CN105277379A - 一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节理岩体在不同围压作用下的开挖瞬态卸荷松动模拟试验系统，包括反力墩、液压站、加载系统、加载装置支撑台、杠杆、杠杆支撑、过渡块、过渡块垫盒、带圆槽的实验台、一端封闭的圆环钢管、空压机、设置有位移刻度标记的120°弧形混凝土柱、弧形气囊、节理岩体模型和监测系统；其中，弧形混凝土柱和弧形气囊是用来对节理岩体施加围压的，加载装置用来对节理岩体施加水平压力，弧形混凝土柱内径上设置有位移刻度标记，置于圆环钢管内部，用于放置节理岩体模型；监测系统用来对模拟过程进行监测。本发明能够实现节理岩体模型在不同围压作用下的快速卸荷，并使得节理岩体模型产生较大的振动和应变率，与实际工程中的卸荷情况更为相符。

Description

一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统

技术领域

本发明属于岩土工程模型实验装置领域，尤其涉及一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统。

背景技术

在长期的地质构造运动以及人为扰动作用下，自然界的岩体中会形成各种错综复杂、方向各异的节理。而在深部地下工程爆破开挖过程中，由于开挖扰动导致周围岩体的瞬态卸荷和应力重分布，尤其是在含有节理的岩体中爆破开挖时，通常会表现出节理岩体松动效应。爆破开挖会使开挖面上的初始应力全部或者部分卸除，从而改变了原始节理岩体的几何形状，导致其边界条件和荷载条件发生变化，可能带来严重的节理岩体稳定或变形控制难题。

然而，以往都是通过理论分析和数值模拟的方法对有关节理岩体开挖瞬态卸荷松动的问题进行研究，都不能直观的了解到节理岩体开挖瞬态卸荷松动过程中的应变、位移及振动情况。而现有的模拟开挖卸荷的试验系统卸荷速率又较慢，无法对节理岩体模型上所受到的荷载进行快速的卸除，所以节理岩体在卸荷时的应变率较低，不符合工程中实际的卸荷情况。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统，能够实现节理岩体模型在不同围压作用下的快速卸荷，并使得节理岩体模型产生较大的振动和应变率，与实际工程中的卸荷情况更为相符。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：包括加载系统29、加载装置支撑台25、杠杆15、杠杆支撑14、过渡块17、过渡块垫盒26、带圆槽的实验台27、一端封闭的钢铁圆管23、空压机38、设置有位移刻度标记的120°弧形混凝土柱24、弧形气囊20、节理岩体模型18和监测系统；

加载系统29设置在加载装置支撑台25上，过渡块垫盒26位于加载装置支撑台25与带圆槽的实验台27之间，一端封闭的钢铁圆管23设置在带圆槽的实验台27上；

监测系统包括设置在实验台27外部的高速摄影仪31和计算机37，设置在节理岩体模型18表面的应变计及与其连接的动态应变仪32、振动传感器及与其连接的振动信号采集器33、压力传感器及与其连接的动态信号采集仪36，设置在节理岩体模型18内部的加速度传感器及与其连接的加速度信号采集器34、位移传感器及与其连接的位移信号采集器35，高速摄影仪31、动态应变仪32、振动信号采集器33、动态信号采集仪36、加速度信号采集器34、位移信号采集器35均与计算机37相连；

加载系统29包括液压缸、带螺纹的圆形钢条11、吸盘式电磁铁12、承拉铁块13；

弧形气囊20位于节理岩体模型18上，弧形气囊20上设有排气孔21、打气孔22，打气孔22由进气管与空压机38相连，排气孔21与排气管相连，排气管上设有电控放气阀门39；

过渡块17的一端位于钢铁圆管23的另一端开口处并与节理岩体模型18相接触，杠杆15固定在杠杆支撑14上，杠杆支撑14固定在过渡块垫盒26上，杠杆15的一端插入过渡块17另一端的孔中，杠杆15的另一端上固定有承拉铁块13；承拉铁块13的另一侧设有吸盘式电磁铁12，吸盘式电磁铁12与带螺纹的圆形钢条11的一端相连，带螺纹的圆形钢条11的另一端与加载系统29的活塞7相连；

