CN109030224A - 一种模拟隧道推进卸荷的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种模拟隧道推进卸荷的系统和方法，包括系统主框架、垂直方向加载单元、水平方向加载单元、侧向承压挡板、试件垫块、连接线、计算机控制装置和数据采集装置。通过控制垂直方向加载单元、水平方向加载单元和侧向承压挡板，实现对大尺度岩体试件进行同步加载和分区域卸荷，进而有效模拟隧道埋深情况及开挖推进过程；通过计算机控制装置既可以定量控制隧道围岩所处的应力环境，又可以定量模拟隧道开挖应力集中及卸荷的速度；通过数据采集装置实时测定隧道围岩内部应力、位移的演变特征。本申请使得实验室仿真模拟隧道推进开挖卸荷具备时空概念，有利于协助研究人员更好的了解掌握隧道推进开挖卸荷过程诱发围岩破坏及应力演变机理。

Description

一种模拟隧道推进卸荷的系统和方法
技术领域
本发明涉及地下隧道工程安全、岩体卸荷实验技术领域，具体涉及一种模拟隧道推进卸荷的系统和方法，特别涉及一种模拟隧道推进卸荷诱发围岩破坏及应力演变的实验系统和方法。
背景技术
二十一世纪是地下空间的发展世纪，特别是随着城市的快速发展，资源的过渡开发，必然会带来环境污染、能源紧张、交通拥挤和水资源短缺等严重问题，因此人们不得不向地下要生存空间，以缓解土地资源紧张而带来的压力。目前，国家正在大规模进行城市地下空间隧道工程建设，地下隧道的开挖将导致周围扰动岩体产生破坏和应力演变，可能诱发塌方、涌水等动力灾害事故，因此，研究隧道开挖卸荷诱发围岩破坏及应力演变机制具有重要实际意义。
如何开展对隧道等地下工程开挖卸荷诱发围岩破坏及应力演变机制进行研究，国内外主要采用传统的三轴压缩实验机对小尺度的隧道围岩进行卸荷试验或是进行数值分析实验，分析隧道围岩的力学和破坏模式，并且考虑了多种实验条件，例如卸荷速度、应力水平等。然而，实际工程中，隧道开挖是不断推进的，具有一定的时空关系，这也决定着隧道围岩的破坏和应力演变也具有时空机制；数值模拟又不能完全还原现场的真实岩体及受力情况。
因此，有必要研发一套可以模拟隧道推进卸荷诱发围岩破坏及应力演变的大尺度实验系统，这对于理解隧道围岩损伤及应力演变规律、实现安全经济的工程设计和维护具有重要的指导意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种模拟隧道推进卸荷的系统和方法，实现仿真模拟隧道推进卸荷过程，既可以定量控制隧道围岩所处应力环境，又可以定量模拟隧道开挖应力集中及卸荷的速度情况，同时还可以实时测定隧道围岩内部应力、位移的演变特征。
本发明采用以下的技术方案：
一种模拟隧道推进卸荷的系统，包括系统主框架、垂直方向加载单元、左侧水平方向加载单元、右侧水平方向加载单元、侧向承压挡板、试件垫块、应力-应变片、连接线、计算机控制装置和数据采集装置；
所述垂直方向加载单元设置在系统主框架的上方，所述左侧水平方向加载单元和所述右侧水平方向加载单元分别设置在系统主框架的左右两侧，所述试件垫块设置在系统主框架的底边上；所述垂直方向加载单元包括垂向加载板和垂向液压油缸，所述左侧水平方向加载单元包括左侧横向加载板和左侧横向液压油缸，所述右侧水平方向加载单元包括右侧横向加载板和右侧横向液压油缸；
垂向加载板通过垂向液压油缸对放置在试件垫块上的试件施加或卸载向下的垂向应力；左、右侧横向加载板分别通过左、右侧横向液压油缸对放置在试件垫块上的试件施加或卸载水平方向的水平应力；垂向液压油缸、左侧横向液压油缸和右侧横向液压油缸分别与计算机控制装置相连；所述侧向承压挡板固定在试件垫块上，所述应力-应变片粘贴于试件表面，用于测定试件的三向应力应变信息并发送至数据采集装置。
