一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的装置及方法

摘要

本发明公开了一种还原张拉劈裂产生的围岩‑衬砌接触面的装置，包括底板，底板上设置有方框模具，方框模具包括竖直设置在底板上的左侧板、右侧板、前面板和后面板，方框模具内设置有围岩‑衬砌接触面模型，左侧板上开设有若干个左侧板螺纹孔，右侧板上开设有若干个右侧板螺纹孔，左侧固定螺栓的螺纹端拧入左侧板螺纹孔并与围岩‑衬砌接触面模型一面相抵，右侧固定螺栓的螺纹端拧入右侧板螺纹孔并与围岩‑衬砌接触面模型另一面相抵。还公开了一种还原张拉劈裂产生的围岩‑衬砌接触面的方法，可用于制备含围岩‑衬砌接触面试样；通过长度刻度和角度刻度，调整围岩‑衬砌接触面模型的位置和角度，从而实现不同倾角和不同厚度接触面的制样。

权利要求

1.一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的装置，包括底板(6)，其特征在于，底板(6)上设置有方框模具，方框模具包括竖直设置在底板(6)上的左侧板(4)、右侧板(5)、前面板(2)和后面板(3)，方框模具内设置有围岩-衬砌接触面模型(1)，左侧板(4)上开设有若干个左侧板螺纹孔(1401)，右侧板(5)上开设有若干个右侧板螺纹孔(1402)，左侧固定螺栓(1101)的螺纹端拧入左侧板螺纹孔(1401)并与围岩-衬砌接触面模型(1)一面相抵，右侧固定螺栓(1102)的螺纹端拧入右侧板螺纹孔(1402)并与围岩-衬砌接触面模型(1)另一面相抵，左侧固定螺栓(1101)和右侧固定螺栓(1102)的螺纹端上均套设有配套螺母(12)，后面板(3)顶部沿左侧板(4)至右侧板(5)的方向设置有长度刻度(9)，围岩-衬砌接触面模型(1)的侧部开设有调角孔，后面板(3)上开设有与调角孔位置相对应的调角开关预留孔(13)，后面板(3)上以调角开关预留孔(13)为旋转圆心设置有角度刻度(10)，调角开关(8)整体呈L型，调角开关(8)一端为插入端，另一端为指示端，调角开关(8)的插入端贯穿调角开关预留孔(13)后插紧在调角孔中，左侧板螺纹孔(1401)和右侧板螺纹孔(1402)错开分布。

2.一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的方法，利用权利要求1所述的还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将左侧板(4)、右侧板(5)、前面板(2)和后面板(3)固定在底板(6)上，左侧板(4)、右侧板(5)、前面板(2)和后面板(3)围成方框模具，将围岩-衬砌接触面模型(1)放置在方框模具中，步骤2、将左侧固定螺栓(1101)的螺纹端拧入到左侧板螺纹孔(1401)中并与围岩-衬砌接触面模型(1)一面相抵，将右侧固定螺栓(1102)的螺纹端拧入到右侧板螺纹孔(1402)中并与围岩-衬砌接触面模型(1)另一面相抵，将调角开关(8)的插入端贯穿调角开关预留孔(13)后插紧在调角孔中，调整围岩-衬砌接触面模型(1)的旋转角度同时调整左侧固定螺栓(1101)的拧入深度和右侧固定螺栓(1102)的拧入深度，使得左侧固定螺栓(1101)和右侧固定螺栓(1102)始终与围岩-衬砌接触面模型(1)的两面相抵，围岩-衬砌接触面模型(1)旋转至设定旋转角度后，拧紧配套螺母(12)，步骤3、在方框模具中的围岩-衬砌接触面模型(1)两侧面填入模拟填充料，进行人工插捣模拟填充料或采用机器振捣使模拟填充料密实，养护两天后拆开方框模具，取出围岩-衬砌接触面模型(1)，获得左侧试样和右侧试样，将左侧试样和右侧试样合二为一得到试样。

