CN216646507U - 一种深地下岩石开挖效应模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种深地下岩石开挖效应模拟试验装置，所述装置包括岩石模型、压力控制装置和真空控制装置。压力控制装置包括压力容器和设于压力容器两侧的进水机构和排水机构；进水机构通过管路连接高压水泵；真空控制装置包括设于压力控制装置顶部的真空机线路转接盘和连接真空机线路转接盘的充气气囊；充气气囊竖直设于岩石模型中部，通过真空机线路转接盘连接外部真空机；岩石模型设置于压力容器内部，包含多个竖直堆叠的岩块；其中一岩块中设置有若干应变片，若干应变片与外部应变仪连接，用于在模拟试验过程中提供实时应变信息。利用上述装置进行模拟试验可为深部开采施工设计提供更直接、准确的试验依据。

Description

一种深地下岩石开挖效应模拟试验装置

技术领域

本实用新型涉及岩土介质开挖效应试验技术领域，特别是涉及一种深地下岩石开挖效应模拟试验装置。

背景技术

随着地下空间开发利用的发展，事关国家安全和社会发展的深地下隧道工程不仅要提高其抗静载能力，还需抵御开挖卸载扰动所带来的破坏效应。在实际工程应用中，岩土中开挖卸载效应通常利用经验公式进行评估。然而，目前行业对岩石介质开挖卸载分区的部分重要特性仍缺乏深入理解，这使得当前得到的经验公式或半理论半经验公式在脱离了实验条件后，所得到的预估结果易产生量级上的误差。因此，研究深地下开挖岩石分区破裂化现象对于岩土工程实践有着重要的指导作用。

深地下开挖时，隧道近区的运动规律和卸载波传播规律是研究的热点和难点，现有技术多采用经验公式来预测，考虑岩土介质在宏观水平上具有粘结力、内摩擦和剪胀特性，最主要的是导致其动力行为的非线性，而现有技术对岩土介质的研究主要集中在破坏前的阶段，对破坏后的动力卸载行为研究甚少。由于破坏后的应力-应变状态是揭示岩土介质本质的关键所在，因此，通过现有技术难以为深埋隧道工程建设提供直观而准确的试验依据。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供一种深地下岩石开挖效应模拟试验装置，能够对深地下开挖岩石分区破裂化现象进行仿真模拟，以得到更直接、准确的深地下开挖岩石介质运动规律和变形规律。

本实用新型提供的一种深地下岩石开挖效应模拟试验装置包括：岩石模型、压力控制装置和真空控制装置；其中，

所述压力控制装置，包括压力容器，以及分别设置于所述压力容器两侧的进水机构和排水机构；所述进水机构通过管路连接高压水泵，用于在模拟深地下高静水压力环境时，提供不同的静水压力；

所述真空控制装置，包括设置于所述压力控制装置顶部的真空机线路转接盘，和连接所述真空机线路转接盘的充气气囊；所述充气气囊竖直设置于所述岩石模型的中部，并通过所述真空机线路转接盘连接外部真空机，用于模拟开挖卸载过程；

所述岩石模型设置于所述压力容器的内部，包含多个竖直堆叠的岩块；其中，一岩块中设置有若干应变片，若干所述应变片与外部应变仪连接，用于在模拟试验过程中提供实时应变信息。

可选的，所述装置还包括：设置于所述压力控制装置底部的支承装置，所述支承装置包括橡胶垫块和位于橡胶垫块下方的三脚钢支架。

可选的，所述岩石模型中，各所述岩块之间填充有石膏，且各所述岩块间的接缝处填充有密封填料。

可选的，所述岩石模型中，一岩块顶部沿径向均匀设置有多条浅槽，若干所述应变片均匀设置于所述浅槽中。

可选的，所述进水机构包括加水孔、进水阀门和水压力计；所述排水机构则包括排水孔和排水阀门。

可选的，所述装置还包括：应变片线路转接盘，所述应变片线路转接盘设置于所述压力容器的侧壁，一端连接若干所述应变片，另一端连接所述外部应变仪。

可选的，所述压力容器的底部中心处设置有一凸台，所述岩石模型嵌装于所述凸台中。

可选的，所述压力容器由上下两个部分组成，且上部与下部通过法兰盘连接；其中，所述真空控制装置中的真空机线路转接盘设置于所述压力容器的上部；所述进水机构和所述排水机构设置于所述压力容器的下部；