优选地，所述左、右侧横向加载板上分别设有用于放置声发射探头的声发射探头孔，用于监测试样破坏过程中的声发射信号并发送至数据采集装置。
优选地，所述垂向加载板的尺寸为1000mm长×200mm宽×20mm厚，垂向液压油缸对其施加的最大加载荷载为6000kN，最大位移量为300mm。
优选地，所述左、右侧横向加载板的尺寸为200mm长×200mm高×20mm厚，左、右侧横向液压油缸分别对左、右侧横向加载板施加的最大加载荷载为6000kN，最大位移量为300mm。
优选地，所述侧向承压挡板为L型，并在试件垫块上前后对称布置。用于提供给实验试件的侧向约束，能够还原不同埋深、不同应力状态下的隧道环境。
优选地，所述侧向承压挡板上设有挡板与垫块固定螺纹孔，侧向承压挡板通过螺栓与试件垫块固定。
优选地，所述侧向承压挡板的材料采用透明高强橡胶。使得试验过程能够通过高速摄像机进行宏观变形观测。
优选地，所述侧向承压挡板由五组侧向承压挡板单元构成，每个侧向承压挡板单元的尺寸为200mm长×60mm宽×20mm厚。
优选地，所述系统主框架的材料采用实心钢铸成。
一种模拟隧道推进卸荷的方法，包括以下步骤：
(1)将侧向承压挡板取下，在试件及各加载单元的加载板表面涂抹润滑剂以减少试验摩擦，将切割好的岩石试件借助辅助升降设备放置到试件垫块上；将应力-应变片粘贴于试件表面、将声发射探头放置在预制的声发射探头孔内，用以获得岩体试件的应力-应变时空演变过程信息；
(2)根据所要模拟开挖隧道的应力环境计算垂向加载单元、左右侧水平加载单元所需施加的应力；通过计算机控制装置对各加载单元的推进卸荷的载荷、速度和位移量进行设置，进行应力环境仿真模拟；实时采集并将时空演变过程信息发送至特定数据采集装置进行处理；
(3)根据不同试验目的模拟隧道开挖过程中不同加载单元的推进卸荷速度条件进行对侧向承压挡板进行逐步卸荷，使得侧向承压挡板逐步脱离试件；仍实时采集并将时空演变过程信息发送至特定数据采集装置进行处理；
(4)模拟完毕后，清理现场，将实验系统的各个加载单元归回原位，涂抹适当的润滑油防止生锈。
本发明具有的有益效果是：
通过控制垂直方向加载单元、水平方向加载单元和侧向承压挡板，实现对大尺度岩体进行同步加载和分区域卸荷，进而有效模拟隧道埋深情况及开挖推进过程，既可以定量控制隧道围岩所处应力环境，又可以定量模拟隧道开挖应力集中及卸荷的速度情况，同时还可以实时测定隧道围岩内部应力、位移的演变特征；通过计算机控制装置既可以定量控制隧道围岩所处的应力环境，又可以定量模拟隧道开挖应力集中及卸荷的速度情况；通过数据采集装置实时测定隧道围岩内部应力、位移的演变特征；使得实验室仿真模拟隧道推进开挖卸荷具备时空概念，有利于协助研究人员更好的了解掌握隧道推进开挖卸荷过程诱发围岩破坏及应力演变机理，有利于实现经济、安全、合理的进行地下空间工程建设。
附图说明
图1为本申请装置结构示意图；
图2为模拟加载结构示意图；
图3为模拟隧道推进过程的卸载结构示意图；
图4为侧向承压挡板结构示意图。
图中：1、系统主框架；2、垂直方向加载单元；3、水平方向加载单元；4、侧向承压挡板；5、试件垫块；6、连接线；7、计算机控制装置；8、数据采集装置；9、试件；10、挡板与垫板固定螺纹孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明：
