一种深部洞室岩体的三维模型试验装置及其使用方法

1.一种深部洞室岩体的三维模型试验装置，其特征在于所述三维模型试验装置由支撑装置、径向加载装置和轴向加载装置三部分组成，径向加载装置和轴向加载装置与支撑装置连接；
支撑装置由两个垂直支撑架(1)、两根支撑梁(12)、中间承载梁(13)、两根连接梁(14)和两排支撑块(8)构成；两个垂直支撑架(1)结构相同，垂直支撑架(1)由矩形框架(10)和两根立柱(11)构成，两根立柱(11)垂直地固定在矩形框架(10)内，两根立柱(11)对称地位于矩形框架(10)中间连线的两侧；垂直支撑架(1)的下部横梁对称地固定在两根支撑梁(12)的两端，两根支撑梁(12)对称地位于垂直支撑架(1)的下部横梁水平方向中垂线的两侧，两根支撑梁(12)的上平面对称地设有支撑块(8)；两根连接梁(14)分别与垂直支撑架(1)的上部横梁两端对应固定连接，中间承载梁(13)的两端固定在两根连接梁(14)的中间位置处；
径向加载装置包括四块圆弧形加载板(4)、三个电葫芦(2)、上铰链(3)、螺栓(6)和下铰链(9)；四块圆弧形加载板(4)的形状相同，其中的两块圆弧形加载板(4)通过下铰链(9)铰接成下半圆管，另两块圆弧形加载板(4)通过上铰链(3)铰接成上半圆管；在靠近下半圆管的两条边处的外壁分别设有耳板(5)，所述靠近下半圆管的两条边平行于下半圆管的轴线，在靠近上半圆管的两条边处的外壁分别设有耳板(5)，所述靠近上半圆管的两条边平行于上半圆管的轴线；每个耳板(5)对称地开有螺孔，螺孔为15～30个，螺栓(6)通过耳板(5)所开有的螺孔将下半圆管和上半圆管连接为压力室，压力室呈圆管状；压力室的长度和直径比为1︰(0.5～1)；下半圆管置于支撑块(8)上，三个电葫芦(2)与中间承载梁(13)固定连接，三个电葫芦(2)分别通过各自的吊绳与上半圆管的两个耳板(5)和上铰链(3)对应连接；
轴向加载装置包括四个千斤顶(18)、四个固定杆(15)、两个滑轨(17)、可移动圆形轴向加载板(7)和固定圆形轴向加载板(16)；压力室的一端同圆心地设置有可移动圆形轴向加载板(7)，可移动圆形轴向加载板(7)的水平直径线上对称地装有两个滑轨(17)，两个滑轨(17)的另一端与两根立柱(11)对应连接；两根立柱(11)分别对称地装有两个千斤顶(18)，两个千斤顶(18)分别位于滑轨(17)的正上方和正下方，四个千斤顶(18)的一端与可移动圆形轴向加载板(7)连接，四个千斤顶(18)在可移动圆形轴向加载板(7)中心对称设置；压力室的另一端同圆心地设置有固定圆形轴向加载板(16)；固定圆形轴向加载板(16)通过四个固定杆(15)与另一侧的两根立柱(11)固定连接，四个固定杆(15)与四个千斤顶(18)对称设置；可移动圆形轴向加载板(7)和固定圆形轴向加载板(16)的直径与压力室内径的名义尺寸相同。
2.根据权利要求1所述的深部洞室岩体的三维模型试验装置，其特征在于所述的两根立柱(11)的中心线间的距离为压力室内径的0.5倍。
3.根据权利要求1所述的深部洞室岩体的三维模型试验装置，其特征在于所述的两根支撑梁(12)的中心线间距离为压力室外径的0.7～0.8倍。
4.根据权利要求1所述的深部洞室岩体的三维模型试验装置，其特征在于所述的滑轨(17)由两个导套(19)和一个导柱(20)组成；两个导套(19)为厚壁圆环，导柱(20)为圆柱体，导柱(20)两端分别套入两个导套(19)内，两个导套(19)分别固定在立柱(11)和可移动圆形轴向加载板(7)上。
5.根据权利要求1所述的深部洞室岩体的三维模型试验装置，其特征在于所述的可移动圆形轴向加载板(7)和固定圆形轴向加载板(16)设有中心通孔，中心通孔的直径为可移动圆形轴向加载板(7)或固定圆形轴向加载板(16)的直径的0.2～0.35倍，中心通孔的直径和岩体试件(21)的洞室直径相等。
