一种用于模拟地下岩土体开挖卸荷力学响应过程的试验装置的制作方法

本发明涉及一种岩土体开挖卸荷过程力学行为研究的试验装置，属于地下掘进工程技术领域。

背景技术：

卸荷力学响应特征是地下岩土体开挖工程临空区变形失稳研究的核心，是揭示顶底板变形，片帮，岩爆等等地下开挖灾害现象的基础，还是提供维持空区稳定、隧洞开挖超前支护方案、地下灾害预警预报技术的关键。很多地下开挖工程位移、应力、声波等数据检测耗时长，且影响因素多难以排除，对所获取的数据特征甄别困难，这严重影响了工程技术人员对工程岩体卸荷力学响应特征的准确判断，给预警预报、超前支护方案等技术参数优化带来困扰，导致研究成本大大提高。在地下岩体开挖卸荷过程中力学行为不同于常规的外部加卸载过程，实际上由于岩土体中节理、裂隙发育程度的差异，岩体物理力学特征的不同，应力环境的改变，开挖方式、速率以及断面形状等都给地下开挖卸荷过程带来不同程度的影响，导致卸荷过程的力学响应机制变得复杂多变，而目前针对真实地下开挖卸荷过程的试验设备尚不完善，更多的是研究围压逐渐卸荷的过程，其过程并不能真实反映地下卸荷时不同开挖断面形状的影响，只能从宏观上表征一种卸荷时的单个试件破坏情况和力学响应特征，而准确获取开挖卸荷过程中巷道的变形规律、岩土体开挖卸荷响应机制，对巷道施工进度的优化、支护时间的合理安排以及控制围岩变形技术尤为关键，所以目前常规三轴卸荷试验仪并不能真实反映开挖过程的巷道各边帮的位移变化、应力变化和声发射特征，我们需要一种能够真实反映卸荷过程中不同断面、不同远场应力条件、不同开挖卸荷速度、不同损伤程度岩体响应机制的试验设备来研究复杂条件下的卸荷力学行为，为地下掘进工程提供实质性的工程实践指导依据。

申请号为cn201510117135.0的发明专利介绍了一种模拟隧道施工的相似模型试验装置，该装置实现了对隧道开挖过程、隧道超前支护状态、外界动荷载对隧道影响的模拟，但仍然存在一定的局限性，其发明不能实现对不同开挖卸荷速率、掘进方式以及掘进断面对壁面临近围岩影响的模拟。

申请号为cn201710880854.7的发明专利介绍了一种隧道开挖变形可视化模型实验装置及方法，该实验装置可以模拟隧道开挖从无衬砌到有衬砌状态下的变形规律，但其配制的透明土很难和工程实际材料力学性质吻合，得出的试验数据仍难以和工程实际直接接轨，且其周围的透明箱体受压承载力有限，仅适用于低压力环境下的测试。

申请号为cn201510117157.7的发明实施例提供了一种模拟隧道施工的相似模型试验方法，为相似模型参数的确定提供了一套快速简便的求解方法，因此，浇筑相似材料模型已越来越接近真实环境，为本发明装置浇模流程提供了便利。

综上，目前所研发的地下开挖卸荷试验设备或试验平台主要存在几个问题：（1）大多针对隧道的开挖，对不同掘进断面及掘进速度下的边帮变形破坏考虑不周；（2）对应力环境考虑单一，很难真实反映地下复杂的力学环境对开挖卸荷过程的影响；（3）设备适用领域局限性大，普适性不强。

