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深埋隧洞開挖模擬實驗裝置及其應用方法
【專利摘要】本發明公開了一種深埋隧洞開挖模擬實驗裝置及其應用方法，其特征在于包括V形槽、加載墊塊和扇形試件；本發明可以模擬圍巖的平面應力受力狀態，實現“先加載，后開挖”的力學過程，可用于系統研究深部隧洞開挖前后圍巖的受力、變形、破壞等性質；由于本發明取深埋隧洞圍巖的一部分進行分析，并且直接施加弧形應力邊界條件，相對于現有全斷面模型實驗裝置，可以開展大比例尺的開挖模擬實驗；本發明有充分的力學理論依據，更易于進行試驗數據和理論結果的相互比較分析，促進力學理論和工程實踐的進步；本發明在常規壓力實驗機上即可加載，具有結構簡單，實驗成本低的特點。
【專利說明】深埋隧洞開挖模擬實驗裝置及其應用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及深部地下工程圍巖變形和破壞的實驗室模擬實驗領域，具體地說是一種針對深埋隧洞的新型開挖模擬實驗裝置及其應用方法。
【背景技術】
[0002]隨著國民經濟的快速發展，地下工程建設不斷向深部發展。在高地應力等深部條件下，地下硐室圍巖結構的力學特性和工程響應展現出了新的科學現象和變化規律，如分區破裂、大變形、沖擊破壞等。傳統地下工程理論體系在解決深部地下工程問題中遇到了越來越多的挑戰，建立深部巖體力學理論的新體系勢在必行。因此，深部地下工程問題引起了國際和國內巖石力學與工程領域專家學者的極大關注，成為近年來該領域研究的熱點問題。
[0003]針對深部地下洞室開挖過程中巖體的力學響應和變形特性，一方面要開展理論研究，另一方面，要更多深入開展工程實踐和理論相結合的模型實驗研究。根據深部洞室模型實驗的要求，國內外專家開發出多種高地應力加載模型實驗系統，包括專利200810016641.0,200810138981.0,201110038876.1 等。但是，目前存在的模型實驗系統均為全斷面模擬系統，存在結構復雜、體積龐大、模擬開挖硐室尺寸較小的問題，難以開展大比例尺開挖的模型實驗，且難以對實驗結果進行有效的理論比較和分析。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種結構簡單并可進行大比例尺實驗的深埋隧洞開挖模擬實驗裝置及其應用方法。
[0005]為實現上述目的，本發明采用下述技術方案:
一種深埋隧洞開挖模擬實驗裝置，包括V形槽、加載墊塊和扇形試件；
所述的V形槽為整體結構，其內表面光滑，并與扇形試件的兩個斜面匹配，實驗時其下表面與實驗機加載裝置接觸，承受實驗機壓力；
所述的加載墊塊，包括上下兩部分，下半部分呈弧形，其下表面與扇形試件上表面接觸，其左右兩側與V形槽之間留有空隙，防止加載過程中兩者發生擠壓；上半部分呈柱形，實驗時與實驗機加載裝置接觸；加載墊塊的作用在于將實驗機壓力均勻傳遞到扇形試件上表面；
所述扇形試件，上表面為圓弧形，兩傾斜側面與V形槽內表面接觸；上表面和兩傾斜側面均涂有潤滑材料，以減小扇形試件受到的剪應力；其前后側面不受約束，可以發生軸向變形，以滿足平面應力狀態的要求，同時方便對扇形試件的開挖操作，還有利于在實驗過程中隨時觀察記錄扇形試件的變形破壞情況。
[0006]作為一種優選方式，可以在V型槽上側設置前后兩條橫向肋板，其作用在于防止V型槽在高應力作用下產生過大的變形。
[0007]根據實驗需要，可以改變V形槽的夾角和加載墊塊弧形鋼板的形狀，以匹配模擬不同尺寸的扇形試件。
[0008]本發明的應用方法是:
1)制作扇形試件，并將其放到V型槽中，然后將整個實驗裝置放置在常規的立式壓力實驗機上；
2)通過實驗機對扇形試件加載，使試件達到要求的應力狀態，然后保持；
3)在扇形試件預定開挖的位置劃一條圓弧線，然后通過外部機械設備將圓弧線以下部分挖除，在此過程中分析記錄圍巖變形破壞情況。
[0009]本發明的原理是:
目前施工的深埋地下隧洞很大一部分采用圓形或類圓形斷面；由于高應力條件下蠕變的原因，深埋巖體原巖應力狀態多接近于靜水壓力狀態；同時，對于高應力巖體，其局部重力的影響可忽略不計。根據上述三方面原因，深埋隧洞圍巖的受力、變形和破壞問題可以認為是軸對稱問題。對于軸對稱問題，可以取其一部分(即本發明所述扇形試件)進行實驗即可反映圍巖整體的性質。
[0010]對于軸對稱問題，在平面應力條件下，圍巖的應力和位移解如式(I)和(2)所示，
【權利要求】
1.一種深埋隧洞開挖模擬實驗裝置，其特征在于:包括V形槽、加載墊塊和扇形試件； 所述的V形槽為整體結構，其內表面光滑，并與扇形試件的兩個斜面匹配； 所述的加載墊塊，包括上下兩部分，下半部分呈弧形，其左右兩側與V形槽之間留有空隙，上半部分呈柱形； 所述扇形試件，上表面為圓弧形，兩傾斜側面與V形槽內表面接觸，上表面和兩傾斜側面均涂有潤滑材料。
2.根據權利要求1所述的一種深埋隧洞開挖模擬實驗裝置，其特征在于，在V型槽上側設置前后兩條橫向肋板。
3.如權利要求1-2任一所述的深埋隧洞開挖模擬實驗裝置的應用方法，其特征在于: 第一步:制作扇形試件，并將其放到V型槽中，然后將整個實驗裝置放置在常規的立式壓力實驗機上； 第二步:通過實驗機對扇形試件加載，使扇形試件達到要求的應力狀態，然后保持；第三步:在扇形試件預定開挖的位置劃一條圓弧線，然后通過外部機械設備將圓弧線以下部分挖除，在此過程中分析記錄圍巖變形破壞情況。
【文檔編號】G01N1/28GK103471916SQ201310425635
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】王剛, 吳學震, 蔣宇靜 申請人:山東科技大學