岩溶隧道防突岩盘失稳破坏模型试验系统及其试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种围岩破坏模型试验系统及试验方法，特别是一种岩溶隧道防突岩盘失稳破坏模型试验系统及其试验方法。
【背景技术】
[0002]随着我国大型地下工程的建设，突水灾害对工程建设带来了巨大的安全隐患和经济损失，因而地下工程突水问题已经得到了越来越多的重视。其中一种常见的情况是，地下空间开挖后，围岩后侧的承压水使围岩遭到破坏从而引发突水灾害。地下空间和承压水之间的岩体相当于防突岩盘，防突岩盘在所处地应力状态和后侧水压力的共同作用下能否保持稳定成为突水灾害是否发生的关键，同时，对防突岩盘在地应力和水压力共同作用下的变形及破坏特征的研究对于地下工程突水灾害的预测和防治都有非常重要的指导作用。
[0003]申请号为CN200810031466的发明专利和《岩石力学与工程学报》第28卷第7期《深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统研制及应用》介绍了一种水下开采顶板渗流突水试验方法及装置，但该装置在考虑流固耦合的情况下只能单独考虑类岩石模型在水平向荷载和水压力的共同作用而不能对试验模型施加竖直荷载。
[0004]申请号为CN201510018120的发明专利和申请号为CN201520026035的实用新型专利介绍了一种深埋隧道突水灾害二维物理模拟试验系统及其试验方法，试验系统实现了深埋隧道渗流、突水过程中围岩破裂演化特征的可视性，但该试验系统只能对模型的竖向进行加载而不能对模型的水平方向加载。
[0005]申请号为CN201510179803的发明专利和申请号为CN201520229367的实用新型专利介绍了一种模拟隧道突水的可视化模型试验装置及方法，专利通过岩石相似材料和高压水栗研究了不同水压、不同岩性、不同防突岩体厚度下突水过程中防突岩体裂纹扩展和突水通道形成过程，但是这种专利和方法无法对类岩石材料施加荷载，因而不能模拟自然岩体所处的应力环境。
[0006]上述已有专利对地下工程突水问题的研究一方面侧重于研究渗流过程中渗流通道的形成及围岩涌突水过程，而缺乏对地应力和承压水耦合作用下防突岩盘结构性失稳破坏的研究，另一方面，已有专利不能对模型施加荷载或者只能对模型施加一个方向的主动荷载，这与地下工程开挖后围岩处于两向应力状态的工程实际是不符的。另外，已有的专利设计中模型的体量都非常大，试验模型的铺设过程复杂，造价昂贵，费力费时，试验效率较低，而且试验监测技术不够精准。
【发明内容】
[0007]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种岩溶隧道防突岩盘失稳破坏模型试验系统及其试验方法，能够实现模拟地下工程围岩中防突岩盘在地应力和水压力作用下的变形破坏特征。
[0008]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:岩溶隧道防突岩盘失稳破坏模型试验系统包括基座(I)、圆形承载架(2)、分离组合式均布加载装置(3)、承载台(4)、电液伺服控制作动器(5)、电液伺服控制箱(6)、三维数字照相装置(7)、三维声发射装置(8)、试验模型(9)、千斤顶(10)和承载板(11);圆形承载架(2)安装在基座(I)上，在圆形承载架(2)上连接有分离组合式均布加载装置(3)和承载台(4)，分离组合式均布加载装置(3)与承载台(4)构成四方形承载室，承载台(4)位于下端，分离组合式均布加载装置(3)位于上端和左右两端并由千斤顶(10)和承载板(11)组成，在承载室内侧有电液伺服控制作动器(5)，电液伺服控制作动器(5)利用自身千斤顶(10)部分施加荷载，承载板(11)构成试验容器，在试验容器内有试验模型(9);在试验模型上粘贴声发射探头并连接三维声发射装置(8)，电液伺服控制箱(6)的控制线与分离组合式均布加载装置(3)和电液伺服控制作动器(5)连接，在试验容器的前面有三维数字照相装置(7)。
[0009]岩溶隧道防突岩盘失稳破坏模型试验系统及其试验方法，包括以下试验步骤:
[0010]I)根据实际中岩溶隧道的防突岩盘性质，按照试验具体要求制作试验模型，模型的尺寸应略大于加载板的尺寸，并对模型的上下和左右四个侧面进行处理，以达到增大表面摩擦力的目的；
[0011]2)将试验模型放在承载台上并与承载台边界对齐，在模型的前后两个表面分别至少粘贴两个声发射探头，并调试三维数字照相装置图像清晰，三维声发射装置使用正常，并开始启动三维数字照相装置和三维声发射装置；
