地下工程主动支护体系动静组合试验系统及方法与流程

1.本发明涉及岩石力学技术领域，特别涉及一种地下工程主动支护体系动静组合试验系统及方法。


背景技术：

2.深部地下工程在建设过程中面临高应力和强扰动等复杂条件，深部围岩在静载高应力的作用下积聚大量弹性能，围岩开挖卸荷导致的应力集中与动力扰动的影响，易导致积聚的弹性能瞬时释放，发生冲击地压和岩爆等动力灾害，严重威胁施工人员的安全。
3.深部地下工程主要采用锚杆和锚网等锚固支护结构来控制围岩大变形，与围岩组成锚固联合体共同承担围岩载荷，抵抗动力冲击时的能量。锚固联合体在围岩开挖应力集中效应下处于高静载状态，同时受到强烈的动载作用，故研究锚固支护下岩体动静耦合的力学性能，能指导深部围岩的安全稳定控制，而现有的试验系统主要针对单一锚固构件的动力性能进行研究，缺少模拟现场围岩在锚固支护下动静载荷作用下的综合力学性能研究。
4.有鉴于此，亟需一种地下工程主动支护体系动静组合试验系统及方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种地下工程主动支护体系动静组合试验系统及方法，用以研究锚固支护下岩体动静耦合的力学性能，指导深部围岩的安全稳定控制。
6.本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：本发明提供一种地下工程主动支护体系动静组合试验系统，包括：锚网；锚固支护结构；试件下端静力加载装置；试件前端静力加载装置，位于试件下端静力加载装置的前侧；试件左端静力加载装置，位于试件下端静力加载装置的左侧；试件右端静力加载装置，位于试件下端静力加载装置的右侧；试件上端静力加载装置，位于试件下端静力加载装置的上侧；试件动力冲击装置，其中，在当试件下端静力加载装置、试件前端静力加载装置、试件左端静力加载装置、试件右端静力加载装置和试件上端静力加载装置将置于试件下端静力加载装置的试件加载至地应力水平后，后撤试件前端静力加载装置，并在试件的表面覆盖有锚网，且在试件的表面穿设有锚固支护结构的状态下，试件动力冲击装置配置成向试件的表面施加动载荷；动态数据采集装置，配置成采集锚固支护结构的应力、锚固支护结构的应变、试件动力冲击装置的冲击力、试件动力冲击装置的冲击速度和试件的位移；散斑监控装置，配置成监测试件的变形和锚网的变形。
7.在本发明的实施方式中，试件动力冲击装置位于试件下端静力加载装置的上方，试件上端静力加载装置包括直线运动结构，直线运动结构具有直线运动部，直线运动部向上延伸设置，直线运动部的下端设有一加载部，上端静力加载装置通过加载部对试件的上端加载，试件动力冲击装置可上下滑动地套设于直线运动部，其中，当试件动力冲击装置向下运动并抵持于加载部的上表面时，试件动力冲击装置配置成通过加载部向试件的上端施加动载荷，以实现动静载荷耦合。
8.在本发明的实施方式中，试件动力冲击装置包括：导向杆，向上延伸设置；弹性部件限位部，设置于导向杆的上部；落锤，可上下滑动地套设于导向杆和直线运动部；弹性部件，夹设于弹性部件限位部和落锤之间，配置成提升落锤向下运动的速度；其中，当落锤向下运动并抵持于加载部的上表面时，落锤配置成通过加载部向试件的上端施加动载荷，以实现动静载荷耦合。
9.在本发明的实施方式中，还包括试件均匀受力部和试件均匀受力配合部，其中，试件均匀受力部凹设于加载部的下端，试件均匀受力配合部设置于试件的上端，并覆盖试件的上端，试件均匀受力配合部的上端对应于试件均匀受力部的位置设有凸起，凸起的形状与试件均匀受力部的形状相匹配；或者，试件均匀受力部凸设于加载部的下端，试件均匀受力配合部设置于试件的上端，并覆盖试件的上端，试件均匀受力配合部的上端对应于试件均匀受力部的位置设有凹槽，凹槽的形状与试件均匀受力部的形状相匹配。
10.在本发明的实施方式中，还包括锚网固定装置，前侧具有试件伸入孔，锚网固定装置通过试件伸入孔套设于试件的前部，锚网罩设于试件伸入孔并与试件的前端相抵；锚网固定装置包括相叠设的第一方形紧固框和第二方形紧固框，锚网夹持于第一方形紧固框和第二方形紧固框之间。
11.在本发明的实施方式中，还包括试件后端挡板，设置于试件的后端，并与试件下端静力加载装置相接。
12.在本发明的实施方式中，还包括透明防护罩，位于试件和散斑监控装置之间，并覆盖于试件的前端。
