地下洞室结构面开挖瞬态卸荷松动模拟试验系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩土工程模型实验装置领域，具体涉及一种地下洞室结构面开挖瞬态卸荷松动模拟试验系统。
【背景技术】
[0002]我国西南地区水电站地下厂房开挖诱发的围岩位移突变问题十分突出，对工程建设顺利进行和人员设备安全提出严峻挑战。在深部地下工程爆破开挖过程中，由于岩体的开挖扰动会导致周围岩体的瞬态卸荷和应力重分布，当围岩含有结构面时，岩体的瞬态卸荷可能导致结构面扩展贯通与张开滑移变形，导致其边界条件和荷载条件发生改变，从而带来一系列的地质灾害。
[0003]然而，之前的学者都只通过理论分析和数值模拟的方法对含结构面岩体的开挖瞬态卸荷松动问题进行研宄，不能直观的了解含结构面岩体开挖瞬态卸荷松动过程中的位移及振动情况。本发明以地下洞室爆破开挖瞬态卸荷诱发围岩结构面的扩展和变形机制为研宄背景，设计了一种地下洞室结构面开挖瞬态卸荷松动模拟试验系统，模拟实际地下岩体的卸荷情况，以准确掌握在不同围压、不同侧压力系数以及不同卸荷速率情况下含不同方向结构面岩体在开挖瞬态卸荷松动时的位移及振动情况。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种地下洞室结构面开挖瞬态卸荷松动模拟试验系统，该模拟试验系统能实现含已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型上荷载的快速卸除，并使得含已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型产生较大的应变率，与实际工程中的卸荷情况更为相符，更具有研宄价值及参考意义。
[0005]本发明是这样实现的:
一种地下洞室结构面开挖瞬态卸荷松动模拟试验系统，它包括已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型、围压加载系统、实验台、加载装置、开挖洞室加卸载装置、监测系统，所述已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型置于围压加载系统内；
所述开挖洞室加卸载装置包括杠杆型加卸载构件，杠杆型加卸载构件的前端伸入已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型内，并紧贴已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型的槽壁，所述杠杆型加卸载构件通过带螺纹的钢筋固定在实验台上；
所述加载装置包括分别位于杠杆型加卸载构件两侧的加卸载单元，所述加卸载单元包括液压站、油缸、钢条、吸盘式电磁铁、钢管，所述液压站通过油管与油缸连接，油缸的活塞杆通过钢条与吸盘式电磁铁连接，所述钢管与杠杆型加卸载构件后端连接；吸盘式电磁铁后端通过带螺纹圆形钢条与油缸的活塞杆的前端焊接的承拉螺帽进行连接，当给吸盘式电磁铁接通电源后，吸盘式电磁铁可通过其前端吸住圆柱形的钢管，圆柱形的钢管焊接在开挖洞室加卸载装置后端；
所述实验台的两侧设有反力墩，油缸的底部与反力墩接触； 所述实验台的台面上设置有放置油缸缸体的一端封闭的圆形槽、放置吸盘式电磁铁和钢管的半圆形槽，该半圆形槽为吸盘式电磁铁和钢管的移动滑槽，所述油缸、钢条、吸盘式电磁铁和钢管的轴线在同一水平线上(吸盘式电磁铁与开挖洞室加卸载装置以及加载装置高度相适配);
所述监测系统包括高速摄像仪、计算机、应变计、与应变计连接的动态应变仪、振动传感器、与振动传感器连接的振动信号采集器、加速度传感器、与加速度传感器连接的加速度信号采集器、位移传感器、与位移传感器连接的位移信号采集器、应力传感器、与应力传感器连接的应力信号采集器，所述高速摄影仪和计算机置于开挖洞室加卸载装置的外部，所述应变计和振动传感器置于已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型的表面，所述加速度传感器、位移传感器、应力传感器置于已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型的内部，所述高速摄像仪、动态应变仪、振动信号采集器、加速度信号采集器、位移信号采集器、应力信号采集器与计算机连接；
