深埋隧洞巖爆簡易模擬試驗系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種深埋隧洞巖爆簡易模擬試驗系統(tǒng)，包括試件加載盒、類梯形試件、加載油缸、油源、底座和反力鋼絞線，所述的試件加載盒又包括U型槽、三棱柱墊塊、加載墊塊和側(cè)擋板；本實用新型利用柔性鋼絞線特殊的變形特性，在試件破壞時對試件進(jìn)行破壞能量的迅速補(bǔ)充，滿足了巖爆的發(fā)生條件；本實用新型試驗系統(tǒng)的剛度還可以根據(jù)實驗需要進(jìn)行調(diào)整，從而更方便更系統(tǒng)的研究巖爆的發(fā)生規(guī)律；由于本實用新型取深埋隧洞圍巖的一部分進(jìn)行試驗，因此相對于現(xiàn)有全斷面模型試驗裝置，可以開展大比例尺的模型試驗；本實用新型有充分的力學(xué)理論依據(jù)，有助于試驗和理論的結(jié)合，促進(jìn)工程理論的發(fā)展。
【專利說明】深埋隧洞巖爆簡易模擬試驗系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及深部工程巖爆發(fā)生規(guī)律的研究，特別是涉及一種深埋隧洞巖爆簡易豐吳擬試驗系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]巖爆是在高地應(yīng)力地區(qū)硬巖隧洞施工中經(jīng)常發(fā)生的一種動力地質(zhì)災(zāi)害。因為巖爆發(fā)生時會有大量巖塊飛出，往往會給人員、設(shè)備造成重大災(zāi)害，所以巖爆問題倍受人們關(guān)注。盡管國內(nèi)外學(xué)者對巖爆問題采用多種手段，做了多項工作，也取得了不少成果，但目前仍有不少問題尚待研究解決。研究巖爆發(fā)生規(guī)律，不僅要通過理論分析，更要通過室內(nèi)模擬實驗來探索其本質(zhì)規(guī)律。
[0003]從能量角度考慮，當(dāng)巖爆體在高應(yīng)力作用下吸收的內(nèi)能達(dá)到極限時，圍巖不再擠壓變形，它就與圍巖保持平衡狀態(tài)。圍巖再擠壓變形，它就產(chǎn)生破壞，圍巖擠壓變形迅速這種破壞就成巖爆。巖爆體材料變形達(dá)到極限后，圍巖再變形(再擠壓)，就是對巖爆體進(jìn)行破壞能量補(bǔ)充。
[0004]上述觀點啟示我們,在巖爆模擬試驗中，也必須對試件進(jìn)行破壞能量的迅速補(bǔ)充。也就是說，要使材料發(fā)生巖爆，就必須在材料破壞時迅速補(bǔ)充加載。而要迅速加載，油缸的油路就必須迅速供油。但普通油壓控制系統(tǒng)供油需要一個過程，這個過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于材料的破壞速度，外力功與材料內(nèi)能保持動態(tài)的平衡狀態(tài)，隨荷載增加，破壞范圍逐漸增大，停止增加荷載，破壞也就停止，無法使試件產(chǎn)生劇烈?guī)r爆，所以必須加以改進(jìn)。
[0005]為了實現(xiàn)對試件迅速補(bǔ)充加載，有學(xué)者提出了彈簧加載系統(tǒng)和油-氣復(fù)合加載器系統(tǒng)。但是，彈簧加載系統(tǒng)所能達(dá)到的剛度和荷載有限，不能滿足大型試驗的要求，且一旦制作完成不能再改變其剛度以適應(yīng)不同的試件。油-氣復(fù)合加載器系統(tǒng)通過其氣體壓力的快速釋放來實現(xiàn)迅速加載，但是其剛度難以確定且迅速變化，與實際圍巖的邊界條件有一定差別。另外，中國專利201210093384.7和201210102230.X公布了一種模擬沖擊型巖爆的實驗設(shè)備和方法，其加載系統(tǒng)為普通油壓加載系統(tǒng)，通過輸入擾動荷載來模擬巖爆，未能實現(xiàn)對試件迅速補(bǔ)充加載。
[0006]另外，上述各種實驗設(shè)備還存在一個共同問題，即對隧洞全斷面進(jìn)行模擬測試，受試件尺寸的限制，可模擬硐室的尺寸較小，因此不能開展大比例尺的模型試驗。而巖爆是一種劇烈的巖石動力現(xiàn)象，尺寸效應(yīng)對實驗結(jié)果影響較大，通過小試件進(jìn)行模擬實驗時往往效果不明顯，因此不能很好的研究巖爆的發(fā)生規(guī)律。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種深埋隧洞巖爆簡易模擬試驗系統(tǒng)。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用下述技術(shù)方案:
