[发明专利]一种气压卸载模拟岩石地下开挖的试验方法

说明书

本发明涉及岩石地下开挖模拟试验领域，旨在提供一种气压卸载模拟岩石地下开挖的试验系统及方法。包括相互垂直的三个外部加载系统和一个位于试样空腔中的内部加载卸载系统；后者包括充气后呈圆柱形的薄膜气囊，薄膜气囊通过输气管连接空压机；所述X、Y或Z轴方向的任意一个螺旋调节丝杠具有中空管状结构，输气管贯穿装在该螺旋调节丝杠中；薄膜气囊未充气时能塞入试样空腔中，充气后即充满试样空腔以施加内部载荷；各外部加载系统中的测力传感器分别通过信号线接至计算机。本发明可以模拟任意断面形状的开挖，实现瞬时卸载或逐步分级卸载，真实模拟不同施工方法的实际开挖过程；能够模拟浅埋隧道的围岩塌方和深埋隧道高地应力条件下的岩爆。

技术领域

本发明属于岩石地下开挖模拟试验领域，涉及一种岩石开挖模拟试验系统，尤其涉及一种气压卸载模拟岩石地下开挖的试验系统及方法。

背景技术

目前我国大量的基础设施建设涉及到岩石地下开挖工程，如城市地铁、公路隧道、铁路隧道及水电项目等等，岩石地下开挖会改变围岩原始受力状态，围岩稳定性也会受到影响，部分项目中甚至因此造成了人员伤亡。正确的开挖方式和有效的防护措施有助于减小围岩失稳造成的破坏，岩石开挖过程本质上是一个卸载过程，准确的掌握岩石卸载过程中的力学响应是进行合理设计和施工的基础。

岩石卸载过程中的力学响应具有高度的非线性，目前对其认识仍不够明晰。实际工程中在开挖前布设试验设备较为困难，采用室内模型试验来模拟地下洞室开挖，通过对其结果进行分析来研究岩石卸载过程中的力学响应是一条可行之路。

室内实验应当能够对工程原型进行较为合理的模拟。目前常用的相关室内试验大多是通过对地下洞室模型外部边界加载来模拟开挖，由于岩石在加载与卸载条件下有不同的力学响应，因此通过加载实验获取的实验结果是否实用值得商榷；部分试验采用了卸载方式模拟开挖，但是受实验手段的影响，模型卸载断面通常为平面，与实际地下洞室断面差异较大，工程实践与理论计算均表明围岩应力重分布受开挖断面形状影响显著，上述卸载实验的结果与实际应用仍有较大的距离。因此有必要探索模拟地下洞室开挖的新方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种气压卸载模拟岩石地下开挖的试验系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种气压卸载模拟岩石地下开挖的试验系统，包括底部平台和用于对试样进行施加内、外部压力的加载系统；所述加载系统共有四个，是X、Y、Z轴方向的三个外部加载系统(模拟岩石所受的地应力)和一个内部加载卸载系统(模拟地下开挖作用)； Y轴方向为竖直方向，X轴和Z轴为相互垂直的水平方向；其中，

X轴方向外部加载系统包括两块平行的竖直反力墙，其下端固定在底部平台上；在其中一侧反力墙上设置加载液压缸，加载液压缸的活塞水平布置且端部设测力传感器和加载板，在另一侧反力墙上贯设螺旋调节丝杠，螺旋调节丝杠的一端安装丝杠调节手轮，另一端设加载板；两块加载板垂直于水平面且相互平行，用于夹持试样；

Z轴方向外部加载系统包括与X轴方向外部加载系统具有相同部件和相同连接关系；

Y轴方向外部加载系统包括一块水平的反力横板，通过四根立柱固定在底部平台上；在底部平台上设置加载液压缸，加载液压缸的活塞竖直布置且端部设测力传感器和加载板，在反力横板上贯设螺旋调节丝杠，螺旋调节丝杠的一端安装丝杠调节手轮，另一端设加载板；两块加载板均保持水平，用于夹持试样；

内部加载卸载系统包括充气后呈圆柱形的薄膜气囊，薄膜气囊通过输气管连接空压机；所述X、Y或Z轴方向的任意一个螺旋调节丝杠具有中空管状结构，输气管贯穿装在该螺旋调节丝杠中；薄膜气囊未充气时能塞入试样空腔中，充气后即充满试样空腔以施加内部载荷；

各外部加载系统中的测力传感器分别通过信号线接至计算机。

本发明中，所述内部加载卸载系统的输气管上设有气压表和调节阀。