节理岩体模型18位于一端封闭的钢铁圆管23内，并位于设置有位移刻度标记的120°弧形混凝土柱24上；一端封闭的钢铁圆管23的内弧半径与弧形混凝土柱24的外弧半径一致，弧形混凝土柱24的内弧半径与节理岩体模型18的半径一致，弧形混凝土柱24内弧上设置有位移刻度标记；弧形气囊20的外弧半径与圆环钢管23的内弧半径一致。

按上述技术方案，将弧形气囊20充满气体后，气囊20与弧形混凝土柱24组成一个内直径50mm、外直径150mm的圆环柱。

按上述技术方案，在一端封闭的钢铁圆管23内部左上边和右上边分别等距布置5个弧形气囊20。

按上述技术方案，节理岩体模型为：完整节理岩体模型、单节理岩体模型或/和多节理岩体模型，采用石膏制成；以设置有位移刻度标记的120°弧形混凝土柱24上表面设置有槽尺寸长490mm、半径25mm的弧为例，与该尺寸槽相适配的节理岩体模型18的半径也为25mm，其中，完整节理岩体模型尺寸为长500mm、半径25mm的圆柱体；单节理岩体模型可以为1个长450mm、半径25mm的圆柱体和1个长50mm、半径25mm的圆柱体；多节理岩体模型可以为1个长250mm、半径25mm的圆柱体和5个长50mm、半径25mm的圆柱体组成。

按上述技术方案，过度块17采用钢铁制成，形状为一端有两个对称圆柱孔的圆柱体，其另一端与圆柱形的节理岩体模型的尺寸相适配。

按上述技术方案，实验台27采用高强度混凝土浇筑而成，实验台27尺寸为长610mm、宽370mm、高300mm的长方体，在实验台27上表面的中间设置有一长510mm、直径170mm的半圆槽，用来放置一端封闭的圆环钢管23，圆环钢管23里面填充有一个120°弧形混凝土柱24和十个弧形气囊20。

按上述技术方案，加载装置支撑台25采用高强度混凝土浇筑而成，加载装置支撑台25尺寸为长935mm、宽550mm、高360mm的长方体，两端分别设置有一个长450mm、宽90mm、高130mm的长方体槽。

按上述技术方案，一端封闭的圆环钢管23尺寸为内直径150mm、外直径170mm、长500mm；且钢管左上边和右上边分别对应设有5个打气孔和5个放气孔。

按上述技术方案，实验台27外侧和加载装置支撑台25外侧分别固定有反力墩30。

按上述技术方案，所述的弧形气囊20采用内外径大小不同的橡胶制成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益的效果：

1.本发明针对以往实验方法无法模拟高速率卸荷的不足，实现了在不同围压下节理岩体模型上荷载的快速卸除，使得节理岩体模型产生较大的振动和应变率，更符合实际工程中节理岩体瞬态卸荷的情况；

2.本发明可以实现对高地应力条件下节理岩体瞬态卸荷过程的模拟，并通过对节理岩体模型在瞬态卸荷松动条件下的应变监测、振动监测、压力监测、加速度监测、位移监测及高速摄影，探明地应力瞬态卸荷对节理岩体松动的影响，揭示节理岩体在地应力瞬态卸荷松动条件下的力学行为，对了解高地应力瞬态卸荷条件下的岩体松动规律和岩体开挖工程施工有重要意义；