[0009]一種深埋隧洞巖爆簡易模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于，包括試件加載盒、類梯形試件、加載油缸、油源、底座和反力鋼絞線；
[0010]所述的試件加載盒，包括U型槽、三棱柱墊塊、加載墊塊和側(cè)擋板；u型槽為整體結(jié)構(gòu)，包括底板和兩個側(cè)壁；三棱柱墊塊兩個直角面分別與U型槽的底板和側(cè)壁內(nèi)表面接觸，其斜面傾角與類梯形試件兩個斜面傾角匹配；加載墊塊下表面為圓弧形，與類梯形試件上表面接觸，其上半部分向兩側(cè)延伸，并在兩側(cè)分別設(shè)有一排豎直通孔，以便固定反力鋼絞線；側(cè)擋板固定在U型槽的前后兩側(cè)，其作用在于防止類梯形試件發(fā)生軸向變形，以滿足平面應(yīng)變狀態(tài)的要求；
[0011]所述的類梯形試件，上下表面為同軸圓弧面，左右側(cè)面的延伸線通過上述圓弧面的軸線，前后側(cè)面垂直于水平面，左右側(cè)面與三棱柱墊塊斜面接觸，前后側(cè)面與側(cè)擋板內(nèi)表面接觸，四個側(cè)面和上表面均涂有潤滑材料，以減小其受到的剪應(yīng)力，下表面和U型槽底板內(nèi)表面之間預(yù)留變形空間；
[0012]所述的加載油缸，一端支撐在底座上，另一端對試件加載盒施加壓力；所述的油源，與加載油缸相連；
[0013]所述的反力鋼絞線，共有兩排，其中任意一條的一端固定在底座上，另一端固定在試件加載盒的加載墊塊上；根據(jù)巖樣試件的剛度，可以調(diào)整鋼絞線數(shù)目或截面積來使試驗系統(tǒng)具有不同的剛度，以進(jìn)行不同條件下的實驗。
[0014]作為一種優(yōu)選方式，本實用新型還包括支撐導(dǎo)軌，固定在底座上，其作用是在實驗前托住試件加載盒，在實驗過程中防止試件加載盒發(fā)生偏斜。
[0015]作為一種優(yōu)選方式，本實用新型還包括應(yīng)力傳感器和位移傳感器，其作用是在實驗過程中監(jiān)測試件受力和變形情況。
[0016]根據(jù)試驗需要，可以改變?nèi)庵鶋|塊斜面的傾角和加載墊塊弧形鋼板的形狀，以匹配模擬不同尺寸的類梯形試件。
[0017]本實用新型的原理和優(yōu)點是:
[0018]深埋隧洞圍巖的受力、變形和破壞問題可以近似認(rèn)為是軸對稱問題，因此，取其一部分(即本實用新型所述類梯形試件)進(jìn)行試驗即可反映圍巖整體的性質(zhì)；由于本實用新型僅取圍巖的一部分進(jìn)行分析，相對于現(xiàn)有全斷面模型試驗裝置，可以開展超大比例尺的模型試驗。
[0019]根據(jù)目前研究認(rèn)為，當(dāng)試件破壞時會迅速產(chǎn)生一定的位移，普通試驗機(jī)加載速度有限；本實用新型通過多根反力鋼絞線代替普通試驗機(jī)的立柱對試件施加反力，試件破壞時反力鋼絞線會瞬間收縮，對試件進(jìn)行破壞能量的迅速補(bǔ)充，滿足了巖爆的發(fā)生條件；相對于彈簧加載系統(tǒng)，本實用新型采用的反力鋼絞線可以獲得更大的剛度和荷載條件，同時本實用新型試驗機(jī)的剛度還可以根據(jù)實驗需要進(jìn)行調(diào)整，更方便更系統(tǒng)的研究巖爆的發(fā)生規(guī)律。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本實用新型作進(jìn)一步說明:
[0021]圖1為本實用新型的力學(xué)原理圖；
[0022]圖2為本實用新型的主體結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實施方式】
[0023]結(jié)合附圖1，本實用新型采用局部試件的原理在于，深埋隧洞圍巖的受力、變形和破壞問題可以認(rèn)為是軸對稱問題；對于軸對稱問題，可以取其一部分，即本實用新型所述類梯形試件5，進(jìn)行試驗即可反映圍巖整體的性質(zhì)。
