模拟三维加载条件下爆破开挖卸荷的试验装置及试验方法与流程

本发明属于地下工程开挖技术领域，涉及一种模拟三维加载条件下爆破开挖卸荷的试验装置及试验方法。

背景技术：

随着我国矿山巷道、交通隧道和国防及地下厂房施工建设的迅猛发展，地下空间的开发利用逐渐向深部发展，地质条件越来越复杂。地下工程中开挖卸荷产生动力扰动，引起巷道围岩产生岩爆、挤压大变形和分区破裂化等工程问题，同时引起了国内外学者的广泛关注，成为岩石力学领域研究的热点和难点。岩爆主要是由于爆破产生的动力扰动触发的。目前地下工程的开挖方法主要有钻爆法和机械开挖两种。钻爆法利用凿岩机钻孔，然后在孔内装入炸药，通过引爆炸药破碎围岩，钻爆法的卸荷速率极快可以看做瞬态卸荷开挖，爆破过程中会产生较强的动力扰动波。机械开挖主要是利用掘进机的切割头破岩，掘进机在较软和节理裂隙发育的页岩、泥岩和砂质泥岩等岩层中，有着较高的掘进效率。但由于掘进机在掘进过程中，常常会遇到完整性和坚固性较好的坚硬岩体，导致掘进机切割岩石比较困难，并且对截齿(切割头上的刀具)消耗大幅度增加，造成施工成本的大大提高。机械开挖卸荷与爆破开挖卸荷相比，机械开挖卸荷的速率较小。在地下工程施工过程中，开挖卸荷实际上是岩体在开挖面的应力得到释放，打破了原有的力学平衡状态，使岩体进行应力调整，产生新的变形。不同的开挖方法对应不同的开挖卸荷应力路径，钻爆法爆破开挖卸荷的速率极快，对于研究地下工程爆破围岩的应力重分布(应力调整)具有重要的研究价值。在岩石力学中，主要通过理论分析、室内模型试验和数值模拟三种方法研究地下施工过程的开挖卸荷对巷道围岩稳定性及破坏的影响，室内模型试验主要有两种方式模拟开挖卸荷：先开挖后加载和先加载后开挖。

目前，多采用先开挖后加载的室内试验方法来模拟洞壁的破坏过程，但是先开挖后加载的模拟方法与地下工程施工前处于一定的应力环境中不相吻合，因此为了更好的研究巷道围岩的破坏及力学性质，先加载后开挖的试验方法更接近实际工程。也有学者采用孔内加卸荷的方法模拟机械开挖卸荷，但是对于真三轴加载条件下爆破开挖卸荷的研究却鲜见报道。国内关于地下工程开挖卸荷方面的专利，如申请号为201610220535.9，发明名称为“一种实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置”，公开日：2016年8月17日，公开了一种实现岩石孔内不同应力路径加卸荷的试验装置，该专利通过对含预制孔洞的试样孔内加压，然后卸载孔内压力的方法模拟开挖卸荷，整个试验过程为试样开孔→加载→孔内加压→孔内缷压，无法实现先加载后开挖的试验过程。申请号为201610551010.3，发明名称为“巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法”，公开日：2016年9月7日，公开了一种巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法，该专利在预制巷道内通过下承压板、上承压板和侧承压板对巷道施加孔内压力，然后卸荷的过程模拟巷道的开挖卸荷，该方法属于先开挖后加载，与工程实践中的开挖卸荷过程不同。申请号为201510228942.x，发明名称为“适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置”，公开日：2015年8月12日，公开了一种适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置，该专利对模型试验中的硐室围岩开挖卸荷全过程进行动态模拟，未涉及岩石试样先加载后开挖的试验过程。申请号为201610028031.7，发明名称为“模拟井巷开挖卸荷的试验方法”，公开日：2016年6月15日，公开了一种模拟井巷开挖卸荷的试验方法，该专利的试验方法对井巷围岩的逐步、快速卸荷进行真实模拟，体现不同巷道断面形状对围岩变形、裂纹产生及发展的影响，该方法属于先开孔后加载，孔内加卸荷的试验，与现场的施工方式(岩体受力条件下开挖卸荷)不同。

