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一種對深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測試方法

文檔序號:9885736閱讀:591來源:國知局
一種對深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及深部巖體特征科學(xué)現(xiàn)象模擬的方法,尤其涉及對深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及 響應(yīng)的模擬測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 深部地下工程涉及礦山、交通、水利水電、核廢料的深層地質(zhì)處置、國家戰(zhàn)略能源 儲備和國家戰(zhàn)略防護(hù)工程等領(lǐng)域,事關(guān)國家安全和國計(jì)民生。超過1〇〇〇米深的地下工程施 工和遭受爆炸地沖擊擾動,形成在高地應(yīng)力作用下的"一高兩擾動"(高地應(yīng)力、開挖卸荷擾 動、爆炸地沖擊擾動)特征,出現(xiàn)的靜、動特征科學(xué)現(xiàn)象,如分區(qū)破裂、巖爆、超低摩擦和擺形 波等,現(xiàn)有巖石力學(xué)理論無法圓滿解釋,由此造成深地下工程選址與布局缺少科學(xué)依據(jù),深 部巖體工程巖爆、分區(qū)破裂及大變形帶來的災(zāi)害預(yù)測與防治困難,成為國內(nèi)外專家學(xué)者爭 相研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。深部"一高兩擾動"特征科學(xué)現(xiàn)象是亟待突破的重大科學(xué)問題。
[0003] 深部巖體"一高二擾動"特點(diǎn)形成的特征科學(xué)現(xiàn)象是高度的非線性力學(xué)復(fù)雜問題, 深部巖體構(gòu)造特征具有非連續(xù)、非均勻、塊系構(gòu)造和含能特點(diǎn),是復(fù)雜的含能地質(zhì)體,變形 破壞特征具有加卸載耦合、動靜變形疊加、時空變化相關(guān)、破壞狀態(tài)劇烈的特點(diǎn),是復(fù)雜的 非線性力學(xué)問題?,F(xiàn)有的研究方法中:理論研究難以準(zhǔn)確分析,數(shù)值分析受本構(gòu)表征等影響 大,現(xiàn)場測試試驗(yàn)受施工影響周期長,目前對于深部巖體缺乏有效的研究手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種能實(shí)現(xiàn)高地應(yīng)力、開挖擾動和爆炸擾動模擬的對深部 巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測試方法。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的所述方法包括如下步驟:
[0000] 1)深部巖體應(yīng)力及爆炸擾動的初始計(jì)算
[0007] 根據(jù)深部巖體工程設(shè)定的埋深h、開挖直徑d、開挖速度V和引起爆炸擾動的當(dāng)量為 Q的地下爆炸,進(jìn)行深部巖體靜態(tài)地應(yīng)力P和等效于爆炸載荷的三角形脈沖載荷的峰值應(yīng)力 Pf的計(jì)算,
[0008] 其中:靜態(tài)地應(yīng)力P=ghp,g為重力加速度,P為巖石密度。
[0009] 峰值應(yīng)力Pf = pcum,c為介質(zhì)縱波聲速,Um為爆炸質(zhì)點(diǎn)峰值速度,化=j / FS A、n為 擬合系數(shù),F(xiàn)為比例距離,且F = 為爆心距,當(dāng)爆炸擾動發(fā)生在非彈性變形區(qū)時,且 所述三角形脈沖載荷上升沿時間為tr、三角形脈沖載荷的脈沖周期為\時,存在如下關(guān)系: tr/Q1/3= (5 ~15)ms/kt1/3、t+/Q1/3= (20 ~40)ms/kt1/3,式中:ms 為毫秒,kt 為爆炸當(dāng)量;
[0010] 2)確定相似比尺C;
[0011] 3)由相似比尺C計(jì)算相對于試件的各模擬量
[0012]所述模擬量包括:在所述試件上開挖模擬隧道的直徑ds、開挖速度1、試件的模擬 靜態(tài)地應(yīng)力Psi、試件的模擬三角形脈沖載荷峰值應(yīng)力Psf和對應(yīng)于峰值應(yīng)力Psf的模擬上升 沿時間tsr、模擬三角形脈沖載荷的脈沖周期t s+,且:
[0013]
