模拟井巷开挖卸荷的试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种模拟井巷开挖卸荷的试验方法，适用于真实地仿真、再现深埋圆巷快速卸荷过程的模拟试验。试验过程中，可以利用超声波技术探测内部裂纹，还可以获取空心圆柱体的纵向变形规律即LDP曲线和径向变形规律。
【背景技术】
[0002]巷道开挖时会使开挖面的原岩应力全部或者逐步部分卸除，引起岩体边界条件和荷载条件的变化，伴随而来便是围岩的变形，甚至产生直接影响围岩稳定性的裂纹。
[0003]目前，有不少学者针对模拟工程开挖卸荷进行了一系列室内三轴试验和物理模型试验，从常规三轴试验到真三轴试验等，都有所尝试。其中，常规三轴试验采用立方体或者圆柱体岩样，通过卸载围压、升高轴压或者同时卸载围压和轴压等方案来模拟工程开挖卸荷。而真三轴试验多采用方柱体岩样，通过卸载最小主应力实现开挖卸荷模拟，对围岩变形及其他力学特征变化进行分析。
[0004]在工程实际中，巷道的掘进体现为逐步、快速卸荷，且巷道为空心圆柱体，巷道断面形状有圆形、矩形、梯形等等。目前的卸荷试验均是基于岩体(岩样)的力学性质来进行研究分析，这些试验方法不能真正实现模拟巷道的逐步、快速卸荷过程，也不能获取逐步卸荷过程中空心圆柱体试件的变形规律，不能体现试件在卸荷后的力学特征。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供一种模拟井巷开挖卸荷的试验方法，能够对井巷围岩的逐步、快速卸荷进行真实模拟，体现不同巷道断面形状对围岩变形、裂纹产生及发展的影响，并可以获取空心圆柱体的径向变形规律和纵向变形规律。
[0006]本发明解决上述技术问题的技术方案为:
[0007]—种模拟井巷开挖卸荷的试验方法，依次包括以下步骤:
[0008]a)岩体取样:首先对拟试验地质处的岩体进行取样，获取该岩体的基本参数，包括单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等；
[0009]b)制作试件:将取样得到的岩体制作成一端封闭的空心圆柱体试件，其断面形状、内外径、高度尺寸和比例以及试件的放置方向均相似于拟试验巷道工程，并考虑了前方是未开挖岩体(通过一端封闭来实现)的因素；
[0010]c)设定试验载荷:依据拟试验工程所处地质环境，计算巷道所处位置实际的三向原岩应力值，在此基础上，根据相似形理论设定对应级别的三向试验载荷应力值；
[0011]d)真三轴加载:将上述空心圆柱体试件的上下断面进行刚性加载轴压，外壁及内孔壁分别通过油压实现围压和内压的加载(围压和内压是两套独立的加载系统)，施加拟试验巷道工程的应力场条件；
[0012]e)慢速或快速卸载:保持三向试验载荷中的轴压和围压不变，对所述空心圆柱体试件的内压进行慢速或快速卸载，使内压缓慢或瞬间降为某一值或零，至试件稳定，利用岩石三轴声波-声发射一体化测试系统追踪裂纹的发展路径，同步测试应力-应变信息，通过位移传感器测试该试件的变形，分析所述空心圆柱体试件的变形情况；
[0013]f)分析变形规律与破坏特征:至所述空心圆柱体试件内压卸载完毕，分析该空心圆柱体试件沿径向的变形规律和沿纵向的变形规律以及破坏特征。
[0014]该试验方法a)?f)能够对井巷围岩的逐步、快速卸荷进行真实模拟，体现不同巷道断面形状对围岩变形、裂纹产生及发展的影响。
[0015]进一步地，本发明的模拟井巷开挖卸荷的试验方法，在所述刚性加载时，所述内压与所述围压同步加载并保持两者的压力数值相等，而且在快速卸载所述内压之前，所述内压必须保持与所述围压相等。
[0016]进一步地，本发明的模拟井巷开挖卸荷的试验方法，所述试件的封闭端是分段的，每段尺寸选取为一倍的井巷试件内径，每段的壁厚变化梯度为井巷试件内径的1/4。
[0017]进一步地，本发明的模拟井巷开挖卸荷的试验方法，所述空心圆柱体试件的断面为圆形、正方形、矩形、马蹄形或者梯形。
