本發(fā)明涉及巖爆發(fā)生規(guī)律的研究，具體涉及一種用于模擬深埋硐室?guī)r爆的試驗裝置及方法。

背景技術：

巖爆是深埋地下工程施工中常見的動力破壞現(xiàn)象，當巖體中聚積的高彈性應變能大于巖石破壞所消耗的能量時，導致巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象，常伴有巖體拋出、巨響及氣浪等現(xiàn)象。巖爆往往造成開挖工作面的嚴重破壞、設備損壞和人員傷亡等問題，已成為巖石地下工程和巖石力學領域的世界性難題。

對于巖爆發(fā)生的原因，普遍的觀點如下：（1）、巖體內儲存著很大的應變能，且該部分能量超過了巖石自身的強度；（2）、圍巖為新鮮完整、裂隙極少或僅有隱裂隙，且具有較高的脆性和彈性的堅硬巖石；（3）、埋深大、地下水少，易發(fā)生在開挖斷面變化造成局部應力集中的地帶。應當指出的是，前兩個條件為地下工程的自然條件，第三個條件是地下工程施工引起的應力卸載和重分布。總結上述條件，發(fā)現(xiàn)當?shù)叵鹿こ烫幱谟矌r-高應力-卸載（或擾動）時，巖爆發(fā)生的概率會急劇增大。

為了模擬巖爆的發(fā)生，探索巖爆產生和發(fā)展的規(guī)律，國內外很多學者研制了各種地質力學模型試驗系統(tǒng)。針對以往彈簧加載系統(tǒng)和油-氣復合加載系統(tǒng)中彈性能量補充不足的現(xiàn)象，申請?zhí)枮?01310425911.4的發(fā)明專利，公布了深埋隧洞巖爆簡易模擬試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過反力架絲杠回彈加載，克服了上述方法的缺點；申請?zhí)枮?01310336255.0的發(fā)明專利，針對以往試驗系統(tǒng)無法模擬巖爆真實邊界條件的缺點，提出了真三軸巖爆物理模擬試驗系統(tǒng)。上述設備的研制和改進，促進了巖爆問題的研究。但上述方法存在一個共同的缺點，不能真實的模擬巖爆發(fā)生前圍巖應力的快速卸載。巖爆作為一種劇烈的巖石動力破壞現(xiàn)象，相鄰硐室的爆破掘進易誘發(fā)巖爆的發(fā)生，因此，研制一種“突然卸載”時巖爆發(fā)生的模擬試驗裝置是非常有必要的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于模擬深埋硐室?guī)r爆的試驗裝置及方法，該裝置能夠真實模擬巖爆發(fā)生時圍巖應力快速卸載。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案為：一種用于模擬深埋硐室?guī)r爆的試驗裝置，該裝置包括彈性加載裝置、試驗架、試驗模型以及約束裝置，試驗模型的中心開挖有呈一定形狀的硐室模型，所述的約束裝置由u型約束板以及連接在u型約束板相對兩個裸露端的兩個插板組成，試驗模型置于約束裝置內，且試驗模型與約束裝置的內壁之間填充有注漿介質；所述的約束裝置置于試驗架底部，約束裝置的頂部設有加載平臺，試驗架頂部設有與加載平臺對應設置的千斤頂，彈性加載裝置設在加載平臺與千斤頂之間，所述的彈性加載裝置包括彈簧和套設在彈簧上的碟形彈簧片，每兩個碟形彈簧片相對設置，使每兩個碟形彈簧片形成一組呈橢球形的彈性體，當千斤頂下壓通過彈性加載裝置和加載平臺向試驗模型施加壓力到一定程度時，某組彈性體內的其中一個碟形彈簧片會發(fā)送相對翻轉，實現(xiàn)試驗模型的圍巖應力卸載。

其中，彈性體至少為五組，每組彈性體的中心與設置為張緊狀態(tài)的彈簧連接，且處于上端和下端的彈性體中的碟形彈簧片與彈簧的上下兩端分別對應固定連接。

本發(fā)明中，試驗模型由石膏和云母澆筑而成。

其中，u型約束板由底板以及連接在底板相對兩個側邊的兩個側板組成，底板的邊緣設有用于插接兩個側板的插接槽；兩個側板的邊緣上設有供兩個插板連接的插接槽。

其中，u型約束板和兩個插板上均設有注漿孔。

其中，試驗架包括均為水平設置的上承臺和下承臺，下承臺置于上承臺下方，且上承臺和下承臺之間連接有縱向絲杠，位于上承臺上下兩側以及位于下承臺上下兩側的縱向絲杠上均安裝有固定螺栓。

