巖溶隧道防突巖盤失穩破壞模型試驗系統及其試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種圍巖破壞模型試驗系統及試驗方法，特別是一種巖溶隧道防突巖盤失穩破壞模型試驗系統及其試驗方法。
【背景技術】
[0002]隨著我國大型地下工程的建設，突水災害對工程建設帶來了巨大的安全隱患和經濟損失，因而地下工程突水問題已經得到了越來越多的重視。其中一種常見的情況是，地下空間開挖后，圍巖后側的承壓水使圍巖遭到破壞從而引發突水災害。地下空間和承壓水之間的巖體相當于防突巖盤，防突巖盤在所處地應力狀態和后側水壓力的共同作用下能否保持穩定成為突水災害是否發生的關鍵，同時，對防突巖盤在地應力和水壓力共同作用下的變形及破壞特征的研究對于地下工程突水災害的預測和防治都有非常重要的指導作用。
[0003]申請號為CN200810031466的發明專利和《巖石力學與工程學報》第28卷第7期《深部開采承壓突水機制相似物理模型試驗系統研制及應用》介紹了一種水下開采頂板滲流突水試驗方法及裝置，但該裝置在考慮流固耦合的情況下只能單獨考慮類巖石模型在水平向荷載和水壓力的共同作用而不能對試驗模型施加豎直荷載。
[0004]申請號為CN201510018120的發明專利和申請號為CN201520026035的實用新型專利介紹了一種深埋隧道突水災害二維物理模擬試驗系統及其試驗方法，試驗系統實現了深埋隧道滲流、突水過程中圍巖破裂演化特征的可視性，但該試驗系統只能對模型的豎向進行加載而不能對模型的水平方向加載。
[0005]申請號為CN201510179803的發明專利和申請號為CN201520229367的實用新型專利介紹了一種模擬隧道突水的可視化模型試驗裝置及方法，專利通過巖石相似材料和高壓水栗研究了不同水壓、不同巖性、不同防突巖體厚度下突水過程中防突巖體裂紋擴展和突水通道形成過程，但是這種專利和方法無法對類巖石材料施加荷載，因而不能模擬自然巖體所處的應力環境。
[0006]上述已有專利對地下工程突水問題的研究一方面側重于研究滲流過程中滲流通道的形成及圍巖涌突水過程，而缺乏對地應力和承壓水耦合作用下防突巖盤結構性失穩破壞的研究，另一方面，已有專利不能對模型施加荷載或者只能對模型施加一個方向的主動荷載，這與地下工程開挖后圍巖處于兩向應力狀態的工程實際是不符的。另外，已有的專利設計中模型的體量都非常大，試驗模型的鋪設過程復雜，造價昂貴，費力費時，試驗效率較低，而且試驗監測技術不夠精準。
【發明內容】
[0007]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種巖溶隧道防突巖盤失穩破壞模型試驗系統及其試驗方法，能夠實現模擬地下工程圍巖中防突巖盤在地應力和水壓力作用下的變形破壞特征。
[0008]為實現上述目的，本發明的技術方案如下:巖溶隧道防突巖盤失穩破壞模型試驗系統包括基座(I)、圓形承載架(2)、分離組合式均布加載裝置(3)、承載臺(4)、電液伺服控制作動器(5)、電液伺服控制箱(6)、三維數字照相裝置(7)、三維聲發射裝置(8)、試驗模型(9)、千斤頂(10)和承載板(11);圓形承載架(2)安裝在基座(I)上，在圓形承載架(2)上連接有分離組合式均布加載裝置(3)和承載臺(4)，分離組合式均布加載裝置(3)與承載臺(4)構成四方形承載室，承載臺(4)位于下端，分離組合式均布加載裝置(3)位于上端和左右兩端并由千斤頂(10)和承載板(11)組成，在承載室內側有電液伺服控制作動器(5)，電液伺服控制作動器(5)利用自身千斤頂(10)部分施加荷載，承載板(11)構成試驗容器，在試驗容器內有試驗模型(9);在試驗模型上粘貼聲發射探頭并連接三維聲發射裝置(8)，電液伺服控制箱(6)的控制線與分離組合式均布加載裝置(3)和電液伺服控制作動器(5)連接，在試驗容器的前面有三維數字照相裝置(7)。
[0009]巖溶隧道防突巖盤失穩破壞模型試驗系統及其試驗方法，包括以下試驗步驟:
[0010]I)根據實際中巖溶隧道的防突巖盤性質，按照試驗具體要求制作試驗模型，模型的尺寸應略大于加載板的尺寸，并對模型的上下和左右四個側面進行處理，以達到增大表面摩擦力的目的；
[0011]2)將試驗模型放在承載臺上并與承載臺邊界對齊，在模型的前后兩個表面分別至少粘貼兩個聲發射探頭，并調試三維數字照相裝置圖像清晰，三維聲發射裝置使用正常，并開始啟動三維數字照相裝置和三維聲發射裝置；
[0012]3)之后通過控制電液伺服控制箱利用分離組合式均布加載裝置對試驗模型水平和豎直方向進行加載，根據工程實際中地應力大小和試驗設計，加載至預定荷載；
