CN110006752B - 非圆形巷道无支护围岩应力与位移粘弹性分析的试验装置 - Google Patents

非圆形巷道无支护围岩应力与位移粘弹性分析的试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非圆形巷道无支护围岩应力与位移粘弹性分析的试验装置，主要包括围岩模拟装置、分析计算机两部分组成；围岩模拟装置包括围岩压力板、压力机构、围岩层、隧洞模型；围岩压力板设有四个，分别设在围岩层的上下左右四个侧面，每个围岩压力板均设有一个压力机构，围岩层中心开有隧洞模型；压力传感器、减速电机与分析计算机连接，分析计算机内搭载有数据分析系统，数据分析系统用于得到非圆形无支护隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解。本发明可有效得到对非圆形巷道进行围岩的流变性解析解，从而为深埋巷道开挖等提供有效准确的数据。

Description

非圆形巷道无支护围岩应力与位移粘弹性分析的试验装置
技术领域
本发明涉及深埋巷道研究技术领域，具体是涉及一种非圆形巷道无支护围岩应力与位移粘弹性分析试验装置。
背景技术
深埋巷道可以看成无限大弹性体中的孔洞问题，复变函数解法是解决此类问题最有效的方法，将围岩视为各向同性的弹性体，围岩中应力和位移的研究已经比较成熟。而围岩具有流变特性，应力及位移状态随着时间而变化。对于深部的巷道，围岩的流变特性更加显著，对于巷道的安全影响更大。目前考虑围岩的流变性解析解的研究，巷道的形状多是圆形。对于工程中常用的巷道形状，研究较少。
因此，现需要一种新型的用于非圆形巷道无支护围岩应力与位移粘弹性分析试验装置来解决这些问题，从系统算法的优化以及试验装置的改进进行非圆形巷道围岩应力与位移粘弹性的分析，以得到有效准确的数据用以非圆形深埋巷道开挖等。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种非圆形巷道无支护围岩应力与位移粘弹性分析试验装置。
本发明的技术方案是:一种非圆形巷道无支护围岩应力与位移粘弹性分析的试验装置，主要包括围岩模拟装置、分析计算机两部分组成；
所述围岩模拟装置包括围岩压力板、压力机构、围岩层、隧洞模型；所述围岩压力板设有四个，分别设在所述围岩层的上下左右四个侧面，每个围岩压力板均设有一个用于施加压力的压力机构，所述压力机构与围岩模拟装置内壁连接，所述围岩层中心开有所述隧洞模型；
所述围岩压力板包括活动压板、底压板；所述底压板截面呈U型，其与围岩层接触面设有压力传感器，活动压板通过底压板内四壁上设有滑轨与底压板滑动连接，底压板内底面等间距设有三环压柱，且每环等间距设有多个压柱，所述压柱圆周面上外套有柱压套，所述柱压套与压柱固定连接，柱压套周向设有多个调节压杆，压柱外侧面上设有顶压杆，所述顶压杆、调节压杆均穿过活动压板；
所述压力机构包括千斤顶、减速电机、中心柱、第一压片、第二压片、第三压片；所述中心柱贯穿活动压板并与底压板内底面接触，且中心柱为可伸缩杆件，中心柱与活动压板贯穿处设有卡环，所述中心柱中部从上到下依次设有所述第一压片、第二压片、第三压片，第一压片、第二压片、第三压片依次对应与每一环的各个压柱固定连接，中心柱通过所述千斤顶与围岩模拟装置连接，所述减速电机设在千斤顶的一侧；
所述压力传感器、减速电机与分析计算机连接，所述分析计算机内搭载有数据分析系统，所述数据分析系统用于得到非圆形无支护隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解。本装置通过二种方式同时进行围岩压力板的施压工作，在仅仅施加一个千斤顶的情况下有效的将施加压力均匀分散至各处，提高模拟压力的效果，并且提高后续系统算法处理得到非圆形无支护隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解的准确性。
进一步地，所述围岩压力板可根据隧洞模型模拟深度需要进行多节拼接，两个围岩压力板之间通过底压板设有的梯形块、梯形槽、斜块、斜槽进行连接，所述梯形块、梯形槽、斜块、斜槽交错对应设置在两个底压板的接触面上。通过梯形块与梯形槽接合、斜块与斜槽的接合以及其交错设置，可以提高相邻两个围岩压力板之间的连接稳定性，同时由于这样的结构设置可以使相邻两个围岩压力板底部压力相同，进而提高后续系统算法处理得到非圆形无支护隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解的准确性。
进一步地，所述调节压杆与活动压板接触面外侧设有调节螺母，调节螺母用于调节活动压板与底压板之间的原有压力。可以根据使用需求调整其原有压力，以满足不同的使用要求，使用方便。
