[發(fā)明專利]模擬二維加載液氮降溫機械開挖卸荷的試驗裝置及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711185365.6
• 申請日: 2017-11-23
• 公開（公告）號: CN107764657A
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發(fā)明（設計）人: 宮鳳強;司雪峰;李夕兵;羅勇;董隴軍
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/16;G01N3/08;G01N1/08
• 代理公司: 長沙新裕知識產(chǎn)權代理有限公司43210
• 代理人: 周躍仁

1.模擬二維加載液氮降溫機械開挖卸荷的試驗裝置，其特征在于，鉆頭(1)與螺旋鉆桿(2)相連，螺旋鉆桿(2)上設有螺旋通道(14)和注液通道(15)，螺旋鉆桿(2)置于電機(3)側端中間位置，電機(3)下端四個角分別置于可伸縮支座(11)上方，可伸縮支座(11)分別與四個滑塊(4)相連，滑塊(4)置于水平導軌(9)上，滑塊(4)與連接桿(5)相連，齒條(6)與連接桿(5)的中間部位相連，軸承(13)與導軌(9)相連，齒輪連接桿(10)穿過軸承(13)，齒輪連接桿(10)上焊有齒輪(7)，齒輪(7)與齒條(6)相嚙合，齒輪連接桿(10)與變速電機(8)連接，加載室由垂直上側加載塊(16)、垂直下側加載塊(17)、水平左側加載塊(18)、水平右側加載塊(19)和水平后側加載塊(20)組成，巖石試樣(12)置于加載室中。

2.根據(jù)權利要求1所述的模擬二維加載液氮降溫機械開挖卸荷的試驗裝置，其特征在于，所述鉆頭(1)、螺旋鉆桿(2)、電機(3)、滑塊(4)、連接桿(5)和齒條(6)組成行走推進系統(tǒng)。

3.根據(jù)權利要求1所述的模擬二維加載液氮降溫機械開挖卸荷的試驗裝置，其特征在于，所述鉆頭(1)與螺旋鉆桿(2)螺紋連接。

4.根據(jù)權利要求1所述的模擬二維加載液氮降溫機械開挖卸荷的試驗裝置，其特征在于，所述可伸縮支座(11)能夠伸長和縮短，每一節(jié)伸長或縮短25mm。

5.根據(jù)權利要求1所述的模擬二維加載液氮降溫機械開挖卸荷的試驗裝置，其特征在于，所述電機(3)型號為YM-118D，變速電機(8)型號為7IK400R-C2F-GH。

6.一種如權利要求1-5所述的模擬二維加載液氮降溫機械開挖卸荷的試驗裝置的試驗方法，其特征在于，按照以下步驟進行：

步驟一、固定巖石試樣(12)：將加工好的正方形巖石試樣(12)放在TRW-3000巖石真三軸電液伺服誘變試驗機由垂直上側加載塊(16)、垂直下側加載塊(17)、水平左側加載塊(18)、水平右側加載塊(19)組成的加載室中，通過試驗機的控制系統(tǒng)在垂直方向施加一個10kN的力，然后在水平方向加載，從而固定巖石試樣(12)，力的大小等于垂直方向的力，試驗機為TRW-3000巖石真三軸電液伺服誘變試驗機，垂直方向即試驗機Z方向，水平方向即試驗機X方向和Y方向；

步驟二、對巖石試樣(12)進行二維加載：巖石試樣(12)固定在試驗機上后，同時以相同的加載速率將垂直方向的應力σ_v和水平方向的應力σ_h加載至設定深度處的二維應力水平，用以模擬不同深度的應力環(huán)境，同時通過檢測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對不同應力進行記載；

步驟三、安裝開挖卸荷試驗裝置：對巖石試樣(12)進行二維加載后，將開挖卸荷裝置固定在巖石試樣(12)未受力的一側，即試驗機X方向，選取合適直徑的鉆頭(1)，并與螺旋鉆桿(2)螺紋連接，再將開挖卸荷試驗裝置固定，通過可伸縮支座(11)調(diào)整開挖卸荷試驗裝置的高度，使鉆頭(1)的軸線與巖石試樣(12)中心軸線位于同一條直線上，另外在巖石試樣(12)后側固定水平后側加載塊(20)，以防在鉆孔的過程中巖石試樣(12)產(chǎn)生水平滑動而影響試驗的進程；

步驟四、模擬巷道機械開挖：巖石試樣(12)加載至設定的初始應力水平后，鉆頭(1)、螺旋鉆桿(2)、電機(3)、滑塊(4)、連接桿(5)和齒條(6)組成行走推進系統(tǒng)，打開變速電機(8)，通過齒輪(7)轉動帶動齒條(6)移動，使行走推進系統(tǒng)移動，電機(3)通過螺旋鉆桿(2)帶動鉆頭(1)鉆取巖石試樣(12)，通過改變鉆頭(1)的直徑大小來模擬不同直徑的圓形巷道的開挖，在試驗過程中，開挖鉆孔的推進速度由鉆孔的長度與鉆孔所用的時間進行計算，通過改變變速電機(8)的轉速來改變鉆頭(1)的推進速率來模擬地下工程的施工進度，進而實現(xiàn)不同速率的開挖卸荷，通過控制鉆頭(1)切割巖石試樣(12)的深度，實現(xiàn)隧道不同開挖卸荷量的模擬，螺旋鉆桿(2)上設有螺旋通道(14)用以排出巖石碎屑，螺旋鉆桿(2)中間設有注液通道(15)，用于降低鉆頭工作時的溫度；到整個巖石試樣(12)完全貫通時，然后向反方向轉動變速電機(8)，使鉆頭(1)完全退出巖石試樣(12)，完成二維條件下圓形巷道開挖卸荷模擬，關閉電機(3)；

步驟五、數(shù)據(jù)處理并分析：在臨空面一側安裝攝像機，用于監(jiān)控孔洞內(nèi)洞壁圍巖的破壞過程，繼續(xù)用試驗機增加垂直方向的應力σ_v，此時增加垂直應力是為了模擬巷道的應力調(diào)整過程，通過攝像機及聲發(fā)射系統(tǒng)詳細記錄洞壁的破壞過程。