巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法

文档序号:10571009
巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法
【专利摘要】本发明提出一种巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法,在巷道开挖卸荷模拟试验装置中,下承压板、侧承压板和上承压板共同包裹试样,试样内开设有预制巷道,沿预制巷道的外表面铺设有固定板,固定板上开设有凹槽,凹槽内设置有压力传感器,压力传感器与计算机信号连接,支撑杆的一端与卸荷杆的一端铰接,支撑杆的另一端与凹槽活动连接且支撑杆的另一端紧贴压力传感器,加载端作用于侧承压板、上承压板且加载端与计算机信号连接。本发明的有益效果为:可以模拟巷道围岩开挖卸荷过程,不会对围岩造成明显的附加扰动,可精确控制围岩的卸荷速率和卸荷量,准确测量卸荷过程中围岩的相关力学参数。
【专利说明】
巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法
技术领域
[0001]本发明涉及地下工程开挖技术领域,特别是涉及一种巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法。
【背景技术】
[0002]地下工程的开挖实际上是岩体在某一面的应力得到释放,破坏了原有的力学平衡状态,使岩体产生新的变形,甚至断裂、破碎,即地下工程中巷道围岩的变形破坏是由于对围岩进行卸荷而引起的。因此,巷道围岩的开挖卸荷研究对进一步探究巷道围岩变形破坏机理及巷道围岩稳定性控制技术具有重要意义。目前,用来模拟巷道开挖卸荷的方法主要有预埋法和非预埋法两类。预埋法是指在制作模拟试样过程中,将巷道开挖装置预埋入试样之中,试验过程中通过对预埋的开挖装置进行相关操作来实现巷道开挖卸荷模拟;非预埋法是指在制作模拟试样过程中,不预埋巷道开挖装置,在巷道位置直接采用人工或机械方法进行开挖来实现巷道开挖卸荷模拟。显然,非预埋法在形式上更符合工程实际,但存在着明显不足,如在模拟开挖过程中会对围岩造成明显的附加扰动,难以专门针对开挖卸荷效应进行研究。预埋法虽然在形式上与工程实际存在一定差异,但相对于非预埋法具有显著优点。首先,预埋装置可以重复利用,降低实验成本。其次,采用预埋法对巷道开挖进行模拟可以控制开挖过程与速度。但是,现有技术难以对巷道模拟开挖卸荷的过程进行精确控制,无法较好的反映现场围岩在卸荷过程中变形破坏的力学特征。
[0003]公告号为CN103745646B的中国专利文献公开了一种模拟巷道开挖卸载与支护的试验装置,该装置由心轴、钢珠、传力管和支护管组成,其采用预埋法设置该装置,通过抽取心轴来实现模拟巷道开挖卸荷过程,但无法精确控制围岩的卸荷速率以及准确测量围岩卸荷过程中的受力情况,即无法反映出巷道围岩变形破坏与开挖卸荷参数之间的具体关系。公开号为CN104833569A的中国专利文献公开了一种适用于地质力学模型试验的开挖卸荷装置,为非预埋法模拟巷道开挖卸荷,该装置主要通过切削钻头、螺旋钻杆等装置对岩块进行钻孔来模拟开挖过程,但在开挖过程中会对围岩造成明显的附加扰动,难以专门针对开挖卸荷效应进行研究。公开号为CN105277673A的中国专利文献公开了一种模拟开挖卸荷作用导致巷道发生应变型岩爆的实现方法,该方法首先将岩样制成规则形状,而后在观测面的正反面中心部位钻出圆通孔模拟巷道,并在圆通孔内充填混凝柱,最后通过将中间混凝柱捅出实现模拟巷道开挖过程,但该方法无法准确控制卸荷量,也无法测量卸荷过程中围岩的相关力学参数。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于提供一种巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法,用来模拟巷道围岩开挖卸荷过程,不会对围岩造成明显的附加扰动,能够精确控制围岩的卸荷速率和卸荷量以及准确测量卸荷过程中围岩的相关力学参数。