进一步地，所述数据分析系统包括数据填入模块、粘弹性解答分析模块、分析结果生成模块，所述数据填入模块用于填入数据以供粘弹性解答分析模块进行处理，所述粘弹性解答分析模块用于分析得到隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解，所述分析结果生成模块用于输出粘弹性解答分析模块所得到的隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解。
更进一步地，所述粘弹性解答分析模块包括应力和位移的弹性解算法子模块、应力和位移的粘弹性解算法子模块。
更进一步地，所述应力和位移的弹性解算法子模块具体为：通过保角变换函数z＝ω(ζ)，把z平面上工程中常用形状巷道外无限区域映射到ζ平面上的单位圆内域，所采用的保角映射函数的一般表达式为：
Figure BDA0002023026890000031
式中R表征孔洞截面大小，cm为系数，与隧洞截面形状有关；
在z平面上直角坐标系中，围岩中的应力分量和位移分量由2个应力函数
Figure BDA0002023026890000032
和ψ(ζ)确定
Figure BDA0002023026890000033
Figure BDA0002023026890000034
式中
Figure BDA0002023026890000035
和
Figure BDA0002023026890000036
分别为孔洞内边界上沿x、y方向的面力之和，常数B和B′+iC′由正压应力σv和侧压应力σh确定，
Figure BDA0002023026890000037
Figure BDA0002023026890000038
Figure BDA0002023026890000039
Figure BDA0002023026890000041
式中
Figure BDA0002023026890000042
和
Figure BDA0002023026890000043
分别为巷道边界上沿x、y方向的面力，σ为ζ平面上单位圆的边界值，μ为泊松比，通过柯西积分，由式(4)、(5)可以求出
Figure BDA0002023026890000044
和ψ0(ζ)；
在平面直角坐标系下，围岩的应力分量σx、σy和τxy为：
σx+σy＝4ReΦ(ζ) (7)
Figure BDA0002023026890000045
式中，
Figure BDA0002023026890000047
Ψ(ζ)＝ψ′(ζ)/ω′(ζ)，上角标斜撇表示求一阶导数；
水平位移u和竖直位移v为：
Figure BDA0002023026890000046
更进一步地，所述应力和位移的粘弹性解算法子模块具体为：把应力和位移的弹性解算法子模块所得到的弹性解中的竖直应力σv、水平应力σh和剪切变形模量G分别用σv/s、σh/s和g(s)/f(s)来代替，所得的结果再进行拉普拉斯逆变换，就可以得到围岩的应力和位移的粘弹性解。
本发明装置的工作方法为：打开围岩模拟装置，减速电机控制千斤顶进行围岩压力的施加，中心柱受到千斤顶的压力后收缩，进而带动第一压片、第二压片、第三压片向内挤压，进而通过各个顶压杆对压柱进行施压，同时中心柱收缩时压动活动压板，使活动压板向内挤压，进而通过各个柱压套作用对压柱进行施压，通过上述两种同时作用施压，使压力均匀分散至底压板，并通过压力传感器检测到竖直应力σv和水平应力σh，同时根据模拟需求得到的隧洞模型测量其长宽a和b，通过所得到数据并通过分析计算机处理得到非圆形无支护隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解。
本发明的有益效果是:
(1)本发明装置通过顶压杆、柱压套同时进行压柱的施压工作，在仅仅施加一个千斤顶的情况下有效的将施加压力均匀分散至各处，提高模拟压力的效果，并且提高后续系统算法处理得到非圆形无支护隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解的准确性。
(2)本发明装置结构简单，使用有效，配合分析计算机进行处理，可精确快速得到非圆形无支护隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解，工作效率高，使用效果好，模拟精准。
(3)本发明数据分析系统得到应力和位移的弹性解以及粘弹性解，从而得到非圆形无支护隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解，通过此算法计算可有效得到对非圆形巷道进行围岩的流变性解析解，从而为深埋巷道开挖等提供有效准确的数据。
附图说明
图1是本发明装置整体结构示意图。
图2是图1中A处的局部放大图。
图3是本发明围岩压力板俯视图。
图4是本发明围岩压力板连接关系局部图。
图5是本发明矩形隧洞示意图。
图6是本发明A点的水平位移。