可选的，所述法兰盘通过若干均匀间隔的螺栓活动连接。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提供的深地下岩石开挖效应模拟试验装置通过设置用于模拟深地下高静水压力环境的压力控制装置、用于模拟开挖卸载过程的真空控制装置以及岩石模型，并在岩石模型上沿径向布置了若干应变片，以记录岩石模型不同位置处的径向应变变化情况，定量获得开挖卸载时岩石中破碎带出现的位置及数量，进而揭示深地下开挖岩石分区破裂化机理，为深部开采施工设计提供更直接、准确的试验依据。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一个实施例提供的深地下岩石开挖效应模拟试验装置的结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例提供的应用于深地下岩石开挖效应模拟试验装置的测试方法的流程示意图；

图3是本实用新型一个具体实施例提供的深地下岩石开挖效应模拟试验装置的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本实用新型说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本实用新型。如在本实用新型说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

对于深地下隧道工程而言，不仅要提高其抗静载能力，更重要的是抵御开挖卸载扰动所带来的破坏效应。因此，对地下工程关键科学技术问题的研究迫切需要较为准确地估计岩土中开挖扰动引起的应力、变形及其它运动参数和破坏效应等参数。由于深部地质体与其它工程材料的区别很大，尤其是环境因素带来的影响，如高地应力、高地温和高岩溶水压等，很多基本理论仍未清楚。对此，本实用新型提供一种对深地下开挖岩石分区破裂化现象进行模拟的试验装置，以获取开挖近区岩石介质的运动规律和变形规律，为深埋隧道工程建设提供更直接、准确的试验依据。

请参阅图1，本实用新型提供的深地下岩石开挖效应模拟试验装置具体包括：岩石模型110、压力控制装置120和真空控制装置130。

其中，所述压力控制装置120包括压力容器，以及分别设置于所述压力容器两侧的进水机构和排水机构，所述进水机构通过管路连接高压水泵，用于在模拟深地下高静水压力环境时，提供不同的静水压力。

具体地，所述进水机构包括加水孔、进水阀门和水压力计；所述排水机构则包括排水孔和排水阀门。

需要说明的是，压力控制装置120中的压力容器由上下两个部分组成，且上部与下部通过法兰盘连接。具体地，法兰盘通过若干均匀间隔的螺栓活动连接。

在本实施例中，真空控制装置130中的真空机线路转接盘设置于压力容器的上部；进水机构和排水机构则设置于压力容器的下部。

所述真空控制装置130则包括设置于压力控制装置120顶部的真空机线路转接盘，以及连接所述真空机线路转接盘的充气气囊。所述充气气囊竖直设置于所述岩石模型110的中部，并通过所述真空机线路转接盘连接外部真空机，以模拟开挖卸载过程。

可以理解的是，所述外部真空机具体由真空泵、真空室、加热变压器、加热台、有机玻璃板上盖、气囊、电磁阀、时间继电器、电源指示灯、空气开关、真空表、档位开关、急停开关以及交流接触器等部件组成，利用真空机可抽取充气气囊内的空气，从而模拟开挖卸载过程。

所述岩石模型110设置于所述压力容器的内部，包含多个竖直堆叠的岩块；其中，一岩块中设置有若干应变片，若干所述应变片与外部应变仪连接，用于在模拟试验过程中提供实时应变信息。

需要说明的是，所述岩石模型110中，各岩块之间通过石膏填充，且各岩块间的接缝处设置有密封填料。

通过密封各岩块间的接缝，可防止压力控制装置120中的高压水通过岩块之间的接缝渗入岩石模型110内部，从而避免模拟试验条件偏离实际情况，有效消除其对影响试验的结果。