因此，探索一种用于模拟地下岩土体开挖卸荷力学响应过程的试验装置显得尤为重要，通过该装置来研究同种外部环境下不同断面形状、不同开挖进尺速度以及不同掘进方式对临近围岩变形破裂的响应规律，以研究地下开挖过程中巷道（隧洞）变形及力学响应机制，为地下隧洞、巷道等开挖的支护优化、变形监测及安全预警预报参数的选取提供理论指导依据。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明旨在探究地下岩土体开挖卸荷过程中临近围岩的力学响应机制，为模拟开挖卸荷过程中巷道（隧洞）围岩在不同阶段变形规律、应力集中位置、声发射特征提供一种可能；试验中可实现卸荷过程围岩边帮的变形、应力变化、声发射特征以及破裂区域的实时监控和观测；也可考虑裂隙岩体在卸荷应力场中的耦合作用对卸荷力学行为的影响。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于模拟地下岩土体开挖卸荷力学响应过程的试验装置,包括基座1、反力框架2、水平液压荷载装置3、垂直液压荷载装置4、位置调节阀5、试样6、球座8、球形滚排9、磁性吸座10、下垫板11、上垫板12、左垫板13、右垫板14、三角形支架15、支撑杆16、旋转齿轮17、联动套管18、电动机19、传动盘20、卸荷速度控制箱21、撑力环22、支力杆23、位移传感器24、承力板25、压敏电阻传感器26、主机ⅰ27、信号采集仪28、电子显示屏29、安全阀30、微型摄像头31、模拟巷道32、液压伺服控制系统33、位置调节杆35、主机ⅱ36；反力框架2垂直固定在基座1上，垂直液压荷载装置4固定在反力框架2的顶部，水平液压荷载装置3固定在反力框架2的一侧，反力框架2的另一侧设有位置调节杆35，位置调节杆35与水平液压荷载装置3对称设置，位置调节杆35穿过反力框架2与位置调节阀5连接，位置调节杆35上设有螺纹，与反力框架2之间通过螺纹连接，通过旋转环形位置调节阀5实现位置调节杆35的来回伸缩从而推动试样向基座中心对齐，实现试样位置的微调以及提供水平荷载的反向支撑力；垂直液压荷载装置4的下端与球形滚排9连接，使球形滚排9能够对端面实现自动找平，保证垂直荷载受力的均匀性；基座1上设有下垫板11，试样6置于下垫板11上，上垫板12置于试样6上端，左垫板13和右垫板14垂直设置在试样6的两侧，位置调节杆35与水平液压荷载装置3分别通过左垫板13和右垫板14对试样6作用；三角形支架15设置在基座1的前后两端用于支撑支撑杆16，三角形支架15内部设置旋转齿轮17，电动机19通过皮带与传动盘20连接，传动盘20通过轴与旋转齿轮17连接；联动套管18的下面固定有齿条37，齿条37与旋转齿轮17啮合，电机启动带动旋转齿轮17旋转，从而带动联动套管18前后伸缩，进而牵引撑力环22前后运动实现承力板25上下抬升，从而起到支撑围岩和卸除围岩支撑力的作用；支撑杆16的两端套有联动套管18，支撑杆16的中部设有多个撑力环22，联动套管18与撑力环22相扣，相邻两个撑力环22之间采用三点支力杆23搭接，三点支力杆23的顶部设有承力板25，三点支力杆23与承力板25之间为铰接，承力板25受到压力时三点支力杆23的角度可变大，承力板25的中心设有压敏电阻传感器26与试样6内部的模拟巷道32接触；所述撑力环22上设有多个位移传感器24，位移传感器24与试样6内部的模拟巷道32接触；微型摄像头31通过磁性吸座10固定在基座1上，用于实时拍摄隧洞围岩变形开裂过程；微型摄像头31、位移传感器24、压敏电阻传感器26分别与信号采集仪28连接，信号采集仪28与主机ⅰ27连接，主机ⅰ27与电子显示屏29连接；液主机ⅱ36与液压伺服控制系统33连接，液压伺服控制系统33分别与卸荷速度控制箱21与液压荷载控制箱34连接。

优选的，本发明所述水平液压荷载装置3、垂直液压荷载装置4为液压推杆，由液压荷载控制箱34内的液压油缸向水平液压荷载装置3、垂直液压荷载装置4充油和回油实现液压推杆的伸缩，水平液压荷载装置3、垂直液压荷载装置4通过进油管7与液压荷载控制箱34内的液压油缸连接。

优选的，本发明所述球座8为半球形结构，球形滚排9外观形状与上垫板12相同，在其下端设有多排小球；上端设有有一个球形凹槽，球座8卡在球形凹槽内，使球形滚排9可以各个方向转动。

优选的，本发明所述安全阀30位于三角形支架15的上端，安全阀30通过螺纹与三角形支架15连接，安全阀30旋紧时其下端安全阀30与联动套管18接触；安全阀30用于保护模拟隧洞内位移传感器24和压敏电阻传感器26，当达到控制目标值时旋紧安全阀30锁紧联动套管18防止联动套管因隧洞压力突然释放快速回缩压坏位移传感器24和压敏电阻传感器26。