其中，彈性加載裝置中最下端的碟形彈簧片固定在加載平臺上，加載平臺的尺寸小于約束裝置的橫截斷面的尺寸。

一種利用上述的用于模擬深埋硐室?guī)r爆的試驗裝置的方法，包括以下步驟：

步驟一、制作呈與約束裝置內部形狀相匹配的試驗模型，試驗模型的中心預留有貫通其相對兩側壁的硐室模型，硐室模型與u型約束板的底壁平行設置，將u型約束板和兩個插板組裝成約束裝置，在約束裝置內放入預制的試驗模型，并向試驗模型的外壁與約束裝置的內壁之間填充注漿介質，將該約束裝置置于試驗架上；

步驟二、將約束裝置上放置加載平臺和彈性加載裝置，通過千斤頂下壓彈性加載裝置，當彈性加載裝置中的碟形彈簧片突然翻轉后，觀察試驗模型的爆裂情況。

本發(fā)明中，步驟一中，將試驗模型旋轉一定角度，使硐室模型與u型約束板的底壁呈一定夾角，用于模擬不同應力方向下巖爆的發(fā)生。

本發(fā)明中，步驟一替換為去除插板，且將試驗模型的側壁設置為一定弧度，用于模擬不同臨近硐室情況下巖爆的發(fā)生。本發(fā)明可模擬硐室群巖爆的發(fā)生，也可模擬不同應力方向下巖爆的發(fā)生。

本發(fā)明采用彈性加載裝置的原理在于，地下工程發(fā)生巖爆的一個重要條件是“突然卸載”，在高應力模擬方面采用了千斤頂和碟形彈簧片組合加載的方式，碟形彈簧片在將荷載傳遞給試件的同時，本身也蓄積了大量的彈性能，當彈性能蓄積到一定程度時，碟形彈簧片的突然翻轉實現(xiàn)了“突然卸載”的巖爆條件。

有益效果：對于巖爆的產生，普遍的觀點認為：高應力、硬巖和擾動是巖爆發(fā)生的條件；本發(fā)明通過一種可以發(fā)生“突然翻轉”的碟形彈簧片作為彈性加載體，當試驗模型被加載到一定應力條件時，碟形彈簧片的變形也達到臨界位移，再施加一定荷載后，相對設置呈橢球形的兩個碟形彈簧片中的某一片會發(fā)生翻轉，造成彈簧的極速卸載，從而滿足巖爆發(fā)生的條件，同時本發(fā)明還可以根據(jù)試件強度，調整碟形彈簧片的剛度，以滿足不同圍巖下巖爆規(guī)律的研究。本發(fā)明裝置結構簡單、試驗操作方便，有助于巖爆工程試驗和理論的發(fā)展。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的示意圖；

圖2為圖1的右側方向視圖；

圖3為約束裝置的示意圖；

圖4為圖3的俯視圖；

圖5為模擬不同應力方向下巖爆的示意圖；

圖6為碟形彈簧片工作原理圖。

附圖標記：1、試驗架，2、u型約束板，20、底板，21、側板，3、插板，4、硐室模型，5、加載平臺，6、千斤頂，7、彈簧，8、碟形彈簧片，9、彈性體，10、插接槽，11、注漿孔，12、上承臺，13、下承臺，14、縱向絲杠，15、固定螺栓，16、試驗模型，17、中心孔。

具體實施方式

為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征以及達成的目的便于理解，下面結合具體示意圖，進一步闡述本發(fā)明內容，但本發(fā)明所要求保護的范圍并不局限于具體實施方式中所描述的范圍。

一種用于模擬深埋硐室?guī)r爆的試驗裝置，如圖1和圖2所示，該裝置包括彈性加載裝置、試驗架1、試驗模型16以及約束裝置，試驗模型16的中心開挖有呈一定形狀的硐室模型4，試驗架1包括均為水平設置的上承臺12和下承臺13，下承臺13置于上承臺12下方，且上承臺12和下承臺13之間連接有縱向絲杠14，位于上承臺12上下兩側以及位于下承臺13上下兩側的縱向絲杠14上均安裝有固定螺栓15。

