巷道開挖卸荷模擬試驗裝置及試驗方法
【專利摘要】本發明提出一種巷道開挖卸荷模擬試驗裝置及試驗方法，在巷道開挖卸荷模擬試驗裝置中，下承壓板、側承壓板和上承壓板共同包裹試樣，試樣內開設有預制巷道，沿預制巷道的外表面鋪設有固定板，固定板上開設有凹槽，凹槽內設置有壓力傳感器，壓力傳感器與計算機信號連接，支撐桿的一端與卸荷桿的一端鉸接，支撐桿的另一端與凹槽活動連接且支撐桿的另一端緊貼壓力傳感器，加載端作用于側承壓板、上承壓板且加載端與計算機信號連接。本發明的有益效果為：可以模擬巷道圍巖開挖卸荷過程，不會對圍巖造成明顯的附加擾動，可精確控制圍巖的卸荷速率和卸荷量，準確測量卸荷過程中圍巖的相關力學參數。
【專利說明】
巷道開挖卸荷模擬試驗裝置及試驗方法
技術領域
[0001]本發明涉及地下工程開挖技術領域，特別是涉及一種巷道開挖卸荷模擬試驗裝置及試驗方法。
【背景技術】
[0002]地下工程的開挖實際上是巖體在某一面的應力得到釋放，破壞了原有的力學平衡狀態，使巖體產生新的變形，甚至斷裂、破碎，即地下工程中巷道圍巖的變形破壞是由于對圍巖進行卸荷而引起的。因此，巷道圍巖的開挖卸荷研究對進一步探究巷道圍巖變形破壞機理及巷道圍巖穩定性控制技術具有重要意義。目前，用來模擬巷道開挖卸荷的方法主要有預埋法和非預埋法兩類。預埋法是指在制作模擬試樣過程中，將巷道開挖裝置預埋入試樣之中，試驗過程中通過對預埋的開挖裝置進行相關操作來實現巷道開挖卸荷模擬;非預埋法是指在制作模擬試樣過程中，不預埋巷道開挖裝置，在巷道位置直接采用人工或機械方法進行開挖來實現巷道開挖卸荷模擬。顯然，非預埋法在形式上更符合工程實際，但存在著明顯不足，如在模擬開挖過程中會對圍巖造成明顯的附加擾動，難以專門針對開挖卸荷效應進行研究。預埋法雖然在形式上與工程實際存在一定差異，但相對于非預埋法具有顯著優點。首先，預埋裝置可以重復利用，降低實驗成本。其次，采用預埋法對巷道開挖進行模擬可以控制開挖過程與速度。但是，現有技術難以對巷道模擬開挖卸荷的過程進行精確控制，無法較好的反映現場圍巖在卸荷過程中變形破壞的力學特征。
[0003]公告號為CN103745646B的中國專利文獻公開了一種模擬巷道開挖卸載與支護的試驗裝置，該裝置由心軸、鋼珠、傳力管和支護管組成，其采用預埋法設置該裝置，通過抽取心軸來實現模擬巷道開挖卸荷過程，但無法精確控制圍巖的卸荷速率以及準確測量圍巖卸荷過程中的受力情況，即無法反映出巷道圍巖變形破壞與開挖卸荷參數之間的具體關系。公開號為CN104833569A的中國專利文獻公開了一種適用于地質力學模型試驗的開挖卸荷裝置，為非預埋法模擬巷道開挖卸荷，該裝置主要通過切削鉆頭、螺旋鉆桿等裝置對巖塊進行鉆孔來模擬開挖過程，但在開挖過程中會對圍巖造成明顯的附加擾動，難以專門針對開挖卸荷效應進行研究。公開號為CN105277673A的中國專利文獻公開了一種模擬開挖卸荷作用導致巷道發生應變型巖爆的實現方法，該方法首先將巖樣制成規則形狀，而后在觀測面的正反面中心部位鉆出圓通孔模擬巷道，并在圓通孔內充填混凝柱，最后通過將中間混凝柱捅出實現模擬巷道開挖過程，但該方法無法準確控制卸荷量，也無法測量卸荷過程中圍巖的相關力學參數。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種巷道開挖卸荷模擬試驗裝置及試驗方法，用來模擬巷道圍巖開挖卸荷過程，不會對圍巖造成明顯的附加擾動，能夠精確控制圍巖的卸荷速率和卸荷量以及準確測量卸荷過程中圍巖的相關力學參數。
[0005]本發明提供一種巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，包括承壓板、試樣、固定板、壓力傳感器、支撐桿、卸荷桿、加載端和計算機，承壓板包括下承壓板、側承壓板和上承壓板，下承壓板、側承壓板和上承壓板共同包裹試樣，試樣內開設有預制巷道，沿預制巷道的外表面鋪設有固定板，固定板上開設有凹槽，凹槽內設置有壓力傳感器，壓力傳感器與計算機信號連接，支撐桿的一端與卸荷桿的一端鉸接，支撐桿的另一端與凹槽活動連接且支撐桿的另一端緊貼壓力傳感器，加載端作用于側承壓板、上承壓板且加載端與計算機信號連接。
[0006]進一步的，支撐桿的一端固定連接有鉸接桿，卸荷桿的一端上開設有包括橫槽和豎槽的T形槽，橫槽向兩側的延伸方向與卸荷桿的軸線方向垂直，豎槽向一側的延伸方向與卸荷桿的軸線方向平行，鉸接桿的兩端分別與T形槽的橫槽的兩端鉸接，支撐桿可沿著豎槽向一側的延伸方向轉動。
