一种地下工程应力转移过程大型模型试验方法与流程

本发明属于岩土工程，尤其是涉及一种地下工程应力转移过程大型模型试验方法。

背景技术：

1、地下开挖工程在高围压和上覆岩层的影响下，经典的力学理论分析不能够完全反映实际工程开挖状况，为了能减少理论分析造成的误差和计算困难，更加真实、直观的反映实际地下工程中围岩应力的转移过程、特征和规律，国内外许多专家和学者利用相似理论提出了模型试验研究方法。在模型试验过程中，选择与围岩力学特性相似的模型材料是模型试验的基础，也是模型试验能够成功的关键。工程施工过程的分部开挖和扰动是造成围岩应力变化的重要因素之一，在实验过程中也应当被考虑。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，为了能够充分模拟隧道施工开挖情况，符合隧道开挖施工的实际工况，充分考虑施工过程在试验过程中的影响，提供一种地下工程应力转移过程大型模型试验方法。

2、为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

3、一种地下工程应力转移过程大型模型试验方法，其特征在于：所述地下工程应力转移过程大型模型试验方法包括制作相似材料模型、小尺度双轴压缩物理模型试验和大尺度三向压缩物理模型试验三个部分，具体地，包括如下步骤：

4、s1、根据代表性岩石的力学参数开展相似材料配比试验，根据得出的相似材料配比方案制作相似材料模型；

5、s2、利用相似材料模型进行小尺度双轴压缩物理模型试验，得出模拟隧洞周边围岩应力调整过程；

6、s3、根据小尺度双轴压缩物理模型试验得出的压力盒、应变砖、分布式光纤传感器等元件的布置位置，将监测元件在大尺度相似材料模型浇筑时布设完成，监测试样在试验过程中的应力信息、变形信息和破裂信息。

7、在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

8、作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤s1具体地包括如下步骤：

9、s101、根据地下工程岩性特点，选择能够全面反映地下工程围岩变形、强度、脆延性和破坏特征的代表性岩石，开展巴西劈裂试验、常规单轴和常规三轴试验获取代表性岩石的基本力学性质；

10、s102、其次根据上述各项试验所获得的代表性岩石的基本力学参数，采用相似理论和正交设计方法，以代表性岩石的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、峰后特征作为主要相似参数，开展相似材料配比试验，调整水泥、石膏、重晶石粉、石英砂、水的配料比例，制备室内试验标准尺寸的相似材料模型试样；

11、s103、开展相似材料模型试样的巴西劈裂试验、常规单轴和常规三轴压缩试验，对比代表性岩石与相似材料模型试样的常规室内分析结果，对比分析其力学性质，确定最优的相似材料配比方案，根据相似材料配比方案以及洞室形状和尺寸按比例制作相似材料模型。

12、作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤s2具体地包括如下步骤：

13、s201、将模型试验箱其内部涂抹脱模剂，固定放置于地面且调平；

14、s202、制作隧道模型，外壳采用pvc管，外部涂抹脱模剂，内部填充相似材料及扩体杆；

15、s203、根据相似材料配比方案制作小尺度相似材料模型，将初凝后的隧道模型放入模型试验箱，将配置的相似材料填入模型试验箱，并振捣压实8~12次，拆模后养护28天；

16、s204、采用双轴压缩物理模型试验系统，将模型水平放置，施加轴向压力和侧向压力，后将扩体杆连接的隧道模型缓慢推出，模拟隧道开挖工况；

17、s205、采用分布式光纤传感器、应变片和声发射探头等多元监测元件监测相似材料的试样应力、变形和破裂信息。

18、作为本发明的一种优选技术方案：所述小尺度相似材料模型的尺寸为长×宽×高为200 mm×200 mm×200 mm。

19、作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤s3具体地包括如下步骤：

20、s301、大尺度立方体物理模型试样的制备与监测元件的布置：根据配制的相似材料浇筑大尺度立方体物理模型试样，利用动静力物理模拟试验系统开展三向压缩物理模型试验，浇筑过程中提前埋设压力盒、应变砖、分布式光纤传感器、光纤光栅传感器以及声发射探头等多元监测元件，监测元件的布置根据小尺度双轴压缩物理模型试验在模拟隧洞周边围岩应力集中区域间隔密集布置；

