[发明专利]一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置

说明书

一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，包括石仓、加载板、螺纹连接杆件、导热块、固定支撑板、电阻加热棒，其特征在于：所述石仓具有挡板和置物平台；所述置物平台的下部开设有隔仓；所述置物平台上放置有岩石试样块；所述岩石试样块的相邻两侧与所述挡板相接触；所述螺纹连接杆件依次穿过所述加载板和所述固定支撑板，利用所述螺母将所述加载板分别紧固于所述岩石试样块的剩余相邻两侧；所述螺纹连接杆件上放置所述导热块；所述电阻加热棒插入所述导热块内；本发明结构简单、经济实用、操作方便，尤其适用于不改变TBM标准线切割试验台主体结构的条件下，设计所述石仓，并与所述TBM标准线切割试验台配合使用，以模拟临空面破岩工况。

技术领域

本发明属于岩土工程、隧道工程和岩石力学的交叉领域，涉及一种岩石试样块围压施加装置，尤其是涉及一种与TBM(硬岩掘进机)滚刀(盘形滚刀)标准线切割试验台(以下简称TBM标准线切割试验台)配套使用的用于模拟滚刀临空面破岩工况下岩石试样块围压状态的岩石试样块围压施加装置。

背景技术

赋存于地层中的岩体，尤其是深部岩层中的天然岩体，由于受到重力、板块运动及地壳收缩等因素的影响，具备一定围压(或称地应力)。围压影响了岩石自身物理力学性质、岩石破碎/破坏机制，进而影响了岩土开挖装置(如隧道掘进机、凿岩机、钻机、倔锚机等)的破岩载荷特性、破岩效率和刀具寿命等。实验室环境下制备的普通岩石试样块，因其外周均为自由面，故处于无围压状态，其被切削时反映出的物理力学特性与实际岩层下，尤其是深部岩层下的表现截然不同。天然岩体表现出的特性是大型地下洞室稳定性分析与工程设计的必要信息之一，对于深部地下工程的安全评价与灾害防治尤为重要。因此，在研究岩石力学与岩土工程学问题时，尤其是涉及诸如大埋深隧道环境下TBM刀具破岩机理、深部煤炭巷道下掘锚机截割头煤岩开挖机理、深地隐蔽工程中采用钻爆法施工后的边坡稳定性问题等复杂研究课题时，需要在试验中模拟出原岩围压效应。

以在TBM标准线切割试验台上开展TBM刀盘刀具破岩实验研究为例，由于掘进掌子面上的天然岩体在隧道开挖前受到围压作用，为了模拟出原岩围压效应并兼顾切削破岩试验需求，需要在TBM标准线切割试验台的石仓内牢固装夹岩石试样块，还应对靠近岩石试样块待切削表面的侧面加载一定的正压力。目前，真三轴扰动试验台、三轴岩石物理力学性能测试试验机等均采用油浴加压的方式模拟三轴围压，但该项技术方案因未留出可供刀具切削的待切削表面，故不满足切削破岩试验需求。参考当前现有的两轴岩石物理力学性能测试试验机的围压模拟原理，理论上可采用一对液压缸对顶的方式为岩石试样块施加侧向围压，同时将岩石试样块的上表面留作刀具切削表面。然而，由于TBM刀具破岩试验，尤其是全尺寸的TBM滚刀(盘形滚刀)破岩试验所需岩石试样块的尺寸均较大(如为了避免岩石试样块尺寸过小引起的边界效应，文献《Disc cutting tests in Colorado Red Granite:Implications for TBM performance prediction》中采用了17英寸全尺寸滚刀进行试验，相应地采用了1.1×0.8×0.6m的花岗岩试样块)，导致给定围压下所需液压缸工作压力极高，所需的液压泵站及液压系统复杂且成本极高(需要配置伺服阀、高压泵等)，且对加载装置的刚度、液压系统的密封性能和可靠性提出了极高要求。现有设计经验表明，当TBM标准线切割试验台上采用17英寸(直径为432mm)TBM滚刀进行破岩切削试验时，若相邻刀间距最大设计为75mm，岩石试样一次装夹后最大切槽数量为8条，在尽量降低岩石试样块尺寸边界效应的前提下，采用液压缸对顶的方式可获得的理论最高经济性围压仅为1～2MPa左右(按液压缸额定载荷为250～300kN计算，装置造价成本按30万人民币计算)，这显然不能满足深部岩层下高围压水平的模拟要求。