一种气压卸载模拟岩石地下开挖的试验系统及方法与流程

本发明属于岩石地下开挖模拟试验领域，涉及一种岩石开挖模拟试验系统，尤其涉及一种气压卸载模拟岩石地下开挖的试验系统及方法。

背景技术：

目前我国大量的基础设施建设涉及到岩石地下开挖工程，如城市地铁、公路隧道、铁路隧道及水电项目等等，岩石地下开挖会改变围岩原始受力状态，围岩稳定性也会受到影响，部分项目中甚至因此造成了人员伤亡。正确的开挖方式和有效的防护措施有助于减小围岩失稳造成的破坏，岩石开挖过程本质上是一个卸载过程，准确的掌握岩石卸载过程中的力学响应是进行合理设计和施工的基础。

岩石卸载过程中的力学响应具有高度的非线性，目前对其认识仍不够明晰。实际工程中在开挖前布设试验设备较为困难，采用室内模型试验来模拟地下洞室开挖，通过对其结果进行分析来研究岩石卸载过程中的力学响应是一条可行之路。

室内实验应当能够对工程原型进行较为合理的模拟。目前常用的相关室内试验大多是通过对地下洞室模型外部边界加载来模拟开挖，由于岩石在加载与卸载条件下有不同的力学响应，因此通过加载实验获取的实验结果是否实用值得商榷；部分试验采用了卸载方式模拟开挖，但是受实验手段的影响，模型卸载断面通常为平面，与实际地下洞室断面差异较大，工程实践与理论计算均表明围岩应力重分布受开挖断面形状影响显著，上述卸载实验的结果与实际应用仍有较大的距离。因此有必要探索模拟地下洞室开挖的新方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种气压卸载模拟岩石地下开挖的试验系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种气压卸载模拟岩石地下开挖的试验系统，包括底部平台和用于对试样进行施加内、外部压力的加载系统；所述加载系统共有四个，是x、y、z轴方向的三个外部加载系统(模拟岩石所受的地应力)和一个内部加载卸载系统(模拟地下开挖作用)；y轴方向为竖直方向，x轴和z轴为相互垂直的水平方向；其中，

x轴方向外部加载系统包括两块平行的竖直反力墙，其下端固定在底部平台上；在其中一侧反力墙上设置加载液压缸，加载液压缸的活塞水平布置且端部设测力传感器和加载板，在另一侧反力墙上贯设螺旋调节丝杠，螺旋调节丝杠的一端安装丝杠调节手轮，另一端设加载板；两块加载板垂直于水平面且相互平行，用于夹持试样；

z轴方向外部加载系统包括与x轴方向外部加载系统具有相同部件和相同连接关系；

y轴方向外部加载系统包括一块水平的反力横板，通过四根立柱固定在底部平台上；在底部平台上设置加载液压缸，加载液压缸的活塞竖直布置且端部设测力传感器和加载板，在反力横板上贯设螺旋调节丝杠，螺旋调节丝杠的一端安装丝杠调节手轮，另一端设加载板；两块加载板均保持水平，用于夹持试样；

内部加载卸载系统包括充气后呈圆柱形的薄膜气囊，薄膜气囊通过输气管连接空压机；所述x、y或z轴方向的任意一个螺旋调节丝杠具有中空管状结构，输气管贯穿装在该螺旋调节丝杠中；薄膜气囊未充气时能塞入试样空腔中，充气后即充满试样空腔以施加内部载荷；

各外部加载系统中的测力传感器分别通过信号线接至计算机。

本发明中，所述内部加载卸载系统的输气管上设有气压表和调节阀。

本发明中，各加载液压缸、空压机分别通过信号线与各自独立的加载控制系统相连(用于实现加载的独立精确控制)。

本发明中，在x轴方向外部加载系统的两块竖直反力墙的上侧之间，设置两根相互平行的拉杆用于固定。

本发明中，在x、y轴方向的外部加载系统中，均有一块加载板安装了声发射传感器，并分别通过信号线接至计算机。

本发明进一步提供了利用前述系统实现一种气压卸载模拟岩石地下开挖的试验方法，包括以下步骤：

(1)试样准备

将岩石试样加工成正方体，从某个表面开挖使试样的中心呈圆柱形空腔；空腔的尺寸控制为试样尺寸的1/3～1/2；

(2)安装试样

将制好的岩石试样放在y轴方向外部加载系统中的下侧加载板上，将未充气的薄膜气囊塞入试样的空腔内，输气管穿过中空的螺旋调节丝杠后与空压机相连；调节三个方向的丝杠调节手轮，使各加载板均紧贴试样表面；

