一种对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及深部岩体特征科学现象模拟的方法，尤其涉及对深部岩体应力状态及 响应的模拟测试方法。
【背景技术】
[0002] 深部地下工程涉及矿山、交通、水利水电、核废料的深层地质处置、国家战略能源 储备和国家战略防护工程等领域，事关国家安全和国计民生。超过1〇〇〇米深的地下工程施 工和遭受爆炸地冲击扰动，形成在高地应力作用下的"一高两扰动"（高地应力、开挖卸荷扰 动、爆炸地冲击扰动)特征，出现的静、动特征科学现象，如分区破裂、岩爆、超低摩擦和摆形 波等，现有岩石力学理论无法圆满解释，由此造成深地下工程选址与布局缺少科学依据，深 部岩体工程岩爆、分区破裂及大变形带来的灾害预测与防治困难，成为国内外专家学者争 相研究的热点和难点。深部"一高两扰动"特征科学现象是亟待突破的重大科学问题。
[0003] 深部岩体"一高二扰动"特点形成的特征科学现象是高度的非线性力学复杂问题， 深部岩体构造特征具有非连续、非均匀、块系构造和含能特点，是复杂的含能地质体，变形 破坏特征具有加卸载耦合、动静变形叠加、时空变化相关、破坏状态剧烈的特点，是复杂的 非线性力学问题。现有的研究方法中：理论研究难以准确分析，数值分析受本构表征等影响 大，现场测试试验受施工影响周期长，目前对于深部岩体缺乏有效的研究手段。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种能实现高地应力、开挖扰动和爆炸扰动模拟的对深部 岩体应力状态及响应的模拟测试方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明的所述方法包括如下步骤：
[0000] 1)深部岩体应力及爆炸扰动的初始计算
[0007] 根据深部岩体工程设定的埋深h、开挖直径d、开挖速度V和引起爆炸扰动的当量为 Q的地下爆炸，进行深部岩体静态地应力P和等效于爆炸载荷的三角形脉冲载荷的峰值应力 Pf的计算，
[0008] 其中:静态地应力P=ghp，g为重力加速度，P为岩石密度。
[0009] 峰值应力Pf = pcum，c为介质纵波声速，Um为爆炸质点峰值速度，化=j / FS A、n为 拟合系数，F为比例距离，且F = 为爆心距，当爆炸扰动发生在非弹性变形区时，且 所述三角形脉冲载荷上升沿时间为tr、三角形脉冲载荷的脉冲周期为\时，存在如下关系： tr/Q1/3= (5 ~15)ms/kt1/3、t+/Q1/3= (20 ~40)ms/kt1/3,式中:ms 为毫秒，kt 为爆炸当量；
[0010] 2)确定相似比尺C;
[0011] 3)由相似比尺C计算相对于试件的各模拟量
[0012]所述模拟量包括:在所述试件上开挖模拟隧道的直径ds、开挖速度1、试件的模拟 静态地应力Psi、试件的模拟三角形脉冲载荷峰值应力Psf和对应于峰值应力Psf的模拟上升 沿时间tsr、模拟三角形脉冲载荷的脉冲周期t s+，且：
[0013]
[0014] 4)对所述试件施加模拟初始压应力
[0015] 对所述试件的周侧通过柔性胶囊内液压调整，施以静载压力Pj，P产nPsl，（n = 3~ 5)，加载时间持续1~2周；
[0016] 5)对所述试件进行开挖卸荷的扰动测试
[0017]对施以静载匕的试件进行模拟隧道直径为ds、开挖速度为Vs的模拟隧道的模拟开 挖，在模拟隧道开挖完成后，检测隧道壁面的应力、应变和位移变化
[0018] 6)对所述试件进行爆炸冲击的扰动测试
[0019] 通过对所述试件施加模拟上升沿时间为tsr、模拟脉冲周期为ts+的三角形脉冲载 荷，以模拟爆炸冲击载荷，以检测三角形脉冲载荷施加后隧道壁面的应力、应变和位移变 化。
[0020] 所述对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法的进一步设计在于，所述试件是 由相似材料制成，且形状为矩形体。
[0021] 所述对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法的进一步设计在于，所述测试试 件由事先制作好的隧道实体试件预埋于对应模具中，再用相似材料进行浇铸并经固化形 成。
[0022] 所述对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法的进一步设计在于，所述隧道实 体试件由与开挖隧道截面相同的若干隧道薄片相互贴合形成，每一隧道薄片用模拟材料浇 铸于对应的模具并经后固化形成，浇铸时在对应模具中埋入至少相互两根交叉的铁丝，且 使该两根铁丝的至少一端分别伸出模具外，致使每一隧道薄片至少有两根外露的铁丝。
