專利名稱：一種深部巖體工程災(zāi)害模型實(shí)驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種深部巖體工程災(zāi)害模型實(shí)驗(yàn)方法，屬于礦井工程災(zāi)害模型研究領(lǐng)域，尤其涉及深部礦井災(zāi)害的實(shí)驗(yàn)研究用的模型試驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
發(fā)展歷史開創(chuàng)從20世紀(jì)初，西歐一些國(guó)家就開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，并逐漸建立了相似理論。20世紀(jì)60年代，以E.Fumagalli為首的專家在意大利結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)所(ISMES)開創(chuàng)了工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)，試驗(yàn)研究范圍從彈性到塑性直至最終破壞階段。隨后，葡萄牙、前蘇聯(lián)、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和日本等國(guó)也開展了這方面的研究。發(fā)展1967年國(guó)際巖石力學(xué)會(huì)議及同年舉行的第九屆國(guó)際大壩會(huì)議提也了采用模型材料的塊體組合來(lái)模擬多裂隙介質(zhì)巖土的設(shè)想。隨后，意大利的貝加莫結(jié)構(gòu)與模型試驗(yàn)研究所進(jìn)行了多項(xiàng)小塊體地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，研究拱壩壩肩、邊坡巖體和洞室圍巖的穩(wěn)定頭題。同時(shí)，在很多國(guó)家重大工程的科研需要情況下，貝加莫試驗(yàn)所受其委托進(jìn)行了針對(duì)具體水利工程的多項(xiàng)研究。貝加莫結(jié)構(gòu)與模型試驗(yàn)研究所進(jìn)行的模型試驗(yàn)理論和實(shí)踐，對(duì)當(dāng)時(shí)的工程建設(shè)和后來(lái)的理論研究，均具有建設(shè)性和前瞻性意義。貝加莫結(jié)構(gòu)與模型試驗(yàn)研究所不僅得出的試驗(yàn)成果在工程應(yīng)用方面表現(xiàn)比較突出，而且在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)理論的建立以及對(duì)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)問(wèn)題的解決方面也做出了重要貢獻(xiàn)。后期，南斯拉夫成功的進(jìn)行格蘭卡爾拱壩的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，而且還利用地質(zhì)力學(xué)模型研究了地下隧道的穩(wěn)定性。瑞士利用地質(zhì)力學(xué)模型研究了層狀巖體中隧道掘進(jìn)圍巖變形破壞問(wèn)題。美國(guó)對(duì)地下洞室在靜力條件下的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了內(nèi)容廣泛的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)。日本的科學(xué)家則利用地質(zhì)力學(xué)模型研究了錨桿對(duì)洞室圍巖的加固作用和效果。還有前蘇聯(lián)、印度、挪威、西班牙等幾個(gè)國(guó)家進(jìn)行了大量研究。
結(jié)論這些早期的科學(xué)家們?cè)趯?shí)踐當(dāng)中不斷地總結(jié)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的理論，相似條件的建立方法以及與具體工程結(jié)合的模擬試驗(yàn)技術(shù)，對(duì)均質(zhì)巖體、塊狀巖體和節(jié)理巖體中的地下工程、巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，對(duì)工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供了可靠的理論依據(jù)。
