一种用于在模型试验中产生模拟水平应力的装置及其方法

1.一种用于在模型试验中产生模拟水平应力的装置，该装置包括：
用于安放地质力学模型体的底座，
紧邻所述模型体且固定于所述底座上的顶部开口的框体，
用于封闭所述框体的顶部开口的盒形盖板，
滑动设置在远离所述模型体一侧的所述框体内的垂直推力板，所述垂直推力板两侧均设置有至少一条带滚珠的滑轨，与之相配合，在所述框体两侧面内壁上均设置有至少一个滑槽；所述垂直推力板通过所述滑轨沿所述框体的滑槽水平滑动，以及连接于所述垂直推力板外侧的应力施加单元，
其中，在所述框体内填充有若干球形颗粒，所述球形颗粒包括空心颗粒。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括安装在所述框体的侧板上的压力传感器，以及用于读取所述压力传感器的测量值的测读仪。
3.如权利要求1到2任一项所述的装置，其特征在于，所述垂直推力板通过压力分配块与所述应力施加单元连接。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述应力施加单元为水平地固定在所述底座上的油压千斤顶，且所述油压千斤顶与油压装置连通。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述球形颗粒为表面进行均匀润滑处理的钢珠。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述框体底部垫有缓冲垫片，其中所述缓冲垫片厚度为1-3mm。
7.一种使用前述权利要求中任一项所述的装置来在模型试验中产生模拟水平应力的方法，其特征在于，将球形颗粒加载在框体中，从而产生梯形或三角形分布的侧向水平压力，其中，所述侧向水平压力调整方法包括以下步骤：
1)根据所述球形颗粒的直径和所述框体的容积计算装满球形颗粒后的孔隙度θ；
2)根据所述球形颗粒的容重和所述孔隙度计算所述框体中所述球形颗粒的平均容重其中γb为所述球形颗粒的视容重；
3)根据所述平均容重计算某点的侧向水平压力 其中H为某点距离所述
球形颗粒顶面的距离，K为侧压系数；
4)通过改变所述球形颗粒的直径或容重，从而改变所述侧向水平压力分布的斜率，直至达到所需侧向水平压力。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述球形颗粒包括实心颗粒。

一种用于在模型试验中产生模拟水平应力的装置及其方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种用于模型试验的颗粒加载装置及其方法，可应用于需要模拟初始地应力的各种岩土工程相似的模型试验中。\n背景技术\n[0002] 地质力学模型试验是研究岩土工程和地下工程稳定和支护系统优化设计及合理化施工方法的重要手段。在模型试验中，需要给试验模型的边界上施加作用应力，以按照相似比例真实再现原型所处的地质力学环境。\n[0003] 上世纪90年代，向试验模型施加边界应力的装置及其方法，主要有以下三种：\n[0004] 第一种，是在模型边界上施加均匀分布的应力，这种加载方式是水平向由柔性液压囊施加应力荷载，垂直向由液压千斤顶进行加载。参见文献为，“赵震英.洞群开挖围岩破坏过程试验.水利学报，1995，12：24～28”。\n[0005] 第二种，是在三维模型的六个面同时施加量级个各不相同的三向主动荷载，但每一个作用面的荷载都是均匀分布的。这种加载方式是由充油系统，加载油路和同步油缸组向模型实施加载，采用六个闭环伺服控制回路进行控制。参见文献为，“郭舜年，李先榕.三维地质力学模型试验装置加载及其控制系统设计.