[发明专利]模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置及试验方法

权利要求书

1.模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置，其特征在于，试验装置置于底座（15）上，底座（15）通过螺栓（14）与真三轴试验台（1）连接，下承压板（3）、上承压板（4）、左承压板（5）、右一承压板（6）、前承压板（11）和后承压板（12）组成加载室，岩石试样（2）置于加载室中，左承压板（5）上开设有左圆孔（9），右一承压板（6）上开设有右圆孔（10），左圆孔（9）与右圆孔（10）位于同一水平轴线上，右一承压板（6）下方设有垫块（13），右一承压板（6）和右二承压板（7）通过四个联结柱（8）固定连接，电机（29）置于转向器（30）上方，转向器（30）下端的四个角与水平滑块（20）固定连接，水平滑块（20）置于两根水平直线导轨（19）上，水平直线导轨（19）一端与左横梁（21）固定连接，另一端与右横梁（22）固定连接，右横梁（22）两端与两个垂直滑块（18）固定连接，左横梁（21）与两个垂直滑块（18）固定连接，四个垂直滑块（18）分别置于四根垂直直线导轨（17）上，四根垂直直线导轨（17）下端与底座（15）固定连接，四根垂直直线导轨（17）上端分别与矩形框（16）的四个角固定连接，矩形框（16）与轴承（25）外圈固定连接，轴承（25）下方设有丝杆螺母（23），升降丝杆（24）穿过轴承（25）内圈，与轴承（25）内圈固定连接，升降丝杆（24）下端穿过丝杆螺母（23），通过螺纹与丝杆螺母（23）活动连接，丝杆螺母（23）与右横梁（22）固定连接，直齿条（26）一端与左横梁（21）固定连接，一端与右横梁（22）固定连接，转向器垂直输出轴（28）与齿轮（27）固定连接，齿轮（27）与直齿条（26）相连接，转向器（30）内部设有转向器水平输出轴（33），转向器水平输出轴（33）前端设有切割钻头（34），转向器水平输出轴（33）外周设有密封壳（31），转向器水平输出轴（33）内部设有进气口（32），进气口（32）分别与密封壳（31）、切割钻头（34）相连通，切割钻头（34）上设有螺旋叶片（35），转向器水平输出轴（33）内部设有孔道（36），孔道（36）与切割钻头（34）相连通。

2.根据权利要求1所述的模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述齿轮（27）与直齿条（26）相互啮合。

3.根据权利要求1所述的模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述切割钻头（34）、左圆孔（9）、右圆孔（10）及岩石试样（2）四者中心轴线重合。

4.根据权利要求1所述的模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述切割钻头（34）与转向器水平输出轴（33）采用螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述左圆孔（9）和右圆孔（10）直径相同，且直径稍大于切割钻头（34）直径。

6.根据权利要求1所述的模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述孔道（36）直径与进气口（32）直径相同，均为6~8mm。

7.根据权利要求1所述的模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述电机（29）型号为ACSM180-G19015数控伺服电机，所述转向器（30）的型号为DT75-L/R。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的模拟深部三维加载条件下开挖卸荷的试验装置的试验方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤一、固定装置并对岩石试样（2）进行三维加载：将模拟深部三维受力条件下圆形隧洞开挖卸荷的钻孔试验装置通过螺栓（14）与真三轴试验台（1）固定，再采用真三轴试验机将岩石试样（2）加载至初始应力水平；

步骤二、安装和调节切割钻头（34）位置：保证左圆孔（9）和右圆孔（10）的中心轴线重合，根据试验方案选取合适直径的切割钻头（34），并与转向器水平输出轴（33）通过螺纹连接，旋转升降丝杆（24），四个垂直滑块（18）上下竖直移动，以适应不同岩石试样（2）的尺寸，通过升降丝杆（24）不断的调节切割钻头（34）的高度，最终使切割钻头（34）的中心轴线与左圆孔（9）、右圆孔（10）及岩石试样（2）的中心轴线重合；

步骤三、模拟圆形隧道开挖卸荷钻孔：保证氮气管与密封壳（31）上的进气口（32）连通，打开电机（29）电源开关，使电机（29）驱动切割钻头（34）高速旋转，同时打开液氮罐开关，使液态氮气经由转向器水平输出轴（33）上的孔道（36）到达切割钻头（34）的头部进行降温，转向器垂直输出轴（28）顺时针旋转，齿轮（27）与直齿条（26）发生相对运动，四个水平滑块（20）向左移动，使高速旋转的切割钻头（34）向左移动，并由右圆孔（10）进入到右一承压板（6）内部，慢慢向处于三维加载条件的岩石试样（2）靠近，并接触切割岩石试样（2），模拟隧洞的开挖卸荷过程，通过控制转向器垂直输出轴（28）顺时针旋转速度，控制切割钻头（34）切割岩石试样（2）的速率，实现隧洞不同开挖卸荷速率的模拟；控制切割钻头（34）切割岩石试样（2）的深度，实现隧洞不同开挖卸荷量的模拟；高速旋转的螺旋叶片（35）将切割钻头（34）头部产生的岩石碎屑排出，实现自动排渣，切割完成后，转向器垂直输出轴（28）逆时针旋转，使切割钻头（34）向右移动，退出岩石试样（2），完成三维条件下“先加载后开洞”的隧洞开挖卸荷模拟，关闭电机（29）电源和液氮开关；

步骤四、继续开展隧洞开挖卸荷后围岩板裂化、岩爆、分区破裂化、大变形及围岩稳定性分析试验研究。