CN111044362B - 瞬态卸荷装置和岩体瞬态卸荷模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了瞬态卸荷装置和岩体瞬态卸荷模拟试验系统。瞬态卸荷装置中，弹性单元可弹性牵引第二导向单元沿第一导向单元移动；吸合单元可使两个卸荷模块上的第二导向单元相互靠近和远离；推进单元可沿第二导向单元移动，推进单元可锁定在第二导向单元上；撑架的两端分别与推进单元和撑板活动连接，两个卸荷模块上的撑板可相互挤压。有益效果：推进单元可通过撑架带动两个卸荷模块上的撑架相互挤压，从而使各个加载组件张开，并使各个撑板可在节理围岩模型的洞室内侧施加载荷。吸合单元和弹性单元使两个卸荷模块上的第二导向单元可在相互靠近的状态下瞬间释放，从而使各个撑板可实现瞬态卸荷。本发明涉及岩体载荷试验设备。

Description

瞬态卸荷装置和岩体瞬态卸荷模拟试验系统

技术领域

本发明涉及岩体载荷试验设备，特别涉及瞬态卸荷装置和岩体瞬态卸荷模拟试验系统。

背景技术

节理，也称为裂隙，是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造。

围岩，是指在岩石地下工程中由于受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体。

在岩体爆破开挖过程中会导致节理围岩发生地应力瞬态卸荷效应。地应力的瞬态卸荷进而引起节理围岩发生张开滑移现象，将带来地下洞室发生严重的节理围岩稳定和松动变形控制难题。

对于深埋地下洞室岩体爆破开挖瞬态卸荷现象的研究，除了理论分析和数值模拟之外，还有大量的室内开挖卸荷试验。

现有的模拟开挖卸荷的试验系统的技术缺陷在于：卸荷速率较慢，无法对深埋地下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，与实际工程中岩体开挖瞬态卸荷情况不符；对节理围岩模型的设计不够准确，无法模拟不同形态节理围岩在瞬态卸荷作用下的松动变形状态。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种能在节理围岩模型的洞室内侧施加载荷、并能够瞬间卸荷的瞬态卸荷装置和岩体瞬态卸荷模拟试验系统。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：

瞬态卸荷装置，包括两个卸荷模块，卸荷模块包括：

导向组件，导向组件包括第一导向单元和第二导向单元；

弹性单元，弹性单元可弹性牵引第二导向单元沿第一导向单元移动；

吸合单元，吸合单元可使两个卸荷模块上的第二导向单元相互靠近和远离；

推进单元，推进单元可沿第二导向单元移动，推进单元可锁定在第二导向单元上；

若干加载组件，加载组件包括撑架和撑板，撑架的两端分别与推进单元和撑板活动连接，两个卸荷模块上的撑板可相互挤压。

上述瞬态卸荷装置至少具有以下有益效果：

两个卸荷模块对称布置，推进单元可通过撑架带动两个卸荷模块上的撑架相互挤压，从而使各个加载组件张开，并使各个撑板可在节理围岩模型的洞室内侧施加载荷。吸合单元和弹性单元使两个卸荷模块上的第二导向单元可在相互靠近的状态下瞬间释放，从而使各个撑板可实现瞬态卸荷。

在本发明的一种可能的实施方式中，两个卸荷模块镜像对称布置。两个卸荷模块镜向对称布置，可使各个撑板相互挤压并张开，从而使各个加载组件可在节理围岩模型的洞室的内侧形成扩张趋势，进而为洞室的内侧施加载荷。

在本发明的一种可能的实施方式中，各个加载组件在推进单元的周围周向阵列布置。加载组件在推进单元的周围周向阵列布置，使各个撑架和撑板可呈辐射状展开和收拢，从而使各个撑板可在节理围岩模型的洞室的内侧均匀地施加载荷。

在本发明的一种可能的实施方式中，撑板和推进单元与撑架之间通过铰接结构进行连接，撑架与撑板之间设有至少两个铰接点，撑架与推进单元之间设有一个铰接点。撑架与撑板之间设有至少两个铰接点，可加强撑架与撑板之间的结构稳定性；撑架与套筒之间设有一个铰接点，使推进单元的周围可设置更多的加载单元，使各个加载组件对节理围岩模型的洞室的内侧施加的载荷更加均匀。

