模拟层状地层隧道开挖后围岩变形特征的试验装置及方法制造方法及图纸

模拟层状地层隧道开挖后围岩变形特征的试验装置及方法，首先对层状围岩隧道开挖后的受力特征进行分析，将隧道周边一部分取出作为试验原型，而后应用岩石或相似材料，进行不同层状围岩变形特征的测试。通过改变不同的岩层倾角、层厚、黏结强度，可以较为直观的得到不同产状下的极限受力状态及其相应围岩变形、层状围岩应力情况。通过地应力情况反算出的隧道二次应力状态，施加在试验模型中可以推测隧道的实际变形情况，以及最不利变形位置，通过一定的改善措施，如锚杆、注浆等可以在其受力不利位置的补强，测试出支护效果，以应用至现场。以应用至现场。以应用至现场。

【技术实现步骤摘要】
模拟层状地层隧道开挖后围岩变形特征的试验装置及方法


[0001]本专利技术涉及隧道及地下工程，特别涉及一种模拟层状地层隧道开挖后围岩变形特征的试验装置及方法。

技术介绍

[0002]当隧道经过大埋深炭质页岩时，受炭质页岩产状的影响，围岩呈层状，其厚度、倾角在施工开挖过程中会导致隧道出现明显的不均匀变形，且变形主要是结构变形与材料变形二者引起的。基于以上因素，设计通常考虑最不利情况，采用全环高强度支护来抵抗隧道开挖后的应力释放，如提高钢拱架的刚度，增加喷砼的厚度、增加锚杆的埋设长度，增加二次衬砌的厚度和强度等措施。该方式不仅对支护结构是一种浪费，而一味的提高刚度，对变形特征没有针对性的支护可能效果不佳，给隧道施工带来极大风险。
[0003]在公布号CN108195689A的专利技术专利申请说明书中公开了一种厚壁圆筒巷道围岩破坏与支护模拟实验方法及装置，该方法包括如下步骤：1、建立圆柱模型材料：将模拟材料放置于厚壁圆筒体内，当加载到预定载荷后，模拟材料重新固结咬合；2、模拟巷道成型：通过取芯装置，使模拟材料形成巷道模拟空间；3、布置支护体；4、模型加载：将步骤3布置支护体后的装置，移动至反力架内，进行逐级或连续加载，与此同时，随时通过气压系统改变支护气囊内部应力，模拟不同支护应力；5、应变、声发射监测及破坏状态观测。该方法以及涉及的装置主要模拟最大主应力与巷道轴线平行时的巷道破坏状态，解决加载方向与巷道空间形态关系的实验弊端，模拟不同支护与巷道围岩破坏特征的关系，虽是室内围岩破坏的研究方法，但并未涉及围岩层状破坏的发生规律及机制研究。
[0004]在公布号CN110568159 A的专利技术专利申请说明书中公开了一种浅埋隧道围岩破坏模拟装置，该装置包括围岩、隧道、土层，还包括数据线、监测器、左拱脚支撑杆、左拱腰支撑杆、拱顶支撑杆、第一挤压块和第一液压缸等。通过设置的第一液压缸和第二液压缸对围岩进行挤压，顶部破坏装置对围岩进行震动破坏，晃动装置进行晃动，使围岩内部结构松动。通过监测隧道的受力极限，对隧道进行模拟破坏试验的数据分析，虽是对围岩破坏的研究，但应用场景为室外隧道内，且未具体涉及围岩层状破坏的发生规律及机制。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种模拟层状地层隧道开挖后围岩变形特征的试验装置，以真实性反应层状围岩变形特征，而且操作简单、便捷。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术的模拟层状围岩隧道开挖后变形特征的试验装置，其特征是：包括反力装置、加载装置、传力钢架、测试仪器和围岩试件，所述反力装置为刚性框架，所述加载装置、传力钢架和围岩试件设置于该刚性框架内，加载装置固定安装在刚性框架一侧，通过传力钢架对围岩试件进行加载；所述围岩试件采用原状围岩黏合试件或者相似材料黏合试件，通过改变围岩试件不同的层厚、倾角、层间黏结强度，以及加载装置对其围岩试件(5)加载
的计算荷载和极限荷载，得到隧道不同区域的变形特征及变形水平。
[0008]本专利技术所要解决的另一技术问题是提供采用上述模拟层状围岩隧道开挖后变形特征的试验装置的试验方法，该试验方法包括如下步骤：
[0009]步骤1，通过地应力及隧道形状计算出开挖后隧道周边的径向应力σ
r
与切向应力σ
θ
；
[0010][0011][0012]式中，σ
θ
为切向应力，σ
r
为径向应力，λ为侧压力系数，θ为方向夹角，P0为原岩应力，R0应力点至隧道圆心的距离，r为隧道半径；
[0013]步骤2，根据现场岩层产状，制作相应的围岩试件，其黏结力通过剪切试验标定；
[0014]步骤3，确定计算荷载，以该计算荷载模拟层状围岩隧道开挖后的二次应力状态，原状围岩黏合试件的计算荷载为切向应力σ
θ
，相似材料黏合试件的计算荷载则为切向应力σ
θ
相应的相似比的乘积；