[0023] 所述对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法的进一步设计在于，所述隧道薄 片中的两根交叉的铁丝，基本呈十字形，且交叉点基本位于隧道薄片的中心。
[0024] 所述对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法的进一步设计在于，所述模拟开 挖是按速度为Vs由外向内依次拉动隧道薄片上的外露铁丝，使对应隧道薄片由外向内逐渐 破碎，最终形成开挖隧道。
[0025] 所述对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法的进一步设计在于，对所述试件 施加模拟初始压应力是通过应力加载装置实现的；所述应力加载装置包括承载架、柔性胶 囊、爆炸载荷模拟发生器和液压管;所述承载架具有矩形体形状的空腔，矩形体形状的岩体 试件固定于该空腔中，所述柔性胶囊置于所述岩体试件的每一侧面和与该侧面相对的空腔 腔壁之间，每一柔性胶囊上设有至少一个与液压管连接的进液口，高压液体通过液压管进 入柔性胶囊内，对岩体试件加载，使岩体试件产生静态应力。
[0026] 所述对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法的进一步设计在于，所述爆炸冲 击的扰动测试是通过爆炸载荷模拟发生装置对试件施以三角形脉冲载荷来实现的;所述爆 炸载荷模拟发生装置包括加载单元和卸载单元;所述加载单元包括设有进油口和卸油口的 油缸、滑动设置在该油缸中的活塞，所述油缸的活塞端与所述顶板或侧板上的连接孔连通； 所述卸载单元包括第一缸筒、第二缸筒、调节活塞、卸载活塞、调节弹簧、定位套、定位销和 定位弹簧，所述第一、第二缸筒的内腔分别由第一圆环边及第二圆环边分隔，并分别分隔为 相互连通的第一、第二腔及相互连通的第三、第四腔，且第二腔的腔壁设有卸油孔，第四腔 的腔壁设有销钉孔，所述第一缸筒一端连接在所述油缸的卸油口上，另一端与第二缸筒连 接，使第二腔与第三腔相叠合，形成闭合的卸载活塞腔，卸载活塞滑动设置于该卸载活塞腔 中，调节弹簧穿套在卸载活塞的活塞杆上，使卸载活塞压向第一圆环边，卸载活塞的活塞杆 穿过第二圆环边伸入第四腔中，定位套置于第四腔中并连接在伸入至第四腔中的卸载活塞 的活塞杆上，定位套外圆周侧面上设有数个沿轴向分布的定位孔，定位销置于销钉孔中，定 位弹簧穿套在定位销上，压制该定位销一端伸出孔外紧抵在定位套外圆周侧面上，在卸载 活塞带动定位套轴向移动而使定位孔移动至定位销位置时，定位销嵌入该定位孔中，而使 卸载活塞轴向定位，所述调节活塞滑动设置在第一腔中，调节活塞的活塞杆穿过第一圆环 边与卸载活塞连接。
[0027] 所述对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法的进一步设计在于，开挖卸荷扰 动测试是通过第一、第二操作孔模拟岩体试件上模拟隧道的开挖作业，所述空腔的一垂直 腔壁上设有第一操作孔，对应该侧腔壁的柔性胶囊的对应位置上设有贯穿胶囊厚度方向的 第二操作孔。
[0028] 本发明的优点是实现了实验室内模拟研究深部岩体特征科学现象，以相似理论为 理论基础，科学依据强，"一高两扰动"分步骤模拟，符合实际，整个模拟研究过程思路清晰， 操作方便。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明的对深部岩体应力状态及响应的模拟测试方法的流程示意图。
[0030] 图2是三角形脉冲载荷随时间变化的示意图。
[0031] 图3是本发明加载装置的结构示意图。
[0032] 图4是图所示加载装置沿基座长度方向的剖视图。
[0033] 图5是爆炸载荷模拟发生器的结构示意图。
[0034] 图6是爆炸载荷模拟发生器中加载单元的结构示意图。
[0035] 图7是爆炸载荷模拟发生器中卸载单元的结构示意图。
[0036]图8是深部岩体试件剖视图。
[0037]图9是隧道薄片的结构示意图。
[0038]图10是由图9所示隧道薄片组合成的隧道试件的结构示意图。
[0039] 其中，承载架1，基座11，承载框12,侧板13,第一操作孔134,顶板14,外侧板141，连 接孔1411，内侧板142，储液槽1421，通孔1422，传力薄板143，侧板15，柔性胶囊2，第二操作 孔20,爆炸载荷模拟发生器3,加载单元31，油缸311，进气口 3111，卸气口 3112,活塞312,螺 母313,卸载单元32,缸筒321，第一缸筒321a，第二缸筒321b，调节活塞腔3211，卸载活塞腔 3212,第一卸载活塞腔3212a，第二卸载活塞腔3212b，卸载孔32121，定位套腔3213,销钉孔 32131，连通孔3219，调节活塞322，卸载活塞323，调节弹簧324，定位套325，定位销32