[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

说明书

本发明公开了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。该装置包括真三轴试验台，岩石试样，加载室，联结柱，左圆孔，右圆孔，前承压板，后承压板，垫块，螺栓，底座，矩形框，垂直直线导轨，垂直滑块，水平直线导轨，水平滑块，左横梁，右横梁，丝杆螺母，升降丝杆，轴承，直齿条，齿轮，转向器垂直输出轴，电机，转向器，密封壳，进气口，转向器水平输出轴，切割钻头，螺旋叶片，孔道。试验方法按照以下步骤进行：步骤一、固定装置并对岩石试样进行三维加载，步骤二、安装和调节切割钻头位置，步骤三、模拟圆形隧道开挖卸荷钻孔，步骤四、开展后续研究。本发明适应性强，实现了三维加载模拟隧洞开挖卸荷过程。

技术领域

本发明属于岩石力学试验设备领域，涉及一种模拟深部三维加载条件下圆形隧道开挖卸荷的钻孔试验装置及试验方法。

背景技术

隧洞作为地下岩石工程一种最主要的结构形式，受工程开挖的影响，隧洞两侧会形成较高的应力集中区，当集中应力达到或超过岩体强度时，岩体就会发生静力或动力破坏，如隧洞大变形、分区破坏化、板裂化破坏和岩爆等。岩体静态破坏会影响隧洞工程结构的长期稳定性，而动力破坏往往造成大量人员伤亡、设备损坏、工期延误及重大经济损失，严重威胁了岩石工程的安全建设。随着国民经济和国防工业的高速发展，矿山开采、核废料处理、交通隧道和地下厂房及实验室等民用和国防工程不断向地下发展，隧洞工程的安全建设和长期稳定性越来越受到岩土工程界的高度关注和重视。因此，为保障隧洞工程的安全建设和长期稳定，各大高校和科研院所对隧洞进行了大量的科学研究。目前对隧洞进行科学研究主要有理论分析、数值计算和物理模型模拟试验三种方法，由于岩体为各向异性、非均质、非连续性材料，且岩体赋存的地应力环境复杂多变，岩体的力学参数和受力环境具有较大不确定性，使得理论分析和数值计算方法需要的岩体参数和边界条件难以确定。物理模型模拟试验可以采用真实的岩石试样(或物理相似模拟材料)进行科学试验，可以直观反映出隧洞围岩在高应力作用下的破坏和变形过程，在一定程度上能揭示出隧洞围岩破坏变形的力学规律和机制，因此在进行隧洞工程结构的支护设计、安全评价及岩体动力灾害防治方面得到了广泛应用。

实际工程中，地下隧洞开挖前岩体处于初始地应力环境中，因此隧洞开挖是在具有初始地应力的岩体中进行。目前，模拟隧洞开挖卸荷有以下两种方法：先开洞再加载和先加载再开洞。先开洞再加载方法为进行试验加载前人工开凿出孔洞，再进行试验加载，该方法与工程实际情况存在较大差异；先加载再开洞方法为在开洞前先加载到初始应力水平，在加载条件下开凿孔洞，与隧洞开挖过程中围岩受力实际情况比较接近。因此，在进行隧洞物理模型模拟试验时，由于各高校和科研院所试验设备条件不同，上述两种方法在目前研究中均有应用，但由于先加载后开洞方法更符合隧洞开挖卸荷实际情况，在隧洞模拟试验中更多的采用该方法。

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，采用电机带动和推进钻头切割试验试样来模拟硐室围岩开挖卸荷过程，能实现控制开挖硐室形状及开挖卸荷速度，但其结构设计不紧凑，尺寸较大，能用于二维加载条件下的隧洞模拟，无法在三维加载条件下使用。

申请号为201210097816.1，发明名称为“一种地质力学模型硐室开挖装置”，公开日：2012年9月12日，公开了一种地质力学模型硐室开挖装置，通过先开凿孔洞，再用气囊对孔内进行加压，再释放孔内气囊压力实现围岩开挖卸荷过程，该开挖装置操作简单、可实现在封闭硐室中开挖的优点，但其为先开洞再进行孔内加压，再释放压力，这一加载应力路径与实际隧洞开挖应力路径存在较大差异。

申请号为201310425635.1，发明名称为“深埋隧洞开挖模拟实验装置及其应用方法”，公开日：2013年12月25日，公开了一种深埋隧洞开挖模拟实验装置及其应用方法，在常规压力实验机上即可加载，具有结构简单、实验成本低的特点，能实现隧洞先加载后开挖卸荷过程，但其只能用于二维加载条件，无法实现三维加载条件下隧洞开挖卸荷模拟，且其将隧洞围岩的受力、变形和破坏问题认为是轴对称问题，用部分代替整体进行研究，虽可简化操作，但边界条件与一个完整隧洞结构相比存在较大差异。