分别设有一排竖直通孔，以便固定反力钢绞线；侧挡板固定在U型槽的前后两侧，其作用在于防止类梯形试件发生轴向变形，以满足平面应变状态的要求；

所述的类梯形试件，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，左右侧面与三棱柱垫块斜面接触，前后侧面与侧挡板内表面接触，四个侧面和上表面均涂有润滑材料，以减小其受到的剪应力，下表面和U型槽底板内表面之间预留变形空间；

所述的加载油缸，一端支撑在底座上，另一端对试件加载盒施加压力；所述的油源，与加载油缸相连；

所述的反力钢绞线，共有两排，其中任意一条的一端固定在底座上，另一端固定在试件加载盒的加载垫块上；根据岩样试件的刚度，可以调整钢绞线数目或截面积来使试验系统具有不同的刚度，以进行不同条件下的实验。

作为一种优选方式，本发明还包括支撑导轨，固定在底座上，其作用是在实验前托住试件加载盒，在实验过程中防止试件加载盒发生偏斜。

作为一种优选方式，本发明还包括应力传感器和位移传感器，其作用是在实验过程中监测试件受力和变形情况。

根据试验需要，可以改变三棱柱垫块斜面的倾角和加载垫块弧形钢板的形状，以匹配模拟不同尺寸的类梯形试件。

本发明的原理和优点是：

深埋隧洞围岩的受力、变形和破坏问题可以近似认为是轴对称问题，因此，取其一部分（即本发明所述类梯形试件）进行试验即可反映围岩整体的性质；由于本发明仅取围岩的一部分进行分析，相对于现有全断面模型试验装置，可以开展超大比例尺的模型试验。

根据目前研究认为，当试件破坏时会迅速产生一定的位移，普通试验机加载速度有限；本发明通过多根反力钢绞线代替普通试验机的立柱对试件施加反力，试件破坏时反力钢绞线会瞬间收缩，对试件进行破坏能量的迅速补充，满足了岩爆的发生条件；相对于弹簧加载系统，本发明采用的反力钢绞线可以获得更大的刚度和荷载条件，同时本发明试验机的刚度还可以根据实验需要进行调整，更方便更系统的研究岩爆的发生规律。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明的力学原理图；

图2为本发明的主体结构示意图。

具体实施方式

结合附图1，本发明采用局部试件的原理在于，深埋隧洞围岩的受力、变形和破坏问题可以认为是轴对称问题；对于轴对称问题，可以取其一部分，即本发明所述类梯形试件5，进行试验即可反映围岩整体的性质。

结合附图2，一种深埋隧洞岩爆简易模拟试验系统，包括试件加载盒、类梯形试件5、加载油缸6、底座7、反力钢绞线8、支撑导轨9和油源。

所述的试件加载盒，包括U型槽1、三棱柱垫块2、加载垫块3和侧挡板；U型槽1为整体结构，包括底板和两个侧壁；三棱柱垫块2两个直角面分别与U型槽1的底板和侧壁内表面接触，其斜面倾角与类梯形试件5的两个斜面倾角匹配；加载垫块3下表面为圆弧形，与类梯形试件5上表面接触，其上半部分向两侧延伸，并在两侧分别设有一排竖直通孔，以便固定反力钢绞线8；侧挡板固定在U型槽1的前后两侧，其作用在于防止类梯形试件发生轴向变形，以满足平面应变状态的要求。

所述的类梯形试件5，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，左右侧面与三棱柱垫块2斜面接触，前后侧面与侧挡板内表面接触，四个侧面和上表面均涂有润滑材料，以减小其受到的剪应力，下表面和U型槽1底板内表面之间预留变形空间。

所述的加载油缸6，一端支撑在底座8上，另一端对试件加载盒施加压力；所述的油源，与加载油缸6相连。

所述的反力钢绞线7，共有两排，其中任意一条的一端固定在底座8上，另一端固定在试件加载盒的加载垫块3上；根据岩样试件的刚度，可以调整钢绞线数目或截面积来使试验系统具有不同的刚度，以进行不同条件下的实验。

所述的支撑导轨9，固定在底座8上，其作用是在实验前托住试件加载盒，在实验过程中防止试件加载盒发生偏斜。

以上所述实施例，只是本发明较优选的具体的实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种深埋隧洞岩爆简易模拟试验系统，其特征在于：包括试件加载盒、类梯形试件、加载油缸、油源、底座和反力钢绞线；

所述的试件加载盒，包括U型槽、三棱柱垫块、加载垫块和侧挡板；U型槽为整体结构，包括底板和两个侧壁；三棱柱垫块两个直角面分别与U型槽的底板和侧壁内表面接触，其斜面倾角与类梯形试件两个斜面倾角匹配；加载垫块下表面为圆弧形，其上半部分两侧分别设有一排竖直通孔；侧挡板固定在U型槽的前后两侧；

所述的类梯形试件，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，左右侧面与三棱柱垫块斜面接触，前后侧面与侧挡板内表面接触，四个侧面和上表面均涂有润滑材料，下表面和U型槽底板内表面之间预留变形空间；

所述的加载油缸，一端支撑在底座上，另一端对试件加载盒施加压力；所述的油源，与加载油缸相连；

所述的反力钢绞线，共有两排，其中任意一条的一端固定在底座上，另一端固定在试件加载盒的加载垫块上。

2.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞岩爆简易模拟试验系统，其特征在于，包括支撑导轨，固定在底座上。

3.根据权利要求1所述的一种深埋隧洞岩爆简易模拟试验系统，其特征在于，包括应力传感器和位移传感器。

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