[发明专利]曲线轮廓隧（巷）道围岩隔离体模型承载测试系统及方法

说明书

本发明提出了一种曲线轮廓隧(巷)道围岩隔离体模型承载测试系统及方法，包括主环形框架，其内部安装有扇形围岩隔离体模型，借助隔离体模型与主环形框架之间的径向、侧向加载油缸与弹性加载气囊，以及曲形推力板、环向推力板、传力块及减摩装置等构件，通过液压加载控制系统与气泵加载控制系统可实现隔离体模型表面加载压力的高效施加与消除；同时借助约束挡板、观测窗口与可视化面板等构件，可实现测试过程中隔离体模型的实时可视化观测；此外本发明还公开了测试方法，可实现围岩隔离体模型在大比尺、高精度条件下承载性能有效测试，并可有效反映测试不同隧(巷)道开挖卸荷速率影响，还可有效提高室内试验测试精度。

技术领域

本发明涉及隧(巷)道领域，尤其涉及一种曲线轮廓隧(巷)道围岩隔离体模型承载测试系统及方法。

背景技术

关于复杂地质条件下隧(巷)道围岩的稳定性，一直是众多学者研究的热点。常用的研究方法包括：理论分析、数值模拟与室内模型试验等。其中，由于地下工程岩体结构和地质条件的复杂性，传统的理论解析方法难以处理深部岩体复杂的非线性问题。同时，鉴于数值分析方法在处理岩体破坏问题时自身的局限性，其在再现深部岩体强度破坏特性方面仍难以取得突破性进展。因此，室内模型试验，以其形象、直观、真实的特性成为研究地下工程非线性变形与强度破坏特性的重要手段。室内模型试验是根据一定的相似原理对现实工程地质问题进行缩尺研究的一种物理测试方法，是真实物理实体的再现，在基本满足相似原理的条件下，能够比较真实地反映地质构造和工程结构的空间关系，比较准确地反映岩土施工过程和把握岩土介质的力学变形特性，能较好地再现复杂工程的施工过程以及荷载的作用方式及时间效应等，比较真实地反映工程的受力全过程。

在室内模型试验过程中，为了再现整个隧(巷)道的施工开挖过程，一般需要选取隧(巷)道周边3～5倍洞径范围地层岩土体进行室内模型体构造。该方式尚存以下技术问题：

首先，为便于试验开展，目前常规室内物理模型体多为立方体模型，而且受试验装置及试验条件的限制，模型试验若采用3～5倍洞径范围岩土体原则构造来模型体，往往存在模型体中隧(巷)道尺寸小、测试精度低的问题。比如以3m×3m物理模型体为例，按照该模型构造原则，构造出模型体中隧(巷)道的开挖半径仅为0.25m～0.375m之间，难以准确揭示隧(巷)道周边围岩变形破坏演化的全过程；

其次，在常规室内模型试验中，目前多采用人工或机械开挖方式模拟隧(巷)道开挖，较难反映测试隧(巷)道开挖引起的卸荷效应影响，尤其当处于不同地应力水平时，隧(巷)道开挖卸荷速率也不一样，但目前常规隧(巷)道开挖方式或者模型体加载方式，还较难实现不同开挖卸荷速率影响下围岩承载及变形破坏特性的有效测试；

再次，为便于试验开展，常规模型体多为立方体模型，常规试验装置多从水平或垂直方向对模型施加法向压力。若试验模型体并非正方体模型，而是模型体存在一定倾斜表面或曲线形表面，如何对某一倾斜面或曲线形表面进行法向加载压力施加，这也会对现有常规试验加载装置及加载方式产生新的挑战。尤其当向某一倾斜面加载时，加载装置与模型体表面之间将不可避免会产生摩擦阻力，这将影响模型边界法向加载压力难以有效达到设计加载值，也会造成模型边界加载压力状态与实际难以相符，并降低试验模型体测试精度；

最后，试验模型体应遵循隧(巷)道实际工况进行构建测试，如何有效再现实际隧(巷)道面临的不同荷载工况与不同地质条件，以及不同工况条件下围岩内部变形破裂特征的精细化再现与可靠观测，如何提高室内试验的测试精度，这也是现有常规模型试验需解决的重要问题之一。

发明内容