在本发明的一种可能的实施方式中，推进单元包括螺帽和套筒，第二导向单元的表面设有螺纹，螺帽通过螺纹与第二导向单元配合，套筒可自转地套设在螺帽外。螺帽与第二导向单元通过螺纹配合，使螺帽可通过旋转沿第二导向单元移动，并使螺帽可锁定在第二导向单元上；套筒可在螺帽上自转，使各个加载组件可在螺帽旋进过程中保持结构稳定。

在本发明的一种可能的实施方式中，吸合单元为电磁铁，弹性单元为弹簧，第一导向单元的一端设有基板，弹性单元设在基板与第二导向单元之间。

在本发明的一种可能的实施方式中，第二导向单元上设有若干导轮，第一导向单元上设有刻度，第二导向单元通过导轮在第一导向单元上移动。导轮使第二导向单元可在第一导向单元上平滑地移动，刻度使第二导向单元与第一导向单元之间的相对位置易于观察和测量，有利于提高卸荷模块的工作精度。

岩体瞬态卸荷模拟试验系统，包括瞬态卸荷装置。

在本发明的一种可能的实施方式中，撑架上设有第一撑脚和至少两个第二撑脚，第一撑脚与推进单元铰接，各个第二撑脚分别与撑板铰接，每个第二撑脚上分别设有一个第一应变片。第二撑脚的数量为至少两个，且每个第二撑脚上分别设有第一应变片，使各个第二撑脚之间的应变量可形成相互对照，有利于提高瞬态卸载模拟试验的试验结果的可靠性。

在本发明的一种可能的实施方式中，岩体瞬态卸荷模拟试验系统还包括节理围岩模型和四个压板，四个压板可在节理围岩模型的外侧向节理围岩模型加压，节理围岩模型上还设有洞室，洞室贯穿节理围岩模型，各个撑板可与洞室的内侧贴合，节理围岩模型包括若干节理围岩模块，各个节理围岩模块相邻布置，各个节理围岩模块之间可相互滑动，每个节理围岩模块上设有至少一个第二应变片，节理围岩模块的形状满足下列形式之一：

形式一：各个节理围岩模块的形状为片状，各个节理围岩模块在节理围岩模型内形成片层结构，各个节理围岩模块之间的接触面倾斜于压板；

形式二：各个节理围岩模块的形状为片状，各个节理围岩模块在节理围岩模型内形成片层结构，各个节理围岩模块之间的接触面平行于压板；

形式三：各个节理围岩模块的形状为片状，各个节理围岩模块在节理围岩模型内形成片层结构，各个节理围岩模块之间的接触面垂直于压板；

形式四：各个节理围岩模块的形状为拉伸体，节理围岩模块的截面形状为矩形，节理围岩模块的四个侧面分别平行于四个压板。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例1的瞬态卸荷装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1的推进单元的分解示意图；

图3为本发明实施例1的各个加载组件的相对位置示意图；

图4为本发明实施例1的单个加载组件的结构示意图；

图5为本发明实施例1的两个吸合单元分离状态的结构示意图；

图6为本发明实施例1的两个吸合单元接触状态的结构示意图；

图7为本发明实施例1的撑板与洞室的内侧接触状态的结构示意图；

图8为本发明实施例1的岩体瞬态卸荷模拟试验系统的结构示意图；

图9为本发明实施例2的岩体瞬态卸荷模拟试验系统的结构示意图；

图10为本发明实施例3的岩体瞬态卸荷模拟试验系统的结构示意图；

图11为本发明实施例4的岩体瞬态卸荷模拟试验系统的结构示意图；

附图标记：

第一导向单元1、基座2、支脚3、第二导向单元4、弹性单元5、吸合单元6、电源7、导轮8、螺帽9、套筒10、撑架11、第一撑脚12、第二撑脚13、撑板14、压板15、节理围岩模块16、洞室17、第一应变片18、第二应变片19。