[0014] 4)對所述試件施加模擬初始壓應(yīng)力
[0015] 對所述試件的周側(cè)通過柔性膠囊內(nèi)液壓調(diào)整,施以靜載壓力Pj,P產(chǎn)nPsl,(n = 3~ 5),加載時間持續(xù)1~2周;
[0016] 5)對所述試件進(jìn)行開挖卸荷的擾動測試
[0017]對施以靜載匕的試件進(jìn)行模擬隧道直徑為ds、開挖速度為Vs的模擬隧道的模擬開 挖,在模擬隧道開挖完成后,檢測隧道壁面的應(yīng)力、應(yīng)變和位移變化
[0018] 6)對所述試件進(jìn)行爆炸沖擊的擾動測試
[0019] 通過對所述試件施加模擬上升沿時間為tsr、模擬脈沖周期為ts+的三角形脈沖載 荷,以模擬爆炸沖擊載荷,以檢測三角形脈沖載荷施加后隧道壁面的應(yīng)力、應(yīng)變和位移變 化。
[0020] 所述對深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測試方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于,所述試件是 由相似材料制成,且形狀為矩形體。
[0021] 所述對深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測試方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于,所述測試試 件由事先制作好的隧道實(shí)體試件預(yù)埋于對應(yīng)模具中,再用相似材料進(jìn)行澆鑄并經(jīng)固化形 成。
[0022] 所述對深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測試方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于,所述隧道實(shí) 體試件由與開挖隧道截面相同的若干隧道薄片相互貼合形成,每一隧道薄片用模擬材料澆 鑄于對應(yīng)的模具并經(jīng)后固化形成,澆鑄時在對應(yīng)模具中埋入至少相互兩根交叉的鐵絲,且 使該兩根鐵絲的至少一端分別伸出模具外,致使每一隧道薄片至少有兩根外露的鐵絲。
[0023] 所述對深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測試方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于,所述隧道薄 片中的兩根交叉的鐵絲,基本呈十字形,且交叉點(diǎn)基本位于隧道薄片的中心。
[0024] 所述對深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測試方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于,所述模擬開 挖是按速度為Vs由外向內(nèi)依次拉動隧道薄片上的外露鐵絲,使對應(yīng)隧道薄片由外向內(nèi)逐漸 破碎,最終形成開挖隧道。
[0025] 所述對深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測試方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于,對所述試件 施加模擬初始壓應(yīng)力是通過應(yīng)力加載裝置實(shí)現(xiàn)的;所述應(yīng)力加載裝置包括承載架、柔性膠 囊、爆炸載荷模擬發(fā)生器和液壓管;所述承載架具有矩形體形狀的空腔,矩形體形狀的巖體 試件固定于該空腔中,所述柔性膠囊置于所述巖體試件的每一側(cè)面和與該側(cè)面相對的空腔 腔壁之間,每一柔性膠囊上設(shè)有至少一個與液壓管連接的進(jìn)液口,高壓液體通過液壓管進(jìn) 入柔性膠囊內(nèi),對巖體試件加載,使巖體試件產(chǎn)生靜態(tài)應(yīng)力。
