模拟装置和模拟近场围岩弹性能蓄积与释放的方法与流程

本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是涉及一种模拟装置和模拟近场围岩弹性能蓄积与释放的方法。

背景技术：

我国国民经济持续快速发展带动了基础工程建设和资源开发以前所未有的速度蓬勃发展，出现了大量深部巷道和深埋长大隧道(隧洞)工程，其工程规模与技术难度世界罕见。随着我国基础工程建设和资源开发的逐步深部化，在资源开采、水利水电、交通、核废料处置、国防建设等领域出现了越来越多的深部巷道和深埋长大隧道(隧洞)工程。随着埋深的增加，地应力明显增大，深部巷道/隧道开挖卸荷诱发的高强度动力灾害频发，造成大量人员伤亡、机械损坏、工期延误和重大经济损失，且动力灾害的危害性随着埋深和应力水平的增大而显著增大。如开采深度已超过1000m的红透山铜矿，2002年以前在巷道内零星地发生岩爆，而后岩爆发生频率随埋深的增大逐年升高，2008年就达到20多次。锦屏二级水电站深埋隧洞最大垂直地应力超过60MPa，施工排水洞2009年11月28日发生极强岩爆，造成7人死亡，上亿元的TBM设备报废。可见，岩爆等动力灾害已经成为制约深部巷道/隧道工程安全建设的关键瓶颈问题，探索和开发能够合理反映岩爆的复杂影响因素和再现岩爆孕育演化过程的研究手段是目前深部巷道/隧道岩爆机制研究需要首先突破的关键技术难题。

岩爆发生的基础条件，除岩石本身特性之外，岩体所处的应力水平起决定性作用，从能量角度来看，近场围岩弹性能蓄积与释放的情况可同时反映这两个条件。因此，研究近场围岩弹性能蓄积，并控制其释放过程，可深入揭示岩爆发生的机理。经发明人研究发现，现有的模拟装置，基本都是瞬间蓄积和释放，不能观察不同的蓄积和释放过程对岩爆的影响。

基于此，本发明提供了一种模拟装置和模拟近场围岩弹性能蓄积与释放的方法以解决上述的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种模拟装置，以解决现有技术中存在的不能模拟不同弹性势能蓄积与释放速度对隧道破坏模式的影响的技术问题。