6.根据权利要求1所述的深部洞室岩体的三维模型试验装置，其特征在于所述的支撑块(8)上表面为曲面，所述曲面的曲率半径与圆弧形加载板(4)的外壁曲率半径相同；支撑块(8)为条状，所述条状支撑块(8)的长度与压力室的长度相同。
7.如权利要求1所述深部洞室岩体的三维模型试验装置的使用方法，其特征在于所述使用方法的步骤是：
步骤一、先将打开的上半圆管向上提升，在中心轴线处预埋岩体试件洞室用圆管，再根据原型的地质特性向下半圆管分层浇筑相似材料；当浇筑到与下半圆管的中心线平齐时，逐层搭建预制好的圆弧形条状模具板，分层浇筑，直至顶部；然后拆除所述模具板，修补浇筑料表面，制得岩体试件(21)；
步骤二、在岩体试件(21)的上表面两侧对称地粘贴压电薄膜传感器，将上半圆管放下，压电薄膜传感器的导线通过圆弧形加载板(4)预先开设的小孔穿出；采用均匀加压的方式紧固螺栓(6)，压力室对岩体试件(21)产生径向荷载，通过压电薄膜传感器读出径向加载力；然后通过千斤顶(18)推动可移动圆形轴向加载板(7)，对岩体试件(21)施加轴向荷载，轴向加载力为四个千斤顶(18)施加力之和；
步骤三、记录岩体试件(21)的受力数据；加载结束后，提起上半圆管，取掉可移动圆形轴向加载板(7)和固定圆形轴向加载板(16)，观察岩体试件(21)的变形情况。

一种深部洞室岩体的三维模型试验装置及其使用方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于三维模型试验装置技术领域。具体涉及一种深部洞室岩体的三维模型试验装置及其使用方法。\n背景技术\n[0002] 随着经济的不断发展，许多在建和即将新建的地下工程不断走向深部。无论是矿产资源开采的地下巷道，还是交通建设的地下隧洞以及水电开发的地下洞室等都逐渐向逾千米或数千米的深部方向发展。进入深部的工程岩体所属的力学系统不再是浅部工程围岩所属的线性力学系统，而是非线性力学系统，尤其是高应力条件下岩石表现出十分特殊的力学性质，使传统理论、方法与技术部分失效。同时，较浅部工程灾害而言，深部工程灾害会更加剧烈，对深部地下工程的稳定性造成巨大威胁，这与高应力下的岩石力学行为密切相关。因而深部岩体工程问题引起了国际上岩石力学与工程领域专家学者的极大关注，成为近几年该领域研究的热点问题。针对深部洞室工程岩体复杂的力学变形特性，一方面要开展理论研究，另一方面，要更多地开展相似模拟试验研究，则须有相应的三维模型试验装置。\n[0003] 目前有关三维模型试验装置的加压系统对支撑装置形成巨大的反作用力，有的模拟装置试验架侧向挠度变形大，所加压力越大，危险系数越高，限制了荷载值的增加，使得加载系统无法实现高应力加载。此外，试验装置制造困难，成本高。\n[0004] 岩体试件尺寸较小，导致原型与岩体试件的几何相似比很大，岩体试件的物理力学变化特征表现不明显。\n[0005] 真三轴加载试验装置结构复杂，使用不便，制造成本高，普及范围不广。\n发明内容\n[0006] 本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种安全性高、相似性强、能模拟大尺寸岩体试件、成本低、普及性高、操作简单、试验结果准确可靠的深部洞室岩体的三维模型试验装置及其使用方法。\n[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述三维模型试验装置由支撑装置、径向加载装置和轴向加载装置三部分组成，径向加载装置和轴向加载装置与支撑装置连接。\n[0008] 支撑装置由两个垂直支撑架、两根支撑梁、中间承载梁、两根连接梁和两排支撑块构成。两个垂直支撑架结构相同，垂直支撑架由矩形框架和两根立柱构成，两根立柱垂直地固定在矩形框架内，两根立柱对称地位于矩形框架中间连线的两侧。