(3)加载

通过加载控制系统分别控制三个方向的外部加载系统，分级逐步加载，每级加载量为最终荷载的10％；当外部加载量至预设荷载时，控制空压机对薄膜气囊充气，使得气压表读数维持在预定的荷载值处；然后继续对试样进行三个方向的外部加载，直至预定的荷载值；

在加载过程中，维持外部加载系统使试样在各级荷载系统下稳定60s后，通过安装在x轴和y轴方向的两个声发射传感器检测各级荷载下的x、y轴两个方向位移变化，直至所有荷载加载完毕且试样保持稳定，并将检测数据传送至计算机；

(4)卸载

在达到预定的荷载值且试样保持稳定后，维持三个方向的外部荷载不变，释放(迅速释放或逐级释放)试样内部薄膜气囊中的气体，使试样空腔的荷载(迅速或逐步)降为零以模拟地下洞室开挖；记录该过程中声发射传感器的数据，观察试样损坏情况，从而完成气压卸载模拟地下岩石开挖的试验。

本发明的原理是：

根据弹性力学原理，首先保持模型内部气压与模型外部荷载基本相同，模拟地下洞室初始受力状态；维持外部荷载不变，将气压降低至零，模拟开挖卸载过程。释放气压的速度可以根据实际工程开挖进度调节，用来模拟施工速度对围岩稳定的影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用气压加载与卸载方式，可以模拟任意断面形状的开挖；

2、采用气压卸载方式，可以实现瞬时卸载或逐步分级卸载，更为真实的模拟不同施工方法的实际开挖过程；

3、通过调整模型材料参数与荷载大小能够模拟浅埋隧道的围岩塌方，也能模拟深埋隧道高地应力条件下的岩爆。

附图说明

图1为本发明系统的前视示意图(未显示内部加载设备和z轴方向加载设备)；

图2为本发明系统的侧视示意图(未显示内部加载设备，x轴方向加载设备只显示了拉杆)；

图3为本发明系统的俯视示意图(未显示内部加载设备，y轴方向加载设备只显示了立柱)；

图4为本发明系统内部加载系统示意图。

图中的附图标记为：

000试样；900底部平台；

x轴方向：11加载板；12测力传感器；13螺旋调节丝杠；14丝杠调节手轮；15竖直反力墙；16活塞；17加载液压缸；18拉杆；19声发射传感器；

y轴方向：21加载板；22测力传感器；23螺旋调节丝杠；24丝杠调节手轮；25反力横板；26活塞；27加载液压缸；28立柱；29声发射传感器；

z轴方向：31加载板；32测力传感器；33螺旋调节丝杠；34丝杠调节手轮；35竖直反力墙；36活塞；37加载液压缸；

41圆柱形薄膜气囊；42输气管；43气压表；44调节阀；45空压机。

具体实施方式

下面结合附图与具体操作方式，对本发明作进一步的详细描述：

如图2所示的气压卸载模拟岩石地下开挖的试验系统，包括底部平台900、x轴方向外部加载系统、y轴方向外部加载系统、z轴方向外部加载系统、内部加载卸载系统、以及加载控制系统，其中，所述y轴方向为竖直方向，x轴和z轴为相互垂直的水平方向；

所述x轴方向外部加载系统包括两块垂直于水平面且相互平行的加载板11、测力传感器12、螺旋调节丝杠13、丝杠调节手轮14、两块平行竖直反力墙15、加载液压系统及两根固定拉杆18；所述加载液压系统包括活塞16和加载液压缸17，并与加载控制系统相连，实现加载的精确控制；

所述平行竖直反力墙15一端分别与底部平台900相连，另一端通过两根固定拉杆18相连；加载液压缸17嵌在一侧竖直反力墙15内，并依次与活塞16、测力传感器17及加载板12相连；螺旋调节丝杠13与丝杠调节手轮14相连，并穿过另一侧竖直反力墙15的螺纹通孔，与另一块加载板12相连；

所述y轴方向外部加载系统包括两块平行于水平面且相互平行的加载板21、测力传感器22、螺旋调节丝杠23、丝杠调节手轮24、反力系统及加载液压系统；所述加载液压系统包括活塞26和加载液压缸27，并与加载控制系统相连，实现加载的精确控制；

所述反力系统包括反力横板25和四根立柱28；反力横板28设有螺纹通孔且与底部平台900平行，并通过四根立柱28与底部平台900相连；螺旋调节丝杠23与丝杠调节手轮24相连，并穿过反力横板25的螺纹通孔与加载板21相连；加载液压缸27嵌在底部平台900内，并依次与活塞26、测力传感器22及另一块加载板21相连；