3.本发明的岩体模型采用不同配合比的石膏材料制成，可通过改变石膏配合比来改变其弹性模量、泊松比、抗压强度等力学参数，从而模拟出不同力学参数的节理岩体；

4.本发明的圆环钢管由一端封闭的钢管和圆环铁盖组成，不仅能装置弧形混凝土柱、节理岩体模型和弧形气囊，还可以为高压气囊提供反力；

5.弧形混凝土柱的内弧半径与节理岩体模型的半径相适配，即可用来放置节理岩体模型，也可与充满气体的弧形气囊组成一个内直径50mm、外直径150mm的圆环柱，对节理岩体模型施加围压；

6.过度块采用钢铁制成，形状为一端有两个对称圆柱孔的圆柱体，可通过两个加载系统对其同时加载，达到对节理岩体模型施加更大荷载的效果；

7.杠杆采用钢铁制成，中间设有带圆孔的槽，便于固定，两端通过铰接分别与承拉铁块以及承压铁块相连接，通过杠杆原理施加荷载；

8.加载系统与吸盘式电磁铁之间通过承拉法兰进行连接，吸盘式电磁铁可通过加载系统的活塞收缩吸住承拉铁块移动，并可实现断电后迅速卸荷的效果。

9.本发明采用高速摄影仪对节理岩体模型的松动过程进行高速摄影记录，采用应变片与动态应变仪对节理岩体模型的应变进行实时记录，采用振动传感器与振动信号采集器采集节理岩体模型的振动速度变化曲线，采用加速度传感器与加速度信号采集器采集节理岩体模型的加速度变化曲线，采用位移传感器与位移信号采集器采集节理岩体模型的位移变化曲线，采用压力传感器与动态信号采集仪采集节理岩体模型在整个加卸载过程中的受力情况。

附图说明

图1为本发明具体实施的结构示意图。

图2为监测系统示意图。

图3为本发明具体实施的俯视示意图。

图4为钢管内气囊气管结构剖面示意图。

图5为钢管内气囊和混凝土柱示意图。

图6为弧形混凝土剖面示意图。

图7为气囊结构示意图。

图8为完整节理岩体模型示意图。

图9为单节理岩体模型示意图。

图10为多节理岩体模型示意图。

图11为过渡块示意图。

图12为加载装置支撑台示意图。

图13为实验台示意图。

图14为过渡块垫盒示意图。

图中：1-油泵；2-液压站控制系统；3-油箱；4A-第一阀门；4B-第二阀门；5A-第一油压表；5B-第二油压表；6A-第一油缸；6B-第二油缸；7-活塞；8A-第一法兰；8B-第二法兰；9-承拉螺帽；10A-第一高压油管；10B-第二高压油管；10C-第三高压油管；10D-第四高压油管；10E-第五高压油管；11-带螺纹的圆形钢条；12-吸盘式电磁铁；13-承拉铁块；14-杠杆支撑；15-杠杆；16-承压铁块；17-过度块；18-节理岩体模型；19-带螺纹孔铁盖；20-弧形气囊；21-排气孔；22-打气孔；23-一端封闭的钢铁圆管；24-设置有位移刻度标记的120°弧形混凝土柱；25-加载装置支撑台；26-过渡块垫盒；27-带圆槽的实验台；28-液压站；29-加载系统；30-反力墩；31-高速摄影仪；32-动态应变仪；33-振动信号采集器；34-加速度信号采集器；35-位移信号采集器；36-动态信号采集仪（压力信号采集器）；37-计算机；38-空压机；39-电控排气阀门；40-气压表。图中尺寸的单位为mm。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1~2所示，本发明的一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统，包括：反力墩30、液压站28、加载系统29、加载装置支撑台25、杠杆15、杠杆支撑14、过渡块17、过渡块垫盒26、带圆槽的实验台27、一端封闭的钢铁圆管23、空压机38、设置有位移刻度标记的120°弧形混凝土柱24、弧形气囊20、节理岩体模型18和监测系统；

加载系统29设置在加载装置支撑台25上，液压站28为加载系统29提供液压动力（加载系统可为液压缸）；过渡块垫盒26位于加载装置支撑台25与带圆槽的实验台27之间，一端封闭的钢铁圆管23设置在带圆槽的实验台27上（钢铁圆管23位于圆槽内）。