垂直支撑架的下部横梁对称地固定在两根支撑梁的两端，两根支撑梁对称地位于垂直支撑架的下部横梁水平方向中垂线的两侧，两根支撑梁的上平面对称地设有支撑块。两根连接梁分别与垂直支撑架的上部横梁两端对应固定连接，中间承载梁的两端固定在两根连接梁的中间位置处。\n[0009] 径向加载装置包括四块圆弧形加载板、三个电葫芦、上铰链、螺栓和下铰链。四块圆弧形加载板的形状相同，其中的两块圆弧形加载板通过下铰链铰接成下半圆管，另两块圆弧形加载板通过上铰链铰接成上半圆管。在靠近下半圆管的两条边处的外壁分别设有耳板，所述靠近下半圆管的两条边平行于下半圆管的轴线，在靠近上半圆管的两条边处的外壁分别设有耳板，所述靠近上半圆管的两条边平行于上半圆管的轴线。每个耳板对称地开有螺孔，螺孔为15~30个，螺栓通过耳板所开有的螺孔将下半圆管和上半圆管连接为压力室，压力室呈圆管状。压力室的长度和直径比为1︰(0.5~1)。下半圆管置于支撑块上，三个电葫芦与中间承载梁固定连接，三个电葫芦分别通过各自的吊绳与上半圆管的两个耳板和上铰链对应连接。\n[0010] 轴向加载装置包括四个千斤顶、四个固定杆、两个滑轨、可移动圆形轴向加载板和固定圆形轴向加载板。压力室的一端同圆心地设置有可移动圆形轴向加载板，可移动圆形轴向加载板的水平直径线上对称地装有两个滑轨，两个滑轨的另一端与两根立柱对应连接。两根立柱分别对称地装有两个千斤顶，两个千斤顶分别位于滑轨的正上方和正下方，四个千斤顶的一端与可移动圆形轴向加载板连接，四个千斤顶在可移动圆形轴向加载板中心对称设置。压力室的另一端同圆心地设置有固定圆形轴向加载板。固定圆形轴向加载板通过四个固定杆与另一侧的两根立柱固定连接，四个固定杆与四个千斤顶对称设置。可移动圆形轴向加载板和固定圆形轴向加载板的直径与压力室内径的名义尺寸相同。\n[0011] 所述的两根立柱的中心线间的距离为压力室内径的0.5倍。\n[0012] 所述的两根支撑梁的中心线间距离为压力室外径的0.7~0.8倍。\n[0013] 所述的滑轨由两个导套和一个导柱组成。两个导套为厚壁圆环，导柱为圆柱体，导柱两端分别套入两个导套内，两个导套分别固定在立柱和可移动圆形轴向加载板上。\n[0014] 所述的可移动圆形轴向加载板和固定圆形轴向加载板设有中心通孔，中心通孔的直径为可移动圆形轴向加载板或固定圆形轴向加载板的直径的0.2~0.35倍，中心通孔的直径和岩体试件的洞室直径相等。\n[0015] 所述的支撑块上表面为曲面，所述曲面的曲率半径与圆弧形加载板的外壁曲率半径相同。支撑块为条状、或为块状；所述条状支撑块的长度与压力室的长度相同，所述块状支撑块均匀分布。\n[0016] 所述深部洞室岩体的三维模型试验装置的使用方法的步骤是：\n[0017] 步骤一、先将打开的上半圆管向上提升，在中心轴线处预埋岩体试件洞室用圆管，再根据原型的地质特性向下半圆管分层浇筑相似材料。当浇筑到与下半圆管的中心线平齐时，逐层搭建预制好的圆弧形条状模具板，分层浇筑，直至顶部。然后拆除所述模具板，修补浇筑料表面，制得岩体试件。\n[0018] 步骤二、在岩体试件的上表面两侧对称地粘贴压电薄膜传感器，将上半圆管放下，压电薄膜传感器的导线通过圆弧形加载板预先开设的小孔穿出。采用均匀加压的方式紧固螺栓，压力室对岩体试件产生径向荷载，通过压电薄膜传感器读出径向加载力。然后通过千斤顶推动可移动圆形轴向加载板，对岩体试件施加轴向荷载，轴向加载力为四个千斤顶施加力之和。\n[0019] 步骤三、记录岩体试件的受力数据。加载结束后，提起上半圆管，取掉可移动圆形轴向加载板和固定圆形轴向加载板，观察岩体试件的变形情况。\n[0020] 由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：\n[0021] 本发明的岩体试件为圆柱体形，通过紧固螺栓的加压方式，径向加载力全部施加到岩体试件上，径向不会形成反作用力，安全性高，施加荷载值大，实现了高应力模拟。