CN105223071B - 可加围压并约束试样转动的加载机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可加围压并约束试样转动的加载机构，将加载压头设置在限位筒中；加载压头为包括加载压头侧壁和加载压头顶部；在加载压头顶部的上方设置轴向加载装置；加载压头侧壁内部设置有外套筒、上部垫块和岩土试样；加载压头侧壁上还设置有多个加载压头穿孔；每个加载压头穿孔的直径为1～2cm；所有加载压头穿孔的总面积占上部垫块接触区域以外的加载压头侧壁面积的50％～60％。该装置能够提供在保证围压和轴向荷载的情况下，同时还限制岩土试样沿指定方向运动；使得岩土试样中间部分产生滑动，从而整体模拟得到地质体剪切错动时的位移模式。

Description

可加围压并约束试样转动的加载机构

技术领域

本发明涉及配套地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置的辅助装置，具体地指一种可加围压并约束试样转动的加载机构。

背景技术

活动断裂带是指晚第四纪期间(特指距今约0.15M以来)曾多次活动，现在及未来仍将继续活动的断裂带；它作为最新的地表构造形迹，其活动性必会体现在地貌、强震活动、地质体错动等方面。

当交通隧道或水工隧洞等穿越活动断裂带时，活动断裂带的错动(黏滑和蠕滑)会使隧道(洞)围岩、支护结构经受严重的剪切作用，使隧道(洞)产生大规模塌方、支护结构破坏，造成极大的伤亡和损失。我国属于地震多发国家，活动断裂带广泛分布，近年来在西部建设诸多交通隧道、水工隧洞不可避免地穿越了活动断裂带。因此，在隧道(洞)无法规避活动断裂带的情况下，研究活动断裂带错动时断裂带内地质体的位移分布模式及其演化规律，对于揭示隧道(洞)围岩响应，科学设计支护体系具有重要意义。

岩体工程模型试验是以相似理论为基础，通过在比例缩小的模型试件中进行加载、开挖等操作，模拟工程现场隧道(洞)所处的应力状态、开挖等条件，监测试件在给定条件下的变形与位移特征、应力分布、破坏形态和破坏机制等；从而为工程现场隧道(洞)的开挖施工及支护设计提供指导和借鉴。因此，模型试验被广泛应用于岩体工程(隧道(洞)、巷道等)的施工和研究中。

地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置的设计中，关键性的技术处理是：是将岩土试样施加轴向荷载和围压荷载，同时保证岩土试样仅仅在需要的地方产生水平位移，从而模拟某段活动断裂带地质体的三向受力状态及其在轴向载荷作用下的错动、断裂的过程。在上述过程中，需要解决如何同时保证轴向荷载和围压荷载的施加，且对试样加载过程中的转动进行限制，完成模拟过程，达到预期模型试验效果的问题。

发明内容

针对现有的考虑地应力效应下活动断裂带错动位移分布模型试验装置在试验方面的不足，本发明的目的旨在提供一种可加围压并约束试样转动的加载机构，以解决实验过程中由于液压介质渗入导致的轴向应力的不确定性的问题，同时还解决加载过程中试样转动的问题。

本发明所设计的一种可加围压并约束试样转动的加载机构，主要包括加载压头，所述的加载压头设置在限位筒中；加载压头为一端开口的圆柱桶形，开口端的侧面为加载压头侧壁，另一端为加载压头顶部；在加载压头顶部的上方设置轴向加载装置；加载压头侧壁内部、加载压头顶部的下方设置有外套筒；在加载压头侧壁上还设置有多个加载压头穿孔。在加载压头顶部的外顶面上、沿外圆周开有向下的圆环形的加载压头顶部槽，所述加载压头顶部槽的中央底部开有圆环形的圆环凹槽；沿加载压头顶部的内侧面上、沿外圆周开有圆环形的内环形槽；在加载压头顶部槽内设置T形橡胶圈，所述的T形橡胶圈的截面呈“T”形，T形橡胶圈的“T”形的突出的底部安装在圆环凹槽内；在加载压头顶部的内环形槽内设置L形橡胶圈；所述的L形橡胶圈截面呈“L”形，L形橡胶圈的顶部设置在内环形槽中。