[0005]本发明提供一种巷道开挖卸荷模拟试验装置,包括承压板、试样、固定板、压力传感器、支撑杆、卸荷杆、加载端和计算机,承压板包括下承压板、侧承压板和上承压板,下承压板、侧承压板和上承压板共同包裹试样,试样内开设有预制巷道,沿预制巷道的外表面铺设有固定板,固定板上开设有凹槽,凹槽内设置有压力传感器,压力传感器与计算机信号连接,支撑杆的一端与卸荷杆的一端铰接,支撑杆的另一端与凹槽活动连接且支撑杆的另一端紧贴压力传感器,加载端作用于侧承压板、上承压板且加载端与计算机信号连接。
[0006]进一步的,支撑杆的一端固定连接有铰接杆,卸荷杆的一端上开设有包括横槽和竖槽的T形槽,横槽向两侧的延伸方向与卸荷杆的轴线方向垂直,竖槽向一侧的延伸方向与卸荷杆的轴线方向平行,铰接杆的两端分别与T形槽的横槽的两端铰接,支撑杆可沿着竖槽向一侧的延伸方向转动。
[0007]进一步的,竖槽向一侧的延伸方向与卸荷杆从一端至另一端的方向相反。
[0008]进一步的,支撑杆为四根,固定板为四块,四根支撑杆的一端分别与卸荷杆的一端铰接,四根支撑杆的另一端分别与四块固定板上的凹槽活动连接。
[0009]进一步的,卸荷杆的一端固定连接有安装端,支撑杆的一端与安装端铰接。
[0010]进一步的,固定板上于固定板的中间位置开设有凹槽。
[0011]进一步的,预制巷道的形状轮廓为圆筒形,固定板的形状为与圆筒形预制巷道的外表面相贴合的弧形。
[0012]进一步的,支撑杆和卸荷杆由高强度钢材制成。
[0013]进一步的,承压板由实心钢板制成。
[0014]本发明还提供一种巷道开挖卸荷模拟试验方法,应用上述的巷道开挖卸荷模拟试验装置,包括以下步骤:
[0015]步骤一、制备试样,试样中开设预制巷道,确保预制巷道的尺寸与固定板的尺寸相匹配;
[0016]步骤二、将制备好的试样放置于下承压板上,并将侧承压板和上承压板贴合试样的外表面,以使下承压板、侧承压板和上承压板共同包裹试样;
[0017]步骤三、将固定板放置于试样中的预制巷道内,将支撑杆的另一端插入固定板的凹槽中以与凹槽活动连接且支撑杆的另一端紧贴压力传感器,保持支撑杆的轴线与预制巷道的轴线垂直;
[0018]步骤四、计算机控制加载端对侧承压板、上承压板分别施加侧向应力和轴向应力,直至压力传感器监测到的应力值达到试验要求;
[0019]步骤五、保持侧向应力和轴向应力为定值,拉拔卸荷杆的另一端使卸荷杆沿卸荷杆的轴向保持一定速率向外被拉出,使支撑杆逐渐倾斜以达到卸荷目的,通过计算机实时监测、记录压力传感器的应力值。
[0020]与现有技术相比,本发明的巷道开挖卸荷模拟试验装置及试验方法具有以下特点和优点:
[0021]1、本发明的巷道开挖卸荷模拟试验装置,结构设计巧妙,可以模拟巷道围岩开挖卸荷过程,不会对围岩造成明显的附加扰动,可精确控制围岩的卸荷速率和卸荷量以及准确测量卸荷过程中围岩的相关力学参数;
[0022]2、本发明的巷道开挖卸荷模拟试验方法,模拟巷道围岩开挖卸荷过程中不会对围岩造成明显的附加扰动,通过控制卸荷杆的轴向移动速率来精确控制围岩的卸荷速率,卸荷杆的轴向移动过程中使支撑杆与竖直平面形成一定夹角,精确控制围岩的卸荷量,在卸荷过程中压力传感器准确测量卸荷过程中围岩的相关力学参数。
[0023]结合附图阅读本发明的【具体实施方式】后,本发明的特点和优点将变得更加清楚。
【附图说明】
[0024]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为本发明实施例中巷道开挖卸荷模拟试验装置的结构示意图;
[0026]图2为本发明实施例中巷道开挖卸荷模拟试验装置中支撑杆、铰接杆和卸荷杆的剖面图;
[0027]图3为本发明实施例中图2中A-A剖面图;
[0028]图4为本发明实施例中巷道开挖卸荷模拟试验装置中支撑杆、铰接杆和卸荷杆的俯视图;
[0029]其中,
[0030]11、下承压板,12、侧承压板,13、上承压板,2、试样,3、固定板,31、凹槽,41、支撑杆,42、铰接杆,43、卸荷杆,431、T形槽,5、压力传感器,6、预制巷道,7、信号电缆,8、计算机。
【具体实施方式】