此外，本发明结构简单，制造成本低，易于普及。\n[0022] 本发明能根据试验要求制作不同尺寸的试验装置。解决了制作大尺寸岩体试件问题，原型与岩体试件的几何相似比小，使岩体试件的物理力学变化特征表现更明显，能很好地反映开挖带来的影响。利用该装置进行相似模拟试验，通过测量岩体试件的应力分布、变形特征及破坏情况，推测原型中发生的情况，便于研究分析深部洞室岩体的力学变形特性。\n[0023] 因此，本发明具有安全性高、相似性强、能模拟大尺寸岩体试件、成本低、普及性高、操作简单和试验结果准确可靠的特点，适用于深部洞室岩体工程模型试验研究。\n附图说明\n[0024] 图1为本发明的一种结构示意图；\n[0025] 图2为图1中支撑装置的结构示意图；\n[0026] 图3为图2的俯视示意图；\n[0027] 图4为图1的左视示意图；\n[0028] 图5为图1的俯视示意图；\n[0029] 图6为图4中滑轨17的放大示意图；\n[0030] 图7为本发明的一种使用状态示意图。\n具体实施方式\n[0031] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述，并非对本发明保护范围的限定。\n[0032] 实施例1\n[0033] 一种深部洞室岩体的三维模型试验装置及其使用方法。如图1、图4和图5所示，所述三维模型试验装置由支撑装置、径向加载装置和轴向加载装置三部分组成，径向加载装置和轴向加载装置与支撑装置连接。\n[0034] 如图2和图3所示，支撑装置由两个垂直支撑架1、两根支撑梁12、中间承载梁13、两根连接梁14和两排支撑块8构成。两个垂直支撑架1结构相同，垂直支撑架1由矩形框架10和两根立柱11构成，两根立柱11垂直地固定在矩形框架10内，两根立柱11对称地位于矩形框架10中间连线的两侧。垂直支撑架1的下部横梁对称地固定在两根支撑梁12的两端，两根支撑梁12对称地位于垂直支撑架1的下部横梁水平方向中垂线的两侧，两根支撑梁12的上平面对称地设有支撑块8。两根连接梁14分别与垂直支撑架1的上部横梁两端对应固定连接，中间承载梁13的两端固定在两根连接梁14的中间位置处。\n[0035] 如图1、图4和图5所示，径向加载装置包括四块圆弧形加载板4、三个电葫芦2、上铰链3、螺栓6和下铰链9。四块圆弧形加载板4的形状相同，其中的两块圆弧形加载板4通过下铰链9铰接成下半圆管，另两块圆弧形加载板4通过上铰链3铰接成上半圆管。在靠近下半圆管的两条边处的外壁分别设有耳板5，所述靠近下半圆管的两条边平行于下半圆管的轴线，在靠近上半圆管的两条边处的外壁分别设有耳板5，所述靠近上半圆管的两条边平行于上半圆管的轴线。每个耳板5对称地开有螺孔，螺孔为15个，螺栓6通过耳板5所开有的螺孔将下半圆管和上半圆管连接为压力室，压力室呈圆管状。压力室的长度和直径比为1︰0.5~\n0.8。下半圆管置于支撑块8上，三个电葫芦2与中间承载梁13固定连接，三个电葫芦2分别通过各自的吊绳与上半圆管的两个耳板5和上铰链3对应连接。\n[0036] 如图4和图5所示，轴向加载装置包括四个千斤顶18、四个固定杆15、两个滑轨17、可移动圆形轴向加载板7和固定圆形轴向加载板16。压力室的一端同圆心地设置有可移动圆形轴向加载板7，可移动圆形轴向加载板7的水平直径线上对称地装有两个滑轨17，两个滑轨17的另一端与两根立柱11对应连接。两根立柱11分别对称地装有两个千斤顶18，两个千斤顶18分别位于滑轨17的正上方和正下方，四个千斤顶18的一端与可移动圆形轴向加载板7连接，四个千斤顶18在可移动圆形轴向加载板7中心对称设置。压力室的另一端同圆心地设置有固定圆形轴向加载板16。