监测系统包括设置在实验台27外部的高速摄影仪31和计算机37，设置在节理岩体模型18表面的应变计及与其连接的动态应变仪32、振动传感器及与其连接的振动信号采集器33、压力传感器及与其连接的动态信号采集仪36，设置在节理岩体模型18内部的加速度传感器及与其连接的加速度信号采集器34、位移传感器及与其连接的位移信号采集器35，高速摄影仪31、动态应变仪32、振动信号采集器33、压力信号采集器36、加速度信号采集器34、位移信号采集器35均与计算机37相连；高速摄影仪31用来对实验过程进行高速摄影；应变计及与其连接的动态应变仪32用来测量并记录节理岩体模型的应变变化，并通过动态应变仪32将监测数据传送至计算机37；振动传感器及与其连接的振动信号采集器33用来测量并记录岩体模型的振动速度变化，并通过振动信号采集器33将监测数据传送至计算机37；压力传感器及与其连接的压力信号采集器36用来测量并记录节理岩体模型18（指含节理的岩体模型，或称岩体模型）的压力变化，并通过动态信号采集仪36将监测数据传送至计算机37；加速度传感器及与其连接的加速度信号采集器34用来测量并记录岩体模型的振动加速度变化，并通过加速度信号采集器34将监测数据传送至计算机37；位移传感器及与其连接的位移信号采集器35用来测量并记录岩体模型的位移变化，并通过位移信号采集器35将监测数据传送至计算机37；计算机37接收高速摄影仪31、动态应变仪32、振动信号采集器33、动态信号采集仪（压力信号采集器）36、加速度信号采集器34、位移信号采集器35传来的数据，存储并分析所采集的实验数据。

加载系统29包括液压缸、带螺纹的圆形钢条11、吸盘式电磁铁12、承拉铁块13。

图4所示为给弧形气囊20打气和放气的装置，在一端封闭的钢铁圆管23内部左上边和右上边分别等距布置5个弧形气囊20，弧形气囊位于节理岩体模型18上，弧形气囊上设有排气孔21、打气孔22，打气孔22由进气管与空压机38相连（进气管上设有气压表40），排气孔21与排气管相连，排气管上设有电控放气阀门39，以便弧形气囊充气后对节理岩体模型18施加均匀围压；弧形气囊20通过空压机38对其进行打气，并可通过空压机38来控制弧形气囊内气压的大小，从而控制节理岩体模型18所受围压的大小；通过电控放气阀门39可实现对弧形气囊20快速放气。

过渡块17的一端位于钢铁圆管23的另一端开口处并与节理岩体模型18相接触，杠杆15固定在杠杆支撑14上，杠杆支撑14固定在过渡块垫盒26上，杠杆15的一端插入过渡块17另一端的孔中，杠杆15的另一端上固定有承拉铁块13；承拉铁块13的另一侧设有吸盘式电磁铁12，吸盘式电磁铁12与带螺纹的圆形钢条11的一端相连，带螺纹的圆形钢条11的另一端与加载系统29的活塞7相连。当断掉电源开关后，吸盘式电磁铁12与承拉铁块13分离，过渡块17对节理岩体模型18压力消失，弧形气囊20开始放气，从而实现对节理岩体瞬态卸荷的效果。

承拉螺帽（承拉法兰）9就是一个相当于焊接在液压缸（千斤顶）的活塞7上的螺帽，通过带螺纹的圆形钢条11与吸盘式电磁铁12相连接，因为吸盘式电磁铁尾端带有螺纹孔，这样就可以将千斤顶活塞与吸盘式电磁铁连接成为一个整体。