上述专利均没有介绍先加载后开挖的试验方法，来使试验方法更吻合施工前处的应力环境，对于真三轴加载条件下爆破开挖卸荷的研究却很少有人问津。

技术实现要素：

为了达到上述目的，本发明提供一种模拟三维加载条件下爆破开挖卸荷的试验装置及试验方法，解决了对真三轴加载条件下爆破开挖卸荷研究较少和先开挖后加载的方法与地下工程施工前处于一定的应力环境中不相吻合的问题，可实现三维加载条件下的先加载后爆破开挖的模拟试验。

本发明所采用的技术方案是，实验装置的三维模型包括反力架，承压板，液压千斤顶，连接螺栓，连接板，螺孔，螺母，三维模型中每个加载面由多块承压板组成，每块承压板之间通过连接板连接，连接板上设有螺孔，连接螺栓穿过螺孔与螺母连接，相邻的两块承压板由连接螺栓、螺母和连接板相连，三维模型上左右前后五个加载面上均设有液压千斤顶，液压千斤顶在每一面等间距设置三排，每排等间距设有三个液压千斤顶，承压板上均匀分布九个液压千斤顶，每排液压千斤顶上方有反力架，液压千斤顶的底座与反力架连接，液压千斤顶通过液压千斤顶控制线路与液压千斤顶控制开关相连，液压千斤顶通过液压管路与液压泵站相连，液压泵站与电脑相连，前后两个加载面中心位置的承压板内设有孔洞，相似材料试样内部设有多处爆破孔，爆破孔通过爆破引线与爆破控制开关相连，相似材料试样内部埋设应变片，应变片通过导线与应变仪相连，应变仪与电脑相连。

进一步的，所述反力架，承压板，连接板，液压千斤顶，连接螺栓，螺母，液压千斤顶控制开关，液压千斤顶控制线路，液压泵站，液压管路组成液压千斤顶加卸载系统。

进一步的，所述三维模型的每一个加载面由9块承压板通过连接螺栓、螺母及连接板进行连接组装形成。

进一步的，每个所述加载面的面积较相似材料试样的表面积小。

进一步的，所述液压千斤顶的型号为rc-502。

进一步的，所述应变片的型号为be120-5aa。

进一步的，所述应变仪的型号为sdy2107a。

本发明所采用的另一技术方案是，模拟三维加载条件下爆破开挖卸荷的试验装置的试验方法，按照以下步骤进行：

步骤一、相似材料试样的加工：将三维模型的前后左右四个面的承压板固定好，在中间试验室内进行相似材料试样的浇筑，从三维模型的上侧进行浇筑相似材料试样，根据巷道断面形状布置爆破孔和埋设应变片，在浇筑试样的过程中，根据不同巷道断面形状中的爆破孔的不同位置，做好标记，以便在相应的位置埋设炸药；

步骤二、固定相似材料试样：正方体相似材料试样放在一种模拟三维加载条件下爆破开挖卸荷的试验装置中通过液压千斤顶加卸载系统给垂直方向施加0-1kn的力，然后在水平方向加载，力的大小与垂直方向的力相等，前后两个加载面虽然开设有孔洞，但是每个加载面的承压板已经形成了一个整体，在液压千斤顶的加载过程中使相似材料试样前后两侧受力均匀，在电脑软件的控制下保证x、y、z三个方向施加的力大小相同，垂直方向为z方向，水平方向为x方向和y方向；

步骤三、三维加载：相似材料试样固定在一种模拟三维加载条件下爆破开挖卸荷的试验装置之后，同时保持x、y、z三个方向加载速率相同，利用液压千斤顶将垂直方向和水平方向的应力加载至设定深度处的三维应力水平，用以模拟不同深度的应力环境；