如图2和3所示，所述z轴方向外部加载系统包括两块垂直于水平面且相互平行的加载板31、测力传感器32、螺旋调节丝杠33、丝杠调节手轮34、两块平行竖直反力墙35及加载液压系统；所述加载液压系统包括活塞36和加载液压缸37，并与加载控制系统相连，实现加载的精确控制；

所述平行竖直反力墙35底部分别与底部平台900相连；加载液压缸37嵌在一侧竖直反力墙35内，并依次与活塞36、测力传感器32及加载板31相连；螺旋调节丝杠33与丝杠调节手轮34相连，并穿过另一侧竖直反力墙35的螺纹通孔，与另一块加载板31相连；

如图4所示，所述内部加载卸载系统包括薄膜气囊41、输气管42、气压表43、调压阀44、空压机45；所述薄膜气囊41通过输气管42与空压机45相连，输气管42中间安装气压表43和调节阀44。可选择x、y或z轴方向的任意一个螺旋调节丝杠具有中空管状结构，输气管42贯穿装在该螺旋调节丝杠中；薄膜气囊41未充气时能塞入试样空腔中，充气后即充满试样空腔以施加载荷.

本发明中的气压卸载模拟岩石地下开挖的试验步骤如下所述：

(1)试样准备

将岩石体试样000加工成正方体，从某个表面开挖使试样000的中心呈圆柱形空腔；空腔的尺寸控制为试样尺寸的1/3～1/2；

(2)安装试样

将制好的试样000放在y轴方向外部加载系统中的下侧加载板21上，将未充气的薄膜气囊41塞入试样空腔内，输气管42穿过中空的螺旋调节丝杠后与空压机45相连；调节三个方向的丝杠调节手轮14、24、34，使各加载板11、21、31均紧贴试样000的表面；

(3)加载

通过加载控制系统分别控制三个方向的外部加载系统，分级逐步加载，每级加载量为最终荷载的10％；当外部加载量至每级设定荷载时，控制空压机45对薄膜气囊41充气，使得气压表43读数维持在预定的荷载值处；然后继续对试样000进行三个方向的外部加载，直至预定的荷载值；

在加载过程中，维持外部加载系统使试样000在各级荷载系统下稳定60s后，通过安装在x轴和y轴方向的两个声发射传感器19、29检测各级荷载下的x、y轴两个方向位移变化，直至所有荷载加载完毕且试样000保持稳定，并将检测数据传送至计算机；

(4)卸载

在达到预定的荷载值且试样保持稳定后，维持三个方向的外部荷载不变，迅速释放或分级释放试样内部薄膜气囊41中的气体，使试样空腔的荷载降为零以模拟地下洞室开挖；记录该过程中声发射传感器19、29的数据，观察试样损坏情况，从而完成气压卸载模拟地下岩石开挖的试验。

作为一种示例，本发明中的气压卸载模拟岩石地下开挖的试验步骤如下所述：

第一步安装试样：

将制好的岩石体试样000放在加载板21上，通过调节x轴方向手轮14，使x轴方向加载板11与试样000紧密接触，两块加载板11紧贴试样000表面；调节y轴方向手轮24，使y轴方向加载板21与试样000紧密接触，两块加载板21同样紧贴试样000表面。将薄膜气囊41放在试样000内挖空位置，输气管42穿过z轴方向的螺旋调节丝杠33与外侧的空压机45相连，调节z轴方向手轮34，使z轴方向加载板31与试样000紧密接触，两块加载板31紧贴试样000表面；

第二步加载：

通过加载控制系统分别独立控制x、y、z轴三个方向的加载和内部加载卸载系统的加载；加载过程为分级逐步加载，每级加载量为最终荷载的10％；通过空压机45对薄膜气囊41进行充气，使得气压表43维持在预定的荷载值处；分别通过x、y、z轴方向的加载液压系统对试样三个方向加载至预定的荷载值；维持系统在各级荷载系统下稳定60s，通过x轴方向声发射传感器19和y轴方向声发射传感器29记录各级荷载下的x、y轴两个方向位移变化；逐级将加载，直至所有荷载加载完毕，且试样保持稳定；

第三步卸载：

达到要求荷载后，维持外部x、y、z轴三个方向荷载不变，迅速释放试样000内部薄膜气囊41的气体将试样开挖处荷载快速降为零，模拟地下洞室开挖；记录声发射传感器数据，观察试样损坏情况，完成一次岩石体开挖的室内试验模拟。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。