[发明专利]模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置及方法

权利要求书

1.模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置，其特征在于：它包括支护力调节器（1），所述支护力调节器（1）包括两块高强度板（4），所述高强度板（4）的对角位置通过竖直布置的两根限位锚杆（2）相连，位于顶部的高强度板（4）通过螺盘（3）固定安装在限位锚杆（2）的顶部，位于底层的高强度板（4）上支撑有受力装置（5），所述受力装置（5）的内部设置有两块对称布置的高强度管片（17），所述高强度管片（17）和受力装置（5）的内壁之间安装有弹簧阻尼器（16）；

实验过程中所述受力装置（5）内部分为两部分，分别是应力蓄积区（7）和流质填充层（8），两个部分通过橡胶片（14）分隔，所述橡胶片（14）的底端面和应力蓄积区（7）的顶端面设置有压力传感器；

所述应力蓄积区（7）填充一定厚度的云母片岩膨胀泥浆，以此模拟高地应力软岩隧洞中的围岩和围岩应力，模拟的围岩应力大小通过调节膨胀泥浆中膨胀剂的含量进行调控；所述应力蓄积区（7）中布置有压力传感器，所述压力传感器的布置方式为，在受力装置（5）的底部填充一定厚度的膨胀泥浆，将其抹平并在其表面上按照一定的密度布置第一压力传感器（10），重复此步骤；直至整个应力蓄积区（7）充满膨胀泥浆；将贴有第二压力传感器（11）的矩形应力板（15）竖向布置在受力装置（5）横截面的不同位置点；

所述流质填充层（8）中填充一定厚度的流质填充物，所述流质填充物由砂、陶粒、碎屑物按照一定的级配混合形成，利用流质填充层（8）来模拟隧洞的流质衬砌支护结构；

所述流质填充层（8）中布置有压力传感器，所述压力传感器的布置方式为，填充一定厚度的流质填充物，将其表面抹平并在截面直径方向上按照一定的间隔布置第三压力传感器（12），重复此步骤，直至流质填充物填充至指定高度；将贴有第四压力传感器（13）的矩形应力板（15）竖向的布置在受力装置（5）横截面的不同位置点。

2.根据权利要求1所述模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置，其特征在于：所述高强度板（4）为高强度钢化玻璃或者亚克力板，在高强度板（4）的对角位置加工有用于穿过限位锚杆（2）的通孔。

3.根据权利要求1所述模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置，其特征在于：所述受力装置（5）采用高强度PVC管（9）制作直径为D、高度为H的一端封闭，一端开口的结构；所述受力装置（5）的外形采用立方体或者圆柱体。

4.根据权利要求1所述模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置，其特征在于：两块所述高强度管片（17）组合之后形成一个完整的直径小于受力装置（5）直径的圆柱筒。

5.根据权利要求1所述模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置，其特征在于：所述受力装置（5）的外表面和底部都包裹有碳纤维布进而形成增强区（6）。

6.采用权利要求1-5任意一项所述模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置的实验方法，其特征在于包括以下步骤：

Step1：材料准备：准备高强度PVC管，碳纤维布，橡胶片，膨胀剂，砂子，水泥，云母片，限位锚杆，压力传感器，木板，螺盘，应力板，支护力调节器和受力装置；

Step2：制作受力装置（5）：采用高强度PVC管（9）制作高度为H，截面直径为D的一端封闭一端开口的受力装置；使用碳纤维布对受力装置的外表面和底部进行包裹，所包裹的厚度根据实验要求进行调整；

Step3：制作支护力调节器（1）：使用螺盘（3）将穿过高强度板（4）对角预制空隙的两根限位锚杆（2）进行固定形成具有一定结构的支护力调节器（1）；

Step4：应力蓄积区（7）的填充：在受力装置的底部填充膨胀泥浆，所填充的方法为，填充一定厚度的膨胀泥浆，利用振动仪振捣使得云母片岩局部浮于表面，将其表面抹平，并在其表面按照一定的间隔距离布置压力传感器，重复此步骤，直至整个应力蓄积区充满膨胀泥浆；将两个贴有压力传感器的矩形应力板（15）分别竖向的布置在膨胀剂的中心位置和膨胀泥浆与受力装置的接触面上；

Step5：流质填充层（8）的填充：在橡胶片（14）的上部填充流质填充物，所填充的方法为填充一定厚度的流质填充物，将其表面抹平，在其表面上按照一定的距离间隔布置压力传感器，直至流质填充物达到指定的高度；将贴有压力传感器的矩形应力板（15）竖向的布置在流质填充物的中心位置和流质填充物和受力装置的接触面上；

Step6：受力装置（5）的固定：将受力装置（5）放置在支护力调节器（1）内部，将贴有压力传感器、尺寸与受力装置横截面尺寸相同的高强度板放置在流质填充物上表面，并通过板上两个预留空隙将受力装置和支护力调节其固定在一起；

Step7：工作原理：保持膨胀剂的含量不变，流质填充层厚度一定，通过调节限位锚杆（2）上的螺盘（3）的位置模拟隧洞衬砌的不同支护力，对压力传感器的数值变化进行分析，以此确定结构内部受力情况，并对装置进行整体CT扫描，确定应力蓄积区（7）和流质填充层（8）不同位置密实度、CT值，其中CT值和密度变化与压力片实测应力值变化相互佐证，综合得出应力蓄积区、流质填充层的空间多位置分布情况，基于此获取在实际工程中指定支护力作用下围岩的塑性区发育规律，并确定最佳支护力；

保持膨胀剂的含量不变，通过调节不同厚度流质填充物，分析流质填充层一侧的压力传感器的数值，以此确定在抑制隧洞软岩大变形过程中流质填充最佳厚度；

保持流质填充物厚度不变，调节膨胀剂的含量，模拟围岩不同应力下流质充填衬砌结构均化、减载效果；

当加载实验结束时，泄出流质，应力卸载过程中，通过CT扫描得到应力蓄积区密度变化，当CT值降低20%时，停止卸载，对不同卸荷区域进行划分和力学分析，确定外衬结构力学响应。