CN101539491B - 三维梯度非均匀加载结构模型试验装置 - Google Patents

三维梯度非均匀加载结构模型试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三维梯度非均匀加载结构模型试验装置,包括台形梯度非均匀加载装置和加载反力装置,加载反力装置与设于其内部的台形梯度非均匀加载装置连接,台形梯度非均匀加载装置的台形梯度加载模块紧贴于试验模型的表面。由于水电、交通、能源、资源和国防工程领域的深部地下洞室工程通常处于梯度非均匀分布的三维加载状态,本发明通过在模型表面设置的台形梯度加载模块实现地下结构模型的三维梯度非均匀加载,通过三维梯度非均匀加载结构模型试验更真实地揭示深部地下洞室围岩的非线性变形特征和破坏机理,进而更合理地评价地下洞室围岩的稳定性和采取有效的加固措施,这对指导深部地下工程的设计和施工并保证其安全具有十分重要的意义。

Description

三维梯度非均匀加载结构模型试验装置
技术领域
本发明涉及一种模型试验装置,尤其是一种在水电、交通、能源、资源和国防工程领域的深部地下工程地质力学模型试验使用的三维梯度非均匀加载结构模型试验装置。
背景技术
在水电、交通、能源、资源领域的深部地下工程中,随着埋藏深度的增加,深部洞室岩体在高地应力条件下,洞室围岩的结构、力学特性和工程响应出现了分区破裂、大变形、冲击破坏等一系列新的特征科学现象,这些特征科学现象与浅埋洞室工程响应相比显著不同,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,一方面要借助理论研究,另一方面,更多地要借助模型试验手段进行研究。
模型试验中首先要考虑的问题是模型的加载应力。地下岩体结构的应力主要由自重应力和构造应力组成,垂直向自重应力按照σv=γh形式分布,水平向构造应力基本按照σh=kγh形式分布,式中γ为岩体容重,h为岩体埋深,k为岩体侧压系数。可见,随着洞室埋藏深度的增加和模拟范围的扩大,模型洞周承受的地应力不再是均匀分布,而是呈现随深度变化的梯度非均匀分布。因此,为真实反映深部地下洞室工程的非均匀加载状况,有必要在已有模型试验系统研究的基础上,研制能够进行三维梯度非均匀加载的结构模型试验装置,以便通过三维梯度非均匀加载结构模型试验更真实地揭示深部地下洞室围岩的非线性变形特征和破坏机理,进而更合理地评价地下洞室围岩的稳定性和采取有效的加固措施,这对指导深部地下工程的设计和施工并保证其安全具有十分重要的意义。
目前国内相关模型试验装置和试验系统的研究现状如下:
(1)《武汉水力电力大学学报》1992年第5期介绍了一种平面应力试验装置及加载系统,其试验装置是净空为150cm×140cm封闭平面刚性加力架,加载系统由压力盒,气压泵、管路、压力表组成,试验时由气泵控制压力逐级加载或卸载。该系统为平面均匀加载,无法实施三维梯度非均匀加载。
(2)《岩石力学与工程学报》2004年第3期介绍了一种岩土工程多功能模拟实验装置,该装置主体加载支承结构是由上、下盖板、三角形分配块和3套互相垂直正交的拉杆系统组成。试验时模型平放在上、下盖板之间,在模型相对两边分别施加均匀分布的垂直和水平地应力,该系统模型尺寸较小,无法进行模型三维梯度非均匀加载。
(3)《水利学报》2002第5期介绍了一种离散化三维多主应力面加载试验系统,试验装置主要由垂直立柱、封闭式钢结构环梁、支撑钢架组成,加载系统主要由高压气囊、反推力板、限位千斤顶加荷器和空气压缩机组成。其试验架尺寸较大,并实现了按主应力方向进行加载。但该试验架只能进行均匀加载,无法实施模型三维梯度非均匀加载。
(4)《岩石力学与工程学报》2004年第21期介绍了一种平面应变巷道模型试验台,模型尺寸为1m×1m×0.2m,立式布置,该试验台只能进行均匀加载,无法进行模型三维梯度非均匀加载。
