模擬裝置和模擬近場(chǎng)圍巖彈性能蓄積與釋放的方法制造方法及圖紙

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)提供了一種模擬裝置和模擬近場(chǎng)圍巖彈性能蓄積與釋放的方法，涉及巖石力學(xué)領(lǐng)域。該模擬裝置包括加載板、加載件、多個(gè)彈簧元件和多個(gè)粘滯性元件；多個(gè)所述彈簧元件和多個(gè)所述粘滯性元件均勻的分布于所述加載板和所述加載件之間，由所述加載件共同帶動(dòng)壓縮；所述粘滯性元件用于提供阻尼；多個(gè)所述彈簧元件和多個(gè)所述粘滯性元件的伸縮方向均垂直于所述加載板。所述模擬近場(chǎng)圍巖彈性能蓄積與釋放的方法提供了如何使用模擬裝置并模擬的步驟。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)解決了現(xiàn)有的物理模擬裝置無(wú)法模擬不同彈性勢(shì)能蓄積與釋放速度對(duì)隧道破壞模式的影響的技術(shù)問(wèn)題。

Simulation device and method for simulating near field elastic energy accumulation and release of surrounding rock

The invention provides an analogue device and a method for simulating the accumulation and release of elastic energy in a near field surrounding rock, relating to the field of rock mechanics. The simulation device comprises a loading plate, loading parts, a plurality of spring elements and a plurality of viscous components; a plurality of the spring element and a plurality of elements in uniform distribution of viscosity between the loading plate and the loading piece by the loading drive compression; the viscous element is used to provide damping; a plurality of the spring element and a plurality of the viscous element expansion direction are perpendicular to the loading plate. The method of simulating near field elastic energy accumulation and release of surrounding rock provides how to use an analog device and simulate the steps. The present invention solves the technical problem that the existing physical analogue device can not simulate the influence of the accumulation and release speed of different elastic potential energy on the failure mode of the tunnel.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
模擬裝置和模擬近場(chǎng)圍巖彈性能蓄積與釋放的方法
本專(zhuān)利技術(shù)涉及巖石力學(xué)
，尤其是涉及一種模擬裝置和模擬近場(chǎng)圍巖彈性能蓄積與釋放的方法。
技術(shù)介紹
我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展帶動(dòng)了基礎(chǔ)工程建設(shè)和資源開(kāi)發(fā)以前所未有的速度蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了大量深部巷道和深埋長(zhǎng)大隧道(隧洞)工程，其工程規(guī)模與技術(shù)難度世界罕見(jiàn)。隨著我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)和資源開(kāi)發(fā)的逐步深部化，在資源開(kāi)采、水利水電、交通、核廢料處置、國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域出現(xiàn)了越來(lái)越多的深部巷道和深埋長(zhǎng)大隧道(隧洞)工程。隨著埋深的增加，地應(yīng)力明顯增大，深部巷道/隧道開(kāi)挖卸荷誘發(fā)的高強(qiáng)度動(dòng)力災(zāi)害頻發(fā)，造成大量人員傷亡、機(jī)械損壞、工期延誤和重大經(jīng)濟(jì)損失，且動(dòng)力災(zāi)害的危害性隨著埋深和應(yīng)力水平的增大而顯著增大。如開(kāi)采深度已超過(guò)1000m的紅透山銅礦，2002年以前在巷道內(nèi)零星地發(fā)生巖爆，而后巖爆發(fā)生頻率隨埋深的增大逐年升高，2008年就達(dá)到20多次。錦屏二級(jí)水電站深埋隧洞最大垂直地應(yīng)力超過(guò)60MPa，施工排水洞2009年11月28日發(fā)生極強(qiáng)巖爆，造成7人死亡，上億元的TBM設(shè)備報(bào)廢。可見(jiàn)，巖爆等動(dòng)力災(zāi)害已經(jīng)成為制約深部巷道/隧道工程安全建設(shè)的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題，探索和開(kāi)發(fā)能夠合理反映巖爆的復(fù)雜影響因素和再現(xiàn)巖爆孕育演化過(guò)程的研究手段是目前深部巷道/隧道巖爆機(jī)制研究需要首先突破的關(guān)鍵技術(shù)難題。