复杂条件下岩土体硐室开挖与围岩应力、应变监测模型试验装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种监测模型试验装置，尤其涉及一种地下工程建设过程中，高压、高温等复杂条件下室内模拟岩土体硐室开挖过程与并实时监测围岩应力、应变规律的试验装置及其方法。
【背景技术】
[0002]随着我国经济的快速发展，硐室的开挖数量与日俱增。在交通运输领域，我国中西部地区大量特长、深埋以及地质条件复杂的隧道的建设；在水利水电领域，大跨度水工隧道和大断面、高边墙地下厂房的建设；在采矿领域，深部矿藏的开采中地下矿井巷道的建设；在市政建设领域，深部地铁隧道和地下立体交通枢纽的建设；在废物处置领域，防辐射地下实验室、核废料地下处置库的建设。硐室围岩是指硐室周围，由于人工硐室的开挖而引起一定范围内应力、应变重新调整达到新的平衡状态的岩体。硐室开挖后，围岩应力、应变演变规律直接关系硐室围岩的稳定性。传统岩土工程的设计和施工是根据施工经验来进行。当开挖活动是在小规模范围和接近地表的深度上进行时，经验类比法往往是有效的。但是随着开挖规模的不断加大和不断向深部地层发展，经验类比法越来越失去作用。硐室的高地应力、复杂地质条件极易诱发坍塌、失稳、岩爆或者其它破坏形式。因此，研制特种试验设备，剖析复杂条件下硐室开挖过程中或温湿度变化后围岩应力、应变演变规律异常重要，相关结论可为硐室设计和施工提供科学的决策依据，也能为硐室围岩地质灾害防治提供理论基础。
[0003]目前，针对硐室围岩应力监测，都是在硐室开挖完成后，将光弹应力计、钢弦压力盒粘结在围岩壁上或者将锚杆测力计送入钻孔内锚固或者是将压力枕(囊)放入凿好的围岩壁狭缝中，并紧密接触，从而获得硐室开挖后围岩的应力大小与分布情况。
[0004]由开挖引起的围岩应变可分为表面应变和域内应变。而针对硐室围岩应变监测，都是在硐室开挖完成后，采用电阻应变片法、光弹应变计法、钢弦应变计法和千分表法等进行量测。在围岩应变量测中常用的是电阻应变片法和千分表法，其中前者对量测表面应变和域内应变都适用，后者仅适用于量测表面应变，但用于量测域内应变的主要是锚杆量测法。
[0005]目前，无论采用何种监测工具实施围岩应力监测，均会对围岩造成二次扰动，硐室围岩应力、应变监测手段都未能完整监测硐室围岩在不同开挖方式下应力、应变重新调整直至到达新平衡的过程。现有的硐室围岩应力、应变监测模型试验装置未能有效的模拟岩土体的真实受力情况，特别是复杂应力条件下的硐室开挖。故此，相对更为精准的试验装备亟待设计研发。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就在于克服现有硐室围岩应力、应变监测手段以及现有模型试验装置的技术缺点与不足，提供一种高压、高温等复杂条件下岩土体硐室开挖或硐室温湿度变化过程中围岩应力、应变监测模型试验装置及其方法。
[0007]其一是本模型试验装置拆装灵活，可根据所需模拟的岩土体实际工况，采用不同的实验材料在试验装置主腔体内构建相似模型，并在开挖前布设应力、应变及位移等力学行为参数监测传感器，传感器外接数据采集装置并通过微型计算机采集数据。
[0008]其二是本模型试验装置能够准确模拟岩土体所受真实的三向应力状态，在硐室开挖过程中，完整监测并记录硐室围岩应力、应变的变化规律。这能为硐室的设计和施工提供科学的决策依据。
[0009]其三是本模型试验装置能够准确模拟岩土体硐室开挖后，硐室内温湿度变化过程中硐室围岩应力、应变的变化规律；亦可通过开挖前预先埋置传感器监测硐室内化学元素的迁移规律(如乏燃料地下处置库中核素迁移规律的模型试验)，通过上述模型试验可为硐室运营过程的服役效能评价提供科学的决策依据。
[0010]其四是本模型试验装置能够实现在不同性质岩土体中，采用不同施工方法进行各种断面形式的硐室开挖。这有利于我们在不同性质岩土体硐室开挖中选择合理、安全和高效的施工方法。
[0011]本发明是这样来实现的，一种复杂条件下岩土体硐室开挖与围岩应力、应变监测模型试验装置，它包括基座、L形立柱、反力器、水平压力器、竖向压力器、压力板、岩土体试样、承压、钢弦压力盒、电阻应变片，其特征在于:基座的上表面四角固定有横截面为L形的四根立柱，相邻的L形立柱之间设有压力板形成长方体空腔，长方体空腔内装填岩土体试样，长方体空腔相邻的两个压力板上通过承压板连接水平压力器，长方体空腔相邻的另两个压力板上连接反力器，所述长方体空腔的顶端设有压力板，压力板上设有承压板，承压板上连接竖向压力器，在硐室掘进面一侧的压力板上预留有后期硐室的开挖断面，装填岩土体试样的同时在硐室断面周围岩土体中布置钢弦压力盒、电阻应变片或其它物理力学性能监测传感器。
[0012]根据硐室围岩的岩土体特性、结构特征以及工程地质力学特性建立地质模型，并概括为试验室数学模型，然后用相似材料建立硐室围岩的物理模型；进一步在试样正立面和侧立面上施加两个一定的相互垂直均布荷载，在试样顶部施加一定的均布荷载，即可模拟硐室所处位置的真实自重应力场，使试样能够真实模拟硐室围岩初始应力状态；根据试验设计采用可随意切换硐室断面形式的压力板，结合配套的开挖工具进行不同施工方法的硐室开挖；并在硐室开挖断面周围布设监测系统，从而获取硐室开挖过程中硐室围岩应力、应变的变化规律。
[0013]本发明的技术效果是:1、本模型试验装置能真实模拟硐室所在位置所受的三向应力状态，还能根据试验需求自行确定岩土体试样复杂的三向应力状态，能够贴近工程实际；
2、本模型试验装置能完整准确的反映出复杂应力条件下岩土体硐室开挖时，硐室围岩的应力、应变规律，能够为硐室的设计和施工提供科学的决策，也能为硐室建设中的地质灾害防治提供理论依据。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的俯视图。
[0015]图2为本发明的剖面图。
[0016]在图中，I一基座；2 — L形立柱；3—反力器；4一水平压力器；5—竖向压力器；6—压力板；7—岩土体试样；8—承压板；9一钢弦压力盒；10—电阻应变片；11一钻进面；12—数据采集器。
【具体实施方式】
[0017]如图1、2所示，本发明是这样来实现的，一种复杂条件下岩土体硐室开挖与围岩应力、应变监测模型试验装置，基座I的上表面固定竖直设有具有间距的四根L形立柱2，相邻的L形立柱2之间设有压力板3形成长方体空腔，长方体空腔内装填岩土体试样7，长方体空腔相邻的两个压力板6上通过承压板8连接水平压力器4，长方体空腔相邻的另两个压力板上连接反力器3，所述长方体空腔的顶端设有压力板，压力板上设有承压板，承压板上连接竖向压力器5，在