CN110455625B - 一种深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于深部巷道围岩开挖瞬态卸荷模拟设备技术领域，公开了一种深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验装置及试验方法，模拟高速率卸荷，对已开挖的地下洞室围岩模型产生大的振动和应变率，获取实际工程中的卸荷数据；进行二维卸荷，模拟深部岩体开挖瞬态卸荷的过程；通过搭载不同的传感器，分析深部岩体在应力瞬态卸荷松动条件下的力学过程。本发明针对以往洞室开挖的模型实验中，无法模拟高速率卸荷的不足，实现了已开挖的深部地下洞室围岩模型上荷载的快速卸除，使得已开挖的地下洞室围岩模型产生较大的振动和应变率，使实验更贴近实际工程，与实际工程中的卸荷情况更为相符，更具有研究价值及参考意义。

Description

一种深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于深部巷道围岩开挖瞬态卸荷模拟设备技术，尤其涉及一种深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验装置及试验方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

在深部地下工程爆破开挖过程中，开挖扰动将导致原岩地应力的卸载。早在上世纪70年代就有研究指出，荷载的快速释放会导致介质发生超松弛而进入受拉状态，严重时将导致破开。尤其是在深部的爆破开挖中，开挖面上的初始应力将会在极短时间内快速卸除，导致围岩的边界条件和荷载条件发生变化，将带来严重的岩体稳定和变形控制难题。学术上将这种现象称瞬态卸荷现象。

对于深地下洞室开挖中瞬态卸荷现象的研究，常用途径是理论分析和数值模拟，均无法准确直观地模拟出瞬态卸荷现象中各种物理量的变化。其中，理论分析法会对模型进行大量的简化，并基于许多理想化的假设，从而导致分析模型与实际情况区别较大，因此一般仅用于基础的机理分析和概述性讨论。而数值模拟法虽然相对直观，但在建模的过程中依然需要做出一定的假设和简化，同时计算公式的选择和材料参数的确定存在一定难度，因而学术界对数值模拟方法得出的结论一直存有争议，普遍观点是仅将其作为辅助论证的手段。

而现有的模拟开挖卸荷的试验系统均存在一定的问题，要么卸荷速率较慢，无法对深部洞室开挖荷载进行快速的卸除，导致卸荷发生时的应变率较低，不符合工程中实际的卸荷情况；要么仅仅是对试样的单轴快速卸荷，无法模拟出洞室开挖过程中复杂的应力变化。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术中，对于深地下洞室开挖中瞬态卸荷现象的分析，无法准确直观地模拟出瞬态卸荷现象中各种物理量的变化。现有的模拟开挖卸荷的试验系统卸荷速率较慢，无法对深部洞室开挖荷载进行快速的卸除，导致卸荷发生时的应变率较低，不符合工程中实际的卸荷情况；而且仅仅是对试样的单轴快速卸荷，无法模拟出洞室开挖过程中复杂的应力变化。

(2)现有技术中，对于深地下洞室开挖中的分析，另一种常用的方式为非预埋法模拟巷道开挖卸荷，该方式主要通过切削钻头、螺旋钻杆等装置对岩块进行钻孔来模拟开挖过程，但在开挖过程中会对围岩造成明显的附加扰动，难以专门针对开挖卸荷效应进行研究；且卸荷速率较慢。

解决上述技术问题的难度：

一是快速卸荷的实现方式难。根据现有的研究表明，在深部地下洞室的开挖过程中，地应力的卸荷往往在数毫秒内完成，如此高速率的应力下降速率，常规的卸荷手段均很难达到；二是快速卸荷同具体模型的结合难，已有的一些快速卸荷手段中，大多利用了构件的破坏或失稳等方式，实现应力的快速卸除，而这些方式最大的缺点在于只能实现单向卸荷，无法模拟洞室开挖过程中复杂的应力状态变化。

解决上述技术问题的意义：

本发明针对以往洞室开挖的模型实验中，无法模拟高速率卸荷的不足，实现了已开挖的深部地下洞室围岩模型上荷载的快速卸除，使得已开挖的地下洞室围岩模型产生较大的振动和应变率，使实验更贴近实际工程，与实际工程中的卸荷情况更为相符，更具有研究价值及参考意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验装置及试验方法。

本发明是这样实现的，一种深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验方法，所述深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验方法包括：

模拟高速率卸荷，对已开挖的地下洞室围岩模型产生大的振动和应变率，获取实际工程中的卸荷数据。

对获取的实际工程中的卸荷数据，进行二维卸荷，模拟深部岩体开挖应力瞬态卸荷的过程。

通过搭载不同的传感器，分析深部岩体在应力瞬态卸荷松动条件下的力学过程。

进一步，所述深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验方法具体包括：

步骤一、制备试样并在试样中预制洞室，确保预制洞室的尺寸与支护板的尺寸相匹配；在试样模型内部根据实验具体需求，在试样适当的部位埋设监测传感器(包括但不限于加速度传感器、位移传感器、应力传感器、应变计、振动传感器等)，并分别与控制计算机相连接。

