[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

说明书

本发明涉及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；能够模拟硐室掌子面开挖瞬态卸荷过程，完成不同地应力条件和不同卸荷速率下不同开挖面形状的围岩瞬态卸荷，亦能同时记录硐室围岩全场位移变化全过程。试验系统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；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，硐室围岩模型中的四个加载面与地应力加载装置的四个液压头直接接触，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；该试验可间接解决实际工程中钻爆法开挖卸荷瞬间围岩位移无法测量的问题。

技术领域

本发明具体涉及一种基于岩石动力学的地下硐室开挖瞬态卸荷模拟试验系统，属于岩土工程模型试验装置领域。

背景技术

受地形地貌限制，我国大量工程建筑深埋于地下围岩中，其围岩具有较高地应力及复杂的地质构造，开挖过程中的突然卸荷往往会诱发围岩挤压大变形、流变、分区破裂等高度非线性行为，继而导致围岩失稳坍塌、开裂、岩爆等工程地质灾害，给工程的安全带来了严峻挑战。我国的深部工程建设主要采用钻爆法进行施工，开挖面在爆破振动的作用下，突然卸荷。这种瞬态开挖过程一方面易导致围岩产生应力动态卸荷，导致围压结构内部裂纹萌生、扩展及贯通，从而形成围岩损伤区；另一方面，由于岩体埋深大、地应力高、地质构造复杂并且工程扰动频繁等原因，损伤区内岩体在后续高应力和爆破作业、矿震或断层活化等动静载荷作用下，其内部微破裂会继续扩展及贯通甚至造成失稳破坏，继而导致整体结构灾变性失稳，诱发岩爆等强烈岩石工程动力灾害。

目前国内有不少学者通过数值模拟和理论计算的方式对地下硐室的开挖稳定性进行研究，但不能直观地了解开挖面突然卸荷条件下硐室围岩的瞬态位移及变形情况，因此需要开展室内物理模型试验，以进行硐室围岩在开挖瞬态卸荷作用下的力学行为研究。现有地下硐室的模型试验主要考虑了形成硐室后的稳定性，但不能反映卸荷过程及卸荷条件对硐室围岩的影响。武汉理工大学发明的地下硐室结构面开挖瞬态卸荷松动模拟试验系统，仅考虑岩体结构面的卸荷，无法全局直观地反应整个硐室的稳定。而且卸荷控制通过电磁实现，但电磁在达到目标磁力之前需要一段时间充电，故此无法很好地反应的瞬态卸荷过程。

发明内容

针对硐室开挖瞬态卸荷的复杂性和重要性，本发明提出了可实现模拟不同应力条件下地下硐室掌子面开挖瞬态卸荷的试验系统。该系统能够模拟硐室掌子面开挖瞬态卸荷过程，并可完成不同地应力条件和不同卸荷速率下不同开挖面形状的围岩瞬态卸荷，并能同时记录硐室围岩全场位移变化全过程。该试验可间接解决实际工程中钻爆法开挖卸荷瞬间围岩位移无法测量的问题。

本发明提供一种可实现不同地应力条件下的地下硐室掌子面开挖瞬态卸荷的试验系统，该试验系统的目的是实现不同地应力、不同形状开挖面的地下硐室掌子面在开挖瞬态卸荷工况下的全断面位移测试的试验系统。

本发明的技术方案如下：

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，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。