本发明所述用于模拟地下岩土体开挖卸荷过程力学响应试验装置的使用方法，具体包括以下步骤：

（1）将浇筑好的相似岩体模型试样置于反力框架中心的下垫板上，取出试样四周和中心透明支撑模具。

（2）选用对应断面形状的支护-卸荷装置（三角形支架15、支撑杆16、撑力环22、三点支力杆23与承力板25等组成），将承力板25位置调到最低，打开联动套管18的安全阀30，可手动或开启卸荷速率控制器，将支护-卸荷装置缓缓送入试样中心所构筑的模拟巷道（隧洞）内，直至支护-卸荷装置能够完全贯穿整个试样为止。

（3）手动或选择合适的速率推动撑力环“撑开”承力板，使承力板刚好与巷道（隧洞）壁面刚好贴合，同时观察位移、应力传感器所采集的信号并将其归零。

（4）按设定的荷载大小通过荷载伺服控制系统施加对应横向荷载和垂直荷载，卸除承力板撑力，记录下施加荷载过程中巷道（隧洞）壁面围岩位移、声发射变化规律，即可模拟研究近场地应力变化对巷道（隧洞）壁面邻近围岩变形破坏响应机制。

（5）按设定的荷载大小通过水平液压荷载装置3、垂直液压荷载装置4施加对应横向荷载和垂直荷载，保持荷载稳定，保证承力板25与壁面贴合，通过卸荷速度控制箱21设定相应的撑力环回缩速度来控制承力板脱离壁面的速度（即模拟支护过程中临时支架拆卸速度对壁面围岩的影响），记录下此过程中巷道（隧洞）围岩应力、位移以及声发射等变化规律，即可研究临时支护设施拆卸过程对巷道（隧洞）壁面邻近围岩变形破坏响应机制。

（6）按设定的荷载大小通过水平液压荷载装置3、垂直液压荷载装置4施加对应横向荷载和垂直荷载，保持荷载稳定，保证承力板25与壁面贴合，通过卸荷速度控制箱21控制不同阶段承力板受力为零时（即承力板与壁面脱离，失去支撑作用）时停止联动套管的回缩，同时记录下此过程中巷道（隧洞）围岩应力、位移以及声发射特征等变化规律，从而模拟单次开挖进尺对壁面围岩的影响，即可研究开挖进尺尺寸或进尺速率对巷道（隧洞）壁面邻近围岩变形破坏响应机制。

该装置还包括用于自动找平的球座连接装置和降低上垫板和垂直荷载接触板之间摩擦的球形刚性滚排，使其装置尽可能避免试验条件意外因素的干扰，保持荷载均匀,由此试验结果更加准确；且加装剪切盒便可用于测定相似岩土体材料剪切破坏参数，相比于现场开展研究，成本更低，普适性更强，对开展地下开挖卸荷过程围岩变形失稳机理研究更具实际意义。

本发明的有益效果：

（1）可模拟不同地应力场对巷道（隧洞）壁面临近围岩的变形破坏过程。

（2）可研究巷道（隧洞）支护与壁面临近围岩变形破坏的相互作用机理。

（3）可模拟地下开挖巷道（隧洞）卸荷过程中壁面临近围岩变形破坏过程。

（4）可模拟不同开挖进尺速度对壁面临近围岩的变形破坏过程。

（5）可模拟单条巷道（隧洞）双向/单向掘进过程对壁面临近围岩的响应过程。

（6）可研究地下巷道（隧洞）开挖过程中临近围岩的声发射特征及裂纹扩展机制。

（7）可用于模拟隧洞掘进过程中应力集中导致围岩变形失稳的相似物理模型试验。

附图说明

图1为本发明装置主结构示意图；

图2为本发明支护-卸荷装置结构示意图；

图3为本发明支护-卸荷装置不同断面结构示意图；

图4为本发明刚性球形滚排结构示意图；

图5为本发明的联动传动剖面结构示意图；

图中：1-基座；2-反力框架；3-水平液压荷载装置；4-垂直液压荷载装置；5-位置调节阀；6-试样；7-进油管；8-球座；9-球形滚排；10-磁性吸座；11-下垫板；12-上垫板；13-左垫板；14-右垫板；15-三角形支架；16-支撑杆；17-旋转齿轮；18-联动套管；19-电动机；20-传动盘；21-卸荷速度控制箱；22-撑力环；23-支力杆；24-位移传感器；25-承力板；26-压敏电阻传感器；27-主机ⅰ；28-信号采集仪；29-电子显示屏；30-安全阀，31-微型摄像头；32-模拟巷道；33-液压伺服控制系统；34-液压荷载控制箱；35-位置调节杆；36-主机ⅱ；37-齿条。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明的试验方法和工作原理作进一步详细说明，但本发明的保护范围不局限于所述内容。