巖爆發(fā)生的基礎(chǔ)條件，除巖石本身特性之外，巖體所處的應(yīng)力水平起決定性作用，從能量角度來(lái)看，近場(chǎng)圍巖彈性能蓄積與釋放的情況可同時(shí)反映這兩個(gè)條件。因此，研究近場(chǎng)圍巖彈性能蓄積，并控制其釋放過(guò)程，可深入揭示巖爆發(fā)生的機(jī)理。經(jīng)專(zhuān)利技術(shù)人研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的模擬裝置，基本都是瞬間蓄積和釋放，不能觀察不同的蓄積和釋放過(guò)程對(duì)巖爆的影響。基于此，本專(zhuān)利技術(shù)提供了一種模擬裝置和模擬近場(chǎng)圍巖彈性能蓄積與釋放的方法以解決上述的技術(shù)問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于提供一種模擬裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不能模擬不同彈性勢(shì)能蓄積與釋放速度對(duì)隧道破壞模式的影響的技術(shù)問(wèn)題。本專(zhuān)利技術(shù)的目的還在于提供一種模擬近場(chǎng)圍巖彈性能蓄積與釋放的方法,用于解決上述技術(shù)問(wèn)題。基于上述第一目的，本專(zhuān)利技術(shù)提供了一種模擬裝置，包括加載板、加載件、多個(gè)彈簧元件和多個(gè)粘滯性元件；多個(gè)所述彈簧元件和多個(gè)所述粘滯性元件均勻的分布于所述加載板和所述加載件之間，由所述加載件共同帶動(dòng)壓縮；所述粘滯性元件用于提供阻尼；多個(gè)所述彈簧元件和多個(gè)所述粘滯性元件的伸縮方向均垂直于所述加載板。可選的，所述粘滯性元件包括阻尼筒和活塞；所述阻尼筒內(nèi)裝填有阻尼劑；所述阻尼筒的底部與所述加載板固接；所述活塞插裝在所述阻尼筒內(nèi)，活塞桿與所述加載件固接。可選的，所述阻尼筒為圓筒，相應(yīng)的所述活塞的活塞頭為圓板狀。可選的，所述加載件為與所述加載板平行的平板。可選的，所述加載板和所述加載件均為方形板。可選的，所述加載件的周?chē)O(shè)置有側(cè)板，所述側(cè)板與所述加載板的周側(cè)抵接。可選的，包括5個(gè)所述彈簧元件和4個(gè)所述粘滯性元件，5個(gè)所述彈簧元件和4個(gè)所述粘滯性元件呈陣列排布，且均勻分布。可選的，所述彈簧元件的兩端與所述加載板以及所述加載件均可拆卸連接。可選的，所述加載件和所述加載板上均設(shè)置有插槽，所述彈簧元件的兩端插裝在所述插槽中。基于上述第二目的，本專(zhuān)利技術(shù)提供了一種模擬近場(chǎng)圍巖彈性能蓄積與釋放的方法,該方法包括：步驟一，制備試驗(yàn)用的巖石樣品，或模型試驗(yàn)樣品，可根據(jù)試驗(yàn)需要，預(yù)制隧洞，或在加載過(guò)程中進(jìn)行開(kāi)挖模擬；步驟二，根據(jù)所需模擬的圍巖地應(yīng)力大小和巖樣的力學(xué)特性，設(shè)計(jì)圍巖彈性能蓄積與釋放試驗(yàn)計(jì)劃；步驟三，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，調(diào)整如上所述模擬裝置的多個(gè)彈簧元件和多個(gè)粘滯性元件的參數(shù)；步驟四，根據(jù)選定的彈簧元件與粘滯性元件的參數(shù)，加工制作如上所述的模擬裝置；步驟五，在所述加載板與試樣接觸的一面涂抹黃油，或采取其他降低摩擦力的措施；步驟六，將本專(zhuān)利技術(shù)裝置置于試樣與三軸試驗(yàn)機(jī)加載壓頭之間，并對(duì)中；步驟七，由三軸試驗(yàn)機(jī)提供壓力，加載壓頭壓縮所述加載件；步驟八，將三軸試驗(yàn)機(jī)各方向上的壓力提升至待模擬的地應(yīng)力水平，記錄試驗(yàn)過(guò)程中油缸所提供的壓力，以及彈簧元件的壓縮量；步驟九，采用聲發(fā)射和高速攝像機(jī)等監(jiān)測(cè)設(shè)備記錄預(yù)制隧洞圍巖發(fā)生的破壞現(xiàn)象；步驟十，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，調(diào)整彈簧元件和粘滯性元件參數(shù)，重復(fù)步驟四至步驟九的工作；步驟十一，分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，找出彈性能蓄積與釋放速率對(duì)預(yù)制隧洞巖爆的影響規(guī)律。本專(zhuān)利技術(shù)提供的所述模擬裝置，設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)潔，包括加載板、彈簧元件、加載件和粘滯性元件。使用過(guò)程中，將本專(zhuān)利技術(shù)所設(shè)計(jì)的裝置置于液壓缸活塞桿與巖樣之間，加載板未設(shè)置彈簧元件的一面與正立方體巖樣的一個(gè)面接觸，加載件與液壓缸活塞桿接觸，活塞桿向加載件施加壓力后，加載件將壓縮彈簧元件和粘滯性元件，并通過(guò)彈簧元件將壓力傳遞給加載板，加載板再將壓力傳遞給巖樣，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖樣的加載，并將彈性能蓄積在彈簧元件中。需要注意的是，彈簧元件和粘滯性元件的數(shù)目和布置方式并不是唯一的，可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整彈簧元件與粘滯性元件的數(shù)目。假設(shè)加載板中置入了N個(gè)彈簧，每個(gè)彈簧的剛度均為K0，則N個(gè)彈簧并聯(lián)所形成的總體剛度K為NK0，總體剛度可通過(guò)調(diào)整彈簧數(shù)目或單個(gè)彈簧的剛度來(lái)調(diào)節(jié)。粘滯性元件的耗能原理為：F＝CVa，式中F為阻尼力(kN)，C為阻尼系數(shù)(kN/(mm/s)，V為加載板運(yùn)動(dòng)速度(mm/s)，a為速度指數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)選定，一般在0.01～1之間取值，當(dāng)a＝1時(shí)，則為線性阻尼。