[0007]進一步的，豎槽向一側的延伸方向與卸荷桿從一端至另一端的方向相反。
[0008]進一步的，支撐桿為四根，固定板為四塊，四根支撐桿的一端分別與卸荷桿的一端鉸接，四根支撐桿的另一端分別與四塊固定板上的凹槽活動連接。
[0009]進一步的，卸荷桿的一端固定連接有安裝端，支撐桿的一端與安裝端鉸接。
[0010]進一步的，固定板上于固定板的中間位置開設有凹槽。
[0011]進一步的，預制巷道的形狀輪廓為圓筒形，固定板的形狀為與圓筒形預制巷道的外表面相貼合的弧形。
[0012]進一步的，支撐桿和卸荷桿由高強度鋼材制成。
[0013]進一步的，承壓板由實心鋼板制成。
[0014]本發明還提供一種巷道開挖卸荷模擬試驗方法，應用上述的巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，包括以下步驟:
[0015]步驟一、制備試樣，試樣中開設預制巷道，確保預制巷道的尺寸與固定板的尺寸相匹配；
[0016]步驟二、將制備好的試樣放置于下承壓板上，并將側承壓板和上承壓板貼合試樣的外表面，以使下承壓板、側承壓板和上承壓板共同包裹試樣；
[0017]步驟三、將固定板放置于試樣中的預制巷道內，將支撐桿的另一端插入固定板的凹槽中以與凹槽活動連接且支撐桿的另一端緊貼壓力傳感器，保持支撐桿的軸線與預制巷道的軸線垂直；
[0018]步驟四、計算機控制加載端對側承壓板、上承壓板分別施加側向應力和軸向應力，直至壓力傳感器監測到的應力值達到試驗要求；
[0019]步驟五、保持側向應力和軸向應力為定值，拉拔卸荷桿的另一端使卸荷桿沿卸荷桿的軸向保持一定速率向外被拉出，使支撐桿逐漸傾斜以達到卸荷目的，通過計算機實時監測、記錄壓力傳感器的應力值。
[0020]與現有技術相比，本發明的巷道開挖卸荷模擬試驗裝置及試驗方法具有以下特點和優點:
[0021]1、本發明的巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，結構設計巧妙，可以模擬巷道圍巖開挖卸荷過程，不會對圍巖造成明顯的附加擾動，可精確控制圍巖的卸荷速率和卸荷量以及準確測量卸荷過程中圍巖的相關力學參數；
[0022]2、本發明的巷道開挖卸荷模擬試驗方法，模擬巷道圍巖開挖卸荷過程中不會對圍巖造成明顯的附加擾動，通過控制卸荷桿的軸向移動速率來精確控制圍巖的卸荷速率，卸荷桿的軸向移動過程中使支撐桿與豎直平面形成一定夾角，精確控制圍巖的卸荷量，在卸荷過程中壓力傳感器準確測量卸荷過程中圍巖的相關力學參數。
[0023]結合附圖閱讀本發明的【具體實施方式】后，本發明的特點和優點將變得更加清楚。
【附圖說明】
[0024]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0025]圖1為本發明實施例中巷道開挖卸荷模擬試驗裝置的結構示意圖；
[0026]圖2為本發明實施例中巷道開挖卸荷模擬試驗裝置中支撐桿、鉸接桿和卸荷桿的剖面圖；
[0027]圖3為本發明實施例中圖2中A-A剖面圖；
[0028]圖4為本發明實施例中巷道開挖卸荷模擬試驗裝置中支撐桿、鉸接桿和卸荷桿的俯視圖；
[0029]其中，
[0030]11、下承壓板，12、側承壓板，13、上承壓板，2、試樣，3、固定板，31、凹槽，41、支撐桿，42、鉸接桿，43、卸荷桿，431、T形槽，5、壓力傳感器，6、預制巷道，7、信號電纜，8、計算機。
【具體實施方式】
[0031]如圖1至圖4所示，本實施例提供一種巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，由實心鋼板制成的下承壓板U、側承壓板12和上承壓板13共同包裹試樣2，試樣2內開設有形狀輪廓為圓筒形預制巷道6，沿預制巷道6的外表面鋪設有固定板3，固定板3的形狀為與形狀輪廓為圓筒形的預制巷道6的外表面相貼合的弧形。當然，預制巷道6的形狀輪廓也可以為其他形狀，比如預制巷道6的橫截面為矩形的筒形，此時，固定板就為與預制巷道6的外表面相貼合的平面結構。將預制巷道6設計為圓筒形便于試驗開設預制巷道6，也便于試驗中將弧形固定板3快速裝配至預制巷道6內，提高試驗效率。