步骤四、模拟爆破开挖卸荷：三维模型的上左右前后五个加载面上均有液压千斤顶，液压千斤顶在每一面设置三排，每排液压千斤顶上方有反力架，通过电脑控制液压泵站内高压油的量，高压油由液压管路注入到液压千斤顶内部，推动液压千斤顶的活塞运动，液压千斤顶作用于承压板上，前后两个加载面中心位置的承压板内设有孔洞，孔洞用于爆破后的碎屑清理，以及安装用来观测洞壁围岩的破坏过程监控摄像头，根据不同巷道断面形状爆破开挖的布置方式来埋设适量的炸药，从而形成相应的爆破孔，连接好爆破引线，通过爆破控制开关进行控制爆破；

步骤五、爆破数据处理与分析：引爆炸药后，通过应变仪采集爆破过程中巷道围岩的应力应变数据，数据通过电脑进行处理；

步骤六、安装监控摄像头：完成爆破开挖后，在巷道轴线方向安装监控摄像头实时监控巷道洞壁围岩的破坏过程，继续增加垂直应力，通过摄像机及声发射系统实时监控洞壁的破坏过程。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)简单灵活，该装置每个加载面由9块承压板通过连接螺栓、螺母及连接板进行连接，结构简单灵活，便于组装和拆卸；(2)适用范围广，该装置在布置爆破孔面上的承压板可以根据巷道断面的形状开设相同的孔洞(包括圆形、正方形、马蹄形、直墙拱形等)，以便于爆破后的碎屑清理，以及安装监控摄像头来观测洞壁围岩的破坏过程；(3)可实现三维加载条件下的先加载后爆破开挖的模拟试验，该装置利用液压千斤顶对试样进行真三轴加载条件下模拟巷道爆破开挖卸荷的室内试验，研究爆破过程中动力扰动对巷道围岩的破坏过程的影响；(4)可监测巷道围岩爆破过程中的应力调整过程，基于该试验装置的试验方法结合地下工程中爆破开挖施工方式，在相似材料试样中预先埋设应变片，监测爆破过程中巷道围岩的变形及应力重分布过程，为研究巷道围岩应力调整过程提供了新方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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发明的一些实施例，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为本发明试验装置的整体结构图；

图2为本发明试验装置的主视图；

图3为本发明试验装置a-a剖面图；

图4为承压板结构示意图；

图5相邻承压板连接示意图；

图6为岩石试样x、y、z三个方向的三维加载示意图。

图中，1.反力架，2.承压板，3.液压千斤顶，4.爆破孔，5.连接螺栓，6.液压千斤顶控制开关，7.液压千斤顶控制线路，8.液压泵站，9.液压管路，10.电脑，11.爆破控制开关，12.爆破引线，13.应变片，14.孔洞，15.连接板，16.螺孔，17.相似材料试样，18.应变仪，19.螺母。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明试验装置的结构如图1-5所示，实验装置的三维模型包括反力架1，承压板2，液压千斤顶3，连接螺栓5，连接板15，螺孔16，螺母19，三维模型中每个加载面由多块承压板2组成，每块承压板2之间通过连接板15连接，连接板15上设有螺孔16，连接螺栓5穿过螺孔16与螺母19连接，相邻的两块承压板2由连接螺栓5、螺母19和连接板15相连，三维模型上左右前后五个加载面上均设有液压千斤顶3，液压千斤顶3在每一面等间距设置三排，每排等间距设有三个液压千斤顶3，承压板2上均匀分布九个液压千斤顶3，每排液压千斤顶3上方有反力架1，液压千斤顶3的底座与反力架1连接，液压千斤顶3通过液压千斤顶控制线路7与液压千斤顶控制开关6相连，液压千斤顶3通过液压管路9与液压泵站8相连，液压泵站8与电脑10相连，前后两个加载面中心位置的承压板2内设有孔洞14，相似材料试样17内部设有多处爆破孔4，爆破孔4通过爆破引线12与爆破控制开关11相连，相似材料试样17内部埋设应变片13，应变片13通过导线与应变仪18相连，应变仪18与电脑10相连。

反力架1，承压板2，连接板15，液压千斤顶3，连接螺栓5，螺母19，液压千斤顶控制开关6，液压千斤顶控制线路7，液压泵站8，液压管路9组成液压千斤顶加卸载系统。

三维模型的上左右前后五个面上设置液压千斤顶3进行加载，装置能够实现每个面的独立加载及单独卸载的特殊功能，研究三向六面加载条件下单面卸载转化为三向五面加载材料的破坏特性。