3.一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的方法，利用权利要求1所述的还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将左侧板(4)、右侧板(5)、前面板(2)和后面板(3)固定在底板(6)上，左侧板(4)、右侧板(5)、前面板(2)和后面板(3)围成方框模具，将围岩-衬砌接触面模型(1)放置在方框模具中，沿长度刻度(9)调整围岩-衬砌接触面模型(1)的位置，步骤2、将左侧固定螺栓(1101)的螺纹端拧入到左侧板螺纹孔(1401)中并与围岩-衬砌接触面模型(1)一面相抵，将右侧固定螺栓(1102)的螺纹端拧入到右侧板螺纹孔(1402)中并与围岩-衬砌接触面模型(1)另一面相抵，拧紧配套螺母(12)，步骤3、在方框模具中的围岩-衬砌接触面模型(1)两侧面填入模拟填充料，进行人工插捣模拟填充料或采用机器振捣使模拟填充料密实，养护两天后拆开方框模具，取出围岩-衬砌接触面模型(1)，获得左侧试样和右侧试样，将左侧试样和右侧试样合二为一得到试样。

说明书

一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于岩土实验装置领域，具体涉及一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的装置，还涉及一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的方法。

背景技术

[0002] 当前隧洞开挖多采用钻爆法施工，爆破所发射的应力波产生径向裂隙，这些裂隙会优先平行于局部应力场主应力的方向传播，即环向，这样就在相邻炮孔中间形成了岩体劈裂面，一般在爆破施工完成后，即进行喷射混凝土支护，岩体劈裂面边演化为了围岩-衬砌接触面，与研究岩体结构面类似，研究因钻爆法施工形成的围岩-衬砌接触面也具有重要意义，这是研究围岩与衬砌接触作用的一个突破口。

[0003] 研究围岩与衬砌相互作用时，接触作用是一个重要方面，而围岩与衬砌之间的接触面是发生接触作用的主要载体。已有研究表明，围岩-衬砌接触面的力学性质不仅与其两侧岩体和混凝土有关，还与接触面的表面形态密切相关，要研究围岩-衬砌接触面的力学行为、获取相关力学参数、研究几何形貌与力学性质之间的关系，就要展开大量不同表面形态的围岩-衬砌接触面剪切试验。但目前在现场采样和室内还原围岩-衬砌接触面上还存在以下困难：

[0004] 1、现场获取真实接触面试样存在困难，尤其是采用钻爆法施工后形成的劈裂面，因为需要及时支护，所以在形成之际便被混凝土层覆盖，不易取得劈裂面试样；

[0005] 2、“真实接触面试验的不可重复性”。即使在现场取到了真实接触面试样，用其进行室内压缩或剪切试验，试验后接触面当即破坏，不可重塑，换一组接触面进行试验，又因每组接触面试样表面形态不一，导致试验结果不同，因此存在室内试验不可重复的问题；

[0006] 3、“规则角度模拟不能反映真实形貌特征”，为了解决上述两个问题，众多学者研究制作了“标准角度接触面”。这一制作围岩-衬砌接触面的方法是在一块钢板上切割出锯齿状的规则角度，通常有30°、45°、60°等，然后在制作的接触面钢板模型一侧（单面锯齿）或两侧（双面锯齿）浇筑混凝土或相似材料来制备用于室内试验的围岩-衬砌接触面试样。但是这些设定的规则角度并不能反映真实接触面的几何特征，只是一种变相的等效和代替，与凹凸不平的接触面真实状态不仅是几何形貌上存在差异，也在力学行为上有着较大距离。

[0007] 4、围岩-衬砌接触面因受外力作用而产生响应，外力作用的方向并不是一定是平行于接触面的，且作用在接触面两侧围岩和衬砌上的外力大小也会存在差异，因此在室内模拟试验时，需要在接触面两侧岩石上施加大小不同的作用力，而这在现有方法中是不常见的，因力的作用是相互的，接触面两侧施加大小不同的作用力不易实现。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供了一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的装置，还提供一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的方法。解决了针对接触面剪切试验不可重复的问题，便于接触面的剪切试验研究。

[0009] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

[0010] 一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的装置，包括底板，底板上设置有方框模具，方框模具包括竖直设置在底板上的左侧板、右侧板、前面板和后面板，方框模具内设置有围岩-衬砌接触面模型，左侧板上开设有若干个左侧板螺纹孔，右侧板上开设有若干个右侧板螺纹孔，左侧固定螺栓的螺纹端拧入左侧板螺纹孔并与围岩-衬砌接触面模型一面相抵，右侧固定螺栓的螺纹端拧入右侧板螺纹孔并与围岩-衬砌接触面模型另一面相抵。