[0026] 所述對深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測試方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于,所述爆炸沖 擊的擾動測試是通過爆炸載荷模擬發(fā)生裝置對試件施以三角形脈沖載荷來實(shí)現(xiàn)的;所述爆 炸載荷模擬發(fā)生裝置包括加載單元和卸載單元;所述加載單元包括設(shè)有進(jìn)油口和卸油口的 油缸、滑動設(shè)置在該油缸中的活塞,所述油缸的活塞端與所述頂板或側(cè)板上的連接孔連通; 所述卸載單元包括第一缸筒、第二缸筒、調(diào)節(jié)活塞、卸載活塞、調(diào)節(jié)彈簧、定位套、定位銷和 定位彈簧,所述第一、第二缸筒的內(nèi)腔分別由第一圓環(huán)邊及第二圓環(huán)邊分隔,并分別分隔為 相互連通的第一、第二腔及相互連通的第三、第四腔,且第二腔的腔壁設(shè)有卸油孔,第四腔 的腔壁設(shè)有銷釘孔,所述第一缸筒一端連接在所述油缸的卸油口上,另一端與第二缸筒連 接,使第二腔與第三腔相疊合,形成閉合的卸載活塞腔,卸載活塞滑動設(shè)置于該卸載活塞腔 中,調(diào)節(jié)彈簧穿套在卸載活塞的活塞桿上,使卸載活塞壓向第一圓環(huán)邊,卸載活塞的活塞桿 穿過第二圓環(huán)邊伸入第四腔中,定位套置于第四腔中并連接在伸入至第四腔中的卸載活塞 的活塞桿上,定位套外圓周側(cè)面上設(shè)有數(shù)個沿軸向分布的定位孔,定位銷置于銷釘孔中,定 位彈簧穿套在定位銷上,壓制該定位銷一端伸出孔外緊抵在定位套外圓周側(cè)面上,在卸載 活塞帶動定位套軸向移動而使定位孔移動至定位銷位置時,定位銷嵌入該定位孔中,而使 卸載活塞軸向定位,所述調(diào)節(jié)活塞滑動設(shè)置在第一腔中,調(diào)節(jié)活塞的活塞桿穿過第一圓環(huán) 邊與卸載活塞連接。
[0027] 所述對深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測試方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于,開挖卸荷擾 動測試是通過第一、第二操作孔模擬巖體試件上模擬隧道的開挖作業(yè),所述空腔的一垂直 腔壁上設(shè)有第一操作孔,對應(yīng)該側(cè)腔壁的柔性膠囊的對應(yīng)位置上設(shè)有貫穿膠囊厚度方向的 第二操作孔。
[0028] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬研究深部巖體特征科學(xué)現(xiàn)象,以相似理論為 理論基礎(chǔ),科學(xué)依據(jù)強(qiáng),"一高兩擾動"分步驟模擬,符合實(shí)際,整個模擬研究過程思路清晰, 操作方便。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發(fā)明的對深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測試方法的流程示意圖。
[0030] 圖2是三角形脈沖載荷隨時間變化的示意圖。
[0031] 圖3是本發(fā)明加載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖4是圖所示加載裝置沿基座長度方向的剖視圖。
[0033] 圖5是爆炸載荷模擬發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 圖6是爆炸載荷模擬發(fā)生器中加載單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035] 圖7是爆炸載荷模擬發(fā)生器中卸載單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖8是深部巖體試件剖視圖。
[0037]圖9是隧道薄片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖10是由圖9所示隧道薄片組合成的隧道試件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039] 其中,承載架1,基座11,承載框12,側(cè)板13,第一操作孔134,頂板14,外側(cè)板141,連 接孔1411,內(nèi)側(cè)板142,儲液槽1421,通孔1422,傳力薄板143,側(cè)板15,柔性膠囊2,第二操作 孔20,爆炸載荷模擬發(fā)生器3,加載單元31,油缸311,進(jìn)氣口 3111,卸氣口 3112,活塞312,螺 母313,卸載單元32,缸筒321,第一缸筒321a,第二缸筒321b,調(diào)節(jié)活塞腔3211,卸載活塞腔 3212,第一卸載活塞腔3212a,第二卸載活塞腔3212b,卸載孔32121,定位套腔3213,銷釘孔 32131,連通孔3219,調(diào)節(jié)活塞322,卸載活塞323,調(diào)節(jié)彈簧324,定位套325,定位銷32
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