步骤二、将试样置于下加载板，并将侧加载板和上加载板贴合试样外表面，使各加载板共同包裹试样。

步骤三、将支护板放置于试样中的预制洞室内，将中心控制块置于洞室中央电磁铁对侧，将外撑杆端顶住支护板内侧凹槽，调整内螺纹管使撑杆达到合适长度，即内撑杆端顶住中心控制块上的凹槽，逐一调整内螺纹管使各撑杆上应变片的测值相同。

步骤四、计算机控制对加载板加载，直至达到试验的要求。

步骤五、保持加载板上的压力为定值，对电磁铁通电，使中心控制块向电磁铁方向位移，各撑杆发生瞬态失稳，达到模拟高速卸荷的目的。通过计算机实时监测、记录各传感器的数值。

本发明的另一目的在于提供一种所述深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验方法的深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验装置，所述深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验装置包括试样。

所述试样四周包裹有加载板，用于试验时由计算机控制给试样加初始应力。

试样内开设有形状轮廓为圆柱形的预留洞室。所述预留洞室内安装有瞬态卸荷装置。

瞬态卸荷装置前方安装有电磁铁支架，电磁铁支架固定的圆形电磁铁与瞬态卸荷装置中心控制正对。

进一步，所述试样由石膏材料制成。加载板由实心钢板制成。

进一步，所述瞬态卸荷装置中的八块圆弧形支护板贴合洞壁安装。

支护板内侧中央留有凹槽，凹槽孔隙间距大于外撑杆杆端的球体。

中心控制块为扁圆柱形的钢块，与支护板上相同的八个凹槽均匀分布在中心控制块的侧面。

中心控制块和支护板之间用撑杆连接。

进一步，撑杆包括内撑杆，外撑杆和内螺纹管。

内撑杆和外撑杆均为非磁性高强金属制成，一端附有外螺纹，另一端带有球体。

内螺纹管连接内撑杆和外撑杆，并且利用内螺纹管调整撑杆的长度，还用于安装以及调整撑杆中的初始应力。

应变片贴在内撑杆表面，用于对撑杆中的初始应力监测。

进一步，电磁铁同瞬态卸荷装置的中心控制块正对。通电后用于提供电磁引力，吸附中心控制模块，使得撑杆发生失稳，进行瞬态卸荷。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验方法。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明模拟深部巷道围岩开挖瞬态卸荷的过程，能实现围岩应力的快速卸载，产生较大的应变率和卸荷振动，符合实际工程中的情况。

本发明针对以往洞室开挖的模型实验中，无法模拟高速率卸荷的不足，实现了已开挖的深部地下洞室围岩模型上荷载的快速卸除，使得已开挖的地下洞室围岩模型产生较大的振动和应变率，使实验更贴近实际工程，与实际工程中的卸荷情况更为相符，更具有研究价值及参考意义。

本发明针对以往的瞬态卸荷实验中仅能实现单轴卸荷的不足之处，能够实现二维卸荷，更精确直观地模拟出深部岩体开挖瞬态卸荷的过程，与实际情况更为接近，更具有研究价值。

本发明根据不同试验需求，可配合各种不同的传感器使用，分析地应力瞬态卸荷对深部围岩的影响，揭示深部岩体在应力瞬态卸荷松动条件下的力学行为。

本发明中，针对已开挖的地下洞室围岩模型采用石膏材料制成，可通过在模型材料中预制结构面的方式，模拟出不同地质情况下的岩体，适用范围广，更适合研究。

附图说明

图1是本发明实施例提供的深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验装置示意图。

图2是本发明实施例提供的瞬态卸荷装置示意图。

图3是本发明实施例提供的撑杆示意图。

图4是本发明实施例提供的电磁铁通电后吸附中心控制模块图。

1、试样；2、加载板；2A-下加载板；2B-侧加载板；2C上加载板；3、计算机；4、瞬态卸荷装置；5、支护板；5A-支护板凹槽；6、中心控制块；6A、控制块凹槽；7、内撑杆；7A、内撑杆球体；8、外撑杆；8A、外撑杆球体；9、内螺纹管；10、应变片；11、电磁铁支架；12、圆形电磁铁。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术中，对于深地下洞室开挖中瞬态卸荷现象的分析，无法准确直观地模拟出瞬态卸荷现象中各种物理量的变化。现有的模拟开挖卸荷的试验系统卸荷速率较慢，无法对深部洞室开挖荷载进行快速的卸除，导致卸荷发生时的应变率较低，不符合工程中实际的卸荷情况；而且仅仅是对试样的单轴快速卸荷，无法模拟出洞室开挖过程中复杂的应力变化。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验装置及试验方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验方法，包括：