[0011] 如上所述的左侧固定螺栓和右侧固定螺栓的螺纹端上均套设有配套螺母。

[0012] 如上所述的后面板顶部沿左侧板至右侧板的方向设置有长度刻度。

[0013] 如上所述的围岩-衬砌接触面模型的侧部开设有调角孔，后面板上开设有与调角孔位置相对应的调角开关预留孔，后面板上以调角开关预留孔为旋转圆心设置有角度刻度，调角开关整体呈L型，调角开关一端为插入端，另一端为指示端，调角开关的插入端贯穿调角开关预留孔后插紧在调角孔中。

[0014] 如上所述的左侧板螺纹孔和右侧板螺纹孔错开分布。

[0015] 一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的方法，包括以下步骤：

[0016] 步骤1、将左侧板、右侧板、前面板和后面板固定在底板上，左侧板、右侧板、前面板和后面板围成方框模具，将围岩-衬砌接触面模型放置在方框模具中，

[0017] 步骤2、将左侧固定螺栓的螺纹端拧入到左侧板螺纹孔中并与围岩-衬砌接触面模型一面相抵，将右侧固定螺栓的螺纹端拧入到右侧板螺纹孔中并与围岩-衬砌接触面模型另一面相抵，拧紧配套螺母，

[0018] 步骤3、在方框模具中的围岩-衬砌接触面模型两侧面填入模拟填充料，进行人工插捣模拟填充料或采用机器振捣使模拟填充料密实，养护两天后拆开方框模具，取出围岩-衬砌接触面模型，获得左侧试样和右侧试样，将左侧试样和右侧试样合二为一得到试样。

[0019] 一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的方法，包括以下步骤：

[0020] 步骤1、将左侧板、右侧板、前面板和后面板固定在底板上，左侧板、右侧板、前面板和后面板围成方框模具，将围岩-衬砌接触面模型放置在方框模具中，

[0021] 步骤2、将左侧固定螺栓的螺纹端拧入到左侧板螺纹孔中并与围岩-衬砌接触面模型一面相抵，将右侧固定螺栓的螺纹端拧入到右侧板螺纹孔中并与围岩-衬砌接触面模型另一面相抵，将调角开关的插入端贯穿调角开关预留孔后插紧在调角孔中，调整围岩-衬砌接触面模型的旋转角度同时调整左侧固定螺栓的拧入深度和右侧固定螺栓的拧入深度，使得左侧固定螺栓和右侧固定螺栓始终与围岩-衬砌接触面模型的两面相抵，围岩-衬砌接触面模型旋转至设定旋转角度后，拧紧配套螺母，

[0022] 步骤3、在方框模具中的围岩-衬砌接触面模型两侧面填入模拟填充料，进行人工插捣模拟填充料或采用机器振捣使模拟填充料密实，养护两天后拆开方框模具，取出围岩-衬砌接触面模型，获得左侧试样和右侧试样，将左侧试样和右侧试样合二为一得到试样。

[0023] 一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的方法，包括以下步骤：

[0024] 步骤1、将左侧板、右侧板、前面板和后面板固定在底板上，左侧板、右侧板、前面板和后面板围成方框模具，将围岩-衬砌接触面模型放置在方框模具中，沿长度刻度调整围岩-衬砌接触面模型的位置，

[0025] 步骤2、将左侧固定螺栓的螺纹端拧入到左侧板螺纹孔中并与围岩-衬砌接触面模型一面相抵，将右侧固定螺栓的螺纹端拧入到右侧板螺纹孔中并与围岩-衬砌接触面模型另一面相抵，拧紧配套螺母，

[0026] 步骤3、在方框模具中的围岩-衬砌接触面模型两侧面填入模拟填充料，进行人工插捣模拟填充料或采用机器振捣使模拟填充料密实，养护两天后拆开方框模具，取出围岩-衬砌接触面模型，获得左侧试样和右侧试样，将左侧试样和右侧试样合二为一得到试样。

[0027] 本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

[0028] 1、可用于制备含围岩-衬砌接触面试样；

[0029] 2、通过长度刻度和角度刻度，调整围岩-衬砌接触面模型的位置和角度，从而实现不同倾角和不同厚度接触面的制样。

附图说明

[0030] 图1为围岩-衬砌接触面模型的实体模型示意图；

[0031] 图2为本发明的俯视结构示意图；

[0032] 图3为本发明的侧视结构示意图；

[0033] 图4为左侧板螺纹孔和右侧板螺纹孔的布置示意图；

[0034] 图5为实施例2的围岩-衬砌接触面模型的调整示意图；

[0035] 图6为实施例3的围岩-衬砌接触面模型的调整示意图。

[0036] 其中：1-围岩-衬砌接触面模型；2-前面板；3-后面板；4-左侧板；5-右侧板；6-底板；7-组装螺丝；8-调角开关；9-长度刻度；10-角度刻度；1101-左侧固定螺栓；1102-右侧固定螺栓；12-配套螺母；13-调角开关预留孔；1401-左侧板螺纹孔；1402-右侧板螺纹孔。