具体实施方式

实施例1：

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至8，在本实施例中，岩体瞬态卸荷模拟试验系统还包括节理围岩模型和四个压板15，四个压板15可在节理围岩模型的外侧向节理围岩模型加压，节理围岩模型上还设有洞室17，洞室17贯穿节理围岩模型，各个撑板14可与洞室17的内侧贴合，节理围岩模型包括若干节理围岩模块16，各个节理围岩模块16相邻布置，各个节理围岩模块16之间可相互滑动，每个节理围岩模块16上设有至少一个第二应变片19，各个节理围岩模块16的形状为片状，各个节理围岩模块16在节理围岩模型内形成片层结构，各个节理围岩模块16之间的接触面倾斜于压板15。

关于岩体瞬态卸荷模拟试验系统，岩体瞬态卸荷模拟试验系统还包括计算机。计算机可控制各个压板15向节理围岩模型加压。计算机可控制压板15的压力大小。计算机还可收集各个第一应变片18和各个第二应变片19测得的数据。

瞬态卸荷装置，包括两个卸荷模块，卸荷模块包括：

导向组件，导向组件包括第一导向单元1和第二导向单元4；

弹性单元5，弹性单元5可弹性牵引第二导向单元4沿第一导向单元1移动；

吸合单元6，吸合单元6可使两个卸荷模块上的第二导向单元4相互靠近和远离；

推进单元，推进单元可沿第二导向单元4移动，推进单元可锁定在第二导向单元4上；

若干加载组件，加载组件包括撑架11和撑板14，撑架11的两端分别与推进单元和撑板14活动连接，两个卸荷模块上的撑板14可相互挤压。

上述瞬态卸荷装置至少具有以下有益效果：

两个卸荷模块对称布置，推进单元可通过撑架11带动两个卸荷模块上的撑架11相互挤压，从而使各个加载组件张开，并使各个撑板14可在节理围岩模型的洞室17内侧施加载荷。吸合单元6和弹性单元5使两个卸荷模块上的第二导向单元4可在相互靠近的状态下瞬间释放，从而使各个撑板14可实现瞬态卸荷。

关于卸荷模块，两个卸荷模块镜向对称布置，两个卸荷模块之间设有电源7，电源7可同时使两个卸荷模块上的吸合单元6通电，从而使两个吸合单元6相互吸引。

关于导向组件，第一导向单元1可为第二导向单元4提供平移导向作用。第二导向单元4可为推进单元提供导向作用。

关于加载过程，在加载前，瞬态卸荷装置的状态如图5所示，当两个吸合单元6相互离开时，两个吸合单元6之间的距离如图5所示的D1，此时D1大于零，撑板14与洞室17的内侧之间的间距如图5所示的D2，此时D2大于零。当两个吸合单元6通电并相互吸合时，瞬态卸荷装置的状态如图6所示，此时D2仍然大于零。两个吸合单元6吸合后，再使两个螺帽9通过旋转而相互靠近，直到各个撑板14如图7所示地贴近洞室17的内侧。再进一步旋转螺帽9，撑板14对洞室17内侧的载荷会逐渐增大，此时可通过第一应变片18测出载荷数据。加载过程完成后，各个第二应变片19可测出加载过程中节理围岩模块16的应变情况。加载结束后，可通过控制电源7使两个吸合单元6断电，然后两个第一导向单元1在弹性单元5的牵引下被瞬时拉开，从而使撑板14对节理围岩模型的瞬态卸荷。在瞬态卸荷过程中，第一应变片18和第二应变片19可测得撑架11和节理围岩模块16的应变情况。

在本实施例中，两个卸荷模块镜像对称布置。两个卸荷模块镜向对称布置，可使各个撑板14相互挤压并张开，从而使各个加载组件可在节理围岩模型的洞室17的内侧形成扩张趋势，进而为洞室17的内侧施加载荷。

在本实施例中，各个加载组件在推进单元的周围周向阵列布置。加载组件在推进单元的周围周向阵列布置，使各个撑架11和撑板14可呈辐射状展开和收拢，从而使各个撑板14可在节理围岩模型的洞室17的内侧均匀地施加载荷。

