[发明专利]深埋隧洞开挖模拟实验装置及其应用方法

说明书

技术领域

本发明涉及深部地下工程围岩变形和破坏的实验室模拟实验领域，具体地说是一种针对深埋隧洞的新型开挖模拟实验装置及其应用方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，地下工程建设不断向深部发展。在高地应力等深部条件下，地下硐室围岩结构的力学特性和工程响应展现出了新的科学现象和变化规律，如分区破裂、大变形、冲击破坏等。传统地下工程理论体系在解决深部地下工程问题中遇到了越来越多的挑战，建立深部岩体力学理论的新体系势在必行。因此，深部地下工程问题引起了国际和国内岩石力学与工程领域专家学者的极大关注，成为近年来该领域研究的热点问题。

针对深部地下洞室开挖过程中岩体的力学响应和变形特性，一方面要开展理论研究，另一方面，要更多深入开展工程实践和理论相结合的模型实验研究。根据深部洞室模型实验的要求，国内外专家开发出多种高地应力加载模型实验系统，包括专利200810016641.0，200810138981.0，201110038876.1等。但是，目前存在的模型实验系统均为全断面模拟系统，存在结构复杂、体积庞大、模拟开挖硐室尺寸较小的问题，难以开展大比例尺开挖的模型实验，且难以对实验结果进行有效的理论比较和分析。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单并可进行大比例尺实验的深埋隧洞开挖模拟实验装置及其应用方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种深埋隧洞开挖模拟实验装置，包括V形槽、加载垫块和扇形试件；

所述的V形槽为整体结构，其内表面光滑，并与扇形试件的两个斜面匹配，实验时其下表面与实验机加载装置接触，承受实验机压力；

所述的加载垫块，包括上下两部分，下半部分呈弧形，其下表面与扇形试件上表面接触，其左右两侧与V形槽之间留有空隙，防止加载过程中两者发生挤压；上半部分呈柱形，实验时与实验机加载装置接触；加载垫块的作用在于将实验机压力均匀传递到扇形试件上表面；

所述扇形试件，上表面为圆弧形，两倾斜侧面与V形槽内表面接触；上表面和两倾斜侧面均涂有润滑材料，以减小扇形试件受到的剪应力；其前后侧面不受约束，可以发生轴向变形，以满足平面应力状态的要求，同时方便对扇形试件的开挖操作，还有利于在实验过程中随时观察记录扇形试件的变形破坏情况。

作为一种优选方式，可以在V型槽上侧设置前后两条横向肋板，其作用在于防止V型槽在高应力作用下产生过大的变形。

根据实验需要，可以改变V形槽的夹角和加载垫块弧形钢板的形状，以匹配模拟不同尺寸的扇形试件。

本发明的应用方法是：

1）制作扇形试件，并将其放到V型槽中，然后将整个实验装置放置在常规的立式压力实验机上；

2）通过实验机对扇形试件加载，使试件达到要求的应力状态，然后保持；

3）在扇形试件预定开挖的位置划一条圆弧线，然后通过外部机械设备将圆弧线以下部分挖除，在此过程中分析记录围岩变形破坏情况。

本发明的原理是：

目前施工的深埋地下隧洞很大一部分采用圆形或类圆形断面；由于高应力条件下蠕变的原因，深埋岩体原岩应力状态多接近于静水压力状态；同时，对于高应力岩体，其局部重力的影响可忽略不计。根据上述三方面原因，深埋隧洞围岩的受力、变形和破坏问题可以认为是轴对称问题。对于轴对称问题，可以取其一部分（即本发明所述扇形试件）进行实验即可反映围岩整体的性质。

对于轴对称问题，在平面应力条件下，围岩的应力和位移解如式（1）和（2）所示，

， ， ； （1）

， ； （2）

其中，为径向应力，为切向应力，为和为剪应力，为径向位移，为切向位移，为原岩应力，为隧洞半径。根据公式可知，围岩只受到径向应力和切向应力，不受剪应力；只产生径向位移，不产生切向位移。

本发明通过V形槽来限制试件的切向变形，通过加载垫块促使试件发生径向变形，而试件的轴向不受约束，这样就满足了平面应力轴对称问题的位移边界条件；由于加载垫块和试件上表面之间可以近似认为只有径向应力，而试件和V形槽之间也可以近似认为只有切向应力（在润滑材料的作用下，二者之间的剪应力可以忽略不计），这样就满足了轴对称问题的应力边界条件。综上所述，本发明完全模拟了围岩在工程现场的平面应力状态。