所述的L形橡胶圈、上部垫块和岩土试样被依次上下同轴包裹在外套筒内；外套筒的顶部设置在加载压头内侧顶部；岩土试样为三部分组成的圆柱体形，其中的中间位置上模拟待错动地质体的是斜截圆柱体形；

上部垫块为空心圆柱体，其顶部沿外周圆开有向下的圆环形的上部垫块阶梯槽，L形橡胶圈的“L”形伸出部位内侧包裹在上部垫块阶梯槽外周。

所述的轴向加载装置、T形橡胶圈、加载压头、L形橡胶圈、外套筒、限位筒、岩土试样和上部垫块均为同轴设置，且轴向加载装置、加载压头和上部垫块均在中心部位开有预留孔。所述的外套筒为弹性材料。

上述技术方案中，至少有2/3的加载压头穿孔设置在加载压头侧壁和限位筒接触区域以外；每个加载压头穿孔的直径为1～2cm；所有加载压头穿孔的总面积占上部垫块接触区域以外的加载压头侧壁面积的50％～60％。

上述技术方案中，所述的加载压头侧壁的外周圆直径为D1＝57～112cm；加载压头侧壁的内周圆直径为D2＝52～103cm；且加载压头侧壁的壁厚为5～15cm；外套筒的外周圆直径也为D2；限位筒的内周圆直径也为D1；T形橡胶圈的外周圆直径也为D1。

上述技术方案中，所述的外套筒的内周圆直径为D3＝50～100cm；L形橡胶圈的外周圆直径也为D3，上部垫块的外周圆直径也为D3。

上述技术方案中，所述的外套筒的壁厚为2～5cm。

上述技术方案中，所述的T形橡胶圈的内周圆直径不小于0.8×D1。

上述技术方案中，所述的L形橡胶圈的内周圆直径不少于0.8×D3，且L形橡胶圈的整体高度为0.1×D3～0.2×D3，L形橡胶圈的“L”形截面的长宽比为2:3。

由上述提供的技术方案可以看出，本发明设计的一种可加围压并约束试样转动的加载机构，具有以下特点：

1、加载压头侧壁上设置有加载压头穿孔，保证外套筒浸没在液压介质中；而外套筒采用弹性材质，施加的围压能够通过外套筒完全施加给岩土试样。

2、加载压头上、下分设置有T形橡胶圈和L形橡胶圈；L形橡胶圈设置在外套筒、加载压头和上部垫块之间，保证液压介质不会从外套筒、加载压头和上部垫块之间溢入；T形橡胶圈设置在轴向加载装置和加载压头之间，保证液压介质不会从加载压头和轴向加载装置之间溢入。因此，保证轴向加载装置的轴向荷载完全施加给岩土试样。

3、加载压头限制了岩土试样的运动，破坏前试样只能沿铅垂向运动。根据待测的岩体资料做出标准大小岩土试样，该岩土试样为三部分组成的圆柱体形，其中的中间位置上模拟待错动地质体的是斜截圆柱体形，且倾斜角度设计合适。当轴向加载装置施加足够大的轴向荷载时，岩土试样中间部分产生滑动，从而整体模拟得到地质体剪切错动时的位移模式。

附图说明

图1为可加围压并约束试样转动的加载机构的剖面结构示意图。

图2为加载压头的剖面结构示意图。

图3为采用本发明的加载设备在地应力效应下活动断裂带错动位移分布模式试验装置中的安装方式示意图。

图中：轴向加载装置1、T形橡胶圈2、加载压头3、加载压头顶部3.1、加载压头侧壁3.2、加载压头穿孔3.3、阶梯凹槽3.4、圆环凹槽3.5、内环形槽3.6、L形橡胶圈4、外套筒5、限位筒6、岩土试样7、上部垫块8、上部垫块阶梯槽8.1、预留孔9、加载压头侧壁3.2的外周圆直径D1、加载压头侧壁3.2的内周圆直径D2、外套筒5的内周圆直径D3。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便于人们对本发明的理解。本发明的具体结构形式不限于下述实施例所描述的形式，本领域的技术人员可根据发明表述的想法轻松的设计出其他具体的实施方式，但这些根据本发明内容设计的具体实施方式仍属于本发明的保护范围。