图7是本发明B点的竖直位移。
其中，1-围岩模拟装置、2-分析计算机、3-围岩压力板、31-活动压板、32-底压板、321-梯形块、322-梯形槽、323-斜块、324-斜槽、33-压柱、34-柱压套、341-调节压杆、342-调节螺母、35-顶压杆、36-滑轨、37-压力传感器、4-压力机构、41-千斤顶、42-减速电机、43-中心柱、44-第一压片、45-第二压片、46-第三压片、47-卡环、5-围岩层、6-隧洞模型。
具体实施方式
如图1所示，一种非圆形巷道无支护围岩应力与位移粘弹性分析的试验装置，主要包括围岩模拟装置1、分析计算机2两部分组成；
如图1所示，围岩模拟装置1包括围岩压力板3、压力机构4、围岩层5、隧洞模型6；围岩压力板3设有四个，分别设在围岩层5的上下左右四个侧面，每个围岩压力板3均设有一个用于施加压力的压力机构4，压力机构4与围岩模拟装置1内壁连接，围岩层5中心开有隧洞模型6；
如图1和2所示，围岩压力板3包括活动压板31、底压板32；底压板32截面呈U型，其与围岩层5接触面设有压力传感器37，活动压板31通过底压板32内四壁上设有滑轨36与底压板32滑动连接，底压板32内底面等间距设有三环压柱33，且每环等间距设有多个压柱33，压柱33圆周面上外套有柱压套34，柱压套34与压柱33固定连接，柱压套34周向设有多个调节压杆341，如图2所示，调节压杆341与活动压板31接触面外侧设有调节螺母342，调节螺母342用于调节活动压板31与底压板32之间的原有压力。可以根据使用需求调整其原有压力，以满足不同的使用要求，使用方便。压柱33外侧面上设有顶压杆35，顶压杆35、调节压杆341均穿过活动压板31，如图3和4所示，围岩压力板3可根据隧洞模型6模拟深度需要进行多节拼接，两个围岩压力板3之间通过底压板32设有的梯形块321、梯形槽322、斜块323、斜槽324进行连接，梯形块321、梯形槽322、斜块323、斜槽324交错对应设置在两个底压板32的接触面上。通过梯形块321与梯形槽322接合、斜块323与斜槽324的接合以及其交错设置，可以提高相邻两个围岩压力板3之间的连接稳定性，同时由于这样的结构设置可以使相邻两个围岩压力板3底部压力相同，进而提高后续系统算法处理得到非圆形无支护隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解的准确性。
如图1所示，压力机构4包括千斤顶41、减速电机42、中心柱43、第一压片44、第二压片45、第三压片46；中心柱43贯穿活动压板31并与底压板32内底面接触，且中心柱43为可伸缩杆件，中心柱43与活动压板31贯穿处设有卡环47，中心柱43中部从上到下依次设有第一压片44、第二压片45、第三压片46，第一压片44、第二压片45、第三压片46依次对应与每一环的各个压柱33固定连接，中心柱43通过千斤顶41与围岩模拟装置1连接，减速电机42设在千斤顶41的一侧；
如图1所示，压力传感器37、减速电机42与分析计算机2连接，分析计算机内搭载有数据分析系统，数据分析系统用于得到非圆形无支护隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解。本装置通过二种方式同时进行围岩压力板3的施压工作，在仅仅施加一个千斤顶41的情况下有效的将施加压力均匀分散至各处，提高模拟压力的效果，并且提高后续系统算法处理得到非圆形无支护隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解的准确性。
数据分析系统包括数据填入模块、粘弹性解答分析模块、分析结果生成模块，数据填入模块用于填入数据以供粘弹性解答分析模块进行处理，粘弹性解答分析模块用于分析得到隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解，分析结果生成模块用于输出粘弹性解答分析模块所得到的隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解。粘弹性解答分析模块包括应力和位移的弹性解算法子模块、应力和位移的粘弹性解算法子模块。
应力和位移的弹性解算法子模块具体为：通过保角变换函数z＝ω(ζ)，把z平面上工程中常用形状巷道外无限区域映射到ζ平面上的单位圆内域，所采用的保角映射函数的一般表达式为：
Figure BDA0002023026890000071
式中R表征孔洞截面大小，cm为系数，与隧洞截面形状有关；
在z平面上直角坐标系中，围岩中的应力分量和位移分量由2个应力函数
Figure BDA0002023026890000072
和ψ(ζ)确定
Figure BDA0002023026890000073
Figure BDA0002023026890000074
式中