國(guó)內(nèi)情況地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究開展于二十世紀(jì)七十年代。長(zhǎng)江水利水電科學(xué)研究院最早進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，為葛洲壩水利樞紐工程、三峽工程以及其他多個(gè)水利工程進(jìn)行了不同側(cè)重的模擬試驗(yàn)研究。例如，以葛洲壩二江泄水閘等工程為背景的大塊體平面地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)及三維模型試驗(yàn)；以三峽工程永久船閘為背景的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，分別研究了閘門附近高邊坡的穩(wěn)定性和中隔墩的穩(wěn)定性等工程問(wèn)題；以及以我國(guó)其他幾個(gè)大型水電工程，如清江隔河巖水電站重力拱壩、構(gòu)皮灘雙曲拱壩為背景進(jìn)行了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)。這些模型試驗(yàn)都取得了對(duì)工程實(shí)際具有指導(dǎo)意義的成果。在這些研究過(guò)程中不斷總結(jié)，長(zhǎng)江水利水電科學(xué)研究院提出并完成了地質(zhì)力學(xué)模型材料試驗(yàn)研究報(bào)告。從1979年開始，清華大學(xué)水利系張光斗、陳興華、王宙等人進(jìn)行模型材料的研究和國(guó)內(nèi)多個(gè)大型重力壩、拱壩壩肩的三維小塊體地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和壩體樞紐整體三維小塊體地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，研究其壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定性、拱壩的超載能力和破壞機(jī)理，并且對(duì)基礎(chǔ)加固措施的實(shí)際效果作了研究。周維垣、楊若瓊、羅光福等人進(jìn)行了大型雙曲薄拱壩的整體地質(zhì)力學(xué)模型破壞試驗(yàn)，從巖體構(gòu)造入手，選取相似比為1∶100，對(duì)大壩的壩肩巖體的力學(xué)行為和變形特征進(jìn)行了模擬研究，并得到了一些具有重要意義的觀測(cè)結(jié)果。
現(xiàn)存問(wèn)題目前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，對(duì)能源的需求也越來(lái)越大，而煤炭作為中國(guó)能源支柱產(chǎn)業(yè)，其安全開采關(guān)系極其重大。目前，我國(guó)煤礦開采深度正以每年8～12m的速度增加，東部礦井開采深度正以每10年100～250m的速度發(fā)展，可以預(yù)計(jì)在未來(lái)20年內(nèi)我國(guó)很多煤礦將進(jìn)入到1000～1500m的深度。而深部巖體處于“三高一擾動(dòng)”(高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓和強(qiáng)烈采掘擾動(dòng))的復(fù)雜環(huán)境，使深部巖體表現(xiàn)出的力學(xué)特性與淺部開采時(shí)往往具有很大的差異。因此，深入研究深部巖體特性及圍巖穩(wěn)定性，掌握深部巖體的變形破壞機(jī)理，對(duì)深部礦井工程的支護(hù)，有效地控制圍巖的變形與破壞，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，國(guó)內(nèi)外大量的科研機(jī)構(gòu)和個(gè)人常用數(shù)值模擬技術(shù)，因?yàn)閿?shù)值模擬相對(duì)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)來(lái)說(shuō)花費(fèi)時(shí)間少、見效快，并且在考慮不同的邊界條件、約束條件時(shí)比較方便，但是對(duì)于一些復(fù)雜的巖土工程問(wèn)題來(lái)說(shuō)，仍然需要進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)，其中模型試驗(yàn)便是一種研究深部煤巖體在開挖或荷載擾動(dòng)條件下的變形和破壞規(guī)律的有效方法。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)是研究大型巖土工程問(wèn)題的重要于段，地質(zhì)力學(xué)模型可定性或定量地反映天然巖體受力特性和與之相聯(lián)系建筑物的相互影響，可與數(shù)學(xué)方法相互驗(yàn)證，并且與數(shù)值方法(如有限元方法)相比，模型試驗(yàn)技術(shù)可以真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)際工程情況。而目前地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)試驗(yàn)周期長(zhǎng)，而且每改變一種參數(shù)就必須重新作一次模型試驗(yàn)，模型不能重復(fù)利用，研究的成本大，并且由于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究的對(duì)象是巖體，而巖體是一種十分復(fù)雜的地質(zhì)體，含有豐富的節(jié)理、層理、裂隙、斷層等不連續(xù)面，尤具是地下采礦工程中的巖體，其非均質(zhì)、各向異性、不連續(xù)和隨機(jī)性更強(qiáng)。