如图1和2所示的一种可加围压并约束试样转动的加载机构，加载压头3设置在限位筒6中。加载压头3为一端开口的圆柱桶形，开口端的侧面为加载压头侧壁3.2，另一端为加载压头顶部3.1。在加载压头顶部3.1的上方设置轴向加载装置1。

加载压头侧壁3.2内部、在加载压头顶部3.1的下方、还设置有外套筒5。外套筒5内部包裹有上部垫块8和岩土试样7。

上部垫块8接触区域以外的加载压头侧壁3.2上还设置有多个加载压头穿孔3.3。每个加载压头穿孔3.3的直径为1～2cm。所有加载压头穿孔3.3的总面积占上部垫块8接触区域以外的加载压头侧壁3.2面积的50％～60％。具体的，至少有2/3的加载压头穿孔3.3设置在加载压头侧壁3.2和限位筒5接触区域以外。

在加载压头顶部3.1的外顶面上、沿外圆周开有向下的圆环形的下陷式挖槽：加载压头顶部槽3.4。该加载压头顶部阶梯槽3.4的中央底部开有圆环形的下陷式挖槽：圆环凹槽3.5。沿加载压头顶部3.1的内侧面上、沿外圆周开有圆环形的下陷式挖槽：内环形槽3.6。在加载压头顶部阶梯槽3.4内设置T形橡胶圈2。所述的T形橡胶圈2的截面呈“T”形，T形橡胶圈2的“T”形的突出的底部安装在圆环凹槽3.5内；在加载压头顶部3.1的内环形槽3.6内设置L形橡胶圈4；所述的L形橡胶圈4截面呈“L”形，L形橡胶圈4的顶部设置在内环形槽3.6中。

加载压头3设置在限位筒6中，在加载压头顶部3.1的上方设置轴向加载装置1；在加载压头顶部3.1的下方、加载压头侧壁3.2内设置有外套筒5、上部垫块8和岩土试样7；上部垫块8为圆柱形，其顶部沿外周圆开有向下的圆环形的下陷式挖槽：上部垫块阶梯槽8.1。L形橡胶圈4的“L”形伸出部位内侧包裹在上部垫块阶梯槽8.1外周；外套筒5包裹在上部垫块8、L形橡胶圈4和岩土试样7的外部；外套筒5的顶部设置在加载压头3内侧顶部。岩土试样为三部分组成的圆柱体形，其中的中间位置上模拟待错动地质体的是斜截圆柱体形。

轴向加载装置1、T形橡胶圈2、加载压头3、L形橡胶圈4、外套筒5、限位筒6、岩土试样7和上部垫块8均为同轴设置，且轴向加载装置1、加载压头3和上部垫块8的中心位置均设置有等直径预留孔9。每个部件上的预留孔9在安装完成后为同轴设置。因此可以通过预留孔9顺入开挖设备对岩土试样7进行开挖，模拟隧洞开挖，然后模拟过活动断裂带地质体隧道(洞)的活动特征，得到相关数据。

本发明所设计的加载压头3的顶部为轴向加载装置1，常见的具体设备为空心千斤顶。限位筒6设置在试样室的顶部，试样室内注满液压介质。限位筒6和外套筒5均浸没在液压介质中。

加载压头侧壁3.2的外周圆直径为D1、内周圆直径为D2，外套筒5的外周圆直径为D2、内周圆直径为D3；限位筒6的内周圆直径为D1；T形橡胶圈2的外周圆直径为D1。上部垫块8的外周圆直径为D3。

加载压头侧壁3.2的外周圆直径为D1＝57～112cm；加载压头侧壁3.2的内周圆直径为D2＝52～103cm；

且加载压头侧壁3.2的壁厚(D1-D2)/2为5～15mm。

外套筒5的外周圆直径也为D2；外套筒5的内周圆直径为D3＝50～100cm。所述的外套筒5为弹性材料，它的壁厚(D2-D3)/2为2～5mm。

T形橡胶圈2的外周圆直径也为D1。T形橡胶圈2的内周圆直径不小于0.8×D1。

L形橡胶圈4的外周圆直径为D3。L形橡胶圈4的内周圆直径不少于0.8×D3，且L形橡胶圈4的整体高度为0.1×D3～0.2×D3。所述的L形橡胶圈4的内周圆直径不少于0.8×D3，且L形橡胶圈4的整体高度为0.1×D3～0.2×D3，L形橡胶圈4的“L”形截面的长宽比为2:3。