(5)《地下空间》2004第4期介绍了一种公路隧道结构与围岩综合实验系统,该系统基于“先加载、后挖洞”的原理,采用液压千斤顶在模型试件外部加载以模拟上覆岩土层自重应力,用内置千斤顶及位移计模拟开挖体应力响应及位移变化。该系统只能进行均匀加载,无法进行模型三维梯度非均匀加载。
(6)《土木工程学报》2005年第12期,以及申请号为200510045291.7的中国专利介绍了一种新型岩土地质力学模型试验系统,该系统具有尺寸可调、规模大、组装灵活的优点,但该系统只能进行准三维加载,无法进行模型梯度非均匀三维加载。
(7)《岩石力学与工程学报》2008年第1期介绍了一种伺服控制高温高压岩体三轴试验机,该试验机可进行高温高压条件下的岩石假三轴试验,试样尺寸为φ200mm×400mm。该试验机主要用于测试高温加载条件下岩石的物理力学特性变化,只能进行均匀加载,无法进行模型三维梯度非均匀加载。
(8)《岩石力学与工程学报》2005年第16期介绍了一种三轴软岩非线性力学试验系统,该系统能进行三轴拉压、拉剪等多种组合试验和对不同加卸载过程进行模拟,系统最大压力450kN,最大拉力75kN,试件最大尺寸为150mm×150mm×150mm。该系统只能测试多种均匀分布应力组合状态下模型试件的物理力学参数,无法进行地下洞室模型三维梯度非均匀加载。
(9)申请号为200810016641.0的中国专利公开了一种高地应力真三维加载模型试验系统,其包括智能液压控制系统、高压加载系统和反力装置系统。该系统只能进行均匀分布荷载的三维加载,无法进行梯度非均匀分布荷载的三维加载。对深部地下工程来讲,随着洞室埋藏深度的增加和模拟范围的扩大,作用在模型表面的地应力不再是均匀分布,而是呈梯度非均匀分布。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足,提供一种能够更真实地反映深部地下工程的非均匀加载状况,并更有效地模拟深部地下洞室围岩的非线性变形特征和破坏机理的三维梯度非均匀加载结构模型试验装置。
为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:
一种三维梯度非均匀加载结构模型试验装置,包括台形梯度非均匀加载装置和加载反力装置,加载反力装置与设于其内部的台形梯度非均匀加载装置连接,台形梯度非均匀加载装置的台形梯度加载模块紧贴于试验模型表面。
所述台形梯度非均匀加载装置分为六个加载区,每个加载区由十六个台形梯度加载模块和十六个千斤顶加荷器组成,整个试验模型共计由九十六个台形梯度加载模块和九十六个千斤顶加荷器组成;每个台形梯度加载模块由一个千斤顶加荷器施加荷载,加载过程中要求在同一深度的千斤顶加荷器的出力相同,而在不同深度的千斤顶加荷器的出力随埋深而变化。各个千斤顶加荷器的前端通过圆形法兰盘和内六角螺栓与各台形梯度加载模块的上部方形盖板连接,各千斤顶加荷器的后端均连接一个反力传递板。
所述台形梯度加载模块由上部方形盖板、下部方形盖板和传力加筋肋组成,上部方形盖板和下部方形盖板通过四根传力加筋肋连接成传力结构。所述传力加筋肋彼此呈45°夹角均布于上部方形盖板和下部方形盖板之间,可有效保证各千斤顶加荷器的不同出力完全传递到试验模型表面。
所述台形梯度加载模块厚度为155mm,其上部方形盖板长300mm、宽300mm、厚40mm,下部方形盖板长450mm、宽450mm、厚40mm,上、下部方形盖板之间间距为75mm,传力加筋肋厚度为20mm。
所述加载反力装置包括反力模块、反力传递板和H型钢横梁,反力模块通过高强螺栓连接组成反力装置的前、后、左、右面,反力装置的上、下面各由四根大截面H型钢横梁组成,H型钢横梁通过高强螺栓与左、右面的反力模块连接。反力传递板紧贴于加载反力装置的内壁。
