地下洞室結(jié)構(gòu)面開挖瞬態(tài)卸荷松動模擬試驗系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖土工程模型實驗裝置領(lǐng)域，具體涉及一種地下洞室結(jié)構(gòu)面開挖瞬態(tài)卸荷松動模擬試驗系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]我國西南地區(qū)水電站地下廠房開挖誘發(fā)的圍巖位移突變問題十分突出，對工程建設(shè)順利進行和人員設(shè)備安全提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在深部地下工程爆破開挖過程中，由于巖體的開挖擾動會導(dǎo)致周圍巖體的瞬態(tài)卸荷和應(yīng)力重分布，當(dāng)圍巖含有結(jié)構(gòu)面時，巖體的瞬態(tài)卸荷可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面擴展貫通與張開滑移變形，導(dǎo)致其邊界條件和荷載條件發(fā)生改變，從而帶來一系列的地質(zhì)災(zāi)害。
[0003]然而，之前的學(xué)者都只通過理論分析和數(shù)值模擬的方法對含結(jié)構(gòu)面巖體的開挖瞬態(tài)卸荷松動問題進行研宄，不能直觀的了解含結(jié)構(gòu)面巖體開挖瞬態(tài)卸荷松動過程中的位移及振動情況。本發(fā)明以地下洞室爆破開挖瞬態(tài)卸荷誘發(fā)圍巖結(jié)構(gòu)面的擴展和變形機制為研宄背景，設(shè)計了一種地下洞室結(jié)構(gòu)面開挖瞬態(tài)卸荷松動模擬試驗系統(tǒng)，模擬實際地下巖體的卸荷情況，以準(zhǔn)確掌握在不同圍壓、不同側(cè)壓力系數(shù)以及不同卸荷速率情況下含不同方向結(jié)構(gòu)面巖體在開挖瞬態(tài)卸荷松動時的位移及振動情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種地下洞室結(jié)構(gòu)面開挖瞬態(tài)卸荷松動模擬試驗系統(tǒng)，該模擬試驗系統(tǒng)能實現(xiàn)含已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型上荷載的快速卸除，并使得含已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型產(chǎn)生較大的應(yīng)變率，與實際工程中的卸荷情況更為相符，更具有研宄價值及參考意義。
[0005]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
一種地下洞室結(jié)構(gòu)面開挖瞬態(tài)卸荷松動模擬試驗系統(tǒng)，它包括已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型、圍壓加載系統(tǒng)、實驗臺、加載裝置、開挖洞室加卸載裝置、監(jiān)測系統(tǒng)，所述已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型置于圍壓加載系統(tǒng)內(nèi)；
所述開挖洞室加卸載裝置包括杠桿型加卸載構(gòu)件，杠桿型加卸載構(gòu)件的前端伸入已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型內(nèi)，并緊貼已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型的槽壁，所述杠桿型加卸載構(gòu)件通過帶螺紋的鋼筋固定在實驗臺上；
所述加載裝置包括分別位于杠桿型加卸載構(gòu)件兩側(cè)的加卸載單元，所述加卸載單元包括液壓站、油缸、鋼條、吸盤式電磁鐵、鋼管，所述液壓站通過油管與油缸連接，油缸的活塞桿通過鋼條與吸盤式電磁鐵連接，所述鋼管與杠桿型加卸載構(gòu)件后端連接；吸盤式電磁鐵后端通過帶螺紋圓形鋼條與油缸的活塞桿的前端焊接的承拉螺帽進行連接，當(dāng)給吸盤式電磁鐵接通電源后，吸盤式電磁鐵可通過其前端吸住圓柱形的鋼管，圓柱形的鋼管焊接在開挖洞室加卸載裝置后端；
所述實驗臺的兩側(cè)設(shè)有反力墩，油缸的底部與反力墩接觸； 所述實驗臺的臺面上設(shè)置有放置油缸缸體的一端封閉的圓形槽、放置吸盤式電磁鐵和鋼管的半圓形槽，該半圓形槽為吸盤式電磁鐵和鋼管的移動滑槽，所述油缸、鋼條、吸盤式電磁鐵和鋼管的軸線在同一水平線上(吸盤式電磁鐵與開挖洞室加卸載裝置以及加載裝置高度相適配);
所述監(jiān)測系統(tǒng)包括高速攝像儀、計算機、應(yīng)變計、與應(yīng)變計連接的動態(tài)應(yīng)變儀、振動傳感器、與振動傳感器連接的振動信號采集器、加速度傳感器、與加速度傳感器連接的加速度信號采集器、位移傳感器、與位移傳感器連接的位移信號采集器、應(yīng)力傳感器、與應(yīng)力傳感器連接的應(yīng)力信號采集器，所述高速攝影儀和計算機置于開挖洞室加卸載裝置的外部，所述應(yīng)變計和振動傳感器置于已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型的表面，所述加速度傳感器、位移傳感器、應(yīng)力傳感器置于已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型的內(nèi)部，所述高速攝像儀、動態(tài)應(yīng)變儀、振動信號采集器、加速度信號采集器、位移信號采集器、應(yīng)力信號采集器與計算機連接；
