復(fù)雜條件下巖土體硐室開挖與圍巖應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測模型試驗裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種監(jiān)測模型試驗裝置，尤其涉及一種地下工程建設(shè)過程中，高壓、高溫等復(fù)雜條件下室內(nèi)模擬巖土體硐室開挖過程與并實時監(jiān)測圍巖應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律的試驗裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，硐室的開挖數(shù)量與日俱增。在交通運輸領(lǐng)域，我國中西部地區(qū)大量特長、深埋以及地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道的建設(shè)；在水利水電領(lǐng)域，大跨度水工隧道和大斷面、高邊墻地下廠房的建設(shè)；在采礦領(lǐng)域，深部礦藏的開采中地下礦井巷道的建設(shè)；在市政建設(shè)領(lǐng)域，深部地鐵隧道和地下立體交通樞紐的建設(shè)；在廢物處置領(lǐng)域，防輻射地下實驗室、核廢料地下處置庫的建設(shè)。硐室圍巖是指硐室周圍，由于人工硐室的開挖而引起一定范圍內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變重新調(diào)整達到新的平衡狀態(tài)的巖體。硐室開挖后，圍巖應(yīng)力、應(yīng)變演變規(guī)律直接關(guān)系硐室圍巖的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)巖土工程的設(shè)計和施工是根據(jù)施工經(jīng)驗來進行。當開挖活動是在小規(guī)模范圍和接近地表的深度上進行時，經(jīng)驗類比法往往是有效的。但是隨著開挖規(guī)模的不斷加大和不斷向深部地層發(fā)展，經(jīng)驗類比法越來越失去作用。硐室的高地應(yīng)力、復(fù)雜地質(zhì)條件極易誘發(fā)坍塌、失穩(wěn)、巖爆或者其它破壞形式。因此，研制特種試驗設(shè)備，剖析復(fù)雜條件下硐室開挖過程中或溫濕度變化后圍巖應(yīng)力、應(yīng)變演變規(guī)律異常重要，相關(guān)結(jié)論可為硐室設(shè)計和施工提供科學的決策依據(jù)，也能為硐室圍巖地質(zhì)災(zāi)害防治提供理論基礎(chǔ)。
[0003]目前，針對硐室圍巖應(yīng)力監(jiān)測，都是在硐室開挖完成后，將光彈應(yīng)力計、鋼弦壓力盒粘結(jié)在圍巖壁上或者將錨桿測力計送入鉆孔內(nèi)錨固或者是將壓力枕(囊)放入鑿好的圍巖壁狹縫中，并緊密接觸，從而獲得硐室開挖后圍巖的應(yīng)力大小與分布情況。
[0004]由開挖引起的圍巖應(yīng)變可分為表面應(yīng)變和域內(nèi)應(yīng)變。而針對硐室圍巖應(yīng)變監(jiān)測，都是在硐室開挖完成后，采用電阻應(yīng)變片法、光彈應(yīng)變計法、鋼弦應(yīng)變計法和千分表法等進行量測。在圍巖應(yīng)變量測中常用的是電阻應(yīng)變片法和千分表法，其中前者對量測表面應(yīng)變和域內(nèi)應(yīng)變都適用，后者僅適用于量測表面應(yīng)變，但用于量測域內(nèi)應(yīng)變的主要是錨桿量測法。
[0005]目前，無論采用何種監(jiān)測工具實施圍巖應(yīng)力監(jiān)測，均會對圍巖造成二次擾動，硐室圍巖應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測手段都未能完整監(jiān)測硐室圍巖在不同開挖方式下應(yīng)力、應(yīng)變重新調(diào)整直至到達新平衡的過程?，F(xiàn)有的硐室圍巖應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測模型試驗裝置未能有效的模擬巖土體的真實受力情況，特別是復(fù)雜應(yīng)力條件下的硐室開挖。故此，相對更為精準的試驗裝備亟待設(shè)計研發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有硐室圍巖應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測手段以及現(xiàn)有模型試驗裝置的技術(shù)缺點與不足，提供一種高壓、高溫等復(fù)雜條件下巖土體硐室開挖或硐室溫濕度變化過程中圍巖應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測模型試驗裝置及其方法。
[0007]其一是本模型試驗裝置拆裝靈活，可根據(jù)所需模擬的巖土體實際工況，采用不同的實驗材料在試驗裝置主腔體內(nèi)構(gòu)建相似模型，并在開挖前布設(shè)應(yīng)力、應(yīng)變及位移等力學行為參數(shù)監(jiān)測傳感器，傳感器外接數(shù)據(jù)采集裝置并通過微型計算機采集數(shù)據(jù)。