所述岩石模型110中，一岩块顶部沿径向均匀设置有多条浅槽，若干应变片均匀设置于所述浅槽中。

在本实施例中，所述装置还包括应变片线路转接盘，所述应变片线路转接盘设置于压力控制装置120中的压力容器的侧壁，其一端连接若干所述应变片，另一端连接外部应变仪。

本实施例中的所述应变片具体为电阻应变片，所述电阻应变片是由敏感栅等构成的用于测量应变的元件，使用时，可将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后，由于测点发生应变，敏感栅也随之变形，并使其电阻发生变化，再由应变仪等专用仪器测得其电阻变化大小，便可转换为测点的应变值。

在本实施例中，所述装置还包括设置于压力控制装置120底部的支承装置，所述支承装置包括橡胶垫块和位于橡胶垫块下方的三脚钢支架。通过设置橡胶垫块可有效减少试验装置在模拟开挖过程中所产生的设备震动，从而提高试验精度。在一个具体实施例中，所述压力容器的底部中心处还设置有一凸台，所述岩石模型嵌装于所述凸台中。

请参阅图2，在应用上述深地下岩石开挖效应模拟试验装置进行模拟试验时，本实用新型一个实施例对应提供一种测试方法，所述方法包括下述步骤：

S1：通过压力控制装置120中的进水机构向压力容器充入预设压力的高压水，以模拟深地下高静水压力环境。

可以理解的是，进水机构中的水压力计可实时监测所充入的高压水压力，并通过进水阀门控制加水孔的进水流量。

S2：利用外部真空机抽取真空控制装置130中的充气气囊内的空气，以模拟开挖卸载过程。

S3：利用外部应变仪实时采集若干所述应变片的应变信息，所述应变信息用于表征模拟开挖卸载时，岩石模型110不同位置径向应变变化情况。

S4：通过压力控制装置120中的排水机构排出所述压力容器内的高压水。

以下将通过一个具体实施例描述所述深地下岩石开挖效应模拟试验装置的结构及其应用方法。

请参阅图1与图3。本实施例所提供的试验装置包括岩石模型110、压力控制装置120、真空控制装置130和支承装置。

其中，所述压力控制装置120具体设置为高静水压力加载装置1，所述岩石模型110具体设置为分层圆柱形岩石模型2，所述真空控制装置130则具体设置为真空机系统。

所述真空机系统包括真空机线路转接盘5和连接所述真空机线路转接盘5的充气气囊15。

在本实施例中，所述支承装置由具有圆形台面的三脚钢支架4和圆形橡胶垫块3组成，其中，圆形橡胶垫块3设置于高静水压力加载装置1底部，用以缓冲模拟开挖卸载过程中引起的设备振动，既避免各种传感器受卸载震动而损坏，又避免高静水压力加载装置1振动造成量测信号失真。

需要说明的是，所述圆形台面和圆形橡胶垫块3的直径与高静水压力加载装置1底部的直径一致。

在本实施例中，所述高静水压力加载装置1由上下两部分组成。具体地，高静水压力加载装置1下部的侧面分别设有进水机构7和排水机构8；高静水压力加载装置1上部的侧面则设有电阻应变片线路转接盘6，所述电阻应变片线路转接盘6有多通道接线柱，用于转接高静水压力加载装置1的内部线缆与外部线缆，并起到耐压和密封作用。

在本实施例中，所述高静水压力加载装置1上部的顶部中央还设置有真空机系统中的真空机线路转接盘5，所述真空机线路转接盘5的中间设有一个圆形孔道，气路16可从该孔道穿过。

可以理解的是，所设置的真空机线路转接盘5具备耐压和密封效果。

具体地，所述进水机构7包括加水孔、进水阀门和水压力计。其中，进水阀门和水压力计均设置在加水孔上，所述加水孔通过延长管路与高压水泵连接。试验前，装置可通过高压水泵对高静水压力加载装置1充入高压水，以提供试验水压条件。

所述排水机构8则包括排水孔和排水阀门，试验完成后，打开排水孔上的排水阀门，以排出高压水，实现对高静水压力加载装置1内部的泄压。

需要说明的是，在高静水压力加载装置1内，其底部中央还设有一个圆形凸台，凸台的直径与分层圆柱形岩石模型2的直径一致，以使分层圆柱形岩石模型2可卡装于凸台中，并保持直立状态。可以理解的是，所述凸台用于固定分层圆柱形岩石模型2。