水电工程研究，1997(4):33～37”。\n[0006] 第三种，是将作用面分成若干个均匀分布的荷载区，在三个作用面上施加荷载，另外三个对应面做成被动承压面，以反力的形式来模拟该处的地应力。对每个荷载作用面又分成3-4个均匀分布的荷载区，以便模拟应力的变化，每个荷载区的总荷载等于该区原有荷载的总和。模型的荷载通过油压力盒或油压袋施加，当三维台架中模块砌筑完毕后，即安放油压袋，引出油管和测量电缆，再用砂及砂袋将油压袋与台架间的空隙充填密实。参见文献为，“陈霞龄，等.地下洞室围岩稳定的试验研究.武汉水利电力大学学报，1994：17～\n23”。\n[0007] 21世纪初，岩土工程和地下工程地质力学模型试验研究又受到重视，并提出了一些新的加载方法。例如，清华大学李仲奎等人发明的“离散化多主应力面加载系统和装置”，成功模拟了大型地下发电厂房洞室群模型试验中的复杂三维应力场，采用了二百多个不同压力值的高压气囊进行加载，每个气囊的尺寸为60cm×50cm。参见文献为，“李仲奎，等.三维模型试验新技术及其在大型地下洞群研究中的应用.岩石力学与工程学报，2003，\n22(9)：1430～1436”以及“李仲奎，等.大型洞室群三维模型试验离散化多主应力面加载及监控系统的研究.试验技术与管理，2002，19(5):4～10”。\n[0008] 三峡大学袁大祥等人在进行三峡高边坡模型试验时，采用了由透明连通管水柱高度控制压强的窄条液压枕模拟边界地应力。参加文献为，“袁大祥.高边坡节理岩体地质力学模型试验研究.三峡大学学报(自然科学版)，2001，23(3)：194～199”。\n[0009] 山东大学岩土工程中心张强勇等，在地下洞室模型试验中采用分配块和油压千斤顶群来模拟变化的地应力场。参见文献为，“张强勇，陈旭光，林波.深部巷道围岩分区破裂三维地质力学模型试验研究.岩石力学与工程学报，2009，28(9)”。\n[0010] 此外，还有采用水银袋加载水平应力的方法，但水银容重太高难以调整。试验过程中一旦泻漏则污染严重，造成很大损失。此外，水银价格很高，因而不适于用作加载手段。\n[0011] 现对传统装置及其方法模拟效果作一说明。如图1所示，由于岩体的自重产生的垂直应力σv等于该点之上岩体的厚度H(岩土工程中称为“埋深”)与岩体容重γ的乘积。而该点受到的自重产生的水平应力σh与岩体的泊松效应有关，等于σv与侧压系数K的乘积。其中，K＝ν/(1-ν)，ν为岩体泊松比。如果岩体模型范围是在岩体内部的某个深度，或者受到水平方向的构造应力，则岩体模型边界所受到的水平应力则为梯形分布。\n如果岩体模型范围的上表面就是岩体的表面，也就是地表，则岩体模型边界所受到的水平应力为梯形分布或三角形分布。\n[0012] 如图2所示，传统的加载方法都只能形成阶梯形分布的水平应力。与图1所示的实际地应力分布形式相距甚远，无法真实地模拟实际地应力的分布形式。\n[0013] 因此，以上所述的传统方法中，无论是采用刚性的设备千斤顶加载，还是柔性液压设备加载、离散化气囊加载、液压枕加载，都很难准确模拟线性分布的应力场。虽然千斤顶群和离散化气囊可以较近似模拟线性分布，但在模型较小的情况下会受设备条件限制而无法模拟。而且千斤顶群的压力每个都不同，控制很麻烦，需要复杂的系统设备，成本太高。\n发明内容\n[0014] 本发明的目的在于一种用于在模型试验中产生模拟水平地应力的装置及其方法。\n本发明力求制造一种人工球形颗粒流体，使其产生的水平方向的压力尽可能满足梯形或三角形线性分布的特点，而该线性的斜率可以采用本发明的装置和方法进行调整和监控，以满足不同岩体产生的水平应力的模拟要求。