具体实施方式

[0037] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

[0038] 实施例1：

[0039] 还原围岩-衬砌接触面，包括以下步骤：

[0040] 根据钻爆法施工，掌子面岩体因受冲击拉伸应力而发生劈裂破坏形成围岩-衬砌接触面的原理，使用巴西圆盘试验方法，对直径150mm，厚度150mm的圆柱状岩石试样进行劈裂，劈裂中使用较高的加载速率，以模拟爆破冲击作用；试验后，得到一个投影面积为150×150mm的劈裂接触面，采用高精度三维扫描设备对劈裂接触面进行扫描，得到三维坐标形式的劈裂接触面点云数据并导入MATLAB软件进行插值拟合，生成CAD脚本文件，将CAD脚本文件加载至CAD中，形成劈裂接触面的三维曲面，将三维曲面进行平移加厚，形成具有一定厚度的接触面模型，利用3D打印技术，基于SLA光固化成形技术，采用光敏树脂材料将接触面模型打印出来，便得到了具有较高还原精度的围岩-衬砌接触面实体模型，如图1所示。

[0041] 一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的装置，包括底板6，底板6上设置有方框模具，方框模具包括竖直设置在底板6上的左侧板4、右侧板5、前面板2和后面板3，方框模具内设置有围岩-衬砌接触面模型1，左侧板4上开设有若干个左侧板螺纹孔1401，右侧板5上开设有若干个右侧板螺纹孔1402，左侧固定螺栓1101的螺纹端拧入左侧板螺纹孔1401并与围岩-衬砌接触面模型1一面相抵，右侧固定螺栓1102的螺纹端拧入右侧板螺纹孔1402并与围岩-衬砌接触面模型1另一面相抵。

[0042] 左侧固定螺栓1101和右侧固定螺栓1102的螺纹端上均套设有配套螺母12。

[0043] 后面板3顶部沿左侧板4至右侧板5的方向设置有长度刻度9。

[0044] 围岩-衬砌接触面模型1的侧部开设有调角孔，后面板3上开设有与调角孔位置相对应的调角开关预留孔13，后面板3上以调角开关预留孔13为旋转圆心设置有角度刻度10，调角开关8整体呈L型，调角开关8一端为插入端，另一端为指示端，调角开关8的插入端贯穿调角开关预留孔13后插紧在调角孔中，围岩-衬砌接触面模型1旋转时，带动调角开关8的插入端旋转，进而带动调角开关8的指示端旋转，调角开关8的指示端和角度刻度10相配合可以指示围岩-衬砌接触面模型1旋转的角度。

[0045] 左侧板螺纹孔1401和右侧板螺纹孔1402错开分布。

[0046] 利用上述还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的装置，进行还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的方法，制备150×150×150mm规格的试样，围岩-衬砌接触面模型1的厚度为10mm，因此左侧板4内侧和右侧板5内侧之间的距离为160mm，前面板2内侧和后面板3内侧之间的距离为150mm，左侧板4、右侧板5、前面板2和后面板3的高度均为150mm，使用螺钉将左侧板4、右侧板5、前面板2和后面板3固定在底板6上，左侧板4、右侧板5、前面板2和后面板3围成方框模具，将围岩-衬砌接触面模型1放置在方框模具中，将左侧固定螺栓1101的螺纹端拧入到左侧板螺纹孔1401中并与围岩-衬砌接触面模型1一面相抵，将右侧固定螺栓1102的螺纹端拧入到右侧板螺纹孔1402中并与围岩-衬砌接触面模型1另一面相抵，然后拧紧配套螺母12，使得左侧板4、右侧板5、围岩-衬砌接触面模型1的相对位置进一步固定。在方框模具中的围岩-衬砌接触面模型1两侧面填入模拟填充料，模拟填充料为用于模拟接触面两侧围岩和衬砌的相似材料或混凝土，进行人工插捣模拟填充料或采用机器振捣使模拟填充料密实，养护两天后拆开方框模具，取出围岩-衬砌接触面模型1，获得左侧试样和右侧试样，将左侧试样和右侧试样沿接触面合二为一得到试样，试样养护一段时间后，进行室内压缩或剪切试验。