如圖3和圖4所示，約束裝置由u型約束板2以及連接在u型約束板2相對兩個裸露端的兩個插板3組成，試驗模型16置于約束裝置內，且試驗模型16與約束裝置的內壁之間填充滿注漿介質，其中，試驗模型16由石膏和云母通過澆筑而成。u型約束板2和兩個插板3上均設有用于向約束裝置內部注漿的注漿孔。

u型約束板2的兩個相對設置的側壁邊緣以及u型約束板2底部的邊緣設有用于插接插板3的插接槽。其中，u型約束板2由底板20以及連接在底板20相對兩個側邊的兩個側板21組成，底板20的邊緣設有用于插接兩個插板3的插接槽；兩個側板21的邊緣上設有供兩個插板3連接的插接槽。

本發(fā)明中，約束裝置置于試驗架1底部，約束裝置的頂部設有加載平臺5，試驗架1頂部設有與加載平臺5對應設置的千斤頂6，彈性加載裝置設在加載平臺5與千斤頂6之間，所述的彈性加載裝置包括彈簧7和套設在彈簧7上的碟形彈簧片8。

每兩個碟形彈簧片8相對設置，使每兩個碟形彈簧片8形成一組呈橢球形的彈性體9，當千斤頂6下壓通過彈性加載裝置和加載平臺5向試驗模型16施加壓力到一定程度時，某組彈性體9內的其中一個碟形彈簧片8會發(fā)送相對翻轉，實現(xiàn)試驗模型16的圍巖應力卸載。彈性加載裝置中最下端的碟形彈簧片8固定在加載平臺5上，加載平臺5的尺寸小于約束裝置的橫截斷面的尺寸。優(yōu)選的，彈性體9至少為五組，每組彈性體9的中心與設置為張緊狀態(tài)的彈簧7連接，碟形彈簧片8的中心設有用于穿設在彈簧7上的中心孔17，且處于上端和下端的彈性體9中的碟形彈簧片8與彈簧7的上下兩端分別對應固定連接。

一種用于模擬深埋硐室?guī)r爆的試驗裝置的方法，包括以下步驟：

步驟一、制作呈與約束裝置內部形狀相匹配的試驗模型16，試驗模型16的中心預留有貫通其相對兩側壁的硐室模型4，將u型約束板2和兩個插板3組裝成約束裝置，在約束裝置內放入預制的試驗模型16，并向試驗模型16的外壁與約束裝置的內壁之間填充注漿介質，將該約束裝置置于試驗架1上；在具體實施時，硐室模型4可以呈圓柱形、方形等形狀，在本發(fā)明的附圖中僅僅列舉了硐室模型4呈底部為方形，上部為弧形結構的形狀，在模擬豎直向下的方向的應力時，硐室模型4的底壁與u型約束板2的底壁平行設置；

步驟二、將約束裝置上放置加載平臺5和彈性加載裝置，通過千斤頂6下壓彈性加載裝置，當彈性加載裝置中的碟形彈簧片8突然翻轉后，觀察試驗模型16的爆裂情況。其中，碟形彈簧片8翻轉過程如圖6所示。

本發(fā)明中，步驟一中，將試驗模型16旋轉一定角度，使硐室模型4的底壁與u型約束板2的底壁即底板20所在的平面呈一定夾角（見圖5中標記的α），用于模擬不同應力方向下巖爆的發(fā)生。

本發(fā)明中，還可以將步驟一替換為去除插板，將澆筑的石膏模型打磨成一定的形狀，使試驗模型16的側壁設置呈一定弧度，如圖5所示，用于模擬不同臨近硐室情況下巖爆的發(fā)生。

本發(fā)明利用碟形彈簧片特殊的變形特性，在對試驗模型加載到一定條件時突然卸載，滿足巖爆發(fā)生的條件；本發(fā)明還可以根據(jù)試驗模型強度調整碟形彈簧剛度，從而更系統(tǒng)研究巖爆發(fā)生的規(guī)律，可模擬硐室群巖爆的發(fā)生，也可模擬不同應力方向下巖爆的發(fā)生。