承压铁块16跟承拉铁块13都与杠杆15相连接，两个对称的承压铁块通过杠杆原理将承拉铁块所受的力施加到过渡块上，进而通过过渡块将压力传到节理岩体模型上。

图5~图7为本具体实施的一端封闭的钢铁圆管23、弧形混凝土柱24以及弧形气囊20的结构尺寸示意图；节理岩体模型18位于一端封闭的钢铁圆管23内（并位于中心，即节理岩体模型18与钢铁圆管同轴线），并位于设置有位移刻度标记的120°弧形混凝土柱24上；一端封闭的钢铁圆管23的内弧半径与弧形混凝土柱24的外弧半径一致，弧形混凝土柱24的内弧半径与节理岩体模型18的半径一致，弧形混凝土柱24内弧上设置有位移刻度标记，用来测定节理岩体模型18各块体的位置和位移；弧形气囊20的外弧半径与圆环钢管23的内弧半径一致，将弧形气囊20充满气体后，气囊20与弧形混凝土柱24组成一个内直径50mm、外直径150mm的圆环柱，给节理岩体施加围压。

图8~10分别为本具体实施中所采用的完整节理岩体模型、单节理岩体模型和多节理岩体模型的示意图，均采用石膏制成，并且可通过改变石膏配合比来改变其弹性模量、泊松比、抗压强度等力学参数，从而模拟出不同力学参数的节理岩体。以设置有位移刻度标记的120°弧形混凝土柱24上表面设置有槽尺寸长490mm、半径25mm的弧为例，与该尺寸槽相适配的节理岩体模型18的半径也为25mm，其中，完整节理岩体模型尺寸为长500mm、半径25mm的圆柱体；单节理岩体模型可以为1个长450mm、半径25mm的圆柱体和1个长50mm、半径25mm的圆柱体；多节理岩体模型可以为1个长250mm、半径25mm的圆柱体和5个长50mm、半径25mm的圆柱体组成；但单节理岩体模型和多节理岩体模型都不只限于上述组合，只要保证块体长度之和为500mm即可。

图11为本具体实施中所采用的过度块17断面示意图，其采用钢铁制成，形状为一端有两个对称圆柱孔的圆柱体，其另一端与圆柱形节理岩体模型的尺寸相适配；当两个加载系统29通过吸盘式电磁铁12对承拉铁块13施加拉力后，承拉铁块13通过杠杆15及承压铁块16对过渡块17施加压力，进而对节理岩体施加压力；当断掉电源后，吸盘式电磁铁12会与承拉铁块13分开，从而对节理岩体的压力也会瞬间消失。

实验台27采用高强度混凝土浇筑而成，实验台27尺寸为长610mm、宽370mm、高300mm的长方体，在实验台27上表面的中间设置有一长510mm、直径170mm的半圆槽，用来放置一端封闭的圆环钢管23，圆环钢管23里面填充有一个120°弧形混凝土柱24和十个弧形气囊20，圆环钢管同时也可为气囊提供支撑反力。

加载装置支撑台25采用高强度混凝土浇筑而成，加载装置支撑台25尺寸为长935mm、宽550mm、高360mm的长方体，两端分别设置有一个长450mm、宽90mm、高130mm的长方体槽，用来放置加载系统29和吸盘式电磁铁12等连接装置。

一端封闭的圆环钢管23尺寸为内直径150mm、外直径170mm、长500mm，圆环铁盖尺寸为内直径50mm、外直径170mm、厚度10mm，通过螺栓将它们进行连接在一起；且钢管左上边和右上边分别对应设有5个打气孔和5个放气孔。

过度块17采用钢铁制成，形状为一端有两个对称圆柱孔的圆柱体，可通过两个加载系统对其同时加载，达到对节理岩体模型施加更大荷载的效果；

实验台27外侧和加载装置支撑台25外侧分别固定有反力墩30，反力墩为整个系统提供反力。实验台与加载装置支撑台之间放置有过渡块垫盒16，过渡块垫盒可以与实验台固定也可以不固定。