[0024]結(jié)合附圖2，一種深埋隧洞巖爆簡易模擬試驗系統(tǒng)，包括試件加載盒、類梯形試件
5、加載油缸6、底座7、反力鋼絞線8、支撐導(dǎo)軌9和油源。
[0025]所述的試件加載盒，包括U型槽1、三棱柱墊塊2、加載墊塊3和側(cè)擋板；U型槽I為整體結(jié)構(gòu)，包括底板和兩個側(cè)壁；三棱柱墊塊2兩個直角面分別與U型槽I的底板和側(cè)壁內(nèi)表面接觸，其斜面傾角與類梯形試件5的兩個斜面傾角匹配；加載墊塊3下表面為圓弧形，與類梯形試件5上表面接觸，其上半部分向兩側(cè)延伸，并在兩側(cè)分別設(shè)有一排豎直通孔，以便固定反力鋼絞線8 ;側(cè)擋板固定在U型槽I的前后兩側(cè)，其作用在于防止類梯形試件發(fā)生軸向變形，以滿足平面應(yīng)變狀態(tài)的要求。
[0026]所述的類梯形試件5，上下表面為同軸圓弧面，左右側(cè)面的延伸線通過上述圓弧面的軸線，前后側(cè)面垂直于水平面，左右側(cè)面與三棱柱墊塊2斜面接觸，前后側(cè)面與側(cè)擋板內(nèi)表面接觸，四個側(cè)面和上表面均涂有潤滑材料，以減小其受到的剪應(yīng)力，下表面和U型槽I底板內(nèi)表面之間預(yù)留變形空間。
[0027]所述的加載油缸6，一端支撐在底座8上，另一端對試件加載盒施加壓力；所述的油源，與加載油缸6相連。
[0028]所述的反力鋼絞線7，共有兩排，其中任意一條的一端固定在底座8上，另一端固定在試件加載盒的加載墊塊3上；根據(jù)巖樣試件的剛度，可以調(diào)整鋼絞線數(shù)目或截面積來使試驗系統(tǒng)具有不同的剛度，以進(jìn)行不同條件下的實驗。
[0029]所述的支撐導(dǎo)軌9，固定在底座8上，其作用是在實驗前托住試件加載盒，在實驗過程中防止試件加載盒發(fā)生偏斜。
[0030]以上所述實施例，只是本實用新型較優(yōu)選的具體的實施方式的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種深埋隧洞巖爆簡易模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:包括試件加載盒、類梯形試件、加載油缸、油源、底座和反力鋼絞線； 所述的試件加載盒，包括U型槽、三棱柱墊塊、加載墊塊和側(cè)擋板;u型槽為整體結(jié)構(gòu)，包括底板和兩個側(cè)壁；三棱柱墊塊兩個直角面分別與U型槽的底板和側(cè)壁內(nèi)表面接觸，其斜面傾角與類梯形試件兩個斜面傾角匹配；加載墊塊下表面為圓弧形，其上半部分兩側(cè)分別設(shè)有一排豎直通孔；側(cè)擋板固定在U型槽的前后兩側(cè)； 所述的類梯形試件，上下表面為同軸圓弧面，左右側(cè)面的延伸線通過上述圓弧面的軸線，前后側(cè)面垂直于水平面，左右側(cè)面與三棱柱墊塊斜面接觸，前后側(cè)面與側(cè)擋板內(nèi)表面接觸，四個側(cè)面和上表面均涂有潤滑材料，下表面和U型槽底板內(nèi)表面之間預(yù)留變形空間； 所述的加載油缸，一端支撐在底座上，另一端對試件加載盒施加壓力；所述的油源，與加載油缸相連； 所述的反力鋼絞線，共有兩排，其中任意一條的一端固定在底座上，另一端固定在試件加載盒的加載墊塊上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深埋隧洞巖爆簡易模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于，包括支撐導(dǎo)軌，并固定在底座上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深埋隧洞巖爆簡易模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于，包括應(yīng)力傳感器和位移傳感器。
【文檔編號】G01N3/30GK203455238SQ201320578343
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月18日
【發(fā)明者】王剛, 吳學(xué)震, 蔣宇靜 申請人:山東科技大學(xué)