关于加载组件，撑架11的两端分别与撑板14和套筒10铰接，从而实现可活动地连接。

在本实施例中，撑板14和推进单元与撑架11之间通过铰接结构进行连接，撑架11与撑板14之间设有至少两个铰接点，撑架11与推进单元之间设有一个铰接点。撑架11与撑板14之间设有至少两个铰接点，可加强撑架11与撑板14之间的结构稳定性；撑架11与套筒10之间设有一个铰接点，使推进单元的周围可设置更多的加载单元，使各个加载组件对节理围岩模型的洞室17的内侧施加的载荷更加均匀。

关于加载组件，如图3所示，每个卸荷模块上设有八个加载组件。八个加载组件在推进单元的周围周向阵列布置，使各个加载组件对节理围岩模型的洞室17的内侧施加的载荷更加均匀。

关于撑架11，撑架11的形状为Y字形，从而使撑架11与撑板14之间可形成两个铰接点，有利于加强撑板14在加载过程中的结构稳定性。

在本实施例中，推进单元包括螺帽9和套筒10，第二导向单元4的表面设有螺纹，螺帽9通过螺纹与第二导向单元4配合，套筒10可自转地套设在螺帽9外。螺帽9与第二导向单元4通过螺纹配合，使螺帽9可通过旋转沿第二导向单元4移动，并使螺帽9可锁定在第二导向单元4上；套筒10可在螺帽9上自转，使各个加载组件可在螺帽9旋进过程中保持结构稳定。

关于推进单元，螺帽9与套筒10的装配关系如图2所示，螺帽9上设有圆形的凸台，凸台可插入到套筒10内，使套筒10可在螺帽9上自转。

关于第二导向单元4，第二导向单元4的中部为螺杆，使螺帽9可通过螺纹与第二导向单元4螺纹配合。

在本实施例中，吸合单元6为电磁铁，弹性单元5为弹簧，第一导向单元1的一端设有基板，弹性单元5设在基板与第二导向单元4之间。

关于基板，基板为反力墩，第一导向单元1固定在基板上，基板可固定在外部结构上。基板可为卸荷模块提供安装基准，使卸荷模块在加载和瞬态卸荷过程中保持稳定。

关于吸合单元6，两个吸合单元6为电磁铁，两个吸合单元6之间设有电源7，电源7可同步控制两个吸合单元6同步工作。当电源7使吸合单元6通电时，两个吸合单元6可相互吸引并紧贴在一起。当电源7断电时，两个吸合单元6可瞬时释放，从而实现瞬态卸荷。

在本实施例中，第二导向单元4上设有若干导轮8，第一导向单元1上设有刻度，第二导向单元4通过导轮8在第一导向单元1上移动。导轮8使第二导向单元4可在第一导向单元1上平滑地移动，刻度使第二导向单元4与第一导向单元1之间的相对位置易于观察和测量，有利于提高卸荷模块的工作精度。

关于第一导向单元1，第一导向单元1上还设有两个支脚3。第一导向单元1通过支脚3和基板固定在外部结构上，有利于加强卸荷模块的结构稳定性。

岩体瞬态卸荷模拟试验系统，包括瞬态卸荷装置。

在本实施例中，撑架11上设有第一撑脚12和至少两个第二撑脚13，第一撑脚12与推进单元铰接，各个第二撑脚13分别与撑板14铰接，每个第二撑脚13上分别设有一个第一应变片18。第二撑脚13的数量为至少两个，且每个第二撑脚13上分别设有第一应变片18，使各个第二撑脚13之间的应变量可形成相互对照，有利于提高瞬态卸载模拟试验的试验结果的可靠性。

关于撑架11，撑架11的形状为图3和图4所示的Y字形，第二撑脚13的数量为两个。

实施例2：

如图9所示，本实施例与实施例1的区别在于：各个节理围岩模块16的形状为片状，各个节理围岩模块16在节理围岩模型内形成片层结构，各个节理围岩模块16之间的接触面平行于压板15。

实施例3：

如图10所示，本实施例与实施例1的区别在于：各个节理围岩模块16的形状为片状，各个节理围岩模块16在节理围岩模型内形成片层结构，各个节理围岩模块16之间的接触面垂直于压板15。

实施例4：

如图11所示，本实施例与实施例1的区别在于：各个节理围岩模块16的形状为拉伸体，节理围岩模块16的截面形状为矩形，节理围岩模块16的四个侧面分别平行于四个压板15。