杠杆15采用钢铁制成，中间设有带圆孔的槽，便于固定，两端通过铰接分别与承拉铁块13以及承压铁块16相连接。

所述的带圆槽的实验台27、加载装置支撑台25和弧形混凝土柱24均采用混凝土制成。所述的弧形气囊20采用内外径大小不同的橡胶制成。

加载系统29通过吸盘式电磁铁12以及杠杆15对过渡铁块17施加轴向压力，进而对节理岩体模型18施加轴向压力；空压机对钢管内气囊20打气，进而对节理岩体模型施加围压，当同时断掉吸盘式电磁铁12和电控放气阀门的开关后，可实现节理岩体模型的轴压和围压同时卸除的效果。

加载系统29与吸盘式电磁铁12之间通过承拉螺帽（承拉法兰）9进行连接，吸盘式电磁铁12可通过加载系统29的活塞7收缩吸住承拉铁块13移动，并可达到断掉电源后迅速卸荷的效果。

两个加载系统都包括液压缸（双回路油缸），且水平放置于加载装置支撑台18上，油缸的加载端连接有承拉螺帽9，用以对吸盘式电磁铁施加拉力，其另一端固定在加载装置的支撑台18上，油缸通过高压油管与液压站连接。

如图1所示，液压站28包括油泵1、液压站控制系统2、油箱3、第一阀门4A、第二阀门4B、第一油压表5A、第二油压表5B、液压缸、第一高压油管10A、第二高压油管10B、第三高压油管10C、第四高压油管10D、第五高压油管10E；第四高压油管10D的一端、第五高压油管10E的一端分别与油箱3相连通，第五高压油管10E的另一端与油泵1相连，第四高压油管10D的另一端与液压站控制系统2相连通，第三高压油管10C的一端与油泵1相连，第三高压油管10C的另一端与液压站控制系统2相连通，第一高压油管10A的一端、第二高压油管10B的一端分别与液压站控制系统2相连通，第一高压油管10A的另一端与加载系统29的第一油缸6A相连通，第二高压油管10B的另一端加载系统29的第二油缸6B相连通；第一高压油管10A上设有第一阀门4A、第一油压表5A，第二高压油管10B上设有第二阀门4B、第二油压表5B。

液压缸包括缸体、活塞7，缸体内设有活塞7，缸体内设有第一油缸6A和第二油缸6B（如图1所示）；缸体由第一法兰8A和第二法兰8B固定在加载装置支撑台25上。

下面将详细描述本发明的工作过程。

首先，在节理岩体模型表面贴上应变计和压力传感器，并布置振动传感器，在节理岩体模型内部埋设加速度传感器、位移传感器，应变计、压力传感器、振动传感器、加速度传感器、位移传感器分别与动态应变仪、动态信号采集仪、振动信号采集器、加速度信号采集器、位移信号采集器相连接；将节理岩体放置在弧形混凝土柱的内环上，记下节理岩体在弧形混凝土柱上开始的位置，并将它们一起放入圆环钢管内，与钢管封闭的一端紧密接触；盖上铁盖，栓紧螺栓；将对应的过渡块放在过渡块垫盒上，过渡块一侧紧贴节理岩体模型；调整油缸到适当位置，保证吸盘式电磁铁与承拉铁块紧密接触，承压铁块插进过渡块体中；安置好高速摄影仪并调整其各项设置；打开监测系统中所有的装置和设备，并记录各装置和设备的初始值，以便与实验之后的数值进行对比。

接通吸盘式电磁铁12与电控放气阀门39的开关，通过空压机38对气囊20进行打气，并通过压力表40控制气囊内气压的大小，两个加载系统29同时通过吸盘式电磁铁对承拉铁块13施加拉力，承拉铁块通过杠杆15及承压铁块16对过渡块施加压力，进而对节理岩体施加压力，也可以通过油压表5控制加载的大小；当断掉电源后，吸盘式电磁铁12会与承拉铁块分开，放气阀门也会同时打开，实现节理岩体模型18的端部压力和围压同时卸荷的效果。