13.在本发明的实施方式中，还包括锚网加固托盘，锚固支护结构为锚杆，锚杆穿设于锚网加固托盘的中间位置，在锚固支护结构穿设于试件的前端的状态下，锚网加固托盘与试件的前端相贴合，以夹持锚网。
14.本发明还提供一种地下工程主动支护体系动静组合试验方法，地下工程主动支护体系动静组合试验方法采用上述的地下工程主动支护体系动静组合试验系统，地下工程主动支护体系动静组合试验方法包括以下步骤：将试件置于试件下端静力加载装置，并将试件后端挡板设置于试件的后端，且试件后端挡板与试件下端静力加载装置相接；通过试件下端静力加载装置、试件前端静力加载装置、试件左端静力加载装置、试件右端静力加载装置和试件上端静力加载装置分别对试件的对应表面加载至地应力水平；后撤试件前端静力加载装置，并将锚网固定装置通过试件伸入孔套设于试件的前部，使锚网与试件的前端相抵；
将锚杆穿设于试件的前端，并通过与锚杆相连的锚网加固托盘与试件的前端相贴合，以夹持锚网；通过试件动力冲击装置向试件的表面施加动载荷；在施加动载荷后，通过动态数据采集装置采集锚固支护结构的应力、锚固支护结构的应变、试件动力冲击装置的冲击力、试件动力冲击装置的冲击速度和试件的位移，通过散斑监控装置监测试件的变形和锚网的变形；根据试件吸收的能量，建立动静组合力学性能评价指标α，并对试件在三轴动静组合作用下的综合力学性能进行评价。
15.在本发明的实施方式中，通过下式计算试件吸收的能量e
t
：e
t
=e1+e2e1=(σ1+σ2+σ3)/2ee2=(mv
1-mv2)/2e1表示试件本身储存的弹性能，σ1、σ2、σ3分别为试件所受的三向应力，e为试件的弹性模量，e2表示试件动力冲击装置的动能变化量，表征试件所吸收的动力冲击能量，m表示试件动力冲击装置的质量；v1表示试件动力冲击装置作用到试件上的速度；v2表示试件动力冲击装置作用到试件后反弹的速度；动静组合力学性能评价指标α：α=e
t
/(v
×
n)v表示试件的体积，n表示试件上锚杆的数量本发明的地下工程主动支护体系动静组合试验系统及方法的特点及优点是：在当试件下端静力加载装置、试件前端静力加载装置、试件左端静力加载装置、试件右端静力加载装置和试件上端静力加载装置将置于试件下端静力加载装置的试件加载至地应力水平后，后撤试件前端静力加载装置，并在试件的表面覆盖有锚网，且在试件的表面穿设有锚固支护结构的状态下，试件动力冲击装置配置成向试件的表面施加动载荷，由此，可模拟现场围岩在锚固支护下动静载荷作用，并且，通过动态数据采集装置和散斑监控装置进行对应监测，可实现模拟现场围岩在锚固支护下动静载荷作用下的综合力学性能研究，指导深部围岩的安全稳定控制。
附图说明
16.通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
17.图1为本发明的地下工程主动支护体系动静组合试验系统的前视示意图。
18.图2为本发明的地下工程主动支护体系动静组合试验系统的侧视示意图。
19.图3为图2中a部放大图。
20.图4为本发明的试件的前端的示意图。
21.图5为本发明的试件的后端的示意图。
22.图6为本发明的第一方形紧固框的前视示意图。
23.图7为本发明的锚网固定装置的侧视示意图。
24.图8为本发明的地下工程主动支护体系动静组合试验方法的原理图。
25.附图标记与说明：1、锚网；2、锚固支护结构；3、试件下端静力加载装置；4、试件前端静力加载装置；5、试件左端静力加载装置；6、试件右端静力加载装置；7、试件上端静力加载装置；71、直线运动结构；711、直线运动部；712、加载部；8、试件动力冲击装置；81、导向杆；82、弹性部件限位部；83、落锤；84、弹性部件；9、试件；10、动态数据采集装置；11、散斑监控装置；12、试件均匀受力部；13、试件均匀受力配合部；131、凸起；14、锚网固定装置；141、试件伸入孔；142、第一方形紧固框；143、第二方形紧固框；15、试件后端挡板；16、锚网加固托盘；17、动态位移传感器；18、动态应变传感器；19、动态力传感器；20、支撑肋板。
具体实施方式
26.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
27.用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