结合图1至图4，一种模拟隧道推进卸荷的系统，包括系统主框架、垂直方向加载单元、左侧水平方向加载单元、右侧水平方向加载单元、侧向承压挡板、试件垫块、应力-应变片、连接线、计算机控制装置和数据采集装置。
所述垂直方向加载单元设置在系统主框架的上方，所述左侧水平方向加载单元和所述右侧水平方向加载单元分别设置在系统主框架的左右两侧，所述试件垫块设置在系统主框架的底边上；所述垂直方向加载单元包括垂向加载板和垂向液压油缸，所述左侧水平方向加载单元包括左侧横向加载板和左侧横向液压油缸，所述右侧水平方向加载单元包括右侧横向加载板和右侧横向液压油缸。
垂向加载板通过垂向液压油缸对放置在试件垫块上的试件施加或卸载向下的垂向应力；左、右侧横向加载板分别通过左、右侧横向液压油缸对放置在试件垫块上的试件施加或卸载水平方向的水平应力；垂向液压油缸、左侧横向液压油缸和右侧横向液压油缸分别与计算机控制装置相连；所述侧向承压挡板固定在试件垫块上，所述应力-应变片粘贴于试件表面，用于测定试件的三向应力应变信息并发送至数据采集装置。
所述左、右侧横向加载板上分别设有用于放置声发射探头的声发射探头孔，用于监测试样破坏过程中的声发射信号并发送至数据采集装置。
所述垂向加载板的尺寸为1000mm长×200mm宽×20mm厚，垂向液压油缸对其施加的最大加载荷载为6000kN，最大位移量为300mm。所述左、右侧横向加载板的尺寸为200mm长×200mm高×20mm厚，左、右侧横向液压油缸分别对左、右侧横向加载板施加的最大加载荷载为6000kN，最大位移量为300mm。
所述侧向承压挡板为L型，并在试件垫块上前后对称布置。用于提供给实验试件的侧向约束，能够还原不同埋深、不同应力状态下的隧道环境。所述侧向承压挡板上设有挡板与垫块固定螺纹孔，侧向承压挡板通过螺栓与试件垫块固定。
所述侧向承压挡板的材料采用透明高强橡胶，试验过程能够通过高速摄像机进行宏观变形观测。所述侧向承压挡板由五组侧向承压挡板单元构成，每个侧向承压挡板单元的尺寸为200mm长×60mm宽×20mm厚。
所述系统主框架的材料采用实心钢铸成。
进行模拟隧道推进卸荷诱发围岩破坏及应力演变时：
(1)将侧向承压挡板取下，在试件及各加载单元的加载板表面涂抹润滑剂以减少试验摩擦，将切割好的岩石试件借助辅助升降设备放置到试件垫块上；将应力-应变片粘贴于试件表面、将声发射探头放置在预制的声发射探头孔内、安放高速相机及数字散斑系统，用以获得岩体试件的应力-应变等时空演变过程信息；
(2)根据所要模拟开挖隧道的应力环境计算垂向加载单元、左右侧水平加载单元所需施加的应力；通过计算机控制装置对各加载单元的推进卸荷的载荷、速度和位移量进行设置，进行应力环境仿真模拟；实时采集并将时空演变过程信息发送至特定数据采集装置进行处理；
(3)根据不同试验目的模拟隧道开挖过程中不同加载单元的推进卸荷速度条件进行对侧向承压挡板进行逐步卸荷，使得侧向承压挡板逐步脱离试件；仍实时采集并将时空演变过程信息发送至特定数据采集装置进行处理；
(4)模拟完毕后，清理现场，将实验系统的各个加载单元归回原位，涂抹适当的润滑油防止生锈。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟隧道推进卸荷的系统，其特征在于，包括系统主框架、垂直方向加载单元、左侧水平方向加载单元、右侧水平方向加载单元、侧向承压挡板、试件垫块、应力-应变片、连接线、计算机控制装置和数据采集装置；