上述调整油缸的工作原理如下：

通过液压站28将液压站油箱3中的高压液压油经由高压油管10B送入油缸6B内，从而推动活塞7向外推出，并将油缸6A中的液压油经由高压油管10A送回液压站油箱3中，将活塞7前端的承拉螺帽9调节到可与吸盘式电磁铁12相连接的位置。

然后，启动液压站28对过渡块17进行缓慢加载至实验需要的荷载，记录此时液压站中油压表5度数和打气管上气压表40的度数，断掉电源开关，待气囊20内的气体放完后，打开铁盖19，连同弧形混凝土柱24一起取出节理岩体模型24，记录下节理岩体模型在弧形混凝土柱上的位移和位置，并利用监测系统中的计算机37保存动态应变仪32、振动信号采集器33、加速度信号采集器34、位移信号采集器35和动态信号采集仪36的监测数据，根据计算机中的监测数据、油压表度数、气压表度数和节理岩体模型各块体的位移，对节理岩体模型瞬态卸荷松动过程进行模拟。

上述通过液压站对节理岩体模型缓慢加载的工作原理如下：

通过液压站将液压站油箱中的高压液压油经高压油管10A送入油缸6A，从而推动活塞7向内收缩，通过吸盘式电磁铁12吸住承拉铁块13一起移动，承拉铁块通过杠杆将力传给承压铁块，对过渡块施加压力，进而对节理岩体模型进行加载，并将油缸6B中的液压油经油管10B送回液压站油箱中，同时观察液压站中的油压表的变化，通过液压站调节加载的速度和大小。

上述气囊给节理岩体模型施加围压的原理如下：

先接通吸盘式电磁铁12和电控放气阀门39的开关，关闭气囊20放气阀门，再通过空压机38给气囊打气，观察气压表40控制气囊压力的大小，当液压站的油压表5达到要求值之后，停止送气；断开电源，吸盘式电磁铁与承拉铁块13分离，过渡块17对节理岩体18压力消失，气囊20通过电控放气阀门39快速放气，从而达到对节理岩体瞬态卸荷的效果。

最后，将油缸6复位，记录下各监测装置和设备的数值。

上述油缸复位的工作原理如下：

通过液压站28将液压站油箱3中的高压液压油经高压油管10A送入油缸6A，从而推动活塞7向内收缩，带动承拉螺帽9回到初始位置，并将油缸6B中的液压油经高压油管10B送回液压站油箱中，至承拉螺帽复位后立即关闭液压站中的油泵1。

Claims (10)

1.一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：包括加载系统（29）、加载装置支撑台（25）、杠杆（15）、杠杆支撑（14）、过渡块（17）、过渡块垫盒（26）、带圆槽的实验台（27）、一端封闭的钢铁圆管（23）、空压机（38）、设置有位移刻度标记的120°弧形混凝土柱（24）、弧形气囊（20）、节理岩体模型（18）和监测系统；

加载系统（29）设置在加载装置支撑台（25）上，过渡块垫盒(26)位于加载装置支撑台（25）与带圆槽的实验台(27)之间，一端封闭的钢铁圆管(23)设置在带圆槽的实验台(27)上；

监测系统包括设置在实验台(27)外部的高速摄影仪（31）和计算机（37），设置在节理岩体模型(18)表面的应变计及与其连接的动态应变仪（32）、振动传感器及与其连接的振动信号采集器（33）、压力传感器及与其连接的动态信号采集仪（36），设置在节理岩体模型(18)内部的加速度传感器及与其连接的加速度信号采集器(34)、位移传感器及与其连接的位移信号采集器(35)，高速摄影仪（31）、动态应变仪（32）、振动信号采集器（33）、动态信号采集仪(36)、加速度信号采集器(34)、位移信号采集器(35)均与计算机（37）相连；

