本發(fā)明涉及一種塊裂巖體失穩(wěn)過程及機理的二維模型試驗系統(tǒng)與方法。

背景技術：

伴隨著我國經濟的飛速發(fā)展，基礎設施建設在大力推進。在我國西南地區(qū)在建工程中，隧道工程的應用日益廣泛。塊裂巖體失穩(wěn)是地下工程中常見的災害形式。在施工過程和運營期，隧道工程容易出現(xiàn)塊裂巖體失穩(wěn)的現(xiàn)象，對人的生命財產安全造成巨大的損失。地下工程模型試驗通常是按照相似比和相似理論將實際工程按照一定的比例縮小成一個模型，通過在比例縮小或等比模型上進行相應的試驗，獲取相關數(shù)據得到相關結論，這種方法已成為地下工程領域最為主要的研究手段之一。研究隧道與地下工程塊裂巖體失穩(wěn)過程及機理對工程防災減災具有重要的指導意義。以往的模型試驗針對隧道與地下工程塊裂巖體失穩(wěn)過程及機理的研究較少，僅針對某個單獨影響因素對工程塊裂巖體失穩(wěn)過程展開模型試驗研究。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種塊裂巖體失穩(wěn)過程及機理的二維模型試驗系統(tǒng)與方法，本發(fā)明能夠有效的研究隧道與地下工程塊裂巖體失穩(wěn)過程及機理。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種塊裂巖體失穩(wěn)過程及機理的二維模型試驗系統(tǒng)，包括試驗臺架、液壓加載系統(tǒng)和圖像采集模塊，所述試驗臺架為四周封閉結構，為液壓加載系統(tǒng)提供反力支撐，所述液壓加載系統(tǒng)設置于試驗臺架內側，對預制巖體施加壓力，提供不同環(huán)境下的地應力，所述圖像采集模塊設置于試驗臺架前端，記錄液壓加載系統(tǒng)向巖體施加力致使巖塊的失穩(wěn)過程。

所述試驗臺架由單榀鋼框架通過高強度螺栓連接而成，作為反力結構。

所述液壓加載系統(tǒng)，包括數(shù)控系統(tǒng)和多個液壓千斤頂，試驗臺架內側均勻安裝液壓千斤頂，作用在預制巖體表面，所述數(shù)控系統(tǒng)控制千斤頂壓力大小，實現(xiàn)不同環(huán)境下地應力的需求。

所述預制巖體為固態(tài)石蠟材料模擬巖體。

基于上述系統(tǒng)的工作方法，制備固態(tài)石蠟材料模擬巖體，按照工況對模擬巖體進行裂隙切割，使巖體分離成孤立塊體，當巖體切割完成后，開挖巖體，在巖體上形成一空腔；利用液壓加載系統(tǒng)，模擬不同環(huán)境下地應力，對開挖后的預制巖體進行加壓，記錄巖塊的失穩(wěn)過程。

采用固態(tài)石蠟材料模擬巖體，將液態(tài)石蠟材料倒入立方體的模具中，待材料凝固后，按照試驗工況利用切割刀具對固態(tài)的石蠟材料進行裂隙切割，使巖體分離成孤立塊體。

由三片弧形鐵片拼接成三心圓狀刀具，當巖體切割完成后，將刀具推入巖體中，在刀具內部開挖巖體，待巖體開挖完全后，分解刀具并拆除。

本發(fā)明的有益效果為：

1、采用凝固的液態(tài)石蠟作為流態(tài)相似材料模擬巖體，凝固后的材料融化后可以循環(huán)使用。

2、預制的石蠟巖體硬度相對較低，可以利用切割刀具根據所需要的工況進行裂隙切割。

3、鋼框架、鋼臺架、臺架底板由高強度鋼構件通過預留螺栓槽拼接組成，具有可拆裝性，并能滿足強度的要求。

4、鋼臺架內部安裝液壓千斤頂通過板片作用在成型后的模擬巖體表面，通過數(shù)控系統(tǒng)調節(jié)千斤頂?shù)氖┘恿?，模擬不同環(huán)境下圍巖地應力的需求。