\n[0015] 实验方案\n[0016] 本发明提供了一种用于在模型试验中产生模拟水平应力的装置，该装置包括：\n[0017] 用于安放地质力学模型体的底座，\n[0018] 紧邻所述模型体且固定于所述底座上的顶部开口的框体，\n[0019] 用于封闭所述框体的顶部开口的盒形盖板，\n[0020] 滑动设置在远离所述模型体一侧的所述框体内的垂直推力板，以及[0021] 连接于所述垂直推力板外侧的应力施加单元，\n[0022] 其中，在所述框体内填充有若干球形颗粒，所述球形颗粒包括空心颗粒。\n[0023] 在一个实施例中，该装置还包括安装在所述框体的侧板上的压力传感器，以及用于读取所述压力传感器的测量值的测读仪。\n[0024] 在一个实施例中，所述垂直推力板通过压力分配块与所述应力施加单元连接。\n[0025] 在一个实施例中，所述应力施加单元为水平地固定在所述底座上的油压千斤顶，且所述油压千斤顶与油压装置连通。\n[0026] 在一个实施例中，所述球形颗粒为表面进行均匀润滑处理的钢珠。\n[0027] 在一个实施例中，所述框体底部垫有缓冲垫片，其中所述缓冲垫片厚度为1-3mm。\n[0028] 在一个实施例中，所述垂直推力板两侧均设置有至少一条带滚珠的滑轨，与之相配合，在所述框体两侧面内壁上均设置有至少一个滑槽；所述垂直推力板通过所述滑轨沿所述框体的滑槽水平滑动。\n[0029] 本发明还提供了一种使用前述中任一项所述的装置来在模型试验中产生模拟水平应力的方法，将球形颗粒加载在框体中，从而产生梯形或三角形分布的侧向水平压力，其中，所述侧向水平压力调整方法包括以下步骤：\n[0030] 1)根据所述球形颗粒的直径和所述框体的容积计算装满球形颗粒后的孔隙度θ；\n[0031] 2)根据所述球形颗粒的容重和所述孔隙度计算所述框体中所述球形颗粒的平均容重 其中γb为所述球形颗粒的视容重；\n[0032] 3)根据所述平均容重计算某点的侧向水平压力 其中H为某点距离所述球形颗粒顶面的距离，K为侧压系数；\n[0033] 4)通过改变所述球形颗粒的直径或容重，从而改变所述侧向水平压力分布的斜率，直至达到所需侧向水平压力。\n[0034] 在一个实施例中，所述球形颗粒包括实心颗粒或/和空心颗粒。\n[0035] 本发明的有益效果在于，一种用于在模型试验中产生模拟水平应力的装置及其方法，能够模拟不同容重岩体中的三维应力场中的水平应力。如图3所示，该水平应力具有梯形或三角形的分布特点，对提高岩土和地下工程相似材料模拟试验的初始状态的准确性，进而提高试验结果的可信性，具有明显的作用。同时，本发明既能调整梯形线性分布水平应力的大小，又能对荷载施加过程中的压力进行监控，方法简单易行，特别适用于设备条件受到限制的中小型模型试验。然而，对于大型试验，则可以减少大量控制系统，进而节约投资，并且加载更为稳定。\n附图说明\n[0036] 以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。\n[0037] 图1为岩土和地下工程地质力学模型边界应力分布形式示意图；\n[0038] 图2为传统方法中各种分区或离散化水平应力分布形式示意图；\n[0039] 图3为本发明的加载方法原理示意图；\n[0040] 图4为本发明的加载装置立体示意图；\n[0041] 图5为本发明滑动结构局部放大图。\n具体实施方式\n[0042] 下面对照附图，并通过对实施例的描述，来进一步详细地说明本发明。\n[0043] 采用传统的在模型试验中产生模拟水平地应力的加载装置，无论是采用刚性的加载装置，例如千斤顶群加载装置，还是柔性液压加载装置、离散化气囊加载装置、液压枕加载装置，都很难准确模拟线性分布的地应力场。