[0031]如图1至图4所示,本实施例提供一种巷道开挖卸荷模拟试验装置,由实心钢板制成的下承压板U、侧承压板12和上承压板13共同包裹试样2,试样2内开设有形状轮廓为圆筒形预制巷道6,沿预制巷道6的外表面铺设有固定板3,固定板3的形状为与形状轮廓为圆筒形的预制巷道6的外表面相贴合的弧形。当然,预制巷道6的形状轮廓也可以为其他形状,比如预制巷道6的横截面为矩形的筒形,此时,固定板就为与预制巷道6的外表面相贴合的平面结构。将预制巷道6设计为圆筒形便于试验开设预制巷道6,也便于试验中将弧形固定板3快速装配至预制巷道6内,提高试验效率。在固定板3的中间位置开设有凹槽31,凹槽31内设置有压力传感器5,压力传感器5与计算机8经信号电缆7信号连接,由高强度钢材制成的支撑杆41的一端固定连接有铰接杆42,由高强度钢材制成的卸荷杆43的一端固定连接有安装端,安装端上开设有包括横槽和竖槽的T形槽431,横槽向两侧的延伸方向与卸荷杆43的轴线方向垂直,竖槽向一侧的延伸方向与卸荷杆43的轴线方向平行,竖槽向一侧的延伸方向与卸荷杆43从一端至另一端的方向相反,铰接杆42的两端分别与T形槽431的横槽的两端铰接,支撑杆41可沿着竖槽向一侧的延伸方向转动,支撑杆41的另一端与凹槽31活动连接,支撑杆41的另一端紧贴压力传感器5,加载端作用于侧承压板12、上承压板13且加载端与计算机8经信号电缆7信号连接。本实施例中的上述巷道开挖卸荷模拟试验装置,其支撑杆41为四根,固定板3为四块,四根支撑杆41的一端分别固定连接四根铰接杆42,四根铰接杆42分别与卸荷杆43的一端的安装端铰接,四根支撑杆41的另一端分别与四块固定板3上的凹槽31活动连接。
[0032]本实施例中的上述巷道开挖卸荷模拟试验装置,在计算机8控制加载端对侧承压板12和上承压板13施加应力的基础上,沿着如图4所示的“卸荷”方向拉拔卸荷杆43,卸荷杆43的拉拔带动了支撑杆41与竖直面形成夹角,从而实现模拟巷道围岩开挖卸荷过程,在上述模拟巷道围岩开挖卸荷过程中没有对围岩造成明显的附加扰动;在上述模拟巷道围岩开挖卸荷过程中通过控制卸荷杆43的轴向移动速率来精确控制围岩的卸荷速率以实现分级卸荷,卸荷杆43的轴向移动过程中使支撑杆41与竖直平面形成一定夹角,使支撑杆作用于试样2上的应力逐渐变小,使巷道围岩支护强度定量减小,从而精确控制围岩的卸荷量,在上述模拟巷道围岩开挖卸荷过程中压力传感器5准确测量卸荷过程中围岩的相关力学参数,并通过计算机8实时监测、记录。需要说明的是,T形槽431的竖槽向一侧的延伸方向与卸荷杆43从一端至另一端的方向(即图4所示的“卸荷”方向)相反,如此,在拉拔卸荷杆43时,支撑杆41只能朝着与“卸荷”方向相反的方向转动,从而在模拟巷道开挖卸荷的初始阶段,便于通过固定卸荷杆43以固定支撑杆41,使支撑杆41的轴线垂直预制巷道6的轴线(卸荷杆43的轴线);在拉拔卸荷杆43时避免支撑杆41与卸荷杆43接触,使模拟巷道围岩开挖卸荷过程更加准确。
[0033]本发明还提供一种巷道开挖卸荷模拟试验方法,应用上述的巷道开挖卸荷模拟试验装置,包括以下步骤:
[0034]步骤一、制备试样2,试样2中开设预制巷道6,确保预制巷道6的尺寸与固定板3的尺寸相匹配;
[0035]步骤二、将制备好的试样2放置于下承压板11上,并将侧承压板12和上承压板13贴合试样2的外表面,以使下承压板11、侧承压板12和上承压板13共同包裹试样2;
[0036]步骤三、将固定板3放置于试样2中的预制巷道6内,将支撑杆41的另一端插入固定板3的凹槽31中以与凹槽31活动连接,支撑杆41的另一端紧贴压力传感器5,保持支撑杆41的轴线与预制巷道6的轴线垂直;
[0037]步骤四、计算机8控制加载端对侧承压板12、上承压板13分别施加侧向应力和轴向应力,直至压力传感器5监测到的应力值达到试验要求;
[0038]步骤五、保持侧向应力和轴向应力为定值,拉拔卸荷杆43的另一端使卸荷杆43沿卸荷杆43的轴向保持一定速率向外被拉出,使支撑杆41逐渐倾斜以达到卸荷目的,通过计算机8实时监测、记录压力传感器5的应力值。
[0039]步骤六、试验结束后,将计算机8中的数据保存使用。