本发明装置的三维模型包括反力架1，承压板2，液压千斤顶3，连接螺栓5，连接板15，螺孔16，螺母19，三维模型的每一个加载面由9块承压板2通过连接螺栓5、螺母19及连接板15进行连接组装形成，六个加载面形成试验室，试验室的空间用于浇筑相似材料试样17。每个加载面的面积较相似材料试样17的表面积稍小，在相似材料试样17每一边预留一定的距离，以防止因相似材料试样17变形而使相邻两个面的承压板2接触，造成损伤，便于组装和拆卸。根据试验需要改变承压板2的大小，与相似材料试样17相匹配。根据爆破开挖断面的形状，在前后两个加载面中心位置的承压板2的中间开设形状大小均相同的孔洞14。

液压千斤顶3的型号选用rc-502，工作能力为50t，行程为50.8mm，本体高度为176mm，本发明选用此型号的液压千斤顶3主要考虑三个方面：(1)液压千斤顶3的工作能力：每一块承压板的边长为100mm，则根据该型号的液压千斤顶3的工作能力计算可得应力的加载范围为0-50mpa，可以满足承载能力在0-50mpa范围内的相似材料的试验研究；(2)液压千斤顶3的行程：在岩土力学室内实验中，相似模拟材料的变形相对较小，对于本型号液压千斤顶3的行程50.8mm可以满足室内试验的要求；(3)液压千斤顶3的本体高度：在选定液压千斤顶3的工作能力和行程之后，为了减小试验装置的体积，尽量选用本体高度较小的液压千斤顶3。液压千斤顶3的基本工作原理：卸压时油压带动小活塞向上，油箱里的油通过油管和单向阀门被吸进小活塞下部，加压时油压带动小活塞向下，油箱与小活塞下部油路被单向阀门堵上，小活塞下部的油通过内部油路和单向阀门被压进大活塞下部，因杠杆作用小活塞下部压力增大数十倍，大活塞面积又是小活塞面积的数十倍，油压被挤进大活塞，由帕斯卡原理知大小活塞面积比与压力比相同。本发明中的液压千斤顶3主要起到的作用是对相似材料试样17进行加载和卸载。通过液压管路9与液压泵站8相连，液压泵站8内的高压油由液压管路9注入到液压千斤顶3内部，推动液压千斤顶3的活塞运动。

应变片13选用的型号为be120-5aa，栅长5mm，栅宽2.8mm，电阻120ω。

在相似材料试样17浇筑过程中，预先埋设应变片13，应变片13的位置和不同巷道的断面形状有关联，对于不同截面形状的巷道，其爆破孔4的布置方式不尽相同，应该根据巷道断面形状布置爆破孔，对于本发明中的直墙拱形的布置方式如图1中所示，在浇筑试样的过程中，根据图1中的爆破孔4的布置方式，做好标记，以便在相应的位置埋设炸药。应变片13与应变仪18连接，应变仪18与电脑连接读入数据。将爆破孔中的炸药通过爆破引线12连接，通过爆破控制开关11进行控制爆破。在前后两个加载面中心位置的承压板2内设有孔洞14，孔洞14用于爆破后的碎屑清理，以及安装用来观测洞壁围岩的破坏过程监控摄像头。

应变仪18的型号为sdy2107a，具有体积小、桥路自动平衡、频带宽、测量精度高、噪声低、稳定性好、抗干扰能力强的优点，采用拨盘开关校准，准确方便。

实施例

一种模拟三维加载条件下爆破开挖卸荷的试验方法应用一种模拟三维加载条件下爆破开挖卸荷的试验装置，按照以下试验步骤：

步骤一、相似材料试样17的加工：将三维模型的前后左右四个面的承压板固定好，在中间试验室内进行相似材料试样17的浇筑，从三维模型的上侧进行浇筑相似材料试样17，根据巷道断面形状布置爆破孔4和埋设应变片13，在浇筑试样的过程中，根据不同巷道断面形状中的爆破孔4的不同位置，做好标记，以便在相应的位置埋设炸药；