虽然千斤顶群加载装置和离散化气囊加载装置可以较近似模拟线性分布，但在模型较小的情况下会受设备条件限制而无法模拟。而且千斤顶群加载装置的压力每个都不同，控制很麻烦，需要复杂的系统设备，成本太高。而采用本发明的装置，可以克服传统装置的缺陷，并且可以准确、真实地模拟不同容重岩体中的三维应力场中的水平应力。此外，本发明的装置，既能调整梯形线性分布水平应力的大小，又能对荷载施加过程中的压力进行监控。\n[0044] 图4显示了一种用于在模型试验中产生模拟水平应力的装置，包括：用于安放地质力学模型体1的底座2，紧邻模型体1且固定于底座2上的顶部开口的方形钢框3。方形钢框3顶部设置有用于封闭其顶部开口的盒形盖板4，方形钢框3的远离模型体1的一侧设置有能够水平移动的垂直推力板5。垂直推力板5外侧通过压力分配块6连接的油压千斤顶7。油压千斤顶7水平地固定在底座2上，且与油压装置8连通。在方形钢框3的侧板上安装有压力传感器9，以及用于读取压力传感器9的测量值的测读仪10。\n[0045] 本发明在方形钢框3内填充有若干球形颗粒11。之所以选择球形颗粒11，是因为在没有侧向边界限制的情况下，球形颗粒11之间因为摩擦力过小，很难堆积起来形成具有自然休止角的堆积体，因而具有接近流体的性质。而在侧向边界限制的情况下，球形颗粒\n11会对限制边界产生压力。根据帕斯卡定律，该压力在各个方向相同，等于该点的静“水”压，一般地质力学模型试验需要的水平压力都是大于水压，所以必须寻求一种人工流体，而该人工流体的容重必须大于水，球形颗粒11完全满足地质力学模型体1的要求。\n[0046] 在一个优化的实施例中，球形颗粒11包括钢珠。钢珠表面进行均匀润滑处理，大幅度减少钢珠之间的摩擦力，使钢珠具备球形颗粒流体流动性质的特点，达到产生量值大于水压力的侧向水平应力。\n[0047] 在一个实施例中，方形钢框3底部垫有缓冲垫片(未示出)，其中所述缓冲垫片厚度为1-3mm。采用此种方法，可以降低加入载体球形颗粒11时对装置产生的振动影响。缓冲垫片的厚度可以为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm等。\n[0048] 在一个实施例中，垂直推力板5两侧均平行设置有至少一条带滚珠14的滑轨12，与之相配合，在方形钢框3两侧面内壁上均平行设置有至少一个滑槽13(如图4、5所示)。\n垂直推力板5通过滑轨12沿方形钢框3的滑槽13水平滑动，进而对方形钢框3内的球形颗粒11施加不同的水平推力。\n[0049] 图3显示了本发明的加载方法原理示意图。根据上述提供的装置在模型试验中产生模拟水平应力的方法，将球形颗粒11加载在方形钢框3中，从而产生梯形或三角形分布的侧向水平压力，其中，侧向水平压力调整方法包括以下步骤：\n[0050] 1)根据球形颗粒11的直径和方形钢框3的容积计算装满球形颗粒11后的孔隙度θ；\n[0051] 2)根据球形颗粒11的容重和孔隙度计算方形钢框3中球形颗粒11的平均容重其中γb为球形颗粒11的视容重；\n[0052] 3)根据平均容重计算某点的侧向水平压力 其中H为某点距离球形颗粒11顶面的距离，K为侧压系数；\n[0053] 4)通过改变球形颗粒11的直径或容重，改变侧向水平压力分布的斜率，直至达到所需侧向水平压力。\n[0054] 在一个实施例中，球形颗粒11包括实心颗粒或/和空心球形颗粒，通过采用不同内径的实心颗粒或空心颗粒或在实心球形颗粒中均匀掺入一定比例的空心球形颗粒，调整改变球形颗粒11的直径或容重，进而调整侧向水平压力。\n[0055] 以上所述具体的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。