本发明与国内外同类型的模型试验装置相比具有如下显著的技术优势:
(1)本发明是在申请号为200810016641.0的发明专利的基础上对原有模型试验装置进行的进一步技术改进,该发明装置不仅可以进行深部地下洞室结构模型的三维均匀加载,而且可以进行深部地下洞室结构模型的三维梯度非均匀加载,这是目前国内外许多结构模型试验装置无法实现的。
(2)试验装置能够容纳的三维模型尺寸为2000mm×2000mm×2000mm,这是目前国内外三维梯度非均匀加载最大的模型试验尺寸。
(3)试验装置加载量值大,模型每面能够施加的最大荷载达320吨,考虑1∶200的模型相似比,借助该试验装置可模拟最大埋深达6000m的深部地下洞室围岩的非线性变形特征和破坏机理。
(4)试验装置加载功能多,通过分压控制可对模型进行一维、二维和三维梯度均均匀加载。
(5)试验装置具有多种功能,既能进行均匀加载和梯度非均匀加载的三维模型试验,又能进行均匀加载和梯度非均匀加载的平面模型试验。
(6)试验装置刚度高、整体稳定性好、操作简单、组装灵活方便。
(7)三维梯度非均匀加载结构模型试验装置可广泛应用于水电、交通、能源、资源、国防等工程领域的深部地下洞室结构模型试验研究,应用前景广阔,经济效益显著。
附图说明
图1是本发明试验装置结构示意图;
图2是台形梯度加载模块示意图;
图3是千斤顶加荷器与台形梯度加载模块和反力传递板连接示意图;
1.台形梯度加载模块,2.上部方形盖板,3.下部方形盖板,4.传力加筋肋,5.千斤顶加荷器,6.圆形法兰盘,7.反力模块,8.H型钢横梁,9.反力传递板,10.高强连接螺栓,11.导向框,12.内六角螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1中,三维梯度非均匀加载结构模型试验装置,由台形梯度非均匀加载装置和加载反力装置组成。加载反力装置与设于其内部的台形梯度非均匀加载装置连接,台形梯度非均匀加载装置的台形梯度加载模块紧贴于试验模型表面。
其中台形梯度非均匀加载装置分为六个加载区,每个加载区由十六个台形梯度加载模块1和十六个设计吨位为二十吨的千斤顶加荷器5组成,整个试验模型共计由九十六个台形梯度加载模块1和九十六个设计吨位为二十吨的千斤顶加荷器5组成。每个台形梯度加载模块1由一个千斤顶加荷器5施加荷载,加载过程中要求在同一深度的千斤顶加荷器5的出力相同,而在不同深度的千斤顶加荷器5的出力随埋深而变化。各个千斤顶加荷器5的前端通过圆形法兰盘6和内六角螺栓12与各台形梯度加载模块的上部方形盖板2连接,各千斤顶加荷器5的后端均连接一个反力传递板9。
图1中,加载反力装置包括反力模块7、反力传递板9和H型钢横梁8,反力模块7通过高强螺栓10连接组成反力装置的前、后、左、右面,反力装置上下面各由四根长3.5m的大截面H型钢横梁8组成,H型钢横梁8通过高强螺栓10与左、右面上的反力模块7连接。反力传递板9紧贴于加载反力装置的内壁。
图1中,试验模型的外部设有导向框11,整个模型试验装置长3.5m、宽3.5m、高3.6m,试验模型的尺寸为长2m、宽2m、高2m,模型每面能够施加的最大荷载达320吨,考虑1∶200的模型相似比,借助该模型装置可模拟最大埋深达6000m的深部地下洞室围岩的非线性变形特征和破坏机理。
图2、图3中,每个台形梯度加载模块1均由上部方形盖板2、下部方形盖板3和传力加筋肋4组成,上部方形盖板2和下部方形盖板3通过四根传力加筋肋4连接成传力结构。
传力加筋肋4彼此呈45°夹角均布于上部方形盖板2和下部方形盖板3之间,可有效保证各千斤顶加荷器的不同出力完全传递到试验模型表面。