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)要求相對(duì)比較復(fù)雜的試驗(yàn)技術(shù)和專用的試驗(yàn)設(shè)備，且模擬地下工程巖體的相似條件一般難以全部滿足。另外，它還存在著改變方案不靈活，測(cè)量數(shù)據(jù)受儀器精度影響大、費(fèi)用高、試驗(yàn)技術(shù)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述難題，本發(fā)明提出了物理有限單元板材料的概念。其優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，采用強(qiáng)度不同的單元板模擬產(chǎn)狀。做完破壞試驗(yàn)后，將未破壞的單元材料收集，可留待下次試驗(yàn)重復(fù)使用，同時(shí)，由于單元板材料其尺寸小，又可靈活的模擬各種不同的巖體。這樣還克服了模型試驗(yàn)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高的缺點(diǎn)。
本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種深部巖體工程災(zāi)害模型實(shí)驗(yàn)方法，包括制作成正方扁柱體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將模型放置在加載設(shè)備內(nèi)，對(duì)模型厚度四周施加載荷，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模型試驗(yàn)，記錄并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)；其特征是1)制作物理有限單元板①，根據(jù)相似形原理由物理有限單元板模擬式樣巖體產(chǎn)狀壘砌組合成試驗(yàn)?zāi)Ｐ廷?。所述物理有限單元板為長(zhǎng)方體，其寬度等于模型厚度，其厚度和長(zhǎng)度根據(jù)相似形原理和模擬式樣巖體產(chǎn)狀精度設(shè)定；其材料由石膏和水不同比例配制；2)所述加載方式為連續(xù)加載板或非連續(xù)加載板下六種應(yīng)力組合，分別是(1)周邊均布加載，(2)周邊局部加載，(3)周邊逐級(jí)遞增加載，(4)周邊逐級(jí)遞減加載，(5)周邊凸形拋物線加載，(6)周邊凹形拋物線加載；并且根據(jù)相似性原理和實(shí)際工程與式樣巖體實(shí)際受力狀況設(shè)計(jì)加載試驗(yàn)載荷。
3)實(shí)驗(yàn)分為模型中心不開挖和在模型中心模擬實(shí)際工程開挖兩種情況進(jìn)行；4)對(duì)于試驗(yàn)中模型被破壞的部分，用相同的物理有限單元板替換原單元板并修復(fù)模型。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深部巖體工程災(zāi)害模型實(shí)驗(yàn)方法，其特征是
1)所述物理有限單元板的尺寸為40×40×(0.5～3.5)cm和40×20×(0.5～3.5)cm；水∶石膏為砂巖巖組0.8∶1，泥巖巖組1∶1，煤體巖組1.2∶1；由該單元板模擬式樣巖體產(chǎn)狀組合成的試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?60×160×40cm。
2)所述加載載荷范圍是不開挖時(shí)，0.4～0.8MP；開挖時(shí)0.8～6MP；加載方式是模型兩側(cè)加載載荷相等，模型上部與兩側(cè)相獨(dú)立。
3)在開挖試驗(yàn)充畢后，用相同的物理有限單元板④替換損壞部分并修復(fù)模型①。
本發(fā)明利用這種有限單元板為最小單元的組合模擬實(shí)際巖體狀態(tài)。由水和石膏不同配比的調(diào)整形成不同物理有限單元板，再將有限單元板壘砌組合成式樣巖體模型并對(duì)該巖體模型模擬實(shí)際狀況加載，并測(cè)試應(yīng)力；若模型中的單元板有損壞，可用對(duì)應(yīng)的單元板進(jìn)行更換；這樣就可以重復(fù)地利用該模型，因此克服了以往模型式樣巖體成本高的弊病，從而為進(jìn)行大量模型試驗(yàn)提供了條件。同時(shí)，豐富而準(zhǔn)確的加載方式，也確保了模擬實(shí)際工程式樣巖體的精確度。為大量進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)，積累科學(xué)數(shù)據(jù)和工程設(shè)計(jì)，評(píng)估，災(zāi)害預(yù)防提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。