Figure BDA0002023026890000081
和
Figure BDA0002023026890000082
分别为孔洞内边界上沿x、y方向的面力之和，常数B和B′+iC′由正压应力σv和侧压应力σh确定，
Figure BDA0002023026890000083
Figure BDA0002023026890000084
Figure BDA0002023026890000085
Figure BDA0002023026890000086
式中
Figure BDA0002023026890000087
和
Figure BDA0002023026890000088
分别为巷道边界上沿x、y方向的面力，σ为ζ平面上单位圆的边界值，μ为泊松比，通过柯西积分，由式(4)、(5)可以求出
Figure BDA0002023026890000089
和ψ0(ζ)；
在平面直角坐标系下，围岩的应力分量σx、σy和τxy为：
σx+σy＝4ReΦ(ζ) (7)
Figure BDA00020230268900000810
式中，
Figure BDA00020230268900000811
Ψ(ζ)＝ψ′(ζ)/ω′(ζ)，上角标斜撇表示求一阶导数；
水平位移u和竖直位移v为：
Figure BDA00020230268900000812
应力和位移的粘弹性解算法子模块具体为：把应力和位移的弹性解算法子模块所得到的弹性解中的竖直应力σv、水平应力σh和剪切变形模量G分别用σv/s、σh/s和g(s)/f(s)来代替，所得的结果再进行拉普拉斯逆变换，就可以得到围岩的应力和位移的粘弹性解。
上述装置的工作方法为：打开围岩模拟装置1，减速电机42控制千斤顶41进行围岩压力的施加，中心柱43受到千斤顶41的压力后收缩，进而带动第一压片44、第二压片45、第三压片46向内挤压，进而通过各个顶压杆35对压柱33进行施压，同时中心柱43收缩时压动活动压板31，使活动压板31向内挤压，进而通过各个柱压套34作用对压柱33进行施压，通过上述两种同时作用施压，使压力均匀分散至底压板32，并通过压力传感器37检测到竖直应力σv和水平应力σh，同时根据模拟需求得到的隧洞模型测量其长宽a和b，通过所得到数据并通过分析计算机2处理得到非圆形无支护隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解。
为进一步说明本发明优势，下面以深埋的矩形隧洞对本发明做进一步的说明：
如图5所示，图中a和b分别表示矩形的长和宽，围岩的压力通过无穷远处的竖直应力σv和水平应力σh来表示。图中两点A和B分别为矩形的右边中点和上边中点。
假定围岩体积变形是弹性的，形状变形规律符合Poyting-Thomson模型。由于开挖前岩体未受扰动，因而初始位移为零，初始应力等于外边界荷载。求解所用拉普拉斯算子为
Figure BDA0002023026890000091
Figure BDA0002023026890000092
式中，G∞、G0分别为长期剪切变形模量、围岩的瞬时剪切变形模量，s为拉普拉斯变换频域下的自变量，ηre1是围岩的松弛时间。
取σv＝1.5Mpa，σh＝1.2Mpa，a＝4m，b＝2m，岩石瞬时剪切变形模量为G0＝850Mpa，长期剪切变形模量为Gm＝600Mpa，松弛时间为ηrel＝5d，μ＝0.25，取映射函数
Figure BDA0002023026890000093
按上述求解过程，图6和图7给出了A、B两点的水平位移、竖直位移随时间变化曲线，可以看出，在30天左右，变形趋于稳定。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种非圆形巷道无支护围岩应力与位移粘弹性分析的试验装置，其特征在于，主要包括围岩模拟装置(1)、分析计算机(2)两部分组成；
所述围岩模拟装置(1)包括围岩压力板(3)、压力机构(4)、围岩层(5)、隧洞模型(6)；所述围岩压力板(3)设有四个，分别设在所述围岩层(5)的上下左右四个侧面，每个围岩压力板(3)均设有一个用于施加压力的压力机构(4)，所述压力机构(4)与围岩模拟装置(1)内壁连接，所述围岩层(5)中心开有所述隧洞模型(6)；
所述围岩压力板(3)包括活动压板(31)、底压板(32)；所述底压板(32)截面呈U型，其与围岩层(5)接触面设有压力传感器(37)，活动压板(31)通过底压板(32)内四壁上设有滑轨(36)与底压板(32)滑动连接，底压板(32)内底面等间距设有三环压柱(33)，且每环等间距设有多个压柱(33)，所述压柱(33)圆周面上外套有柱压套(34)，所述柱压套(34)与压柱(33)固定连接，柱压套(34)周向设有多个调节压杆(341)，压柱(33)外侧面上设有顶压杆(35)，所述顶压杆(35)、调节压杆(341)均穿过活动压板(31)；所述围岩压力板(3)可根据隧洞模型模拟深度需要进行多节拼接，两个围岩压力板(3)之间通过底压板(32)设有的梯形块、梯形槽、斜块、斜槽进行连接，所述梯形块(321)、梯形槽(322)、斜块(323)、斜槽(324)交错对应设置在两个底压板(32)的接触面上；