固定圆形轴向加载板16通过四个固定杆15与另一侧的两根立柱11固定连接，四个固定杆15与四个千斤顶18对称设置。可移动圆形轴向加载板7和固定圆形轴向加载板16的直径与压力室内径的名义尺寸相同。\n[0037] 所述的两根立柱11的中心线间的距离为压力室内径的0.5倍。\n[0038] 所述的两根支撑梁12的中心线间距离为压力室外径的0.7~0.75倍。\n[0039] 如图6所示，所述的滑轨17由两个导套19和一个导柱20组成。两个导套19为厚壁圆环，导柱20为圆柱体，导柱20两端分别套入两个导套19内，两个导套19分别固定在立柱11和可移动圆形轴向加载板7上。\n[0040] 所述的可移动圆形轴向加载板7和固定圆形轴向加载板16设有中心通孔，中心通孔的直径为可移动圆形轴向加载板7或固定圆形轴向加载板16的直径的0.2~0.3倍，中心通孔的直径和岩体试件21的洞室直径相等。\n[0041] 所述的支撑块8上表面为曲面，所述曲面的曲率半径与圆弧形加载板4的外壁曲率半径相同。支撑块8为块状，块状支撑块8均匀分布。\n[0042] 所述深部洞室岩体的三维模型试验装置的使用方法的步骤是：\n[0043] 步骤一、先将打开的上半圆管向上提升，在中心轴线处预埋岩体试件洞室用圆管，再根据原型的地质特性向下半圆管分层浇筑相似材料。当浇筑到与下半圆管的中心线平齐时，逐层搭建预制好的圆弧形条状模具板，分层浇筑，直至顶部。然后拆除所述模具板，修补浇筑料表面，制得岩体试件21。\n[0044] 步骤二、在岩体试件21的上表面两侧对称地粘贴压电薄膜传感器，将上半圆管放下，压电薄膜传感器的导线通过圆弧形加载板4预先开设的小孔穿出。采用均匀加压的方式紧固螺栓6。如图7所示，压力室对岩体试件21产生径向荷载，通过压电薄膜传感器读出径向加载力；然后通过千斤顶18推动可移动圆形轴向加载板7，对岩体试件21施加轴向荷载，轴向加载力为四个千斤顶18施加力之和。\n[0045] 步骤三、记录岩体试件21的受力数据。加载结束后，提起上半圆管，取掉可移动圆形轴向加载板7和固定圆形轴向加载板16，观察岩体试件21的变形情况。\n[0046] 实施例2\n[0047] 一种深部洞室岩体的三维模型试验装置及其使用方法。除下述技术参数外，其余同实施例1：\n[0048] 所述螺孔为16~30个；\n[0049] 所述压力室的长度和直径比为1︰0.7~1；\n[0050] 所述的两根支撑梁12的中心线间距离为压力室外径的0.75~0.8倍；\n[0051] 所述中心通孔的直径为可移动圆形轴向加载板7或固定圆形轴向加载板16的直径的0.3~0.35倍；\n[0052] 所述支撑块8为整体条形状，所述支撑块8的长度与压力室的长度相同。\n[0053] 由于采用上述技术方案，本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：\n[0054] 本具体实施方式的岩体试件21为圆柱体形，通过紧固螺栓6的加压方式，径向加载力全部施加到岩体试件21上，径向不会形成反作用力，安全性高，施加荷载值大，实现了高应力模拟。此外，本具体实施方式结构简单，制造成本低，易于普及。\n[0055] 本具体实施方式能根据试验要求制作不同尺寸的试验装置。解决了制作大尺寸岩体试件问题，原型与岩体试件21的几何相似比小，使岩体试件21的物理力学变化特征表现更明显，能很好地反映开挖带来的影响。利用该装置进行相似模拟试验，通过测量岩体试件\n21的应力分布、变形特征及破坏情况，推测原型中发生的情况，便于研究分析深部洞室岩体的力学变形特性。\n[0056] 因此，本具体实施方式具有安全性高、相似性强、能模拟大尺寸岩体试件、成本低、普及性高、操作简单和试验结果准确可靠的特点，适用于深部洞室岩体工程模型试验研究。