(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210785003.5 (22)申请日 2022.06.30 (71)申请人 重庆大学 地址 400000 重庆市沙坪坝区正 街174号 (72)发明人 李诗琪　杨忠平　李绪勇　刘浩宇　 赵茜　 (74)专利代理 机构 重庆鼎慧峰合知识产权代理 事务所(普通 合伙) 50236 专利代理师 石世疆 (51)Int.Cl. G01N 3/02(2006.01) G01N 3/12(2006.01) G01N 3/22(2006.01) G01N 3/24(2006.01) (54)发明名称 一种用于土石混合体隧道围岩开挖卸荷模 拟试验装置及模拟试验方法 (57)摘要 本发明公开了一种用于土石混合体隧道围 岩开挖卸荷模拟试验装置及模拟试验 方法， 包括 底座组件、 组合装样辅助系统、 橡皮膜、 应变片、 微机控制电液伺服加载系统、 顶压组件和水压 计。 组合装样辅助系统包括空腔组件和放料组 件， 通过放料组件能将不同粒径 块石与土在下落 至装样腔内时均匀混合于空腔组件内， 微机控制 电液伺服加载系统能对试样施加外部围压、 内部 围压、 轴向压力和扭转剪力。 本发明可 以制备块 石分布均匀， 无过大孔隙的饱和土石混合体空心 圆柱试样； 较为真实地模拟与再现土石混合体隧 道围岩的开挖卸荷效应； 实时记录试样各相关力 学参数变化， 反映隧道开挖时土石混合体围岩的 损伤演化过程。 权利要求书2页 说明书6页 附图6页 CN 115046848 A 2022.09.13 CN 115046848 A 1.一种用于土石混合体隧道围岩开挖卸荷模拟试验装置， 其特征在于， 包括底座组件、 组合装样辅助系统、 橡皮膜、 应 变片、 微机控制电液伺服加载系统、 顶压组件和水压计； 所述组合装样辅助系统包括空腔组件和放料组件； 所述空腔组件包括内装样套筒、 外 装样套筒和透水石； 所述内装样套筒和所述外装样套筒同轴地设于所述底座组件上， 并在 其二者之间形成装样腔， 所述内装样套筒内形成内压腔， 所述外装样套筒外壁与所述底座 组件形成外压腔； 所述透水石设于所述底座组件上， 并位于所述内装样套筒和所述外装样 套筒之间； 所述橡皮膜设有两个， 一所述橡皮膜可拆卸套地设于所述内装样套筒的外壁， 另一所 述橡皮膜可拆卸地套设与所述外装样套 筒的内壁， 并在其外表面设有所述应 变片； 所述放料组件可拆卸地设于所述装样腔内， 所述放料组件能使不同粒径块石与土在下 落至所述装样 腔内时均匀混合； 所述装样腔内装样完成后， 拆卸所述放料组件并安装所述顶压组件， 使所述内压腔和 所述外压腔分别形成密闭空间； 所述水压计设有多个并能分别测量两所述橡皮膜外侧空间的压力， 所述顶压组件上还 设有可关闭的排气孔； 所述微机控制电液伺服加载系统与 所述装样腔及所述装样腔外的两封闭空间相连， 所 述微机控制电液伺服加载系统能同时对所述装样腔施加外部 围压、 内部 围压、 轴向压力和 扭转剪力。 2.根据权利要求1所述的一种用于土石混合体隧道围岩开挖卸荷模拟试验装置， 其特 征在于， 所述底座组件包括仪器基座、 底部密封盘、 刚性外壁和试样底座； 所述底部密封盘 设于所述仪器基座上， 所述刚性外壁立设于所述底部密封盘上， 所述刚性外壁与所述外装 样套筒外壁之间形成所述外压腔， 所述刚性外壁的顶端可拆卸地设有所述顶压组件； 所述 试样底座设于所述底部密封盘上， 所述内装样套筒和所述外装样套筒分别同轴地设于所述 试样底座上， 所述底部密封盘上设有多个通液管道， 所述通液管道一端与所述微机控制电 液伺服加载系统， 另一端与所述外压腔或穿过所述试样底座与所述内压腔连通， 所述微机 控制电液伺服加载系统能控制所述内压腔和所述外 压腔的进水量。 