所述垂直方向加载单元设置在系统主框架的上方，所述左侧水平方向加载单元和所述右侧水平方向加载单元分别设置在系统主框架的左右两侧，所述试件垫块设置在系统主框架的底边上；所述垂直方向加载单元包括垂向加载板和垂向液压油缸，所述左侧水平方向加载单元包括左侧横向加载板和左侧横向液压油缸，所述右侧水平方向加载单元包括右侧横向加载板和右侧横向液压油缸；
垂向加载板通过垂向液压油缸对放置在试件垫块上的试件施加或卸载向下的垂向应力；左、右侧横向加载板分别通过左、右侧横向液压油缸对放置在试件垫块上的试件施加或卸载水平方向的水平应力；垂向液压油缸、左侧横向液压油缸和右侧横向液压油缸分别与计算机控制装置相连；所述侧向承压挡板固定在试件垫块上，所述应力-应变片粘贴于试件表面，用于测定试件的三向应力应变信息并发送至数据采集装置。
2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道推进卸荷的系统，其特征在于，所述左、右侧横向加载板上分别设有用于放置声发射探头的声发射探头孔，所述声发射探头用于监测试样破坏过程中的声发射信号并发送至数据采集装置。
3.根据权利要求1所述的一种模拟隧道推进卸荷的系统，其特征在于，所述垂向加载板的尺寸为1000mm长×200mm宽×20mm厚，垂向液压油缸对其施加的最大加载荷载为6000kN，最大位移量为300mm。
4.根据权利要求1所述的一种模拟隧道推进卸荷的系统，其特征在于，所述左、右侧横向加载板的尺寸为200mm长×200mm高×20mm厚，左、右侧横向液压油缸分别对左、右侧横向加载板施加的最大加载荷载为6000kN，最大位移量为300mm。
5.根据权利要求1所述的一种模拟隧道推进卸荷的系统，其特征在于，所述侧向承压挡板为L型，并在试件垫块上前后对称布置。
6.根据权利要求5所述的一种模拟隧道推进卸荷的系统，其特征在于，所述侧向承压挡板上设有挡板与垫块固定螺纹孔，侧向承压挡板通过螺栓与试件垫块固定。
7.根据权利要求5所述的一种模拟隧道推进卸荷的系统，其特征在于，所述侧向承压挡板的材料采用透明高强橡胶。
8.根据权利要求5所述的一种模拟隧道推进卸荷的系统，其特征在于，所述侧向承压挡板由五组侧向承压挡板单元构成，每个侧向承压挡板单元的尺寸为200mm长×60mm宽×20mm厚。
9.根据权利要求1所述的一种模拟隧道推进卸荷的系统，其特征在于，所述系统主框架的材料采用实心钢铸成。
10.一种模拟隧道推进卸荷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将侧向承压挡板取下，在试件及各加载单元的加载板表面涂抹润滑剂以减少试验摩擦，将切割好的岩石试件借助辅助升降设备放置到试件垫块上；将应力-应变片粘贴于试件表面、将声发射探头放置在预制的声发射探头孔内，用以获得岩体试件的应力-应变时空演变过程信息；
(2)根据所要模拟开挖隧道的应力环境计算垂向加载单元、左右侧水平加载单元所需施加的应力；通过计算机控制装置对各加载单元的推进卸荷的载荷、速度和位移量进行设置，进行应力环境仿真模拟；实时采集并将时空演变过程信息发送至特定数据采集装置进行处理；
(3)根据不同试验目的模拟隧道开挖过程中不同加载单元的推进卸荷速度条件进行对侧向承压挡板进行逐步卸荷，使得侧向承压挡板逐步脱离试件；仍实时采集并将时空演变过程信息发送至特定数据采集装置进行处理；
(4)模拟完毕后，清理现场，将实验系统的各个加载单元归回原位，涂抹适当的润滑油防止生锈。
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