在固定板3的中間位置開設有凹槽31，凹槽31內設置有壓力傳感器5，壓力傳感器5與計算機8經信號電纜7信號連接，由高強度鋼材制成的支撐桿41的一端固定連接有鉸接桿42，由高強度鋼材制成的卸荷桿43的一端固定連接有安裝端，安裝端上開設有包括橫槽和豎槽的T形槽431，橫槽向兩側的延伸方向與卸荷桿43的軸線方向垂直，豎槽向一側的延伸方向與卸荷桿43的軸線方向平行，豎槽向一側的延伸方向與卸荷桿43從一端至另一端的方向相反，鉸接桿42的兩端分別與T形槽431的橫槽的兩端鉸接，支撐桿41可沿著豎槽向一側的延伸方向轉動，支撐桿41的另一端與凹槽31活動連接，支撐桿41的另一端緊貼壓力傳感器5，加載端作用于側承壓板12、上承壓板13且加載端與計算機8經信號電纜7信號連接。本實施例中的上述巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，其支撐桿41為四根，固定板3為四塊，四根支撐桿41的一端分別固定連接四根鉸接桿42，四根鉸接桿42分別與卸荷桿43的一端的安裝端鉸接，四根支撐桿41的另一端分別與四塊固定板3上的凹槽31活動連接。
[0032]本實施例中的上述巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，在計算機8控制加載端對側承壓板12和上承壓板13施加應力的基礎上，沿著如圖4所示的“卸荷”方向拉拔卸荷桿43，卸荷桿43的拉拔帶動了支撐桿41與豎直面形成夾角，從而實現模擬巷道圍巖開挖卸荷過程，在上述模擬巷道圍巖開挖卸荷過程中沒有對圍巖造成明顯的附加擾動;在上述模擬巷道圍巖開挖卸荷過程中通過控制卸荷桿43的軸向移動速率來精確控制圍巖的卸荷速率以實現分級卸荷，卸荷桿43的軸向移動過程中使支撐桿41與豎直平面形成一定夾角，使支撐桿作用于試樣2上的應力逐漸變小，使巷道圍巖支護強度定量減小，從而精確控制圍巖的卸荷量，在上述模擬巷道圍巖開挖卸荷過程中壓力傳感器5準確測量卸荷過程中圍巖的相關力學參數，并通過計算機8實時監測、記錄。需要說明的是，T形槽431的豎槽向一側的延伸方向與卸荷桿43從一端至另一端的方向(即圖4所示的“卸荷”方向)相反，如此，在拉拔卸荷桿43時，支撐桿41只能朝著與“卸荷”方向相反的方向轉動，從而在模擬巷道開挖卸荷的初始階段，便于通過固定卸荷桿43以固定支撐桿41，使支撐桿41的軸線垂直預制巷道6的軸線(卸荷桿43的軸線)；在拉拔卸荷桿43時避免支撐桿41與卸荷桿43接觸，使模擬巷道圍巖開挖卸荷過程更加準確。
[0033]本發明還提供一種巷道開挖卸荷模擬試驗方法，應用上述的巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，包括以下步驟:
[0034]步驟一、制備試樣2，試樣2中開設預制巷道6，確保預制巷道6的尺寸與固定板3的尺寸相匹配；
[0035]步驟二、將制備好的試樣2放置于下承壓板11上，并將側承壓板12和上承壓板13貼合試樣2的外表面，以使下承壓板11、側承壓板12和上承壓板13共同包裹試樣2;
[0036]步驟三、將固定板3放置于試樣2中的預制巷道6內，將支撐桿41的另一端插入固定板3的凹槽31中以與凹槽31活動連接，支撐桿41的另一端緊貼壓力傳感器5，保持支撐桿41的軸線與預制巷道6的軸線垂直；
[0037]步驟四、計算機8控制加載端對側承壓板12、上承壓板13分別施加側向應力和軸向應力，直至壓力傳感器5監測到的應力值達到試驗要求；
[0038]步驟五、保持側向應力和軸向應力為定值，拉拔卸荷桿43的另一端使卸荷桿43沿卸荷桿43的軸向保持一定速率向外被拉出，使支撐桿41逐漸傾斜以達到卸荷目的，通過計算機8實時監測、記錄壓力傳感器5的應力值。
[0039]步驟六、試驗結束后，將計算機8中的數據保存使用。
[0040]本實施例中的上述巷道開挖卸荷模擬試驗方法，模擬巷道圍巖開挖卸荷過程中不會對圍巖造成明顯的附加擾動，通過控制卸荷桿43的軸向移動速率實現分級卸荷，來精確控制圍巖的卸荷速率，卸荷桿43的軸向移動過程中帶動支撐桿41的轉動，使支撐桿41與豎直平面形成一定夾角，使巷道圍巖支護強度定量減小，精確控制圍巖的卸荷量，有利于觀察、記錄卸荷速率、卸荷量與圍巖變形破壞特征之間的關系。在卸荷過程中壓力傳感器5準確測量卸荷過程中圍巖的相關力學參數，在上述的分級卸荷過程中，基于壓力傳感器5記錄不同階段巷道圍巖的應力值，可分析卸荷過程中圍巖應力的變化特征。