[0008]其二是本模型試驗裝置能夠準確模擬巖土體所受真實的三向應(yīng)力狀態(tài)，在硐室開挖過程中，完整監(jiān)測并記錄硐室圍巖應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律。這能為硐室的設(shè)計和施工提供科學的決策依據(jù)。
[0009]其三是本模型試驗裝置能夠準確模擬巖土體硐室開挖后，硐室內(nèi)溫濕度變化過程中硐室圍巖應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律；亦可通過開挖前預(yù)先埋置傳感器監(jiān)測硐室內(nèi)化學元素的遷移規(guī)律(如乏燃料地下處置庫中核素遷移規(guī)律的模型試驗)，通過上述模型試驗可為硐室運營過程的服役效能評價提供科學的決策依據(jù)。
[0010]其四是本模型試驗裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在不同性質(zhì)巖土體中，采用不同施工方法進行各種斷面形式的硐室開挖。這有利于我們在不同性質(zhì)巖土體硐室開挖中選擇合理、安全和高效的施工方法。
[0011]本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，一種復(fù)雜條件下巖土體硐室開挖與圍巖應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測模型試驗裝置，它包括基座、L形立柱、反力器、水平壓力器、豎向壓力器、壓力板、巖土體試樣、承壓、鋼弦壓力盒、電阻應(yīng)變片，其特征在于:基座的上表面四角固定有橫截面為L形的四根立柱，相鄰的L形立柱之間設(shè)有壓力板形成長方體空腔，長方體空腔內(nèi)裝填巖土體試樣，長方體空腔相鄰的兩個壓力板上通過承壓板連接水平壓力器，長方體空腔相鄰的另兩個壓力板上連接反力器，所述長方體空腔的頂端設(shè)有壓力板，壓力板上設(shè)有承壓板，承壓板上連接豎向壓力器，在硐室掘進面一側(cè)的壓力板上預(yù)留有后期硐室的開挖斷面，裝填巖土體試樣的同時在硐室斷面周圍巖土體中布置鋼弦壓力盒、電阻應(yīng)變片或其它物理力學性能監(jiān)測傳感器。
[0012]根據(jù)硐室圍巖的巖土體特性、結(jié)構(gòu)特征以及工程地質(zhì)力學特性建立地質(zhì)模型，并概括為試驗室數(shù)學模型，然后用相似材料建立硐室圍巖的物理模型；進一步在試樣正立面和側(cè)立面上施加兩個一定的相互垂直均布荷載，在試樣頂部施加一定的均布荷載，即可模擬硐室所處位置的真實自重應(yīng)力場，使試樣能夠真實模擬硐室圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)；根據(jù)試驗設(shè)計采用可隨意切換硐室斷面形式的壓力板，結(jié)合配套的開挖工具進行不同施工方法的硐室開挖；并在硐室開挖斷面周圍布設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)，從而獲取硐室開挖過程中硐室圍巖應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)效果是:1、本模型試驗裝置能真實模擬硐室所在位置所受的三向應(yīng)力狀態(tài)，還能根據(jù)試驗需求自行確定巖土體試樣復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài)，能夠貼近工程實際；
2、本模型試驗裝置能完整準確的反映出復(fù)雜應(yīng)力條件下巖土體硐室開挖時，硐室圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律，能夠為硐室的設(shè)計和施工提供科學的決策，也能為硐室建設(shè)中的地質(zhì)災(zāi)害防治提供理論依據(jù)。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的俯視圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的剖面圖。
[0016]在圖中，I一基座；2 — L形立柱；3—反力器；4一水平壓力器；5—豎向壓力器；6—壓力板；7—巖土體試樣；8—承壓板；9一鋼弦壓力盒；10—電阻應(yīng)變片；11一鉆進面；12—數(shù)據(jù)采集器。
【具體實施方式】
[0017]如圖1、2所示，本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，一種復(fù)雜條件下巖土體硐室開挖與圍巖應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測模型試驗裝置，基座I的上表面固定豎直設(shè)有具有間距的四根L形立柱2，相鄰的L形立柱2之間設(shè)有壓力板3形成長方體空腔，長方體空腔內(nèi)裝填巖土體試樣7，長方體空腔相鄰的兩個壓力板6上通過承壓板8連接水平壓力器4，長方體空腔相鄰的另兩個壓力板上連接反力器3，所述長方體空腔的頂端設(shè)有壓力板，壓力板上設(shè)有承壓板，承壓板上連接豎向壓力器5，在