步骤二、固定相似材料试样17：正方体相似材料试样17放在一种模拟三维加载条件下爆破开挖卸荷的试验装置中通过液压千斤顶加卸载系统给垂直方向施加0-1kn的力，然后在水平方向加载，力的大小与垂直方向的力相等，前后两个加载面虽然开设有孔洞14,但是每个加载面的承压板2已经形成了一个整体，在液压千斤顶3的加载过程中使相似材料试样17前后两侧受力均匀，在电脑软件的控制下保证x、y、z三个方向施加的力大小相同，垂直方向为图6中的z方向，水平方向为图6中的x方向和y方向；

步骤三、三维加载：相似材料试样17固定在一种模拟三维加载条件下爆破开挖卸荷的试验装置之后，同时保持x、y、z三个方向加载速率相同，利用液压千斤顶3将垂直方向和水平方向的应力加载至设定深度处的三维应力水平，用以模拟不同深度的应力环境；

步骤四、模拟爆破开挖卸荷：三维模型的上左右前后五个加载面上均有液压千斤顶3，液压千斤顶3在每一面设置三排，每排液压千斤顶3上方有反力架1，通过电脑10控制液压泵站8内高压油的量，高压油由液压管路9注入到液压千斤顶3内部，推动液压千斤顶3的活塞运动，液压千斤顶3作用于承压板2上，前后两个加载面中心位置的承压板2内设有孔洞14，孔洞14用于爆破后的碎屑清理，以及安装用来观测洞壁围岩的破坏过程监控摄像头，根据不同巷道断面形状爆破开挖的布置方式来埋设适量的炸药，从而形成相应的爆破孔4，连接好爆破引线12，通过爆破控制开关11进行控制爆破；

步骤五、爆破数据处理与分析：引爆炸药后，通过应变仪18采集爆破过程中巷道围岩的应力应变数据，数据通过电脑10进行处理；

步骤六、安装监控摄像头：完成爆破开挖后，在巷道轴线方向安装监控摄像头实时监控巷道洞壁围岩的破坏过程，继续增加垂直应力，通过摄像机及声发射系统实时监控洞壁的破坏过程。

本发明步骤二中固定相似材料试样17所用的力应适中，不应过大或过小，如果固定力过大，则会对相似材料试样17造成损伤，影响试样三维受力条件下的力学特性的试验研究，若固定力过小，则在垂直方向施加固定力之后，在水平方向加力的过程中，相似材料试样17开始受力稍微不均匀，则就会造成相似材料试样17的移动而失去固定作用；步骤三在试验过程中，保持x、y、z三个方向加载速率相同，消除加载速率不同对试验结果的影响。加载速率快慢会影响相似材料试样17内部裂纹的发展，进而影响试验结果，同时也可以利用本装置进行不同加载速率下的先加载后开孔的试验研究，进而研究加载速率对岩爆的影响规律；步骤四中，液压千斤顶3作用于承压板2上有利于相似材料试样17均匀受力，消除相似材料试样17局部应力集中，如果液压千斤顶3直接作用于相似材料试样17的表面，与相似材料试样17的接触面积只有液压千斤顶3的顶端大小，则不能覆盖整个相似材料试样17，因此会在接触面处产生局部应力集中，造成应力不均匀。该装置每个加载面由9块承压板2通过连接螺栓5、螺母19及连接板15进行连接，结构简单灵活，便于组装和拆卸；前后加载面中间位置的承压板2内根据巷道断面的形状开设所需孔洞14的形状(包括圆形、正方形、马蹄形、直墙拱形等)，且孔洞14还可以便于爆破后的碎屑清理，以及安装监控摄像头来观测洞壁围岩的破坏过程；该发明利用液压千斤顶3对试样进行真三轴加载条件下模拟巷道爆破开挖卸荷的室内试验，研究爆破过程中动力扰动对巷道围岩的破坏过程的影响；本发明结合地下工程中爆破开挖施工方式，在相似材料试样17中预先埋设应变片13，监测爆破过程中巷道围岩的应力重分布过程，为研究巷道围岩应力调整过程提供了新方法。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。