Claims (10)

1.瞬态卸荷装置，其特征在于，包括两个卸荷模块，所述卸荷模块包括：

导向组件，所述导向组件包括第一导向单元和第二导向单元；

弹性单元，所述弹性单元能弹性牵引所述第二导向单元沿所述第一导向单元移动；

吸合单元，所述吸合单元能使两个所述卸荷模块上的所述第二导向单元相互靠近和远离；

推进单元，所述推进单元能沿所述第二导向单元移动，所述推进单元能锁定在所述第二导向单元上；

若干加载组件，所述加载组件包括撑架和撑板，所述撑架的两端分别与所述推进单元和所述撑板活动连接，两个所述卸荷模块上的所述撑板能相互挤压，各个所述撑板能与洞室的内侧贴合；

两个卸荷模块对称布置，推进单元能通过撑架带动两个卸荷模块上的撑架相互挤压，从而使各个加载组件张开，吸合单元和弹性单元使两个卸荷模块上的第二导向单元能在相互靠近的状态下瞬间释放。

2.根据权利要求1所述的瞬态卸荷装置，其特征在于：两个所述卸荷模块镜像对称布置。

3.根据权利要求1所述的瞬态卸荷装置，其特征在于：各个所述加载组件在所述推进单元的周围周向阵列布置。

4.根据权利要求1所述的瞬态卸荷装置，其特征在于：所述撑板和所述推进单元与所述撑架之间通过铰接结构进行连接，所述撑架与所述撑板之间设有至少两个铰接点，所述撑架与所述推进单元之间设有一个铰接点。

5.根据权利要求1所述的瞬态卸荷装置，其特征在于：所述推进单元包括螺帽和套筒，所述第二导向单元的表面设有螺纹，所述螺帽通过螺纹与所述第二导向单元配合，所述套筒可自转地套设在所述螺帽外。

6.根据权利要求1所述的瞬态卸荷装置，其特征在于：所述吸合单元为电磁铁，所述弹性单元为弹簧，所述第一导向单元的一端设有基板，所述弹性单元设在所述基板与所述第二导向单元之间。

7.根据权利要求1所述的瞬态卸荷装置，其特征在于：所述第二导向单元上设有若干导轮，所述第一导向单元上设有刻度，所述第二导向单元通过导轮在所述第一导向单元上移动。

8.岩体瞬态卸荷模拟试验系统，其特征在于：包括权利要求1至7任意一项所述的瞬态卸荷装置。

9.根据权利要求8所述的岩体瞬态卸荷模拟试验系统，其特征在于：所述撑架上设有第一撑脚和至少两个第二撑脚，所述第一撑脚与所述推进单元铰接，各个所述第二撑脚分别与所述撑板铰接，每个所述第二撑脚上分别设有一个第一应变片。

10.根据权利要求8所述的岩体瞬态卸荷模拟试验系统，其特征在于：还包括节理围岩模型和四个压板，四个压板能在节理围岩模型的外侧向节理围岩模型加压，所述节理围岩模型上还设有洞室，所述洞室贯穿所述节理围岩模型，所述节理围岩模型包括若干节理围岩模块，各个节理围岩模块相邻布置，各个节理围岩模块之间能相互滑动，每个所述节理围岩模块上设有至少一个第二应变片，所述节理围岩模块的形状满足下列形式之一：

形式一：各个所述节理围岩模块的形状为片状，各个节理围岩模块在所述节理围岩模型内形成片层结构，各个所述节理围岩模块之间的接触面倾斜于所述压板；

形式二：各个所述节理围岩模块的形状为片状，各个节理围岩模块在所述节理围岩模型内形成片层结构，各个所述节理围岩模块之间的接触面平行于所述压板；

形式三：各个所述节理围岩模块的形状为片状，各个节理围岩模块在所述节理围岩模型内形成片层结构，各个所述节理围岩模块之间的接触面垂直于所述压板；

形式四：各个所述节理围岩模块的形状为拉伸体，节理围岩模块的截面形状为矩形，节理围岩模块的四个侧面分别平行于四个所述压板。

Images