[0041]當然，上述說明并非是對本發明的限制，本發明也并不僅限于上述舉例，本技術領域的技術人員在本發明的實質范圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，其特征在于:包括承壓板、試樣、固定板、壓力傳感器、支撐桿、卸荷桿、加載端和計算機，承壓板包括下承壓板、側承壓板和上承壓板，下承壓板、側承壓板和上承壓板共同包裹試樣，試樣內開設有預制巷道，沿預制巷道的外表面鋪設有固定板，固定板上開設有凹槽，凹槽內設置有壓力傳感器，壓力傳感器與計算機信號連接，支撐桿的一端與卸荷桿的一端鉸接，支撐桿的另一端與凹槽活動連接且支撐桿的另一端緊貼壓力傳感器，加載端作用于側承壓板、上承壓板且加載端與計算機信號連接。2.根據權利要求1所述的巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，其特征在于:支撐桿的一端固定連接有鉸接桿，卸荷桿的一端上開設有包括橫槽和豎槽的T形槽，橫槽向兩側的延伸方向與卸荷桿的軸線方向垂直，豎槽向一側的延伸方向與卸荷桿的軸線方向平行，鉸接桿的兩端分別與T形槽的橫槽的兩端鉸接，支撐桿可沿著豎槽向一側的延伸方向轉動。3.根據權利要求2所述的巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，其特征在于:豎槽向一側的延伸方向與卸荷桿從一端至另一端的方向相反。4.根據權利要求1至3任一項所述的巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，其特征在于:支撐桿為四根，固定板為四塊，四根支撐桿的一端分別與卸荷桿的一端鉸接，四根支撐桿的另一端分別與四塊固定板上的凹槽活動連接。5.根據權利要求1至3任一項所述的巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，其特征在于:卸荷桿的一端固定連接有安裝端，支撐桿的一端與安裝端鉸接。6.根據權利要求1至3任一項所述的巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，其特征在于:固定板上于固定板的中間位置開設有凹槽。7.根據權利要求1至3任一項所述的巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，其特征在于:預制巷道的形狀輪廓為圓筒形，固定板的形狀為與圓筒形預制巷道的外表面相貼合的弧形。8.根據權利要求1至3任一項所述的巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，其特征在于:支撐桿和卸荷桿由高強度鋼材制成。9.根據權利要求1至3任一項所述的巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，其特征在于:承壓板由實心鋼板制成。10.—種巷道開挖卸荷模擬試驗方法，應用權利要求1至9任一項所述的巷道開挖卸荷模擬試驗裝置，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、制備試樣，試樣中開設預制巷道，確保預制巷道的尺寸與固定板的尺寸相匹配； 步驟二、將制備好的試樣放置于下承壓板上，并將側承壓板和上承壓板貼合試樣的外表面，以使下承壓板、側承壓板和上承壓板共同包裹試樣； 步驟三、將固定板放置于試樣中的預制巷道內，將支撐桿的另一端插入固定板的凹槽中以與凹槽活動連接且支撐桿的另一端緊貼壓力傳感器，保持支撐桿的軸線與預制巷道的軸線垂直； 步驟四、計算機控制加載端對側承壓板、上承壓板分別施加側向應力和軸向應力，直至壓力傳感器監測到的應力值達到試驗要求； 步驟五、保持側向應力和軸向應力為定值，拉拔卸荷桿的另一端使卸荷桿沿卸荷桿的軸向保持一定速率向外被拉出，使支撐桿逐漸傾斜以達到卸荷目的，通過計算機實時監測、記錄壓力傳感器的應力值。
【文檔編號】G09B25/02GK105931558SQ201610551010
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月13日
【發明人】郭偉耀, 譚云亮, 趙同彬, 于鳳海, 胡善超, 顧東東, 郭磊
【申請人】山東科技大學