28.实施方式一如图1至图8所示，本发明提供一种地下工程主动支护体系动静组合试验系统包括锚网1、锚固支护结构2、试件下端静力加载装置3、试件前端静力加载装置4、试件左端静力加载装置5、试件右端静力加载装置6、试件上端静力加载装置7、试件动力冲击装置8、动态数据采集装置10（或可称高精度超动态监测系统）和散斑监控装置11（或可称三维数字散斑应变测量分析系统），试件前端静力加载装置4位于试件下端静力加载装置3的前侧；试件左端静力加载装置5位于试件下端静力加载装置3的左侧；试件右端静力加载装置6位于试件下端静力加载装置3的右侧；试件上端静力加载装置7位于试件下端静力加载装置3的上侧；试件动力冲击装置8，其中，在当试件下端静力加载装置3、试件前端静力加载装置4、试件左端静力加载装置5、试件右端静力加载装置6和试件上端静力加载装置7将置于试件下端静力加载装置3的试件9加载至地应力水平后，后撤试件前端静力加载装置4，并在试件9的表面覆盖有锚网1，且在试件9的表面穿设有锚固支护结构2的状态下，试件动力冲击装置8配置成向试件9的表面施加动载荷；动态数据采集装置10，配置成采集锚固支护结构2的应力、锚固支护结构2的应变、试件动力冲击装置8的冲击力、试件动力冲击装置8的冲击速度和试件9的位移；散斑监控装置11配置成监测试件9的变形和锚网1的变形。
29.在当试件下端静力加载装置3、试件前端静力加载装置4、试件左端静力加载装置5、试件右端静力加载装置6和试件上端静力加载装置7将置于试件下端静力加载装置3的试件9加载至地应力水平后，后撤试件前端静力加载装置4，并在试件9的表面覆盖有锚网1，且在试件9的表面穿设有锚固支护结构2的状态下，试件动力冲击装置8配置成向试件9的表面施加动载荷，由此，可模拟现场围岩在锚固支护下动静载荷作用，模拟现场岩体受力，并且，通过动态数据采集装置10和散斑监控装置11进行对应监测，可实现模拟现场围岩在锚固支护下动静载荷作用下的综合力学性能研究，指导深部围岩的安全稳定控制。
30.具体地，试件9可由现场岩体或相似材料制造而成，并可根据锚固支护结构2（锚杆或锚索）的数量在试件9的表面（例如试件9的前端）进行钻孔，方便锚固支护结构2穿设，同时，可采用张拉机具对锚固支护结构2施加预紧力。试件前端静力加载装置4、试件左端静力加载装置5和试件右端静力加载装置6可均为相连的油缸和加载板，通过加载板对试件9的表面进行静力加载，并可根据试件9的尺寸调整油缸和加载板的数量，多个油缸和多个加载板可组合安装成一个整体。
31.在一些实施方式中，可在试件9的表面包裹有减摩板，可降低试件9分别与试件前端静力加载装置4、试件左端静力加载装置5、试件右端静力加载装置6和试件上端静力加载装置7之间的摩擦力，进一步地，减摩板可由云母片制成。
32.在一些实施方式中，地下工程主动支护体系动静组合试验系统还可包括主体框架，主体框架上沿前至后的方向开设有滑槽，试件前端静力加载装置4与滑槽可滑动地连接，由此，可方便后撤试件前端静力加载装置4，模拟地下工程现场开挖后单面临空的状态。
33.在一些实施方式中，如图8所示，地下工程主动支护体系动静组合试验系统还可包括动态位移传感器17、动态应变传感器18和动态力传感器19，动态位移传感器17设置于主体框架的上端以监测试件动力冲击装置8的冲击速度和试件9的竖向位移；动态应变传感器18设置于锚固支护结构2的中部以监测锚固支护结构2在动静耦合作用下的应变，具体地，锚固支护结构2的中部开设有安装槽，可便于安装动态应变传感器18，在该安装槽处可添加弹性树脂，动态应变传感器18的表面可套设有柔性橡胶防护套，可保护动态应变传感器18；动态力传感器19可分别设置于锚固支护结构2的端部和试件动力冲击装置8的表面以监测锚固支护结构2的应力和试件动力冲击装置8的冲击力；动态数据采集装置10可连接动态应变传感器18、动态力传感器19和动态位移传感器17以采集对应数据。
34.在一些实施方式中，如图8所示，散斑监控装置11的散斑点可同时布置于锚网1和试件9的前端，监测试件9的前端与锚网1的动态变形。
35.具体地，如图1、图6和图7所示，地下工程主动支护体系动静组合试验系统还可包括锚网固定装置14，前侧具有试件伸入孔141，锚网固定装置14通过试件伸入孔141套设于试件9的前部，锚网1罩设于试件伸入孔141并与试件9的前端相抵，通过上述结构，可方便固定锚网1和试件9，在具体应用中，可先将锚网1罩设于试件伸入孔141，然后将锚网固定装置14套在试件9的前部，即可完成锚网1和试件9的固定。