[0040]本实施例中的上述巷道开挖卸荷模拟试验方法,模拟巷道围岩开挖卸荷过程中不会对围岩造成明显的附加扰动,通过控制卸荷杆43的轴向移动速率实现分级卸荷,来精确控制围岩的卸荷速率,卸荷杆43的轴向移动过程中带动支撑杆41的转动,使支撑杆41与竖直平面形成一定夹角,使巷道围岩支护强度定量减小,精确控制围岩的卸荷量,有利于观察、记录卸荷速率、卸荷量与围岩变形破坏特征之间的关系。在卸荷过程中压力传感器5准确测量卸荷过程中围岩的相关力学参数,在上述的分级卸荷过程中,基于压力传感器5记录不同阶段巷道围岩的应力值,可分析卸荷过程中围岩应力的变化特征。
[0041]当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种巷道开挖卸荷模拟试验装置,其特征在于:包括承压板、试样、固定板、压力传感器、支撑杆、卸荷杆、加载端和计算机,承压板包括下承压板、侧承压板和上承压板,下承压板、侧承压板和上承压板共同包裹试样,试样内开设有预制巷道,沿预制巷道的外表面铺设有固定板,固定板上开设有凹槽,凹槽内设置有压力传感器,压力传感器与计算机信号连接,支撑杆的一端与卸荷杆的一端铰接,支撑杆的另一端与凹槽活动连接且支撑杆的另一端紧贴压力传感器,加载端作用于侧承压板、上承压板且加载端与计算机信号连接。2.根据权利要求1所述的巷道开挖卸荷模拟试验装置,其特征在于:支撑杆的一端固定连接有铰接杆,卸荷杆的一端上开设有包括横槽和竖槽的T形槽,横槽向两侧的延伸方向与卸荷杆的轴线方向垂直,竖槽向一侧的延伸方向与卸荷杆的轴线方向平行,铰接杆的两端分别与T形槽的横槽的两端铰接,支撑杆可沿着竖槽向一侧的延伸方向转动。3.根据权利要求2所述的巷道开挖卸荷模拟试验装置,其特征在于:竖槽向一侧的延伸方向与卸荷杆从一端至另一端的方向相反。4.根据权利要求1至3任一项所述的巷道开挖卸荷模拟试验装置,其特征在于:支撑杆为四根,固定板为四块,四根支撑杆的一端分别与卸荷杆的一端铰接,四根支撑杆的另一端分别与四块固定板上的凹槽活动连接。5.根据权利要求1至3任一项所述的巷道开挖卸荷模拟试验装置,其特征在于:卸荷杆的一端固定连接有安装端,支撑杆的一端与安装端铰接。6.根据权利要求1至3任一项所述的巷道开挖卸荷模拟试验装置,其特征在于:固定板上于固定板的中间位置开设有凹槽。7.根据权利要求1至3任一项所述的巷道开挖卸荷模拟试验装置,其特征在于:预制巷道的形状轮廓为圆筒形,固定板的形状为与圆筒形预制巷道的外表面相贴合的弧形。8.根据权利要求1至3任一项所述的巷道开挖卸荷模拟试验装置,其特征在于:支撑杆和卸荷杆由高强度钢材制成。9.根据权利要求1至3任一项所述的巷道开挖卸荷模拟试验装置,其特征在于:承压板由实心钢板制成。10.—种巷道开挖卸荷模拟试验方法,应用权利要求1至9任一项所述的巷道开挖卸荷模拟试验装置,其特征在于,包括以下步骤: 步骤一、制备试样,试样中开设预制巷道,确保预制巷道的尺寸与固定板的尺寸相匹配; 步骤二、将制备好的试样放置于下承压板上,并将侧承压板和上承压板贴合试样的外表面,以使下承压板、侧承压板和上承压板共同包裹试样; 步骤三、将固定板放置于试样中的预制巷道内,将支撑杆的另一端插入固定板的凹槽中以与凹槽活动连接且支撑杆的另一端紧贴压力传感器,保持支撑杆的轴线与预制巷道的轴线垂直; 步骤四、计算机控制加载端对侧承压板、上承压板分别施加侧向应力和轴向应力,直至压力传感器监测到的应力值达到试验要求; 步骤五、保持侧向应力和轴向应力为定值,拉拔卸荷杆的另一端使卸荷杆沿卸荷杆的轴向保持一定速率向外被拉出,使支撑杆逐渐倾斜以达到卸荷目的,通过计算机实时监测、记录压力传感器的应力值。
【文档编号】G09B25/02GK105931558SQ201610551010
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月13日
【发明人】郭伟耀, 谭云亮, 赵同彬, 于凤海, 胡善超, 顾东东, 郭磊
【申请人】山东科技大学
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