[0018]进一步地，本发明的模拟井巷开挖卸荷的试验方法，所述超声波探测技术采用岩石三轴声波-声发射一体化测试系统，计算岩体的动弹性参数和探测岩体内部的开裂情况，所述声发射测试系统利用岩石发射的弹性波采集其内部状态和力学状态，以用于监测岩体破坏损伤特征及裂纹演化趋势，得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。
[0019]进一步地，本发明的模拟井巷开挖卸荷的试验方法，采用多组不同比例的所述空心圆柱体试件进行试验:1:20，1:30，1:50，1:75，1:100，1:150。
[0020]本发明的试验方法适用于模拟深埋巷道开挖工程中的逐步、快速卸载试验，该方法模拟巷道结构体的试件尺寸、断面形状和放置方向，模拟实际应力场的载荷状况，并模拟巷道开挖的快速卸荷状况，逐步撤掉空心圆柱体内壁的荷载，形成临空面。
[0021]本发明通过对空心圆柱体试件进行加载和卸载，试件的一端封闭表示前方为未开挖岩体，使试件及其整体载荷状态相似于工程中深埋巷道围岩逐步、快速卸荷时的实际应力状态，可以获取试件的开裂情况及其径向变形规律和纵向变形规律。因此，可以比较真实地模拟实际工程中的变形及开裂问题。因为本发明是对巷道掘进过程中逐步、快速卸荷的真实模拟，为逐步了解深埋巷道围岩的稳定性奠定了基础，进一步探寻不同埋深、不同壁厚、不同断面形状对巷道稳定性的影响，也为实际工程中安全问题的判断并进而为预防、控制并限制裂纹的产生和发展，提供了试验依据，并获取相应的解决方法。
[0022]本发明的试验方法简便易行，模拟效果比较真实，在本技术领域内具有广泛的实用性和应用前景。
【附图说明】
[0023]图1是本发明井巷开挖卸荷模型的示意图；
[0024]图2A是本发明中断面为圆形的空心圆柱体试件加载示意图，图2B是图2A的俯视图；
[0025]图3A是本发明中断面为正方形的空心圆柱体试件加载示意图，图3B是图3A的俯视图；
[0026]图4A是本发明中断面为矩形的空心圆柱体试件加载示意图，图4B是图4A的俯视图；
[0027]图5A是本发明中断面为马蹄形的空心圆柱体试件加载示意图，图5B是图5A的俯视图；
[0028]图6A是本发明中断面为梯形的空心圆柱体试件加载示意图，图6B是图6A的俯视图。
[0029]图中:Pz—轴压，Po—围压，P1-内压，R1—内孔半径(图2B)，R2—圆弧半径(图5B)，Ro一空心圆柱体半径，a、b—矩形边长(图4B)，ai—梯形上底，bi—梯形下底，H—直墙尚度。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图1-6B，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的描述和说明。
[0031]本发明的模拟井巷开挖卸荷的试验方法，是一种获取空心圆柱体试件开裂情况的试验方法，依次包括以下步骤:
[0032]a)岩体取样:先对拟试验地质处的岩体进行取样，获取该岩体的基本参数，包括单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等；
[0033]b)制作试件:将取样得到的岩体制作成一端封闭的空心圆柱体试件，其断面形状、内外径、高度尺寸和比例以及试件的放置方向均相似于拟试验巷道工程；
[0034]c)设定试验载荷:依据拟试验工程所处地质环境，计算巷道所处位置实际的三向原岩应力值，在此基础上，根据相似形理论设定对应级别的三向试验载荷应力值；
[0035]d)真三轴加载:采用包含轴压系统、围压系统和内压系统的三轴压力试验机，对上述空心圆柱体试件的上下断面进行刚性加载，外壁及内孔壁分别通过油压实现围压和内压的加载(围压和内压是两套独立的加载系统)，施加拟试验巷道工程的应力场条件，即Pz—轴压，Po—围压，Pi—内压，参见图1-6B;
[0036]e)试件分段:将上述空心圆柱体试件分段，其尺寸相似于拟试验巷道工程，如图1中所不的I _2段、2-3段等；
[0037]f)慢速或快速卸载:保持三向试验载荷中的轴向荷载(轴压)PZ和围压Po不变，对所述空心圆柱体试件的内压进行慢速或快速卸载，使内SP1缓慢或瞬间降为某一值或零。至试件稳定，利用岩石三轴声波-声发射一体化测试系统追踪1-2-3段的裂纹的发展