5、采用高清攝像系統(tǒng)可以完整的記錄巖塊的失穩(wěn)過程。

附圖說明

圖1為模型試驗臺架及液壓加載系統(tǒng)示意圖；

圖2為巖體預制裝置示意圖；

圖3為巖體安裝示意圖；

圖4為巖體裂隙切割過程示意圖；

圖5為三心圓型刀具示意圖；

圖6、圖7為開挖前、后的模型示意圖；

圖8為模型試驗過程示意圖；

其中：1鋼框架 2液壓千斤頂 3底座 4矩形加壓板 5模具 6預制巖體 7裂隙巖體 8三心圓型刀具 9高清攝像儀。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，一種用于研究隧道與地下工程中塊裂巖體失穩(wěn)過程和機理的二維模型試驗系統(tǒng)，主要包括(1)模型試驗臺架：外部臺架由單榀鋼框架1通過高強度螺栓連接而成，作為反力結構；(2)液壓加載系統(tǒng)：由液壓千斤頂2和數(shù)控系統(tǒng)組成，外部鋼架內側安裝液壓千斤頂2，通過矩形加壓板4作用在預制巖體表面，通過計算機控制千斤頂2壓力大小，實現(xiàn)不同環(huán)境下地應力的需求；(3)塊裂巖體預制：采用固態(tài)石蠟材料模擬巖體6，將液態(tài)石蠟材料倒入立方體的模具5中，待材料凝固后，按照試驗工況利用切割刀具對固態(tài)的石蠟材料進行裂隙切割，使巖體分離成孤立塊體7；(4)模擬隧道開挖：由三片弧形鐵片拼接成三心圓狀刀具8，當巖體6切割完成后，將刀具8推入巖體6中，在刀具內部開挖巖體，待巖體開挖完全后，分解刀具并拆除；(5)高清攝像系統(tǒng)：采用高清攝像儀9記錄巖塊的失穩(wěn)過程，用于后期分析塊裂巖體失穩(wěn)規(guī)律。

所述的一整塊鋼板作為試驗裝置底座，外圍鋼框架由帶有螺栓槽的型鋼鋼板拼接組成，框架下部通過螺栓與臺架底板栓接固定。

所述的鋼臺架內部安裝液壓千斤頂，左右側和上方各安裝三個，通過矩形板作用在成型的巖體表面，利用計算機控制調節(jié)千斤頂壓力大小，模擬不同環(huán)境地應力的需求。

如圖2所示，所述的石蠟材料易于融化且硬度較低，采用固態(tài)的石蠟模擬巖體，將石蠟融化后倒入模具，放置一段時間待其凝固。

如圖3所示，所述的模具內的液態(tài)石蠟完全凝固后，采用刀具按照試驗工況對巖體進行切割，使之成為分離塊體。

如圖5所示，所述的三片弧形鐵片通過螺栓組裝而成，鐵片邊緣鋒利可以切入固態(tài)石蠟中。

如圖6所示，所述的三心圓型刀具推入巖體中，對刀具內部巖體進行開挖，形成空腔后拆卸刀具，觀察塊體失穩(wěn)過程。

如圖7所示，所述的高清攝像儀在刀具拆卸完畢后，對巖塊掉落過程進行記錄，分析塊裂巖體失穩(wěn)規(guī)律。

一種用于研究隧道與地下工程中塊裂巖體失穩(wěn)過程和機理的二維模型試驗系統(tǒng)，其特征在于，操作方法包括以下幾步：

(1)采用一整塊鋼板作為裝置底板3；

(2)采用型鋼鋼板拼接成鋼框架1，在外部鋼架內側安裝液壓千斤頂2，與計算機相連實現(xiàn)控制作用，配合高強度螺栓將框架下部與臺架底板3栓接固定好；

(3)將液態(tài)石蠟倒入模具5中，待石蠟凝固后，按照試驗工況對預制巖體6進行切割，使之成為裂隙塊體7；

(4)將預制巖體安裝進臺架內，安裝完成后，將三心圓型刀具8推入巖體中，對刀具內側巖體進行開挖，開挖完成后將刀具拆卸取出；

(5)通過計算機控制千斤頂2壓力大小，模擬不同環(huán)境下地應力，對預制巖體進行加壓；

(6)架設高清攝像儀9，記錄巖塊掉落過程。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。