实施例1

一种用于模拟地下岩土体开挖卸荷力学响应过程的试验装置,包括基座1、反力框架2、水平液压荷载装置3、垂直液压荷载装置4、位置调节阀5、试样6、球座8、球形滚排9、磁性吸座10、下垫板11、上垫板12、左垫板13、右垫板14、三角形支架15、支撑杆16、旋转齿轮17、联动套管18、电动机19、传动盘20、卸荷速度控制箱21、撑力环22、支力杆23、位移传感器24、承力板25、压敏电阻传感器26、主机ⅰ27、信号采集仪28、电子显示屏29、安全阀30、微型摄像头31、模拟巷道32、液压伺服控制系统33、位置调节杆35、主机ⅱ36；反力框架2垂直固定在基座1上，垂直液压荷载装置4固定在反力框架2的顶部，水平液压荷载装置3固定在反力框架2的一侧，反力框架2的另一侧设有位置调节杆35，位置调节杆35与水平液压荷载装置3对称设置，位置调节杆35穿过反力框架2与位置调节阀5连接，位置调节杆35上设有螺纹，与反力框架2之间通过螺纹连接，通过旋转环形位置调节阀5实现位置调节杆35的来回伸缩从而推动试样向基座中心对齐，实现试样位置的微调以及提供水平荷载的反向支撑力；垂直液压荷载装置4的下端与球形滚排9连接，使球形滚排9能够对端面实现自动找平，保证垂直荷载受力的均匀性；基座1上设有下垫板11，试样6置于下垫板11上，上垫板12置于试样6上端，左垫板13和右垫板14垂直设置在试样6的两侧，位置调节杆35与水平液压荷载装置3分别通过左垫板13和右垫板14对试样6作用；三角形支架15设置在基座1的前后两端用于支撑支撑杆16，三角形支架15内部设置旋转齿轮17，电动机19通过皮带与传动盘20连接，传动盘20通过轴与旋转齿轮17连接；联动套管18的下面固定有齿条37，齿条37与旋转齿轮17啮合，电机启动带动旋转齿轮17旋转，从而带动联动套管18前后伸缩，进而牵引撑力环22前后运动实现承力板25上下抬升，从而起到支撑围岩和卸除围岩支撑力的作用；支撑杆16的两端套有联动套管18，支撑杆16的中部设有多个撑力环22，联动套管18与撑力环22相扣，相邻两个撑力环22之间采用三点支力杆23搭接，三点支力杆23的顶部设有承力板25，三点支力杆23与承力板25之间为铰接，承力板25受到压力时三点支力杆23的角度可变大，承力板25的中心设有压敏电阻传感器26与试样6内部的模拟巷道32接触；所述撑力环22上设有多个位移传感器24，位移传感器24与试样6内部的模拟巷道32接触；微型摄像头31通过磁性吸座10固定在基座1上，用于实时拍摄隧洞围岩变形开裂过程；微型摄像头31、位移传感器24、压敏电阻传感器26分别与信号采集仪28连接，信号采集仪28与主机ⅰ27连接，主机ⅰ27与电子显示屏29连接；液主机ⅱ36与液压伺服控制系统33连接，液压伺服控制系统33分别与卸荷速度控制箱21与液压荷载控制箱34连接；所述水平液压荷载装置3、垂直液压荷载装置4为液压推杆，由液压荷载控制箱34内的液压油缸向水平液压荷载装置3、垂直液压荷载装置4充油和回油实现液压推杆的伸缩，水平液压荷载装置3、垂直液压荷载装置4通过进油管7与液压荷载控制箱34内的液压油缸连接。

本实施例所述球座8为半球形结构，球形滚排9外观形状与上垫板12相同，在其下端设有多排小球；上端设有有一个球形凹槽，球座8卡在球形凹槽内，使球形滚排9可以各个方向转动。

实际使用过程中可根据浇筑模型内部空洞形状的改变研究不同形状隧洞（如图3所示）各边的变性规律和破坏机制。

实施例2

本实施例结构和实施例1相同，不同在于，本实施例还设置了安全阀30位于三角形支架15的上端，安全阀30通过螺纹与三角形支架15连接，安全阀30旋紧时其下端安全阀30与联动套管18接触；安全阀30用于保护模拟隧洞内位移传感器24和压敏电阻传感器26，当达到控制目标值时旋紧安全阀30锁紧联动套管18防止联动套管因隧洞压力突然释放快速回缩压坏位移传感器24和压敏电阻传感器26。

