[发明专利]一种模拟不同地应力条件下硐室掌子面开挖瞬态卸荷的试验系统

权利要求书

1.一种模拟不同地应力条件下硐室掌子面开挖瞬态卸荷的试验系统，其特征在于，包括原位应力模拟装置，瞬态卸载装置和围岩全场位移监测装置；其中，原位应力模拟装置由地应力加载装置和硐室围岩模型组成,硐室围岩模型利用地应力加载装置对围岩模型四个加载面进行夹持并施加荷载，硐室围岩模型上受到平面应力的作用；地应力加载装置和硐室围岩模型配合使用并放置于同一个与水平面垂直的平面上，在该平面的前后两个方向上分别放置瞬态卸载装置和围岩全场位移监测装置；硐室围岩模型为多边形的板状岩石类材料，其中心处设置有孔洞模拟硐室，塞体为硐室模型掌子面形状，端头设计为坡度为1°的锥体，塞体另一端外部刻有螺纹与卸载杆端相连；地应力加载装置用于对硐室围岩模型的四个加载面施加荷载，在试验室条件下模拟硐室围岩所处的真实的地应力环境；瞬态卸载装置包括试验平台，挡板与支撑装置，其中挡板与支撑装置通过螺栓相连，挡板与支撑装置相连后安装于试验平台靠近硐室围岩模型的一端;挡板和支撑装置设置有与卸载杆直径相同的圆孔供其穿过;试验平台上设置有支座;支座的功能在于支持发射套简和卸载杆;发射套筒的封闭端设置有一个直径与卸载杆直径相同的圆孔供卸载杆穿过，圆孔处做密封处理，防止漏气；在发射套简上设置有与气罐连接的阀门，气罐与空压机相连，套简内安装有撞击块，撞击块中间设置有直径与卸载杆直径相同的圆孔供卸载杆穿过；卸载杆靠近硐室围岩模型一端处与塞体相连,在另一端通过螺纹与法兰固定;在卸载杆上粘贴压缩应变片，压缩应变片连接动态应变仪，动态应变仪连接示波器；所述试验平 台设有滑道，用于调节支座的位置；所述卸载杆穿过撞击块以及套筒，卸载杆一端内圆部分加工有带螺纹的圆孔，与塞体固定；卸载杆另一端与法兰通过螺纹固定；所述挡板通过连接夹具固定在试验平台上，并与硐室围岩模型接触；挡板中心留有与卸载杆直径相同的圆孔可供卸载杆与塞体穿过；所述支撑装置设计为草帽形，一端通过螺栓固定在挡板上，一端留有与卸载杆直径相同的圆孔供卸载杆穿过，用于保持卸载杆水平；塞体与硐室围岩模型的孔洞保持滑动配合,地应力加载装置施加地应力时塞体能够填充孔洞并与硐室围岩模型协同工作，塞体承担硐室围岩模型孔洞处传递而来的地应力，模拟地下硐室开挖前原位围岩所处的真实地应力环境；随后，通过阀门控制气罐中的高压气体进入发射套筒,高压气体驱动发射套筒内的撞击块向远离塞体的方向运动并撞击法兰并产生拉伸波，法兰与塞体通过卸载杆相连，因此拉伸波会在卸载装置内传播，当其传播到塞体上时会使得塞体不断被拉离开母岩，由于塞体自身带有锥度，从而实现瞬态卸荷，围岩全场位移监测系统用来对硐室围岩模型的一个自由面在瞬态卸荷后的平面的位移场变化信息进行监测，所述围岩全场位移监测装置，包括高速摄像，围岩全场位移监测装置与计算机相连，用于测量、记录和存储围岩全场全过程位移变化，通过触发信号，触发高速摄像测量并记录卸载瞬间围岩应力重分布情况，以准确获得试验室条件下硐室围岩对于突然卸荷作用的变形响应关系。