36.更具体地，如图6和图7所示，锚网固定装置14可包括相叠设的第一方形紧固框142和第二方形紧固框143，锚网1夹持于第一方形紧固框142和第二方形紧固框143之间，通过上述结构设置，可将锚网1夹住，方便固定锚网1与锚网固定装置14。
37.在一些实施方式中，如图6和图7所示，第一方形紧固框142和第二方形紧固框143可通过螺栓等紧固件连接，从而夹紧锚网1。
38.进一步地，如图2所示，地下工程主动支护体系动静组合试验系统还可包括试件后端挡板15，设置于试件9的后端，并与试件下端静力加载装置3相接，在具体应用中，当试件前端静力加载装置4对试件9的前端进行加载时，试件后端挡板15可使试件9不易向后移动，也即，试件后端挡板15可起到限制试件9向后移动的作用。
39.在一些实施方式中，如图8所示，试件后端挡板15上布置支撑肋板20，可对试件后端挡板15进行加固。
40.在本发明的一个实施方式中，地下工程主动支护体系动静组合试验系统还可包括透明防护罩，位于试件9和散斑监控装置11之间，并覆盖于试件9的前端，在具体应用中，当试件动力冲击装置8向试件9的表面施加动载荷时，可减少试件9产生的碎岩发生飞溅，此外，透明防护罩还不会影响散斑监控装置11的监测。
41.在本实施方式中，如图1、图4、图5和图8所示，地下工程主动支护体系动静组合试验系统还可包括锚网加固托盘16，锚固支护结构2为锚杆，锚杆穿设于锚网加固托盘16的中间位置，在锚固支护结构2穿设于试件9的前端的状态下，锚网加固托盘16和试件9的前端相贴合，以夹持锚网1，通过上述结构设置，可通过锚杆和锚网加固托盘16的配合，更好的固定锚网1和试件9。
42.在一些实施方式中，可通过锚具（例如螺母）等套设于锚杆以卡紧锚网1，更好的固定锚网1和试件9。
43.在本发明的一个实施方式中，如图1和图2所示，试件动力冲击装置8位于试件下端静力加载装置3的上方，试件上端静力加载装置7包括直线运动结构71，该直线运动结构71可为一油缸，直线运动结构71具有直线运动部711（例如活塞杆），直线运动部711向上延伸设置，直线运动部711的下端设有一加载部712，试件上端静力加载装置7通过加载部712对试件9的上端加载，试件动力冲击装置8可上下滑动地套设于直线运动部711，其中，当试件动力冲击装置8向下运动并抵持于加载部712的上表面时，试件动力冲击装置8配置成通过加载部712向试件9的上端施加动载荷，以实现动静载荷耦合。
44.在具体应用中，当直线运动部711向下运动时，可带动加载部712对试件9的上端进行加载，对试件9的上端施加静载荷，并且，当试件动力冲击装置8向下运动时，可与试件动力冲击装置8下方的加载部712的相抵持，以通过加载部712向试件9的上端施加动载荷，以实现动静载荷耦合，也即，静力加载是仅通过试件上端静力加载装置7实现的，动力加载是在试件上端静力加载装置7和试件动力冲击装置8的共同作用下通过加载部712实现的。
45.具体地，如图1和图2所示，试件动力冲击装置8可包括导向杆81、弹性部件限位部82、落锤83和弹性部件84（例如弹簧），导向杆81向上延伸设置；弹性部件限位部82设置于导向杆81的上部；落锤83可上下滑动地套设于导向杆81和直线运动部711；弹性部件84夹设于弹性部件限位部82和落锤83之间，配置成提升落锤83向下运动的速度；其中，当落锤83向下运动并抵持于加载部712的上表面时，落锤83配置成通过加载部712向试件9的上端施加动载荷，以实现动静载荷耦合。
46.在具体应用中，如图1和图2所示，可利用弹性部件84的复位作用，释放弹性能，实现更高能量的动力冲击，提升落锤83向下运动的速度，增大向试件9的上端施加的动载荷。
47.进一步地，如图2和图3所示，地下工程主动支护体系动静组合试验系统还可包括试件均匀受力部12和试件均匀受力配合部13，其中，试件均匀受力部12凹设于加载部712的下端，试件均匀受力配合部13设置于试件9的上端，并覆盖试件9的上端，试件均匀受力配合部13的上端对应于试件均匀受力部12的位置设有凸起131，凸起131的形状与试件均匀受力部12的形状相匹配，例如，该凸起131可呈球状或正多面体结构；或者，试件均匀受力部12凸设于加载部712的下端，试件均匀受力配合部13设置于试件9的上端，并覆盖试件9的上端，试件均匀受力配合部13的上端对应于试件均匀受力部12的位置设有凹槽，凹槽的形状与试件均匀受力部12的形状相匹配，在具体应用中，由于试件9的表面并非总是平整的，通过上