在本实施例中，高静水压力加载装置1的上部和下部通过法兰盘9进行连接，其中间还设有环形密封垫圈。所述法兰盘9上均匀间隔预留有螺孔，若干个高强度螺杆10可从预留的螺孔穿过，并通过螺母旋紧，以将高静水压力加载装置1的上下两个部分进行固定，达到耐压和密封的目的。

需要说明的是，所述高静水压力加载装置1内部的静水压力有多种。示例性的，可通过高压水泵对高静水压力加载装置1内部充入不同压力的水，以模拟不同埋深对应的高地应力状态；而经过适时的压力维持，还可使岩石介质达到饱和状态；同时，恒定的静水压力也可使分层圆柱形岩石模型2处于高围压状态，以模拟深地下岩石介质的力学状态和物理状态。

在本实施例中，分层圆柱形岩石模型2由三块圆柱形花岗岩块11竖直堆叠而成，各花岗岩块11的接触面之间用石膏13填充，接缝处则用防水密封胶14封边。

具体地，分层圆柱形岩石模型2中间的花岗岩块11顶部沿径向均匀开设有三条浅槽，所述浅槽上放置有若干应变片12，各应变片12通过线缆17与高静水压力加载装置1外部的应变仪连接。

需要说明的是，各应变片12具体可通过线缆17连接高静水压力加载装置1上部侧面所设置的电阻应变片线路转接盘6，再经电阻应变片线路转接盘6连接外部的应变仪，以记录花岗岩块11不同径向测点处的应变变化情况，定量获得开挖岩石中破碎带出现的位置以及数量。

在本实施例中，分层圆柱形岩石模型2中，所堆叠的花岗岩块11中央放置有充气气囊15，充气气囊15通过气路16从花岗岩块11顶部中央的孔道穿过，以连接设置于高静水压力加载装置1顶部的真空机线路转接盘5。通过启动真空机，可将充气气囊15里面的空气缓慢抽出，以模拟对岩石模型施加开挖卸载作用。

具体地，所述充气气囊15具体为圆柱形，圆柱形充气气囊15竖直设置于分层圆柱形岩石模型2中，其轴线与分层圆柱形岩石模型2的轴线重合。所述圆柱形充气气囊15内部填充有一定压力的空气，且上下底面与分层圆柱形岩石模型2的上下底面均有一定的距离。

可以理解的是，充气气囊15可由真空机以不同的功率抽出不同量的空气，因此，通过充气气囊15与不同静水压力的配合，可以得到不同埋深和不同开挖速度下岩石介质的动力卸载行为，以为深地下隧道工程建设提供直接、准确的试验数据。

通过本实用新型上述实施例提供的深地下岩石开挖效应模拟试验装置，可获得岩石模型中不同径向位置的应力应变情况，定量获得开挖卸载时岩石中破碎带出现位置及数量，为深埋隧道工程建设提供直接的试验数据，并节约试验成本和提高试验效率。

本实用新型一个具体实施例将描述上述深地下岩石开挖效应模拟试验装置的应用方法，具体包括下述步骤：

首先需架设支承装置，并布置高静水压力加载装置1的下部分。具体地，在高静水压力加载装置1底部的凸台上固定分层圆柱形岩石模型2，并在分层圆柱形岩石模型2的中央布置连接有气路16的圆柱形充气气囊15，再将圆柱形充气气囊15的气路16从高静水压力加载装置1的容器顶部孔道中穿过。

同时，将应变片12的引线与高静水压力加载装置1侧面的电阻应变片线路转接盘6的接线柱进行连接，并将电阻应变片线路转接盘6上的信号线与外部的应变仪连接，以实现电阻信号的采集。

进一步地，布置高静水压力加载装置1的上部分，具体将分层圆柱形岩石模型2顶部中央的气路16从真空机线路转接盘5伸出，并进行密封处理。

完成高静水压力加载装置1的布置后，将高静水压力加载装置1的上下两部分法兰盘9进行对接，具体采用环形橡胶密封圈进行密封，并通过高强度螺杆10将高静水压力加载装置1的上下两部分进行固定。