圖1恒定連續(xù)加載分布2局部加載分布3三角形加載分布4拋物線型加載分布5砂巖，煤巖，粉砂巖，泥巖6-46CM厚度下模型單元板布置6該模型應(yīng)變片位置分布7不同厚度，巖性的板狀有限單元模型組合示意8徐州礦區(qū)旗山礦-1000m北翼聯(lián)絡(luò)軌道大巷所處深度工程地質(zhì)柱狀圖
具體實(shí)施例方式試驗(yàn)內(nèi)容1)在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)何滿潮教授提出的關(guān)于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中物理有限單元板構(gòu)想的基礎(chǔ)上，研究如何制備物理有限單元板，對(duì)現(xiàn)有模型試驗(yàn)方法、技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)；2)利用巖體工程與地質(zhì)災(zāi)害模擬試驗(yàn)系統(tǒng)(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京)采用的試驗(yàn)設(shè)備對(duì)由物理有限單元板堆砌成的大尺度模型試樣，進(jìn)行不同邊界(主要是兩側(cè)向)加載方式下的平面試驗(yàn)，探討邊界加載板對(duì)加載精度的影響以及深部煤巖在連續(xù)加載和非連續(xù)加載條件下的變形規(guī)律；模型開挖前首先進(jìn)行邊界連續(xù)加載板和非連續(xù)加載板的加載對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)三種荷載類型恒定連續(xù)荷載、恒定不連續(xù)荷載(局部荷載)、連續(xù)變化荷載包括三角型荷載、拋物線型荷載，每種類型設(shè)計(jì)了兩種加載方式，總共八種不同的加載工況，進(jìn)行了對(duì)比試。加載方式如圖1-4加載類型。
3)通過(guò)在特定的加載方式下對(duì)開挖模型進(jìn)行加載破壞試驗(yàn)，模擬現(xiàn)場(chǎng)破壞現(xiàn)象和過(guò)程，研究探討深部煤巖的變形破壞規(guī)律。
模型開挖加載破壞試驗(yàn)。在模型中心部分，開挖出尺寸為25×20(cm)的矩形巷道，然后逐級(jí)加載直到模型破壞。
根據(jù)提供的徐州礦區(qū)原巖力學(xué)參數(shù)，考慮到模型試驗(yàn)操作的實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)概化決定采取如下表1的力學(xué)參數(shù)做為模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)煤巖體的主要力學(xué)參數(shù)。
表1煤巖體的概化力學(xué)參數(shù)

物理有限單元的力學(xué)參數(shù)確定(1)幾何相似比確定定幾何相似比為αl＝12。按照實(shí)際巷道斷面寬度為3～5米，則模型巷道斷面寬度為0.25～0.42米，滿足《深部礦井工程災(zāi)害模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作說(shuō)明書》中的模型塊體內(nèi)洞室尺寸的要求(最大達(dá)60mm)。由此可以確定可以模擬的實(shí)際尺寸為19.2m×19.2m。模型開挖范圍綜合考慮模型構(gòu)建因素，定為0.25米×0.2米。
(2)應(yīng)力相似比確定定應(yīng)力相似比為ασ＝20。根據(jù)原巖巖組最大抗壓強(qiáng)度和《深部礦井工程災(zāi)害模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作說(shuō)明書》中可施加的最大荷載集度確定。
(3)容重相似比確定根據(jù)幾何相似比和應(yīng)力相似比可以確定容重相似比為αγ=ασαl=1.7]]>根據(jù)原巖力學(xué)參數(shù)得出的各模型巖組的力學(xué)參數(shù)如下表2所示。
表2模型設(shè)計(jì)主要力學(xué)參數(shù)

表3 實(shí)際制造單元板材料主要力學(xué)參數(shù)

2.3模型巖組相似材料配方及配比根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，決定采用石膏和水作為材料來(lái)制作模型，表3為不同的模型巖組的制作配比。
表3模型巖組的制作配比

實(shí)際制作出的材料力學(xué)參數(shù)可能會(huì)與所設(shè)計(jì)的模型力學(xué)參數(shù)有一定的差別，實(shí)際制造出的單元板材料力學(xué)參數(shù)見表3。