台形梯度加载模块1厚度为155mm,其上部方形盖板2长300mm、宽300mm、厚40mm,下部方形盖板3长450mm、宽450mm、厚40mm,上、下部方形盖板之间间距为75mm,通过厚度为20mm、彼此呈45°夹角的四根传力加筋肋4将上、下部方形盖板连成传力结构。
整个模型装置的工作原理:随着埋藏深度的增加,地下洞室洞周自重应力按照σv=γh形式分布,水平构造应力基本按照σh=kγh形式分布,式中γ为岩体容重,h为岩体埋深,k为岩体侧压系数。为模拟洞周非均匀分布的地应力,特别是随埋深h不断变化的水平构造应力σh,本发明将三维梯度非均匀加载结构模型试验装置分为六个加载区,每个加载区由十六个台形梯度加载模块和十六个千斤顶加荷器组成,整个试验模型共计由九十六个台形梯度加载模块和九十六个千斤顶加荷器组成。每个台形梯度加载模块由一个千斤顶加荷器施加荷载,加载过程中要求在同一深度的千斤顶加荷器的出力相同,而在不同深度的千斤顶加荷器的出力随埋深而变化。模型上表面千斤顶处于同一深度,上表面千斤顶加荷器出力按照σh=γh进行控制,式中h为模型顶面的实际埋深;模型下表面千斤顶处于同一深度,下表面千斤顶加荷器出力按照σh=γh进行控制,式中h为模型底面的实际埋深;对承受水平构造应力的模型侧面来说,在模型前、后、左、右侧面从上往下共设置了四个梯度加载层,每个梯度加载层由四个台形梯度加载模块和四个对应的千斤顶加荷器组成。第一个梯度加载层千斤顶加荷器的出力按照σh=kγh梯1进行控制,式中h梯1为第一个梯度加载层的实际埋深;第二个梯度加载层千斤顶加荷器的出力按照σh=kγh梯2进行控制,式中h梯2为第二个梯度加载层的实际埋深;第三个梯度加载层千斤顶加荷器的出力按照σh=kγh梯3进行控制,式中h梯3为第三个梯度加载层的实际埋深;第四个梯度加载层千斤顶加荷器的出力按照σh=kγh梯4进行控制,式中h梯4为第四个梯度加载层的实际埋深。由此可见,每个千斤顶加荷器给台形梯度加载模块施加相应的荷载,不同深度千斤顶加荷器的不同出力通过台形梯度加载模块全部传递到模型表面,从而实现地下模型结构的三维梯度非均匀加载。

Claims (4)

1.一种三维梯度非均匀加载结构模型试验装置,包括加载反力装置,其特征在于:加载反力装置与设于其内部的台形梯度非均匀加载装置连接,台形梯度非均匀加载装置的台形梯度加载模块紧贴于试验模型表面;所述台形梯度非均匀加载装置分为六个加载区,每个加载区由十六个台形梯度加载模块和十六个千斤顶加荷器组成,各个千斤顶加荷器的前端通过圆形法兰盘和内六角螺栓与各台形梯度加载模块的上部方形盖板连接,各千斤顶加荷器的后端均连接一个反力传递板。
2.根据权利要求1所述的三维梯度非均匀加载结构模型试验装置,其特征在于:所述台形梯度加载模块由上部方形盖板、下部方形盖板和传力加筋肋组成,上部方形盖板和下部方形盖板通过四根传力加筋肋连接成传力结构;所述传力加筋肋彼此呈45°夹角均布于上部方形盖板和下部方形盖板之间。
3.根据权利要求2所述的三维梯度非均匀加载结构模型试验装置,其特征在于:所述台形梯度加载模块厚度为155mm,其上部方形盖板长300mm、宽300mm、厚40mm,下部方形盖板长450mm、宽450mm、厚40mm,上、下部方形盖板之间间距为75mm,传力加筋肋厚度为20mm。
4.根据权利要求1所述的三维梯度非均匀加载结构模型试验装置,其特征在于:所述加载反力装置包括反力模块、反力传递板和H型钢横梁,反力模块通过螺栓连接组成加载反力装置的前、后、左、右面,加载反力装置的上、下面各由四根大截面H型钢横梁组成,H型钢横梁通过高强螺栓与左、右面的反力模块连接;反力传递板紧贴于加载反力装置的内壁。
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