本发明的目的还在于提供一种模拟近场围岩弹性能蓄积与释放的方法,用于解决上述技术问题。

基于上述第一目的，本发明提供了一种模拟装置，包括加载板、加载件、多个弹簧元件和多个粘滞性元件；

多个所述弹簧元件和多个所述粘滞性元件均匀的分布于所述加载板和所述加载件之间，由所述加载件共同带动压缩；

所述粘滞性元件用于提供阻尼；

多个所述弹簧元件和多个所述粘滞性元件的伸缩方向均垂直于所述加载板。

可选的，所述粘滞性元件包括阻尼筒和活塞；

所述阻尼筒内装填有阻尼剂；

所述阻尼筒的底部与所述加载板固接；

所述活塞插装在所述阻尼筒内，活塞杆与所述加载件固接。

可选的，所述阻尼筒为圆筒，相应的所述活塞的活塞头为圆板状。

可选的，所述加载件为与所述加载板平行的平板。

可选的，所述加载板和所述加载件均为方形板。

可选的，所述加载件的周围设置有侧板，所述侧板与所述加载板的周侧抵接。

可选的，包括5个所述弹簧元件和4个所述粘滞性元件，5个所述弹簧元件和4个所述粘滞性元件呈阵列排布，且均匀分布。

可选的，所述弹簧元件的两端与所述加载板以及所述加载件均可拆卸连接。

可选的，所述加载件和所述加载板上均设置有插槽，所述弹簧元件的两端插装在所述插槽中。

基于上述第二目的，本发明提供了一种模拟近场围岩弹性能蓄积与释放的方法,该方法包括：

步骤一，制备试验用的岩石样品，或模型试验样品，可根据试验需要，预制隧洞，或在加载过程中进行开挖模拟；

步骤二，根据所需模拟的围岩地应力大小和岩样的力学特性，设计围岩弹性能蓄积与释放试验计划；

步骤三，根据试验设计，调整如上所述模拟装置的多个弹簧元件和多个粘滞性元件的参数；

步骤四，根据选定的弹簧元件与粘滞性元件的参数，加工制作如上所述的模拟装置；

步骤五，在所述加载板与试样接触的一面涂抹黄油，或采取其他降低摩擦力的措施；

步骤六，将本发明装置置于试样与三轴试验机加载压头之间，并对中；

步骤七，由三轴试验机提供压力，加载压头压缩所述加载件；

步骤八，将三轴试验机各方向上的压力提升至待模拟的地应力水平，记录试验过程中油缸所提供的压力，以及弹簧元件的压缩量；

步骤九，采用声发射和高速摄像机等监测设备记录预制隧洞围岩发生的破坏现象；

步骤十，根据试验设计，调整弹簧元件和粘滞性元件参数，重复步骤四至步骤九的工作；

步骤十一，分析监测数据，找出弹性能蓄积与释放速率对预制隧洞岩爆的影响规律。

本发明提供的所述模拟装置，设计比较简洁，包括加载板、弹簧元件、加载件和粘滞性元件。使用过程中，将本发明所设计的装置置于液压缸活塞杆与岩样之间，加载板未设置弹簧元件的一面与正立方体岩样的一个面接触，加载件与液压缸活塞杆接触，活塞杆向加载件施加压力后，加载件将压缩弹簧元件和粘滞性元件，并通过弹簧元件将压力传递给加载板，加载板再将压力传递给岩样，从而实现对岩样的加载，并将弹性能蓄积在弹簧元件中。需要注意的是，弹簧元件和粘滞性元件的数目和布置方式并不是唯一的，可以根据实际需要调整弹簧元件与粘滞性元件的数目。假设加载板中置入了N个弹簧，每个弹簧的刚度均为K₀，则N个弹簧并联所形成的总体刚度K为N K₀，总体刚度可通过调整弹簧数目或单个弹簧的刚度来调节。

粘滞性元件的耗能原理为：F＝CV^a，式中F为阻尼力(kN)，C为阻尼系数(kN/(mm/s)，V为加载板运动速度(mm/s)，a为速度指数，根据试验要求进行设计选定，一般在0.01～1之间取值，当a＝1时，则为线性阻尼。弹性能释放量级和释放速度可通过粘滞性元件的参数和数量进行调整。如需模拟弹性能瞬间释放，则可将所有的粘滞性元件替换成弹簧。通过调节弹簧元件以及粘滞性元件的数目和弹簧元件的刚度，来模拟不同的弹性势能蓄积和释放情形。

本发明提供的所述模拟装置，加设了粘滞性元件，因此，岩样在蓄积一定弹性势能发生岩爆时，不会瞬间蓄积和释放，而会缓慢蓄积和释放，能够有效的模拟不同的弹性势能蓄积以及在不同释放速度下的岩爆情况。本发明通过对加载板进行改造，将弹性能蓄积在加载板中，并通过并联摩擦(或粘滞性)元件的方式调节弹性能的释放速度，可在不改变物理模拟设备加载系统和受力框架的基础上，实现不同蓄能边界的物理模拟。相比于现有技术，该方法原理清晰，设计简易，制作经济，可根据需要任意调整蓄能边界，模拟现场岩爆发生时的弹性能蓄积与释放情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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方式，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。

图1为本发明实施例提供的模拟装置的结构示意图；

图2为图1所示的模拟装置的A向剖视图；

图3为粘滞性元件实施例的示意图；

图4为在三轴加载条件下，垂直于立方体岩样某个加载面的剖面图。

图标：1-加载板；2-加载件；3-弹簧元件；4-粘滞性元件；5-阻尼筒；6-活塞；7-侧板；8-岩样。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