模型試樣分布圖及應(yīng)變片位置分布見圖6根據(jù)徐州礦區(qū)旗山礦-1000m北翼聯(lián)絡(luò)軌道大巷所處深度工程地質(zhì)柱狀圖8，模型試樣模擬實(shí)際巖層產(chǎn)狀單元板布置圖設(shè)計(jì)如圖5。試樣中共布置了88組應(yīng)變片，分別采集各點(diǎn)的X和Y方向的應(yīng)變。在離開挖區(qū)附近應(yīng)變片分布較密，遠(yuǎn)離開挖區(qū)分布則相對(duì)稀疏(圖6)。十字交叉塊代表應(yīng)變片的位置分布。
開挖區(qū)位置在模型正中，尺寸為250mm×20mm，橫穿煤巖巖層。彈性范圍內(nèi)加載試驗(yàn)及結(jié)果分析本試驗(yàn)的操作嚴(yán)格按照《深部礦井工程災(zāi)害模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作說(shuō)明書》進(jìn)行，在開挖前，在彈性范圍內(nèi)共進(jìn)行了恒定連續(xù)荷載、恒定不連續(xù)荷載(局部荷載)、連續(xù)變化荷載(三角型、拋物線型)三種情況共8種不同加載方式下的加載試驗(yàn)，并分別使用了邊界連續(xù)加載板和非連續(xù)加載板進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趶椥苑秶鷥?nèi)加載下的整體變形情況和使用不同加載板對(duì)加載精度的影響。
試驗(yàn)時(shí)按照指定的邊界荷載加載后，穩(wěn)定荷載值，然后測(cè)量不同測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變大小。模型砌筑完成后，模型按照錯(cuò)縫排列。
以下是分別使用連續(xù)加載板和非連續(xù)加載板不同方式加載下巖體模型內(nèi)部應(yīng)變分布圖連續(xù)加載板試驗(yàn)1)兩側(cè)均布加載0.4MPa試驗(yàn)結(jié)果(連續(xù)加載板)2)兩側(cè)均布加載0.8MPa試驗(yàn)結(jié)果(連續(xù)加載板)3)兩側(cè)局部加載0.4MPa(連續(xù)加載板)。
4)兩側(cè)局部加載0.6MPa(連續(xù)加載板)。
5)兩側(cè)逐級(jí)遞增加載0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa(連續(xù)加載板)。
6)兩側(cè)逐級(jí)遞減加載0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa(連續(xù)加載板)。
7)凸形拋物線加載0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa(連續(xù)加載板)8)凹形拋物線加載0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa(連續(xù)加載板)見圖1-4非連續(xù)加載板試驗(yàn)1)兩側(cè)均布加載0.4MPa試驗(yàn)結(jié)果(非連續(xù)加載板)2)兩側(cè)均布加載0.8MPa試驗(yàn)結(jié)果(非連續(xù)加載板)3)兩側(cè)局部加載0.4MPa(非連續(xù)加載板)。
4)兩側(cè)局部加載0.6MPa(非連續(xù)加載板)。
5)兩側(cè)逐級(jí)遞增加載0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa(非連續(xù)加載板)。
6)兩側(cè)逐級(jí)遞減加載0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa(非連續(xù)加載板)。
7)凸形拋物線加載0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa(非連續(xù)加載板)8)凹形拋物線加載0.8MPa-0.6MPa-0.4MPa-0.6MPa-0.8MPa(非連續(xù)加載板)從以上試驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論(1)模型在不同的加載方式下，得到不同的應(yīng)變值和分布，其變化范圍在-250微應(yīng)變至120微應(yīng)變之間變化。在加載水平小于1MPa的情況下卸載后應(yīng)變基本恢復(fù)到零，單元板模型整體變形性較好，應(yīng)變片附近的材料變形基本為彈性變形；(2)模型在對(duì)稱荷載作用下，應(yīng)變基本也呈對(duì)稱分布；由于模型沿高度使用了不同材料屬性的單元板模擬不同巖性的巖層，在兩側(cè)均布加載下應(yīng)變分布也有明顯的分層；(3)對(duì)邊界局部荷載，使用非連續(xù)加載板比使用連續(xù)加載板得到的試驗(yàn)結(jié)果更能反映加載特性；對(duì)邊界連續(xù)變化荷載(包括三角型、拋物線型荷載)，由于加載鋼板有一定的剛度，使得作用在試樣上的荷載變得傾向于均勻分布，反映在應(yīng)變結(jié)果也趨于均布分布。因此，對(duì)邊界非均布加載情況，使用非連續(xù)加載板加載精度更高；(4)相比以前的試驗(yàn)，本次試驗(yàn)得到的應(yīng)變分布圖中應(yīng)力集中的區(qū)域增多，主要原因初步分析是由于單元板之間接觸不完全，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中的區(qū)域較多。