21、s302、优化开挖：按照相似理论，对大尺度模型试样施加压应力，并采用tbm钻机掘进开挖方式，设置多个掘进步，以不同的掘进速度开挖隧洞，每个进尺开挖结束后，观察监测元件数据变化情况，待各监测元件的示数均基本保持不变时再进行下一步的开挖，直至隧洞开挖完成，分析隧洞开挖过程中应力调整变化特征，以及隧洞周边围岩损伤破坏程度；

22、s303、浅支固表：每进行一个掘进步，采用细铁丝、铝棒等材料模拟锚杆支护措施，对隧洞周边浅层围岩进行支护加固处理；完成支护措施后再对隧洞表层岩体进行喷层加固，通过喷射水泥浆液加固隧洞开挖表面，防止围岩破裂掉块；

23、s304、降峰均压：根据小尺度双轴压缩物理模型试验应力分布结果，隧洞开挖完成后采用小当量液态二氧化碳微扰动预裂爆破，探索在隧洞周边围岩应力集中区域或适当区域引爆预裂，对隧洞浅层围岩施加扰动措施，监控应力集中区域岩体应力在扰动前后的变化规律，从而使径向应力包峰值降低、环向应力包均布化，达到主动控制应力包往围岩深层转移的目的；

24、s305、监测反馈：通过在模型试样中埋设应力变形破裂多元监测设备，监测洞室开挖过程中围岩应力调整过程；

25、主要监测反馈过程分三个阶段：

26、（1）、隧洞开挖阶段：通过压力盒、应变砖、分布式光纤传感器、光纤光栅传感器等监测元件获得隧洞围岩在开挖期间的应力分布与调整规律，并通过声发射揭示洞室围岩破裂发展过程；

27、（2）、隧洞支护加固阶段：对比分析隧洞支护加固前后围岩应力集中程度和分布范围，探讨支护措施对围岩应力调整的影响，以及对改善围岩力学性能和提高洞室整体稳定的作用；

28、（3）、隧洞扰动阶段：获得围岩扰动前后应力场的分布特征，研究围岩应力集中区范围和大小演化规律，揭示地下工程应力转移过程。

29、作为本发明的一种优选技术方案：所述大尺度立方体物理模型试样的尺寸为长×宽×高为500 mm×500 mm×500 mm。

30、作为本发明的一种优选技术方案：tbm钻机的钻头的钻进速度恒定且缓慢。

31、本发明提供一种地下工程应力转移过程大型模型试验方法，包括：开展相似材料配比试验，根据得出的相似材料配比方案制作相似材料模型；利用相似材料模型进行小尺度双轴压缩物理模型试验，得出模拟隧洞周边围岩应力集中区域；利用动静力物理模拟试验系统对由相似材料配制且浇筑而成的大尺度立方体物理模型试样开展三向压缩物理模型试验，利用压力盒、应变砖、声发射、分布式光纤传感器、光纤光栅传感器以及声发射探头等多元监测元件，监测大型物理模型试验加载过程中的试样应力信息、变形信息和破裂信息，分析围岩应力的转移过程、特征和规律。本发明所提供的地下工程应力转移过程大型模型试验方法对于研究地下工程围岩应力转移过程具有重要意义。

32、具体地，本发明所提供的地下工程应力转移过程大型模型试验方法具有如下有益效果：

33、本发明在模拟地下工程应力转移过程中，通过相似材料配比试验模拟代表性岩石的力学性质、物理性质，从而可以制作相似材料模型，通过浇筑时提前埋设的多元监测元件，可以监测到相对于原岩试验更加详细的应力信息、应变信息和破裂信息。大尺度三向压缩物理模型试验加载系统分为静力加载单元和动力加载单元，可以分别模拟原岩地应力和因爆破或地震产生的动力扰动；在此基础上，tbm钻机掘进系统可以模拟整个洞室开挖过程，且边开挖边支护，提高了与工程施工过程的拟合程度。