高速攝影儀用來對實驗過程進行高速攝影；應(yīng)變計及與其連接的動態(tài)應(yīng)變儀用來測量并記錄巖體模型的應(yīng)變變化，并通過動態(tài)應(yīng)變儀將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至計算機進行分析、計算、存儲；振動傳感器及其連接振動信號采集器用來測量并記錄巖體模型的振動速度變化，并通過振動信號采集器將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至計算機進行分析、計算、存儲；加速度傳感器及與其連接的加速度信號采集器用來測量并記錄巖體模型的振動加速度變化，并通過加速度信號采集器將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至計算機進行分析、計算、存儲；位移傳感器及與其連接的位移信號采集器用來測量并記錄巖體模型的位移變化，并通過位移信號采集器將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至計算機進行分析、計算、存儲；應(yīng)力傳感器及與其連接的應(yīng)力信號采集器用來測量并記錄巖體模型的應(yīng)力變化，并通過應(yīng)力信號采集器將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至計算機進行分析、計算、存儲；計算機接收高速攝影儀、動態(tài)應(yīng)變儀、振動信號采集器、加速度信號采集器、位移信號采集器、應(yīng)力信號采集器傳來的數(shù)據(jù)，存儲并分析所采集的實驗數(shù)據(jù)。
[0006]更進一步的方案是，所述實驗臺上設(shè)有2個固定鋼板，2個固定鋼板通過支撐桿連接，所述杠桿型加卸載構(gòu)件位于2個固定鋼板之間。
[0007]更進一步的方案是，所述液壓站包括水平放置于實驗臺上的雙回路油缸，它具體包括油箱、帶油泵的第一油管、第二油管、液壓站控制系統(tǒng)、第三油管、第四油管，所述油箱通過第二油管和帶油泵的第一油管與液壓站控制系統(tǒng)連接，液壓站控制系統(tǒng)通過第三油管與油缸的無桿腔連接，液壓站控制系統(tǒng)通過第四油管與油缸的有桿腔連接，所述第三油管和第四油管上分別設(shè)有油壓表和閥門。
[0008]更進一步的方案是，所述已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型采用石膏制成，所述已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型的槽的周圍有各種不同形態(tài)的貫穿巖體的結(jié)構(gòu)面。
[0009]更進一步的方案是，所述圓形槽的前端設(shè)有用于固定油缸缸體的承壓鐵塊。
[0010]本發(fā)明中，所述的開挖洞室加卸載裝置采用兩塊特制的高鋼度鋼條模仿剪刀拼接制成(杠桿型加卸載構(gòu)件)，并通過帶螺紋的圓形鋼條加螺絲與實驗臺進行固定。杠桿型加卸載構(gòu)件的前端伸入已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型內(nèi)并緊貼開挖的槽壁，后端通過焊接好的圓柱形鋼管與吸盤式電磁鐵進行連接，當(dāng)加載裝置對開挖洞室加卸載裝置緩慢施加軸向拉力到一定值時，伸入到已開挖槽室的杠桿型加卸載構(gòu)件會對槽壁產(chǎn)生一定的壓力，斷掉吸盤式電磁鐵的電源，開挖洞室加卸載裝置對槽壁的壓力會瞬間消失，從而模擬地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷的過程。
[0011]本發(fā)明中，已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型采用石膏材料制成，可通過改變槽室周圍結(jié)構(gòu)面的方向和模型外側(cè)所施加的圍壓，模擬出不同受力作用下的結(jié)構(gòu)面巖體。已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型尺寸為寬0.4m、高0.6m、深0.lm，沿其深度方向挖的槽的尺寸為:深0.lm、寬0.075m、高邊墻0.08m、拱頂0.02m ;并在開挖的槽周圍設(shè)計各種不同形態(tài)的貫穿巖體的結(jié)構(gòu)面。
[0012]本發(fā)明中，開挖洞室加卸載裝置采用高鋼度的鋼條制成，實驗臺采用高鋼制成，吸盤式電磁鐵采用需通電的感應(yīng)線圈制成。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
1.本發(fā)明針對以往實驗無法模擬高速率卸荷的不足，實現(xiàn)了已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型上荷載的快速卸除，使得已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型產(chǎn)生較大的振動和應(yīng)變率，使實驗更貼近實際工程，與實際工程中的卸荷情況更為相符，更具有研宄價值及參考意義；
2.本發(fā)明可以通過加裝裝置和開挖洞室加卸載裝置實現(xiàn)對高應(yīng)力條件下結(jié)構(gòu)面巖體瞬態(tài)卸荷過程的模擬，并通過對已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型在瞬態(tài)卸荷松動條件下的應(yīng)變監(jiān)測、振動監(jiān)測、加速度監(jiān)測、位移監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測及高速攝影，探明應(yīng)力瞬態(tài)卸荷對結(jié)構(gòu)面巖體松動的影響，揭示結(jié)構(gòu)面巖體在應(yīng)力瞬態(tài)卸荷松動條件下的力學(xué)行為，對了解高應(yīng)力瞬態(tài)卸荷條件下的巖體松動規(guī)律和巖體開挖工程施工有重要意義；
3.本發(fā)明的已開挖的含結(jié)構(gòu)面的地下洞室圍巖模型采用石膏材料制成，可通過改變槽室周圍結(jié)構(gòu)面的方向和模型外側(cè)所施加的圍壓，模擬出不同受力作用下的結(jié)構(gòu)面巖體，適用范圍廣，更適合研宄；
4.本發(fā)明的開挖洞室加卸載裝置采用兩塊特制的高鋼度鋼條模仿剪刀拼接制成，并通過帶