[0047] 实施例2：

[0048] 利用实施例1记载的一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的装置，进行还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的方法，制备150×150×150mm规格的试样，围岩-衬砌接触面模型1的厚度为10mm，因此左侧板4内侧和右侧板5内侧之间的距离为160mm，前面板2内侧和后面板3内侧之间的距离为150mm，左侧板4、右侧板5、前面板2和后面板3的高度均为150mm，使用螺钉将左侧板4、右侧板5、前面板2和后面板3固定在底板6上，左侧板4、右侧板
5、前面板2和后面板3围成方框模具，将围岩-衬砌接触面模型1放置在方框模具中，将左侧固定螺栓1101的螺纹端拧入到左侧板螺纹孔1401中并与围岩-衬砌接触面模型1一面相抵，将右侧固定螺栓1102的螺纹端拧入到右侧板螺纹孔1402中并与围岩-衬砌接触面模型1另一面相抵，调角开关8的插入端贯穿调角开关预留孔13后插紧在调角孔中，调整围岩-衬砌接触面模型1的旋转角度同时调整左侧固定螺栓1101的拧入深度和右侧固定螺栓1102的拧入深度，使得左侧固定螺栓1101和右侧固定螺栓1102始终与围岩-衬砌接触面模型1的两面相抵，通过调角开关8的指示端和角度刻度10显示围岩-衬砌接触面模型1的旋转角度，围岩-衬砌接触面模型1旋转至设定旋转角度后，拧紧配套螺母12，使得左侧板4、右侧板5、围岩-衬砌接触面模型1的相对位置进一步固定。在方框模具中的围岩-衬砌接触面模型1两侧面填入模拟填充料，模拟填充料为用于模拟接触面两侧围岩和衬砌的相似材料或混凝土，进行人工插捣模拟填充料或采用机器振捣使模拟填充料密实，养护两天后拆开方框模具，取出围岩-衬砌接触面模型1，获得左侧试样和右侧试样，将左侧试样和右侧试样沿接触面合二为一得到试样，试样养护一段时间后，进行室内压缩或剪切试验。

[0049] 实施例3：

[0050] 利用实施例1记载的一种还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的装置，进行还原张拉劈裂产生的围岩-衬砌接触面的方法，制备150×150×150mm规格的试样，围岩-衬砌接触面模型1的厚度为10mm，因此左侧板4内侧和右侧板5内侧之间的距离为160mm，前面板2内侧和后面板3内侧之间的距离为150mm，左侧板4、右侧板5、前面板2和后面板3的高度均为150mm，使用螺钉将左侧板4、右侧板5、前面板2和后面板3固定在底板6上，左侧板4、右侧板
5、前面板2和后面板3围成方框模具，将围岩-衬砌接触面模型1放置在方框模具中，通过长度刻度9调整围岩-衬砌接触面模型1与左侧板4、右侧板5之间的距离，进而调整左侧试样的厚度为55mm，右侧试样的厚度为95mm，将左侧固定螺栓1101的螺纹端拧入到左侧板螺纹孔
1401中并与围岩-衬砌接触面模型1一面相抵，将右侧固定螺栓1102的螺纹端拧入到右侧板螺纹孔1402中并与围岩-衬砌接触面模型1另一面相抵，拧紧配套螺母12，使得左侧板4、右侧板5、围岩-衬砌接触面模型1的相对位置进一步固定。在方框模具中的围岩-衬砌接触面模型1两侧面填入模拟填充料，模拟填充料为用于模拟接触面两侧围岩和衬砌的相似材料或混凝土，进行人工插捣模拟填充料或采用机器振捣使模拟填充料密实，养护两天后拆开方框模具，取出围岩-衬砌接触面模型1，获得左侧试样和右侧试样，将左侧试样和右侧试样沿接触面合二为一得到试样，试样养护一段时间后，进行室内压缩或剪切试验。

[0051] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明原理作举例说明，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做相应的修改，比如调整围岩-衬砌接触面模型的厚度；在后侧板多开孔，实现厚度和角度同时可调的接触面吻合模具的制备；添加一个上面板，将角度刻度盘至于其上，通过左右旋转模型改变倾角，或者是其他的补充和修改等，但不得偏离本发明的原理，或者所附权利要求书所定义的范围。