模拟高速率卸荷，对已开挖的地下洞室围岩模型产生大的振动和应变率，获取实际工程中的卸荷数据。

进行二维卸荷，模拟深部岩体开挖应力瞬态卸荷的过程。

通过搭载不同的传感器，分析深部岩体在应力瞬态卸荷松动条件下的力学过程。

如图1所示，本发明实施例提供的深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验装置包括：

由石膏材料制成的试样1；所述由四块实心钢板制成的加载板2包裹，包括一块下加载板2A，两块侧加载板2B和一块上加载板2C。

试验时由计算机3控制给试样加上初始应力。

试样内开设有形状轮廓为圆柱形的预留洞室。所述预留洞室内安装有瞬态卸荷装置4。

如图2和图4所示本发明实施例提供的瞬态卸荷装置4中的八块圆弧形支护板5贴合洞壁安装。

支护板内侧中央留有支护板凹槽5A，略大于外撑杆8杆端的球体8A。

中心控制块6为扁圆柱形的钢块，与支护板上相同的八个控制块凹槽6A均匀分布在中心控制块的侧面。

如图3所示，中心控制块6和支护板5之间用撑杆连接。撑杆由内撑杆7，外撑杆8和内螺纹管9组成。

其中内撑杆7和外撑杆8相同，均为非磁性高强金属制成，一端附有外螺纹，另一端带有一球体。

内螺纹管9连接内撑杆7和外撑杆8，并且可利用内螺纹管9调整撑杆的长度，便于安装以及调整撑杆中的初始应力，保证各个方向受力均匀。

撑杆中的初始应力由贴在内撑杆表面的应变片10所监测。

如图4所示，瞬态卸荷装置前方，电磁铁支架11固定的圆形电磁铁12同中心控制块正对。通电后可提供电磁引力，吸附中心控制模块，使得撑杆发生快速失稳，从而达到瞬态卸荷的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验方法，其特征在于，所述深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验方法包括：

模拟高速率卸荷，对已开挖的地下洞室围岩模型产生大的振动和应变率，获取实际工程中的卸荷数据；

根据获取的实际工程中的卸荷数据，进行二维卸荷，模拟深部岩体开挖应力瞬态卸荷的过程；

通过搭载不同的传感器，分析深部岩体在所述应力瞬态卸荷松动条件下的力学过程；

所述深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验方法具体包括：

步骤一、制备试样并在试样中预制洞室，确保预制洞室的尺寸与支护板的尺寸相匹配；在试样模型内部根据实验具体需求，在试样适当的部位埋设监测传感器，并分别与控制计算机相连接；

步骤二、将试样置于下加载板上，并将侧加载板和上加载板贴合试样外表面，使各加载板共同包裹试样；

步骤三、将支护板放置于试样中的预制洞室内，将中心控制块置于洞室中央电磁铁对侧，将外撑杆端部顶住支护板内侧凹槽，调整内螺纹管使撑杆达到合适长度，即内撑杆端部顶住中心控制块上的凹槽，逐一调整内螺纹管使各撑杆上应变片的测值相同；

步骤四、计算机控制对加载板加载；

步骤五、保持加载板上的压力为定值，对电磁铁通电，使中心控制块向电磁铁方向位移，各撑杆发生瞬态失稳；通过计算机实时监测、记录各传感器的数值；

所述深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验方法的深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验装置包括试样；

所述试样四周包裹有加载板，用于试验时由计算机控制给试样加初始应力；

试样内开设有形状轮廓为圆柱形的预留洞室；所述预留洞室内安装有瞬态卸荷装置；

瞬态卸荷装置前方安装有电磁铁支架，电磁铁支架固定的圆形电磁铁与瞬态卸荷装置中心控制块正对；通电后用于提供电磁引力，吸附中心控制块，使得撑杆发生失稳，进行瞬态卸荷；

所述瞬态卸荷装置中的八块圆弧形支护板贴合洞壁安装；

支护板内侧中央留有凹槽，凹槽的曲率半径大于撑杆杆端的球体的曲率半径；

中心控制块为扁圆柱形的钢块，与支护板上相同的八个凹槽均匀分布在中心控制块的侧面；

中心控制块和支护板之间用撑杆连接；

撑杆包括内撑杆，外撑杆和内螺纹管；

内撑杆和外撑杆均为非磁性高强金属制成，一端附有外螺纹，另一端带有球体；

内螺纹管连接内撑杆和外撑杆，并且利用内螺纹管调整撑杆的长度，还用于安装以及调整撑杆中的初始应力；

应变片贴在内撑杆表面，用于对撑杆中的初始应力进行监测。

2.如权利要求1所述的深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验方法，其特征在于，所述试样由石膏材料制成；加载板由实心钢板制成。

3.一种实现权利要求1所述的深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验方法的信息数据处理终端。

4.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1所述的深部洞室开挖瞬态卸荷的模拟试验方法。

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