所述压力机构(4)包括千斤顶(41)、减速电机(42)、中心柱(43)、第一压片(44)、第二压片(45)、第三压片(46)；所述中心柱(43)贯穿活动压板(31)并与底压板(32)内底面接触，且中心柱(43)为可伸缩杆件，中心柱(43)与活动压板(31)贯穿处设有卡环(47)，所述中心柱(43)中部从上到下依次设有所述第一压片(44)、第二压片(45)、第三压片(46)，第一压片(44)、第二压片(45)、第三压片(46)依次对应与每一环的各个压柱(33)固定连接，中心柱(43)通过所述千斤顶(41)与围岩模拟装置(1)连接，所述减速电机(42)设在千斤顶(41)的一侧；
所述压力传感器(37)、减速电机(42)与分析计算机(2)连接，所述分析计算机内搭载有数据分析系统，所述数据分析系统用于得到非圆形无支护隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解；
所述数据分析系统包括数据填入模块、粘弹性解答分析模块、分析结果生成模块，所述数据填入模块用于填入数据以供粘弹性解答分析模块进行处理，所述粘弹性解答分析模块用于分析得到隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解，所述分析结果生成模块用于输出粘弹性解答分析模块所得到的隧洞围岩应力和位移的黏弹性解答的解析解；所述粘弹性解答分析模块包括应力和位移的弹性解算法子模块、应力和位移的粘弹性解算法子模块；
所述应力和位移的弹性解算法子模块具体为：通过保角变换函数z＝ω(ζ)，把z平面上工程中常用形状巷道外无限区域映射到ζ平面上的单位圆内域，所采用的保角映射函数的一般表达式为：
Figure FDA0003056737070000021
式中R表征孔洞截面大小，cm为系数，与隧洞截面形状有关；
在z平面上直角坐标系中，围岩中的应力分量和位移分量由2个应力函数
Figure FDA0003056737070000022
和ψ(ζ)确定
Figure FDA0003056737070000023
Figure FDA0003056737070000024
式中
Figure FDA0003056737070000025
和
Figure FDA0003056737070000026
分别为孔洞内边界上沿x、y方向的面力之和，常数B和B′+iC′由正压应力σv和侧压应力σh确定，
Figure FDA0003056737070000027
Figure FDA0003056737070000028
Figure FDA0003056737070000031
Figure FDA0003056737070000032
式中
Figure FDA0003056737070000033
和
Figure FDA0003056737070000034
分别为巷道边界上沿x、y方向的面力，σ为ζ平面上单位圆的边界值，μ为泊松比，通过柯西积分，由式(4)、(5)可以求出
Figure FDA0003056737070000035
和ψ0(ζ)；
在平面直角坐标系下，围岩的应力分量σx、σy和τxy为：
σx+σy＝4ReΦ(ζ) (7)
Figure FDA0003056737070000036
式中，
Figure FDA0003056737070000037
Ψ(ζ)＝ψ′(ζ)/ω′(ζ)，上角标斜撇表示求一阶导数；
水平位移u和竖直位移v为：
Figure FDA0003056737070000038
。
2.根据权利要求1所述的一种非圆形巷道无支护围岩应力与位移粘弹性分析的试验装置，其特征在于，所述围岩压力板(3)、压力机构(4)各设有四个。
3.根据权利要求1所述的一种非圆形巷道无支护围岩应力与位移粘弹性分析的试验装置，其特征在于，所述调节压杆(341)与活动压板(31)接触面外侧设有调节螺母(342)，调节螺母(342)用于调节活动压板(31)与底压板(32)之间的原有压力。
4.根据权利要求1所述的一种非圆形巷道无支护围岩应力与位移粘弹性分析的试验装置，其特征在于，所述应力和位移的粘弹性解算法子模块具体为：把应力和位移的弹性解算法子模块所得到的弹性解中的竖直应力σv、水平应力σh和剪切变形模量G分别用σv/s、σh/s和g(s)/f(s)来代替，所得的结果再进行拉普拉斯逆变换，就可以得到围岩的应力和位移的粘弹性解。
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