[发明专利]一种用于模拟地下岩土体开挖卸荷力学响应过程的试验装置

说明书

本发明公开一种用于模拟地下岩土体开挖卸荷力学响应过程的试验装置，属于地下掘进工程技术领域。本发明的试验系统可实现对不同巷道或隧洞开挖卸荷过程的相似模型物理试验，同时对卸荷过程壁面临近围岩的相关力学、声学等参数进行实时监测，模拟再现开挖卸荷过程。本发明所述装置试验方法简单，易操作，可重复性强。适用于各类岩土体地下巷道或隧洞开挖卸荷过程的相似模拟试验，也可研究裂隙岩体地下开挖卸荷力学响应特征，实现损伤场和应力场在卸荷条件下的耦合作用研究，普适性更强。

技术领域

本发明涉及一种岩土体开挖卸荷过程力学行为研究的试验装置，属于地下掘进工程技术领域。

背景技术

卸荷力学响应特征是地下岩土体开挖工程临空区变形失稳研究的核心，是揭示顶底板变形，片帮，岩爆等等地下开挖灾害现象的基础，还是提供维持空区稳定、隧洞开挖超前支护方案、地下灾害预警预报技术的关键。很多地下开挖工程位移、应力、声波等数据检测耗时长，且影响因素多难以排除，对所获取的数据特征甄别困难，这严重影响了工程技术人员对工程岩体卸荷力学响应特征的准确判断，给预警预报、超前支护方案等技术参数优化带来困扰，导致研究成本大大提高。在地下岩体开挖卸荷过程中力学行为不同于常规的外部加卸载过程，实际上由于岩土体中节理、裂隙发育程度的差异，岩体物理力学特征的不同，应力环境的改变，开挖方式、速率以及断面形状等都给地下开挖卸荷过程带来不同程度的影响，导致卸荷过程的力学响应机制变得复杂多变，而目前针对真实地下开挖卸荷过程的试验设备尚不完善，更多的是研究围压逐渐卸荷的过程，其过程并不能真实反映地下卸荷时不同开挖断面形状的影响，只能从宏观上表征一种卸荷时的单个试件破坏情况和力学响应特征，而准确获取开挖卸荷过程中巷道的变形规律、岩土体开挖卸荷响应机制，对巷道施工进度的优化、支护时间的合理安排以及控制围岩变形技术尤为关键，所以目前常规三轴卸荷试验仪并不能真实反映开挖过程的巷道各边帮的位移变化、应力变化和声发射特征，我们需要一种能够真实反映卸荷过程中不同断面、不同远场应力条件、不同开挖卸荷速度、不同损伤程度岩体响应机制的试验设备来研究复杂条件下的卸荷力学行为，为地下掘进工程提供实质性的工程实践指导依据。

申请号为CN201510117135.0的发明专利介绍了一种模拟隧道施工的相似模型试验装置，该装置实现了对隧道开挖过程、隧道超前支护状态、外界动荷载对隧道影响的模拟，但仍然存在一定的局限性，其发明不能实现对不同开挖卸荷速率、掘进方式以及掘进断面对壁面临近围岩影响的模拟。

申请号为CN201710880854.7的发明专利介绍了一种隧道开挖变形可视化模型实验装置及方法，该实验装置可以模拟隧道开挖从无衬砌到有衬砌状态下的变形规律，但其配制的透明土很难和工程实际材料力学性质吻合，得出的试验数据仍难以和工程实际直接接轨，且其周围的透明箱体受压承载力有限，仅适用于低压力环境下的测试。

申请号为CN201510117157.7的发明实施例提供了一种模拟隧道施工的相似模型试验方法，为相似模型参数的确定提供了一套快速简便的求解方法，因此，浇筑相似材料模型已越来越接近真实环境，为本发明装置浇模流程提供了便利。

综上，目前所研发的地下开挖卸荷试验设备或试验平台主要存在几个问题：（1）大多针对隧道的开挖，对不同掘进断面及掘进速度下的边帮变形破坏考虑不周；（2）对应力环境考虑单一，很难真实反映地下复杂的力学环境对开挖卸荷过程的影响；（3）设备适用领域局限性大，普适性不强。

因此，探索一种用于模拟地下岩土体开挖卸荷力学响应过程的试验装置显得尤为重要，通过该装置来研究同种外部环境下不同断面形状、不同开挖进尺速度以及不同掘进方式对临近围岩变形破裂的响应规律，以研究地下开挖过程中巷道（隧洞）变形及力学响应机制，为地下隧洞、巷道等开挖的支护优化、变形监测及安全预警预报参数的选取提供理论指导依据。

发明内容