[0015]步骤4，组装模拟层状围岩隧道开挖后变形特征的试验装置；
[0016]步骤5，通过加载装置对围岩试件加载至计算荷载，读取围岩试件的顶部变形、应变情况；
[0017]步骤6：进一步逐级加载直至该围岩试件加载破坏，得到极限荷载，确定其极限承载力；
[0018]步骤8：更换不同倾角的围岩试件，重复以上各步骤，确定出隧道不同位置的变形情况。
[0019]本专利技术的有益效果主要体现在如下方面：
[0020]一、通过改变不同的岩层倾角、层厚、黏结强度，可以较为直观的得到不同产状下的极限受力状态及其相应围岩变形、层状围岩应力情况；
[0021]二、通过地应力情况反算出的隧道二次应力状态，施加在试验模型中可以推测隧道的实际变形情况，以及最不利变形位置；
[0022]三、通过一定的改善措施，如锚杆、注浆等可以在其受力不利位置的补强，测试出支护效果，以应用至现场。
附图说明
[0023]本说明书包括如下三幅附图：
[0024]图1是本专利技术试验方法的简化原理示意图；
[0025]图2是本专利技术试验方法的简化围岩受力示意图；
[0026]图3是本专利技术模拟层状地层隧道开挖后围岩变形特征的试验装置的示意图。
[0027]图中示出标记及含义：a
‑
隧道轮廓线，b
‑
层状围岩，c
‑
试验简化原型，σ
θ
‑
切向应力，σ
r
‑
径向应力，1
‑
反力装置，2
‑
底部反撑，3
‑
加载装置，4
‑
传力钢架，5
‑
围岩试件，6
‑
百分表，7
‑
应变片。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。
[0029]参照图3，本专利技术的模拟层状围岩隧道开挖后变形特征的试验装置，其特征是：包括反力装置1、加载装置3、传力钢架4、测试仪器和围岩试件5，所述反力装置1为刚性框架，所述加载装置3、传力钢架4和围岩试件5设置于该刚性框架内，加载装置3固定安装在刚性框架一侧，通过传力钢架4对围岩试件5进行加载。所述围岩试件5为原状围岩黏合试件或者相似材料黏合试件，通过改变围岩试件5不同的层厚、倾角、层间黏结强度，以及加载装置3对其围岩试件5加载的计算荷载和极限荷载，得到隧道不同区域的变形特征及变形水平。
[0030]本专利技术首先对层状围岩隧道开挖后的受力特征进行分析，将隧道周边一部分取出作为试验原型，而后应用岩石或相似材料，进行不同层状围岩变形特征的测试。通过改变不同的岩层倾角、层厚、黏结强度，可以较为直观的得到不同产状下的极限受力状态及其相应围岩变形、层状围岩应力情况。通过地应力情况反算出的隧道二次应力状态，施加在试验模型中可以推测隧道的实际变形情况，以及最不利变形位置，通过一定的改善措本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.模拟层状围岩隧道开挖后变形特征的试验装置，其特征是：包括反力装置(1)，加载装置(3)，传力钢架(4)、测试仪器和围岩试件(5)，所述反力装置(1)为刚性框架，所述加载装置(3)、传力钢架(4)和围岩试件(5)设置于该刚性框架内，加载装置(3)固定安装在刚性框架一侧，通过传力钢架(4)对围岩试件(5)进行加载；所述围岩试件(5)采用原状围岩黏合试件或者相似材料黏合试件，通过改变围岩试件(5)不同的层厚、倾角、层间黏结强度，以及加载装置(3)对其围岩试件(5)加载的计算荷载和极限荷载，得到隧道不同区域的变形特征及变形水平。2.如权利要求1所述的模拟层状围岩隧道开挖后变形特征的试验装置，其特征是：所述原状围岩黏合试件是采用原状围岩切割成薄片、并用环氧树脂粘连的方式得到，所述相似材料黏合试件是采用代替材料用环氧树脂粘连的方式得到，通过改变环氧树脂量来模拟层间黏结强度，黏结力通过由剪切试验标定。3.如权利要求1所述的模拟层状围岩隧道开挖后变形特征的试验装置，其特征是：所述测试仪器包括用于测试围岩试件(5)顶面、底面应变及位移的百分表(6)和应变片(7)，应变片(7)间隔粘垫于层状围岩试件(5)表面上。4.如权利要求1所述的模拟层状围岩隧道开挖后变形特征的试验装置，其特征是：所述测试仪器采用基于激光散斑干涉的三维全场应变测量系统。5.采用如权利要求1至4任意一项所述模拟层状围岩隧道开挖后变形特征的试验装置的试验方法，包括如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦康杰，方钱宝，马蒙凯，陈思宇，傅军，张俊儒，杨刚，夏会平，张体忠，康力，张晓强，王桐，孔超，
申请(专利权)人：中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：