一種對(duì)深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測(cè)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(duì)深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及 響應(yīng)的模擬測(cè)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(guó)家戰(zhàn)略能源 儲(chǔ)備和國(guó)家戰(zhàn)略防護(hù)工程等領(lǐng)域，事關(guān)國(guó)家安全和國(guó)計(jì)民生。超過(guò)1〇〇〇米深的地下工程施 工和遭受爆炸地沖擊擾動(dòng)，形成在高地應(yīng)力作用下的"一高兩擾動(dòng)"（高地應(yīng)力、開(kāi)挖卸荷擾 動(dòng)、爆炸地沖擊擾動(dòng))特征，出現(xiàn)的靜、動(dòng)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(wú)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(lái)的災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治困難，成為國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者爭(zhēng) 相研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。深部"一高兩擾動(dòng)"特征科學(xué)現(xiàn)象是亟待突破的重大科學(xué)問(wèn)題。
[0003] 深部巖體"一高二擾動(dòng)"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(wèn)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(dòng)靜變形疊加、時(shí)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(wèn)題。現(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(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)受施工影響周期長(zhǎng)，目前對(duì)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(kāi)挖擾動(dòng)和爆炸擾動(dòng)模擬的對(duì)深部 巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測(cè)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(dòng)的初始計(jì)算
[0007] 根據(jù)深部巖體工程設(shè)定的埋深h、開(kāi)挖直徑d、開(kāi)挖速度V和引起爆炸擾動(dòng)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(dòng)發(fā)生在非彈性變形區(qū)時(shí)，且 所述三角形脈沖載荷上升沿時(shí)間為tr、三角形脈沖載荷的脈沖周期為\時(shí)，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(duì)于試件的各模擬量
[0012]所述模擬量包括:在所述試件上開(kāi)挖模擬隧道的直徑ds、開(kāi)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(duì)應(yīng)于峰值應(yīng)力Psf的模擬上升 沿時(shí)間tsr、模擬三角形脈沖載荷的脈沖周期t s+，且：
[0013]
[0014] 4)對(duì)所述試件施加模擬初始?jí)簯?yīng)力
[0015] 對(duì)所述試件的周側(cè)通過(guò)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(shí)間持續(xù)1~2周；
[0016] 5)對(duì)所述試件進(jìn)行開(kāi)挖卸荷的擾動(dòng)測(cè)試
[0017]對(duì)施以靜載匕的試件進(jìn)行模擬隧道直徑為ds、開(kāi)挖速度為Vs的模擬隧道的模擬開(kāi) 挖，在模擬隧道開(kāi)挖完成后，檢測(cè)隧道壁面的應(yīng)力、應(yīng)變和位移變化
[0018] 6)對(duì)所述試件進(jìn)行爆炸沖擊的擾動(dòng)測(cè)試
[0019] 通過(guò)對(duì)所述試件施加模擬上升沿時(shí)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(cè)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(duì)深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測(cè)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(duì)深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測(cè)試方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述測(cè)試試 件由事先制作好的隧道實(shí)體試件預(yù)埋于對(duì)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(duì)深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測(cè)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(kāi)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(duì)應(yīng)的模具并經(jīng)后固化形成，澆鑄時(shí)在對(duì)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(duì)深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測(cè)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(duì)深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測(cè)試方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述模擬開(kāi) 挖是按速度為Vs由外向內(nèi)依次拉動(dòng)隧道薄片上的外露鐵絲，使對(duì)應(yīng)隧道薄片由外向內(nèi)逐漸 破碎，最終形成開(kāi)挖隧道。
[0025] 所述對(duì)深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測(cè)試方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，對(duì)所述試件 施加模擬初始?jí)簯?yīng)力是通過(guò)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(duì)的空腔 腔壁之間，每一柔性膠囊上設(shè)有至少一個(gè)與液壓管連接的進(jìn)液口，高壓液體通過(guò)液壓管進(jìn) 入柔性膠囊內(nèi)，對(duì)巖體試件加載，使巖體試件產(chǎn)生靜態(tài)應(yīng)力。
[0026] 所述對(duì)深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測(cè)試方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述爆炸沖 擊的擾動(dòng)測(cè)試是通過(guò)爆炸載荷模擬發(fā)生裝置對(duì)試件施以三角形脈沖載荷來(lái)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(dòng)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(dòng)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(guò)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(gè)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(dòng)定位套軸向移動(dòng)而使定位孔移動(dòng)至定位銷位置時(shí)，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(dòng)設(shè)置在第一腔中，調(diào)節(jié)活塞的活塞桿穿過(guò)第一圓環(huán) 邊與卸載活塞連接。
[0027] 所述對(duì)深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測(cè)試方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，開(kāi)挖卸荷擾 動(dòng)測(cè)試是通過(guò)第一、第二操作孔模擬巖體試件上模擬隧道的開(kāi)挖作業(yè)，所述空腔的一垂直 腔壁上設(shè)有第一操作孔，對(duì)應(yīng)該側(cè)腔壁的柔性膠囊的對(duì)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(dòng)"分步驟模擬，符合實(shí)際，整個(gè)模擬研究過(guò)程思路清晰， 操作方便。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1是本發(fā)明的對(duì)深部巖體應(yīng)力狀態(tài)及響應(yīng)的模擬測(cè)試方法的流程示意圖。
[0030] 圖2是三角形脈沖載荷隨時(shí)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(zhǎng)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(chǔ)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