[0012]3)之后通过控制电液伺服控制箱利用分离组合式均布加载装置对试验模型水平和竖直方向进行加载，根据工程实际中地应力大小和试验设计，加载至预定荷载；
[0013]4)再利用电液伺服控制箱启动电液伺服控制作动器，根据实际岩溶隧道中水压力的大小和试验设计对试验模型进行加载；
[0014]5)在对试验模型加载过程中，三位数字照相装置和三维声发射装置不间断的采集图像和数据，实时监测试验模型在加载过程中模型表面的三维空间变形以及三维声发射信息。
[0015]有益效果，由于采用了上述方案，分离组合式加载装置由两到三个千斤顶和一个加载板组成，分离组合式加载装置和电液伺服控制作动器均由电液伺服控制箱控制，另外，分离组合式均布加载装置的加载板和试验模型的加载面要进行增加摩擦处理，达到增加承载板和试验模型之间摩擦力的处理。所述试验系统针对的试验模型的形状是与加载板尺寸相匹配的矩形，利用试验模型代表岩溶隧道中的防突岩盘；通过电液伺服控制箱控制试验模型左右两侧和上侧的分离组合式均布加载装置实现模型水平和竖直方向加载，分别模拟真实岩体中的水平和竖向应力，圆形承载架用于承受模型加载过程中产生的支承反力；再通过电液伺服控制箱控制试验模型正后方的电液伺服控制作动器沿轴向对试验模型施加荷载，用来模拟真实岩溶隧道中防突岩盘后侧的水压荷载。加载过程中利用三维数字照相装置和三维声发射装置监测试样模型表面的三维空间变形以及三维声发射信息。
[0016]圆形承载架是外圆内方的设计使承载架中的应力分布更加均匀；所述分离组合式均布加载装置由一个加载板连接两到三个千斤顶构成，目的是使加载过程中试验模型加载面上受力更加均匀，另外，分离组合式均布加载装置共有三个，它们均可以单独对试样模型进行加载。
[0017]电液伺服控制作动器的加载端头中内置有相应的传感器，可以实时监测并记录电液伺服控制作动器对试验模型施加的荷载以及端头的位移量。
[0018]试验模型是代表岩溶隧道中防突岩盘的岩体模型，试验模型的形状为矩形，但其尺寸可是变化的，只要比分离组合式均布加载装置中加载板的尺寸略大即可。同时，试验模型能够模拟的岩体类型也是多样的，比如坚硬致密岩体、松散岩体、完整岩体、含缺陷岩体等。
[0019]分离组合式均布加载装置的加载板和试验模型的加载面要进行增加摩擦处理，达到增加加载板和试验模型之间摩擦力的目的，而且这种处理方式并不是唯一的，比如对试验模型可以在要加载的表面涂一层环氧树脂和砂的混合物，对加载板可以进行喷砂、抛丸等工艺进行处理。
[0020]三维数字照相装置在试验过程中对试验模型表面全程摄像，与普通数字照相相比三维数字照相技术可实现对试验模型三维空间位移场进行全程监测分析。所述三维声发射装置通过在模型前后表面分别粘贴至少两个声发射探头，在实验过程中全程记录试验模型的声发射特征并进行声发射定位。
[0021]优点:本发明能够实现对模型进行独立的水平和竖直加载，模拟防突岩盘所处的工程应力环境；试验模型可以提前预制，提高了试验效率，节约了试验的经济和时间成本；同时采用了更为先进的三维数字照相技术和三维声发射技术作为监测手段，增加了试验结果的精确性。
【附图说明】
[0022]图1岩溶隧道防突岩盘失稳破坏模型试验系统示意图。
[0023]图2圆形承载架示意图。
[0024]图3分离组合式均布加载装置示意图。
[0025]图4岩溶隧道防突岩盘失稳破坏模型试验系统剖面图(部分)。
[0026]图中，1、基座；2、圆形承载架；3、分离组合式均布加载装置；4、承载台；5、电液伺服控制作动器；6、电液伺服控制箱；7、三维数字照相装置；8、三维声发射装置；9、试验模型；10、千斤顶；11、承载板。
【具体实施方式】
[0027]岩溶隧道防突岩盘失稳破坏模型试验系统包括基座1、圆形承载架2、分离组合式均布加载装置3、承载台4、电液伺服控制作动器5、电液伺服控制箱6、三维数字照相装置7、三维声发射装置8、试验模型9、千斤顶10和承载板11 ;圆形承载架2安装在基座I上，在圆形承载架2上连接有分离组合式均布加载装置3和承载台4，分离组合式均布加载装置3与承载台4构成四方形承载室，承载台4位于下端，分离组合式均布加载装置3位于上端和左右两端并由千斤顶10和承载板11组成，在承载室内侧有电液伺服控制作动器5，电液伺服控制作动器5利用自身千斤顶10部分施加荷载，承载板11构成试验容器，在试验容器内有试验模型9 ;在试验模型上粘贴声发射探头并连接三维声发射装置8，电液伺服控制箱6的控制线与分离组合式均布加载装置3和电液伺服控制作动器5连接，在试验容器的前面有三维数字照相装置7。
[0028]岩溶隧道防突岩盘失稳破坏模型试验系统及其试验方法，包括以下试验步骤:
[0029]I)根据实际中岩溶隧道的防突岩盘性质，按照试验具体要求制作试验模型，模型的尺寸应略大于加载板的尺寸，并对模型的上下