高速摄影仪用来对实验过程进行高速摄影；应变计及与其连接的动态应变仪用来测量并记录岩体模型的应变变化，并通过动态应变仪将监测数据传送至计算机进行分析、计算、存储；振动传感器及其连接振动信号采集器用来测量并记录岩体模型的振动速度变化，并通过振动信号采集器将监测数据传送至计算机进行分析、计算、存储；加速度传感器及与其连接的加速度信号采集器用来测量并记录岩体模型的振动加速度变化，并通过加速度信号采集器将监测数据传送至计算机进行分析、计算、存储；位移传感器及与其连接的位移信号采集器用来测量并记录岩体模型的位移变化，并通过位移信号采集器将监测数据传送至计算机进行分析、计算、存储；应力传感器及与其连接的应力信号采集器用来测量并记录岩体模型的应力变化，并通过应力信号采集器将监测数据传送至计算机进行分析、计算、存储；计算机接收高速摄影仪、动态应变仪、振动信号采集器、加速度信号采集器、位移信号采集器、应力信号采集器传来的数据，存储并分析所采集的实验数据。
[0006]更进一步的方案是，所述实验台上设有2个固定钢板，2个固定钢板通过支撑杆连接，所述杠杆型加卸载构件位于2个固定钢板之间。
[0007]更进一步的方案是，所述液压站包括水平放置于实验台上的双回路油缸，它具体包括油箱、带油泵的第一油管、第二油管、液压站控制系统、第三油管、第四油管，所述油箱通过第二油管和带油泵的第一油管与液压站控制系统连接，液压站控制系统通过第三油管与油缸的无杆腔连接，液压站控制系统通过第四油管与油缸的有杆腔连接，所述第三油管和第四油管上分别设有油压表和阀门。
[0008]更进一步的方案是，所述已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型采用石膏制成，所述已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型的槽的周围有各种不同形态的贯穿岩体的结构面。
[0009]更进一步的方案是，所述圆形槽的前端设有用于固定油缸缸体的承压铁块。
[0010]本发明中，所述的开挖洞室加卸载装置采用两块特制的高钢度钢条模仿剪刀拼接制成(杠杆型加卸载构件)，并通过带螺纹的圆形钢条加螺丝与实验台进行固定。杠杆型加卸载构件的前端伸入已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型内并紧贴开挖的槽壁，后端通过焊接好的圆柱形钢管与吸盘式电磁铁进行连接，当加载装置对开挖洞室加卸载装置缓慢施加轴向拉力到一定值时，伸入到已开挖槽室的杠杆型加卸载构件会对槽壁产生一定的压力，断掉吸盘式电磁铁的电源，开挖洞室加卸载装置对槽壁的压力会瞬间消失，从而模拟地应力瞬态卸荷的过程。
[0011]本发明中，已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型采用石膏材料制成，可通过改变槽室周围结构面的方向和模型外侧所施加的围压，模拟出不同受力作用下的结构面岩体。已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型尺寸为宽0.4m、高0.6m、深0.lm，沿其深度方向挖的槽的尺寸为:深0.lm、宽0.075m、高边墙0.08m、拱顶0.02m ;并在开挖的槽周围设计各种不同形态的贯穿岩体的结构面。
[0012]本发明中，开挖洞室加卸载装置采用高钢度的钢条制成，实验台采用高钢制成，吸盘式电磁铁采用需通电的感应线圈制成。
[0013]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
1.本发明针对以往实验无法模拟高速率卸荷的不足，实现了已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型上荷载的快速卸除，使得已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型产生较大的振动和应变率，使实验更贴近实际工程，与实际工程中的卸荷情况更为相符，更具有研宄价值及参考意义；
2.本发明可以通过加装装置和开挖洞室加卸载装置实现对高应力条件下结构面岩体瞬态卸荷过程的模拟，并通过对已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型在瞬态卸荷松动条件下的应变监测、振动监测、加速度监测、位移监测、应力监测及高速摄影，探明应力瞬态卸荷对结构面岩体松动的影响，揭示结构面岩体在应力瞬态卸荷松动条件下的力学行为，对了解高应力瞬态卸荷条件下的岩体松动规律和岩体开挖工程施工有重要意义；
3.本发明的已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型采用石膏材料制成，可通过改变槽室周围结构面的方向和模型外侧所施加的围压，模拟出不同受力作用下的结构面岩体，适用范围广，更适合研宄；
4.本发明的开挖洞室加卸载装置采用两块特制的高钢度钢条模仿剪刀拼接制成，并通过带