利用本实施例所述装置实现支护-开挖卸荷过程模拟，通过启动液压伺服控制系统33使承力板25刚好和模拟巷道（隧洞）壁面接触，即承力板上采集到的应力均大于并接近于零时停止电动机19的运转，利用安全阀30固定住联动套管18的运动，通过液压伺服控制系统33设定一定的水平液压荷载装置3、垂直液压荷载装置4，保持外部荷载不变，稳定5分钟后（保持外部荷载不变），打开安全阀30，利用液压伺服控制系统33设定不同的撑力环22回缩速度使承力板25自动“撤离”对模拟巷道（隧洞）壁面围岩的支撑作用，撑力的“撤离”过程即可模拟地下岩土体的开挖过程，同时记录在此“开挖”卸荷过程中壁面临近围岩的应力、位移变化以及声发射特征，在外部也可通过高速摄影观察模拟巷道（隧洞）壁面临近围岩的裂纹扩展情况，由此模拟巷道（隧洞）开挖引起的力学响应过程，由信号采集仪28实现对该过程的全程记录。

本发明在模拟地下岩土体开挖卸荷力学响应过程的具体试验步骤：

（1）计算相似材料配比，浇筑成相似物理模型试样，待养护期满后拆除模具。

（2）将位置调节阀5调至合适位置，保证试样中心孔圆心、前后对称三角形支架15的圆孔中心在一条直线上，同时添加左垫板13调节位置调节阀5，使其刚好实现左垫板13、位置调节阀5端面和试样6左端面贴合；启动垂直荷载3装置，让其自由下降至端面与上垫板12贴合，再启动水平荷载4装置，让其端面与右垫板14贴合即停。

（3）组装支护-卸荷装置，按联动套管18→撑力环22→联动套管18的顺序加装于支撑杆上后再将其从一端穿过试样6中心组装于两端三角形支架15上，从一侧将对应的位移、应力荷载传感器安装于对应撑力环22的位置，便于记录各阶段采集的数据，再将撑力环22拉至最长即承立板最低状态再缓缓将其送入预制的试样中心巷道（隧洞）内，待支护-卸荷装置完全送入中心巷道（隧洞）内时停止，滑动支撑杆16调节其位置，将其固定于三角形支架15两端，最后将声发射探头通过磁性吸座10布设在中心孔边缘接触试样表面的位置，便于记录各阶段的声发射特征。

（4）启动卸荷速度控制箱21，观察承力板25采集到的应力数据，当所有应力传感器26的数据大于零时即表示承力板25与壁面临近围岩接触，即可停止。

（5）启动液压伺服控制系统对试样6施加设定的垂直荷载和水平荷载，记录下该阶段的应力、声发射等数据，模拟远场应力对具有支护设施的巷道（隧洞）壁面临近围岩响应过程。

（6）启动液压伺服控制系统33，“撤离”承力板25对模拟的巷道（隧洞）临近围岩的支护作用，同时监测撑力“撤离”过后的一段时间内模拟的巷道（隧洞）临近围岩的变形和声发射数据，模拟巷道（隧洞）边帮缓慢变形和破坏的过程（蠕变过程）。

（7）若接第5步，启动液压伺服控制系统33，通过液压伺服控制系统33设定不同的联动套管18回缩速度控制承力板25的“撤离”速度，可模拟不同开挖速率对模拟巷道（隧洞）临近围岩的变形破裂过程。

（8）若接第5步，启动液压伺服控制系统33，通过液压伺服控制系统33设定每一阶段承力板25“撤离”的间隔时间，可模拟不同开挖阶段间隔时间对模拟巷道（隧洞）临近围岩的变形破裂过程。

（9）若浇筑含有节理裂隙网络的模型试样，可模拟2-8过程中损伤场-应力场共同作用下的开挖卸荷响应过程。

（10）拆卸过程，先将作用于试样6的水平荷载3和垂直荷载4进行卸载，卸下外部的声发射探头，然后启动卸荷速度控制箱21再次让撑力环22紧缩，将变形的模拟巷道（隧洞）围岩“撑”回去，再回缩撑力环22将承力板25降至最低，缓缓移出支护-卸荷装置，先拆卸应力、位移传感器，回旋安全阀30，逐件拆卸支护-卸荷装置的相关部件。

（11）最后清理试验后的试样废料，做好试验数据的记录和保存。