加载系统（29）包括液压缸、带螺纹的圆形钢条(11)、吸盘式电磁铁(12)、承拉铁块(13)；

弧形气囊（20）位于节理岩体模型(18)上，弧形气囊（20）上设有排气孔(21)、打气孔(22)，打气孔(22)由进气管与空压机（38）相连，排气孔(21)与排气管相连，排气管上设有电控放气阀门(39)；

过渡块（17）的一端位于钢铁圆管(23)的另一端开口处并与节理岩体模型(18)相接触，杠杆(15)固定在杠杆支撑(14)上，杠杆支撑(14)固定在过渡块垫盒（26）上，杠杆(15)的一端插入过渡块（17）另一端的孔中，杠杆(15)的另一端上固定有承拉铁块(13)；承拉铁块(13)的另一侧设有吸盘式电磁铁（12），吸盘式电磁铁（12）与带螺纹的圆形钢条(11)的一端相连，带螺纹的圆形钢条(11)的另一端与加载系统（29）的活塞(7)相连；

节理岩体模型(18)位于一端封闭的钢铁圆管(23)内，并位于设置有位移刻度标记的120°弧形混凝土柱(24)上；一端封闭的钢铁圆管（23）的内弧半径与弧形混凝土柱（24）的外弧半径一致，弧形混凝土柱（24）的内弧半径与节理岩体模型（18）的半径一致，弧形混凝土柱（24）内弧上设置有位移刻度标记；弧形气囊（20）的外弧半径与圆环钢管（23）的内弧半径一致。

2.根据权利要求1所述的一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：将弧形气囊（20）充满气体后，气囊（20）与弧形混凝土柱（24）组成一个内直径50mm、外直径150mm的圆环柱。

3.根据权利要求1所述的一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：在一端封闭的钢铁圆管(23)内部左上边和右上边分别等距布置5个弧形气囊（20）。

4.根据权利要求1所述的一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：节理岩体模型为：完整节理岩体模型、单节理岩体模型或/和多节理岩体模型，采用石膏制成；以设置有位移刻度标记的120°弧形混凝土柱（24）上表面设置有槽尺寸长490mm、半径25mm的弧为例，与该尺寸槽相适配的节理岩体模型（18）的半径也为25mm，其中，完整节理岩体模型尺寸为长500mm、半径25mm的圆柱体；单节理岩体模型可以为1个长450mm、半径25mm的圆柱体和1个长50mm、半径25mm的圆柱体；多节理岩体模型可以为1个长250mm、半径25mm的圆柱体和5个长50mm、半径25mm的圆柱体组成。

5.根据权利要求1所述的一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：过度块（17）采用钢铁制成，形状为一端有两个对称圆柱孔的圆柱体，其另一端与圆柱形的节理岩体模型的尺寸相适配。

6.根据权利要求1所述的一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：实验台（27）采用高强度混凝土浇筑而成，实验台（27）尺寸为长610mm、宽370mm、高300mm的长方体，在实验台（27）上表面的中间设置有一长510mm、直径170mm的半圆槽，用来放置一端封闭的圆环钢管（23），圆环钢管（23）里面填充有一个120°弧形混凝土柱（24）和十个弧形气囊（20）。

7.根据权利要求1所述的一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：加载装置支撑台（25）采用高强度混凝土浇筑而成，加载装置支撑台（25）尺寸为长935mm、宽550mm、高360mm的长方体，两端分别设置有一个长450mm、宽90mm、高130mm的长方体槽。

8.根据权利要求1所述的一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：一端封闭的圆环钢管（23）尺寸为内直径150mm、外直径170mm、长500mm；且钢管左上边和右上边分别对应设有5个打气孔和5个放气孔。

9.根据权利要求1所述的一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：实验台（27）外侧和加载装置支撑台（25）外侧分别固定有反力墩（30）。

10.根据权利要求1所述的一种节理岩体在不同围压下开挖瞬态卸荷松动模拟系统，其特征在于：所述的弧形气囊（20）采用内外径大小不同的橡胶制成。