模拟装置实施例一

如图1-4所示，在本实施例中提供了一种模拟装置，所述模拟装置包括加载板1、加载件2、多个弹簧元件3和多个粘滞性元件4；

多个所述弹簧元件3和多个所述粘滞性元件4均匀的分布于所述加载板1和所述加载件2之间；

所述粘滞性元件4用于提供阻尼；

多个所述弹簧元件3和多个所述粘滞性元件4的伸缩方向均垂直于所述加载板1。

本发明提供的所述模拟装置，设计比较简洁，包括加载板1、弹簧元件3、加载件2和粘滞性元件4。使用过程中，将本发明所设计的装置置于液压缸活塞杆与岩样8之间，加载板1未设置弹簧元件3的一面与正立方体岩样8的一个面接触，加载件2与液压缸活塞杆接触，活塞杆向加载件2施加压力后，加载件2将压缩弹簧元件3和粘滞性元件4，并通过弹簧元件3将压力传递给加载板1，加载板1再将压力传递给岩样8，从而实现对岩样8的加载，并将弹性能蓄积在弹簧元件3中。需要注意的是，弹簧元件3和粘滞性元件4的数目和布置方式并不是唯一的，可以根据实际需要调整弹簧元件3与粘滞性元件4的数目。假设加载板1中置入了N个弹簧，每个弹簧的刚度均为K₀，则N个弹簧并联所形成的总体刚度K为N K₀，总体刚度可通过调整弹簧数目或单个弹簧的刚度来调节。

粘滞性元件4的耗能原理为：F＝CV^a，式中F为阻尼力(kN)，C为阻尼系数(kN/(mm/s)，V为加载板1运动速度(mm/s)，a为速度指数，根据试验要求进行设计选定，一般在0.01～1之间取值，当a＝1时，则为线性阻尼。弹性能释放量级和释放速度可通过粘滞性元件4的参数和数量进行调整。如需模拟弹性能瞬间释放，则可将所有的粘滞性元件4替换成弹簧。

本发明提供的所述模拟装置，加设了粘滞性元件4，因此，岩样8在蓄积一定弹性势能发生岩爆时，不会瞬间释放，而会缓慢释放，能够有效的模拟不同的弹性势能以及在不同释放速度下的岩爆情况。本发明通过对加载板1进行改造，将弹性能蓄积在加载板1中，并通过并联摩擦(或粘滞性)元件的方式调节弹性能的释放速度，可在不改变物理模拟设备加载系统和受力框架的基础上，实现不同蓄能边界的物理模拟。相比于现有技术，该方法原理清晰，设计简易，制作经济，可根据需要任意调整蓄能边界，模拟现场岩爆发生时的弹性能蓄积与释放情况。

如图1-4，本实施例的可选方案中，所述粘滞性元件4包括阻尼筒5和活塞6；

所述阻尼筒5内装填有阻尼剂；

所述阻尼筒5的底部与所述加载板1固接；

所述活塞6插装在所述阻尼筒5内，活塞6杆与所述加载件2固接。

通过阻尼剂，提供一定的阻力，阻尼剂的选择，可以根据需要选择不同的类型，从而调节弹性势能不同的释放速度。

进一步的，所述阻尼筒5为圆筒，相应的所述活塞6的活塞6头为圆板状。

圆筒状的阻尼筒5便于加工，形状较为规则，也便于计算阻尼提供的阻力，为后期数据性的分析提供方便。

除了上述形式的粘滞性元件外，也可以采取其余方式的粘滞性元件，例如弹簧阻尼器，液压阻尼器，脉冲阻尼器，旋转阻尼器，风阻尼器，粘滞阻尼器等等，并不唯一限定，均在本申请的保护范围内。