彈性能釋放量級(jí)和釋放速度可通過(guò)粘滯性元件的參數(shù)和數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。如需模擬彈性能瞬間釋放，則可將所有的粘滯性元件替換成彈簧。通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧元件以及粘滯性元件的數(shù)目和彈簧元件的剛度，來(lái)模擬不同的彈性勢(shì)能蓄積和釋放情形。本專(zhuān)利技術(shù)提供的所述模擬裝置，加設(shè)了粘滯性元件，因此，巖樣在蓄積一定彈性勢(shì)能發(fā)生巖爆時(shí)，不會(huì)瞬間蓄積和釋放，而會(huì)緩慢蓄積和釋放，能夠有效的模擬不同的彈性勢(shì)能蓄積以及在不同釋放速度下的巖爆情況。本專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)對(duì)加載板進(jìn)行改造，將彈性能蓄積在加載板中，并通過(guò)并聯(lián)摩擦(或粘滯性)元件的方式調(diào)節(jié)彈性能的釋放速度，可在不改變物理模擬設(shè)備加載系統(tǒng)和受力框架的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)不同蓄能邊界的物理模擬。相比于現(xiàn)有技術(shù)，該方法原理清晰，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易，制作經(jīng)濟(jì)，可根據(jù)需要任意調(diào)整蓄能邊界，模擬現(xiàn)場(chǎng)巖爆發(fā)生時(shí)的彈性能蓄積與釋放情況。附圖說(shuō)明為了更清楚地說(shuō)明本專(zhuān)利技術(shù)具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本專(zhuān)利技術(shù)的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例提供的模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1所示的模擬裝置的A向剖視圖；圖3為粘滯性元件實(shí)施例的示意圖；圖4為在三軸加載條件下，垂直于立方體巖樣某個(gè)加載面的剖面圖。圖標(biāo)：1-加載板；2-加載件；3-彈簧元件；4-粘滯性元件；5-阻尼筒；6-活塞；7-側(cè)板；8-巖樣。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本專(zhuān)利技術(shù)一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本專(zhuān)利技術(shù)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本專(zhuān)利技術(shù)保護(hù)的范圍。在本專(zhuān)利技術(shù)的描述中，需要說(shuō)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種模擬裝置，其特征在于，包括加載板、加載件、多個(gè)彈簧元件和多個(gè)粘滯性元件；多個(gè)所述彈簧元件和多個(gè)所述粘滯性元件均勻的分布于所述加載板和所述加載件之間，由所述加載件共同帶動(dòng)壓縮；所述粘滯性元件用于提供阻尼；多個(gè)所述彈簧元件和多個(gè)所述粘滯性元件的伸縮方向均垂直于所述加載板。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種模擬裝置，其特征在于，包括加載板、加載件、多個(gè)彈簧元件和多個(gè)粘滯性元件；多個(gè)所述彈簧元件和多個(gè)所述粘滯性元件均勻的分布于所述加載板和所述加載件之間，由所述加載件共同帶動(dòng)壓縮；所述粘滯性元件用于提供阻尼；多個(gè)所述彈簧元件和多個(gè)所述粘滯性元件的伸縮方向均垂直于所述加載板。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬裝置，其特征在于，所述粘滯性元件包括阻尼筒和活塞；所述阻尼筒內(nèi)裝填有阻尼劑；所述阻尼筒的底部與所述加載板固接；所述活塞插裝在所述阻尼筒內(nèi)，活塞桿與所述加載件固接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬裝置，其特征在于，所述阻尼筒為圓筒，相應(yīng)的所述活塞的活塞頭為圓板狀。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬裝置，其特征在于，所述加載件為與所述加載板平行的平板。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模擬裝置，其特征在于，所述加載板和所述加載件均為方形板。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬裝置，其特征在于，所述加載件的周?chē)O(shè)置有側(cè)板，所述側(cè)板與所述加載板的周側(cè)抵接。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬裝置，其特征在于，包括5個(gè)所述彈簧元件和4個(gè)所述粘滯性元件，5個(gè)所述彈簧元件和4個(gè)所述粘滯性元件呈陣列排布，且均勻分布。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬裝置，其特征在于，所述彈簧元件的兩端與所述加載板以及所述加載件均可拆卸連接。9...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱勇，周輝，張傳慶，胡大偉，盧景景，楊凡杰，程廣坦，陳珺，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：湖北,42