需要说明的是，所述环形橡胶密封圈具体为O型橡胶密封圈。

开始模拟试验时，将高压水泵的供水管路与高静水压力加载装置1的加水孔连接，对高静水压力加载装置1内部充入预定的高压水，并通过水压力计观察容器内部水压和通过水阀门控制水量。

进一步地，将伸出真空机线路转接盘5的气路16与外部真空机连接，利用电源线将真空机与电源启动装置连接。完成电连接后，启动真空机，将圆柱形充气气囊15中的空气缓慢抽出，模拟开挖过程。

岩石模型受力后由于测点发生变化，设置于岩石模型中的电阻应变片12敏感栅也随之变形，并使其电阻发生变化，由外部的应变仪测得其电阻变化大小后，转化为测点的应变值，最终获得模拟开挖卸载时岩石中破碎带出现的位置及数量。可以理解地，基于惠斯登电路原理，径向电阻应变片感知到岩石模型的拉伸应变ε和已知电阻丝金属材料泊松比μ、电阻丝灵敏系数K、输入电压U₀。

具体地，根据电阻变化率与机械应变之间的关系，可得：

进一步地，将非电量信号转化成电量信号输出，即输出电压U，以反映应变大小，具体为：

试验完成后，先通过高静水压力加载装置1的排水孔进行泄压，再取出岩石样品进行分析。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种深地下岩石开挖效应模拟试验装置，其特征在于，包括：岩石模型、压力控制装置和真空控制装置；其中，

所述压力控制装置，包括压力容器，以及分别设置于所述压力容器两侧的进水机构和排水机构；所述进水机构通过管路连接高压水泵，用于在模拟深地下高静水压力环境时，提供不同的静水压力；

所述真空控制装置，包括设置于所述压力控制装置顶部的真空机线路转接盘，和连接所述真空机线路转接盘的充气气囊；所述充气气囊竖直设置于所述岩石模型的中部，并通过所述真空机线路转接盘连接外部真空机，用于模拟开挖卸载过程；

所述岩石模型设置于所述压力容器的内部，包含多个竖直堆叠的岩块；其中，一岩块中设置有若干应变片，若干所述应变片与外部应变仪连接，用于在模拟试验过程中提供实时应变信息。

2.根据权利要求1所述的深地下岩石开挖效应模拟试验装置，其特征在于，还包括：

设置于所述压力控制装置底部的支承装置，所述支承装置包括橡胶垫块和位于橡胶垫块下方的三脚钢支架。

3.根据权利要求1所述的深地下岩石开挖效应模拟试验装置，其特征在于，所述岩石模型中，各所述岩块之间填充有石膏，且各所述岩块间的接缝处填充有密封填料。

4.根据权利要求1所述的深地下岩石开挖效应模拟试验装置，其特征在于，所述岩石模型中，一岩块顶部沿径向均匀设置有多条浅槽，若干所述应变片均匀设置于所述浅槽中。

5.根据权利要求1所述的深地下岩石开挖效应模拟试验装置，其特征在于，

所述进水机构包括加水孔、进水阀门和水压力计；

所述排水机构则包括排水孔和排水阀门。

6.根据权利要求1所述的深地下岩石开挖效应模拟试验装置，其特征在于，还包括：

应变片线路转接盘，所述应变片线路转接盘设置于所述压力容器的侧壁，一端连接若干所述应变片，另一端连接所述外部应变仪。

7.根据权利要求1所述的深地下岩石开挖效应模拟试验装置，其特征在于，所述压力容器的底部中心处设置有一凸台，所述岩石模型嵌装于所述凸台中。

8.根据权利要求1所述的深地下岩石开挖效应模拟试验装置，其特征在于，所述压力容器由上下两个部分组成，且上部与下部通过法兰盘连接；其中，

所述真空控制装置中的真空机线路转接盘设置于所述压力容器的上部；所述进水机构和所述排水机构设置于所述压力容器的下部。

9.根据权利要求8所述的深地下岩石开挖效应模拟试验装置，其特征在于，所述法兰盘通过若干均匀间隔的螺栓活动连接。

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