模型開挖加載破壞結(jié)果分析
1)模型開挖完成后頂部?jī)蓚?cè)均布加載0.8MPa從應(yīng)力分布圖可以看到開挖區(qū)周圍應(yīng)力明顯集中，尤其是頂板和兩幫附近區(qū)域，此時(shí)巷道模型兩幫開始出現(xiàn)側(cè)向位移，兩側(cè)紅色邊框線明開始彎曲2)頂部?jī)蓚?cè)均布加載增至1MPa3)頂部?jī)蓚?cè)均布加載增至1.4MPa由應(yīng)力分布圖可以看出模型在均布圍壓1MPa和1.4MPa下除了應(yīng)變量值有所增加外，應(yīng)變分布變化不大。X方向的應(yīng)變主要集中在模型巷道頂板左上方和右?guī)图绮浚籝方向應(yīng)變主要集中在左幫和底板處，可以預(yù)見，當(dāng)荷載繼續(xù)增加時(shí)，這些部位將首先出現(xiàn)破壞。
4)頂部加載增至1.8MPa模型巷道在此加載水平下出現(xiàn)了頂板破裂、左幫豎向開縫和底臌，兩側(cè)滑移進(jìn)一步增大，左幫巖體模塊整體推出較明顯；模型在此加載水平下出現(xiàn)了頂板開裂，底臌等典型的煤礦現(xiàn)場(chǎng)破壞現(xiàn)象，按前面試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，對(duì)應(yīng)實(shí)際工程深度為-1330米左右，自重應(yīng)力36MPa，水平應(yīng)力7.2MPa，水平構(gòu)造應(yīng)力28.8MPa的情形。由于出現(xiàn)了局部破壞，局部應(yīng)力集中得到了釋放，反映在應(yīng)力分布圖上為開挖區(qū)周圍應(yīng)變等值線趨于平緩。
5)頂部加載增至2MPa隨著頂部荷載的逐漸增大，應(yīng)變值也逐漸增加。模型開挖區(qū)附近出現(xiàn)過(guò)破壞的區(qū)域重新開始出現(xiàn)應(yīng)力集中。
6)頂部加載增至2.5MPa模型在此加載水平下左幫部開始出現(xiàn)豎向裂紋，頂板下沉量增加；7)頂部加載增至3MPa模型左幫部豎向裂紋增多、增寬；頂、底板變形加劇。
8)頂部加載增至4MPa原本在開挖區(qū)附近顯著的應(yīng)力集中區(qū)域消失，轉(zhuǎn)而重新出現(xiàn)在較深的區(qū)域。增大到此加載水平下，模型發(fā)生較顯著破壞左幫部裂縫開始貫穿，底板斷裂。
9)頂部加載增至5MPa模型開挖區(qū)左側(cè)巖體破壞嚴(yán)重，幫部出現(xiàn)從上至下整體斷裂。底板破碎。
10)頂部加載增至6MPa兩側(cè)加載增至2MPa模型開挖區(qū)右側(cè)幫部巖體開始破碎，底板破碎嚴(yán)重，底臌量進(jìn)一步增加。
11)頂部加載增至6MPa兩側(cè)加載增至4MPa12)頂部加載增至6MPa兩側(cè)加載增至6MPa模型發(fā)生整體全面破壞。
研究結(jié)論通過(guò)試驗(yàn)的構(gòu)思、模型的設(shè)計(jì)、物理有限單元尺寸、材料參數(shù)的確定、模型的制作、應(yīng)變片的粘貼、彈性范圍內(nèi)不同加載板加載對(duì)比試驗(yàn)和加載破壞試驗(yàn)，本階段研究了物理有限單元材料的制作、使用有限單元模擬實(shí)際工程地質(zhì)構(gòu)造、不同加載板對(duì)加載精度的影響和相似模型的加載破壞過(guò)程及規(guī)律。具體得出以下幾點(diǎn)結(jié)論一、用石膏和水制作物理有限單元材料簡(jiǎn)單易行、通過(guò)控制水膏比得到滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度；可以通過(guò)添加纖維材料改善材料性質(zhì)，降低脆性；材料干燥過(guò)程中溫度不能過(guò)高，應(yīng)控制在35攝氏度下，否則石膏材料易變形翹曲。
二、使用紙基應(yīng)變片和乙基纖維素溶劑進(jìn)行粘貼基本能有效測(cè)量石膏材料應(yīng)變值。
三、使用物理有限單元板可以靈活模擬巖體產(chǎn)狀，通過(guò)不同幾何尺寸和力學(xué)參數(shù)的單元板可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同厚度和巖性巖層的模擬。使模型更加接近于實(shí)際工程地質(zhì)狀況，見圖7。
四、進(jìn)一步驗(yàn)證了連續(xù)加載板對(duì)邊界加載精度的影響；對(duì)除了連續(xù)均布荷載以外的加載形式使用非連續(xù)(離散)加載板才能較好的實(shí)現(xiàn)荷載特性。