述结构设置，可使试件9的上表面受力均匀。具体实施时，可先将试件均匀受力配合部13置于试件9的上端，然后将试件均匀受力部12与试件均匀受力配合部13的凹槽相对准，可实现试件9的上表面的均匀加载。
48.在一些实施方式中，试件均匀受力部12可包括相连的试件均匀受力加载板和试件均匀受力球形加载头，试件均匀受力加载板的尺寸可根据试件9的大小进行调节，试件均匀受力加载板和试件均匀受力球形加载头可进行组合拼装，试件均匀受力配合部13的上端对应于试件均匀受力球形加载头的位置设有与试件均匀受力球形加载头的形状相匹配的弧形凹槽，试件均匀受力球形加载头可卡合于弧形凹槽中。
49.在一些实施方式中，均匀受力部还可由调平底座代替，同样可实现试件9的上表面的均匀加载。
50.综上，本发明通过研究动力灾害下锚固岩体的受力状态，得到锚固岩体动静载荷作用下的综合力学性能。
51.实施方式二如图1至图8所示，本发明还提供一种地下工程主动支护体系动静组合试验方法，地下工程主动支护体系动静组合试验方法采用实施方式一中的地下工程主动支护体系动静组合试验系统，地下工程主动支护体系动静组合试验方法包括以下步骤：将试件9置于试件下端静力加载装置3，并将试件后端挡板15设置于试件9的后端，且试件后端挡板15与试件下端静力加载装置3相接；通过试件下端静力加载装置3、试件前端静力加载装置4、试件左端静力加载装置5、试件右端静力加载装置6和试件上端静力加载装置7分别对试件9的对应表面加载至地应力水平；后撤试件前端静力加载装置4，并将锚网固定装置14通过试件伸入孔141套设于试件9的前部，使锚网1与试件9的前端相抵；将锚杆穿设于试件9的前端，并通过与锚杆相连的锚网加固托盘16与试件9的前端相贴合，以夹持锚网1；通过试件动力冲击装置8向试件9的表面施加动载荷；在施加动载荷后，通过动态数据采集装置10采集锚固支护结构2的应力、锚固支护结构2的应变、试件动力冲击装置8的冲击力、试件动力冲击装置8的冲击速度和试件9的位移，通过散斑监控装置11监测试件9的变形和锚网1的变形；根据试件9吸收的能量，建立动静组合力学性能评价指标α，并对试件9在三轴动静组合作用下的综合力学性能进行评价。
52.其中，地下工程主动支护体系动静组合试验系统的具体结构、工作原理以及有益效果与实施方式一相同，在此不再赘述。
53.具体地，通过下式计算试件9吸收的能量e
t
：e
t
=e1+e2e1=(σ1+σ2+σ3)/2ee2=(mv
1-mv2)/2e1表示试件9本身储存的弹性能，σ1、σ2、σ3分别为试件9所受的三向应力，e为试件9的弹性模量，e2表示试件动力冲击装置8的动能变化量，表征试件9所吸收的动力冲击能量，
m表示试件动力冲击装置8的质量；v1表示试件动力冲击装置8作用到试件9上的速度；v2表示试件动力冲击装置8作用到试件9后反弹的速度；动静组合力学性能评价指标α：α=e
t
/(v
×
n)v表示试件9的体积，n表示试件9上锚杆的数量。
54.在本发明实施例中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例根据，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
55.本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”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实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明实施例的限制。
56.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一个优选实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
57.以上仅为本发明实施例的优选实施例而已，并不用于限制本发明实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。