[0013]4)再利用電液伺服控制箱啟動電液伺服控制作動器，根據實際巖溶隧道中水壓力的大小和試驗設計對試驗模型進行加載；
[0014]5)在對試驗模型加載過程中，三位數字照相裝置和三維聲發射裝置不間斷的采集圖像和數據，實時監測試驗模型在加載過程中模型表面的三維空間變形以及三維聲發射信息。
[0015]有益效果，由于采用了上述方案，分離組合式加載裝置由兩到三個千斤頂和一個加載板組成，分離組合式加載裝置和電液伺服控制作動器均由電液伺服控制箱控制，另外，分離組合式均布加載裝置的加載板和試驗模型的加載面要進行增加摩擦處理，達到增加承載板和試驗模型之間摩擦力的處理。所述試驗系統針對的試驗模型的形狀是與加載板尺寸相匹配的矩形，利用試驗模型代表巖溶隧道中的防突巖盤；通過電液伺服控制箱控制試驗模型左右兩側和上側的分離組合式均布加載裝置實現模型水平和豎直方向加載，分別模擬真實巖體中的水平和豎向應力，圓形承載架用于承受模型加載過程中產生的支承反力；再通過電液伺服控制箱控制試驗模型正后方的電液伺服控制作動器沿軸向對試驗模型施加荷載，用來模擬真實巖溶隧道中防突巖盤后側的水壓荷載。加載過程中利用三維數字照相裝置和三維聲發射裝置監測試樣模型表面的三維空間變形以及三維聲發射信息。
[0016]圓形承載架是外圓內方的設計使承載架中的應力分布更加均勻；所述分離組合式均布加載裝置由一個加載板連接兩到三個千斤頂構成，目的是使加載過程中試驗模型加載面上受力更加均勻，另外，分離組合式均布加載裝置共有三個，它們均可以單獨對試樣模型進行加載。
[0017]電液伺服控制作動器的加載端頭中內置有相應的傳感器，可以實時監測并記錄電液伺服控制作動器對試驗模型施加的荷載以及端頭的位移量。
[0018]試驗模型是代表巖溶隧道中防突巖盤的巖體模型，試驗模型的形狀為矩形，但其尺寸可是變化的，只要比分離組合式均布加載裝置中加載板的尺寸略大即可。同時，試驗模型能夠模擬的巖體類型也是多樣的，比如堅硬致密巖體、松散巖體、完整巖體、含缺陷巖體等。
[0019]分離組合式均布加載裝置的加載板和試驗模型的加載面要進行增加摩擦處理，達到增加加載板和試驗模型之間摩擦力的目的，而且這種處理方式并不是唯一的，比如對試驗模型可以在要加載的表面涂一層環氧樹脂和砂的混合物，對加載板可以進行噴砂、拋丸等工藝進行處理。
[0020]三維數字照相裝置在試驗過程中對試驗模型表面全程攝像，與普通數字照相相比三維數字照相技術可實現對試驗模型三維空間位移場進行全程監測分析。所述三維聲發射裝置通過在模型前后表面分別粘貼至少兩個聲發射探頭，在實驗過程中全程記錄試驗模型的聲發射特征并進行聲發射定位。
[0021]優點:本發明能夠實現對模型進行獨立的水平和豎直加載，模擬防突巖盤所處的工程應力環境；試驗模型可以提前預制，提高了試驗效率，節約了試驗的經濟和時間成本；同時采用了更為先進的三維數字照相技術和三維聲發射技術作為監測手段，增加了試驗結果的精確性。
【附圖說明】
[0022]圖1巖溶隧道防突巖盤失穩破壞模型試驗系統示意圖。
[0023]圖2圓形承載架示意圖。
[0024]圖3分離組合式均布加載裝置示意圖。
[0025]圖4巖溶隧道防突巖盤失穩破壞模型試驗系統剖面圖(部分)。
[0026]圖中，1、基座；2、圓形承載架；3、分離組合式均布加載裝置；4、承載臺；5、電液伺服控制作動器；6、電液伺服控制箱；7、三維數字照相裝置；8、三維聲發射裝置；9、試驗模型；10、千斤頂；11、承載板。
【具體實施方式】
[0027]巖溶隧道防突巖盤失穩破壞模型試驗系統包括基座1、圓形承載架2、分離組合式均布加載裝置3、承載臺4、電液伺服控制作動器5、電液伺服控制箱6、三維數字照相裝置7、三維聲發射裝置8、試驗模型9、千斤頂10和承載板11 ;圓形承載架2安裝在基座I上，在圓形承載架2上連接有分離組合式均布加載裝置3和承載臺4，分離組合式均布加載裝置3與承載臺4構成四方形承載室，承載臺4位于下端，分離組合式均布加載裝置3位于上端和左右兩端并由千斤頂10和承載板11組成，在承載室內側有電液伺服控制作動器5，電液伺服控制作動器5利用自身千斤頂10部分施加荷載，承載板11構成試驗容器，在試驗容器內有試驗模型9 ;在試驗模型上粘貼聲發射探頭并連接三維聲發射裝置8，電液伺服控制箱6的控制線與分離組合式均布加載裝置3和電液伺服控制作動器5連接，在試驗容器的前面有三維數字照相裝置7。
[0028]巖溶隧道防突巖盤失穩破壞模型試驗系統及其試驗方法，包括以下試驗步驟:
[0029]I)根據實際中巖溶隧道的防突巖盤性質，按照試驗具體要求制作試驗模型，模型的尺寸應略大于加載板的尺寸，并對模型的上下