五、單元板模型的開挖加載破壞試驗(yàn)成功地模擬了深部巖體在自重應(yīng)力和水平構(gòu)造應(yīng)力下共同作用下的變形破壞過(guò)程，再現(xiàn)了實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)的各種破壞現(xiàn)象并通過(guò)應(yīng)變分析可以得出一定的破壞規(guī)律。
六、破壞試驗(yàn)后模型的破壞區(qū)域主要集中在開挖區(qū)附近范圍，在離開挖區(qū)較遠(yuǎn)的區(qū)域單元板材料的破壞程度不大，其中有一些可以留待下一次試驗(yàn)繼續(xù)使用，有利于縮短試驗(yàn)周期和降低試驗(yàn)成本。
權(quán)利要求
1.一種深部巖體工程災(zāi)害模型實(shí)驗(yàn)方法，包括制作成正方扁柱體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將模型放置在加載設(shè)備內(nèi)，對(duì)模型厚度四周施加載荷，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模型試驗(yàn)，記錄并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)；其特征是1)制作物理有限單元板①，根據(jù)相似形原理由物理有限單元板模擬式樣巖體產(chǎn)狀壘砌組合成試驗(yàn)?zāi)Ｐ廷?。所述物理有限單元板為長(zhǎng)方體，其寬度等于模型厚度，其厚度和長(zhǎng)度根據(jù)相似形原理和模擬式樣巖體產(chǎn)狀精度設(shè)定；其材料由石膏和水不同比例配制；2)所述加載方式為連續(xù)加載板或非連續(xù)加載板下六種應(yīng)力組合，分別是(1)周邊均布加載，(2)周邊局部加載，(3)周邊逐級(jí)遞增加載，(4)周邊逐級(jí)遞減加載，(5)周邊凸形拋物線加載，(6)周邊凹形拋物線加載；并且根據(jù)相似性原理和實(shí)際工程與式樣巖體實(shí)際受力狀況設(shè)計(jì)加載試驗(yàn)載荷。3)實(shí)驗(yàn)分為模型中心不開挖和在模型中心模擬實(shí)際工程開挖兩種情況進(jìn)行；4)對(duì)于試驗(yàn)中模型被破壞的部分，用相同的物理有限單元板替換原單元板并修復(fù)模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深部巖體工程災(zāi)害模型實(shí)驗(yàn)方法，其特征是1)所述物理有限單元板的尺寸為40×40×(0.5～3.5)cm和40×20×(0.5～3.5)cm；水∶石膏為砂巖巖組0.8∶1，泥巖巖組1∶1，煤體巖組1.2∶1；由該單元板模擬式樣巖體產(chǎn)狀組合成的試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?60cm×160cm×40cm。2)所述加載載荷范圍是不開挖時(shí)，0.4～0.8MP；開挖時(shí)0.8～6MP；加載方式是模型兩側(cè)加載載荷相等，模型上部與兩側(cè)相獨(dú)立。3)在開挖試驗(yàn)完畢后，用相同的物理有限單元板④替換損壞部分并修復(fù)模型①。
全文摘要
地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)是研究大型復(fù)雜巖土工程問(wèn)題的重要手段，模型試驗(yàn)技術(shù)可以真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)際工程情況，而目前地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)試驗(yàn)周期長(zhǎng)，而且每改變一種參數(shù)就必須重新作一次模型試驗(yàn)，模型不能重復(fù)利用、費(fèi)用高、試驗(yàn)技術(shù)復(fù)雜，研究的成本大，而本發(fā)明提出了物理有限單元板材料的概念并通過(guò)連續(xù)或非連續(xù)對(duì)稱荷載的方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，采用強(qiáng)度不同的單元板組合模擬產(chǎn)狀。做完破壞試驗(yàn)后，將未破壞的單元材料收集，可留待下次試驗(yàn)重復(fù)使用，同時(shí)，由于單元板材料其尺寸小，又可靈活的模擬各種不同的巖體。這樣還克服了模型試驗(yàn)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)G09B25/00GK101082513SQ20071011912
公開日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2007年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月16日
發(fā)明者何滿潮, 錢增珍, 孫曉明 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)