如图1，本实施例的可选方案中，所述加载件2为与所述加载板1平行的平板。

装置设置为平板，便于加工，便于垂直施加压力，从而保证弹簧元件3的竖直压缩。

进一步的，所述加载板1和所述加载件2均为方形板。

方形板形状规则，便于加工，也便于计算，为后期的数据性分析提供方便。

进一步的，所述加载件2的周围设置有侧板7，所述侧板7与所述加载板1的周侧抵接。

由于加载板1与岩样8之间必然存在摩擦力，因此，加载板1必须始终在加载件2的限定范围内运动。通过设置周侧的侧板7，加载板1只能向下运动，不会发生片转。同样，弹簧也不会发生偏转。

如图2，本实施例的可选方案中，包括5个所述弹簧元件3和4个所述粘滞性元件4，5个所述弹簧元件3和4个所述粘滞性元件4呈阵列排布，且均匀分布。

图2展示了本发明所涉及的装置中弹簧与粘滞性元件4的一种布置方式，需要注意的是，这种布置方式并不是唯一的，可以根据实际需要调整弹簧元件3与粘滞性元件4的数目，总体刚度可通过调整弹簧数目或单个弹簧的刚度来调节。本发明中的弹簧与粘滞性元件4的布置方式可根据实际需要调整，图2展示的是3*3的布局，也可以采用4*4、5*5、6*6等方式布局，这些布局方式都是本发明布局方式的替代方案。弹簧元件3与粘滞性元件4应均匀分布在加载板1上，参数调整也应遵循均匀分布原则，只要遵循均匀分布原则的方案，均可视为本发明替代方案。

本实施例的可选方案中，所述弹簧元件3的两端与所述加载板1以及所述加载件2均可拆卸连接。

所述弹簧元件3与所述加载板1以及所述加载件2可拆卸连接，就可根据实际需要更换不同刚度或者不同数量的弹簧。

优选的，所述粘滞性元件4的两端也与所述加载板1以及所述加载件2均可拆卸连接，以便调整粘滞性元件4的数目。其实施方式可以为，阻尼筒5以及活塞6杆的外侧均设置外螺纹，分别与加载件2和加载板1螺接。

进一步的，所述加载件2和所述加载板1上均设置有插槽，所述弹簧元件3的两端插装在所述插槽中。

插槽可以为螺旋槽，弹簧的两端拧入螺旋槽中。插接的方式简单方便，便于更换。

模拟近场围岩弹性能蓄积与释放的方法实施例

该实施例提供了一种模拟近场围岩弹性能蓄积与释放的方法，所述模拟近场围岩弹性能蓄积与释放的方法包括：

步骤一，制备试验用的岩石样品，或模型试验样品，可根据试验需要，预制隧洞，或在加载过程中进行开挖模拟；

步骤二，根据所需模拟的围岩地应力大小和岩样8的力学特性，设计围岩弹性能蓄积与释放试验计划；

步骤三，根据试验设计，调整如上所述的模拟装置的多个弹簧元件3和多个粘滞性元件4的参数；

步骤四，根据选定的弹簧元件3与粘滞性元件4的参数，加工制作模拟装置；

步骤五，在所述加载板1与试样接触的一面涂抹黄油，或采取其他降低摩擦力的措施；

步骤六，将本发明装置置于试样与三轴试验机加载压头之间，并对中；

步骤七，由三轴试验机提供压力，加载压头压缩所述加载件2；弹簧元件3和粘滞性元件4受到压缩，蓄积弹性能，并将力传递给加载板1，加载板1再将试验机所提供的压力传递给试样；如图3，图3展示的是三轴加载条件下，垂直于立方体岩样8某个加载面的剖面图，岩样8中间可开挖模拟隧洞，研究弹性能蓄积与释放对隧洞稳定性的影响。

步骤八，将三轴试验机各方向上的压力提升至待模拟的地应力水平，记录试验过程中油缸所提供的压力，以及弹簧元件3的压缩量；

步骤九，采用声发射和高速摄像机等监测设备记录预制隧洞围岩发生的破坏现象；

步骤十，根据试验设计，调整弹簧元件3和粘滞性元件4参数，重复步骤四至步骤九的工作；

步骤十一，分析监测数据，找出弹性能蓄积与释放速率对预制隧洞岩爆的影响规律。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。