3.根据权利要求2所述的一种用于土石混合体隧道围岩开挖卸荷模拟试验装置， 其特 征在于， 所述微机控制电液伺服加载系统包括外压伺服控制机、 内压伺服控制机、 反压伺服 控制机和扭剪控制 机； 所述外压伺服控制 机通过所述通液管道和所述外压腔相连， 并能控 制所述外压腔的进水量； 所述内压伺服控制 机通过所述通液管道和所述内压腔相连， 并能 控制所述内压腔的进水量； 所述反压伺服控制 机穿过所述试样底座和所述透水石相连， 并 能给予所述装样腔竖向的压力； 所述扭剪控制 机和所述试样底座相连， 并能带动所述试样 底座转动。 4.根据权利要求3所述的一种用于土石混合体隧道围岩开挖卸荷模拟试验装置， 其特 征在于， 所述放料 组件包括装样漏斗和物料筒； 所述物料筒 可拆卸地设于所述装样腔内， 所 述漏斗设有 多个， 并分别设于所述物料筒上， 所述漏斗和所述物料筒相连通。 5.根据权利要求4所述的一种用于土石混合体隧道围岩开挖卸荷模拟试验装置， 其特 征在于， 所述顶压组件包括顶部密封盘、 顶压板和反力框架； 所述顶部密封盘可拆卸地设于 所述刚性外壁顶端， 并能抵接所述装样腔顶端， 所述顶压板设于所述顶部密封盘上， 并通过权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115046848 A 2所述反力框架和所述仪器底座相连。 6.根据权利要求5所述的一种用于土石混合体隧道围岩开挖卸荷模拟试验装置， 其特 征在于， 所述装样漏斗内还设有漏斗隔板 。 7.根据权利要求6所述的一种用于土石混合体隧道围岩开挖卸荷模拟试验装置， 其特 征在于， 所述刚性外壁外还设有紧箍套。 8.根据权利要求7所述的一种用于土石混合体隧道围岩开挖卸荷模拟试验装置， 其特 征在于， 所述底部密封盘和所述试样底座上还分别 设有集液槽， 所述集液槽与所述通液管 道相连通。 9.根据权利要求8所述的一种用于土石混合体隧道围岩开挖卸荷模拟试验装置， 其特 征在于， 所述装样套 筒上还设有刻度。 10.一种用于土石混合体隧道围岩开挖卸荷模拟试验方法， 利用如权利要求1 ‑9任意一 项所述的用于土石混合体隧道围岩开挖卸荷模拟试验装置， 其特征在于， 该模拟试验方法 包括以下步骤： (1)组装组合装样辅助系统， 先拆卸顶压组件， 于试样底座组件上方安装内装样套筒与 外装样套 筒， 两个套 筒之间放置圆环状透水石； (2)在内装样套筒外侧套上橡皮膜， 在外装样套筒内侧套上橡皮膜， 并在相应位置设置 应变片； (3)在内装样套 筒上方安装放料组件， 使二 者连通； (4)装填试样， 在放料组件的不同高度处装填不同粒径块石， 块石顺着放料组件22抵达 装样腔， 通过控制装样时机， 使不同粒径块石与土在下落时均匀混合， 每装填一定厚度试样 后需进行压实整平， 待变形 稳定后再进行 下一次装填； (5)装样完成后， 拆 除组合装样辅助系统， 卸去内装样套筒、 外装样套筒212， 静置试样 待其状态稳定； (6)安装顶压组件， 较准内腔水压计和外腔水压计读数； (7)打开排气孔， 并通过微机控制电液伺服加载系统向内压腔及外压腔内注入液体， 并 施加竖向压力， 在该过程中实时监测内压、 外压、 轴压读数， 待试样达到初始状态后停止加 压， 关闭排气空， 等待读数 稳定； (8)根据预先设计好的应力路径， 采用微机控制电液伺服加载系统调整试样应力状态 开展试验， 观察试样状态并记录读数； (9)试验完成后， 将内压腔及外压腔内液体尽数排除， 卸去竖向压力及扭矩， 拆卸顶压 组件， 拆除试样并清洗 仪器。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115046848 A 3