具体的，为了配合整体的试验设备及待测岩土试样的直径，选取橡胶制作的外套筒5，它的内周直径D3＝50cm、外周直径D2＝54cm、壁厚2cm。依此，加载压头侧壁3.2的外周圆直径D1＝57cm。

L形橡胶圈4的形状及尺寸和上部垫块8、外套筒5及加载压头3之间的环形缺口相互配合，保证液压介质不会进入外套筒5内。T形橡胶圈5的形状及尺寸和加载压头3、轴向加载装置1契合限位筒6之间的环形缺口相互配合，保证液压介质不会进入轴向加载装置1和加载压头3之间。

采用本发明的设计的一种可加围压并约束试样转动的加载机构，试验安装方式如附图3所示。将直线导轨和下部的承载压头安装好，连接底座和缸体，把岩土试样7和上部垫块8、下部垫块用外套筒5紧紧包住并放置在下部的承载压头内，在上部垫块8的上边界和外套筒5上部内边界空隙处塞紧L形橡胶圈4，接着把加载压头3通过L形橡胶圈4与上部垫块8紧密连接起来，在加载压头3的阶梯凹槽3.4和圆环凹槽3.5内塞紧T形橡胶圈2后，整体放到限位筒6内；紧固顶盖与缸体，安装好轴向加载装置1并固定住，完成整个装置的连接与安装，即可开始试验。

Claims (7)

1.一种可加围压并约束试样转动的加载机构，主要包括加载压头(3)，其特征在于：所述的加载压头(3)设置在限位筒(6)中；加载压头(3)为一端开口的圆柱桶形，开口端的侧面为加载压头侧壁(3.2)，另一端为加载压头顶部(3.1)；在加载压头顶部(3.1)的上方设置轴向加载装置(1)；

加载压头侧壁(3.2)内部、加载压头顶部(3.1)的下方设置有外套筒(5)；

在加载压头侧壁(3.2)上还设置有多个加载压头穿孔(3.3)；

在加载压头顶部(3.1)的外顶面上、沿外圆周开有向下的圆环形的加载压头顶部槽(3.4)，所述加载压头顶部槽(3.4)的中央底部开有圆环形的圆环凹槽(3.5)；沿加载压头顶部(3.1)的内侧面上、沿外圆周开有圆环形的内环形槽(3.6)；

在加载压头顶部槽(3.4)内设置T形橡胶圈(2)，所述的T形橡胶圈(2)的截面呈“T”形，T形橡胶圈(2)的“T”形的突出的底部安装在圆环凹槽(3.5)内；

在加载压头顶部(3.1)的内环形槽(3.6)内设置L形橡胶圈(4)；所述的L形橡胶圈(4)截面呈“L”形，L形橡胶圈(4)的顶部设置在内环形槽(3.6)中；

所述的L形橡胶圈(4)、上部垫块(8)和岩土试样(7)被依次上下同轴包裹在外套筒(5)内；外套筒(5)的顶部设置在加载压头(3)内侧顶部；

岩土试样(7)为三部分组成的圆柱体形，其中的中间位置上模拟待错动地质体的是斜截圆柱体形；

上部垫块(8)为空心圆柱体，其顶部沿外周圆开有向下的圆环形的上部垫块阶梯槽(8.1)，L形橡胶圈(4)的“L”形伸出部位内侧包裹在上部垫块阶梯槽(8.1)外周；

所述的轴向加载装置(1)、T形橡胶圈(2)、加载压头(3)、L形橡胶圈(4)、外套筒(5)、限位筒(6)、岩土试样(7)和上部垫块(8)均为同轴设置，且轴向加载装置(1)、加载压头(3)和上部垫块(8)均在中心部位开有预留孔(9)；

所述的外套筒(5)为弹性材料。

2.根据权利要求1所述的可加围压并约束试样转动的加载机构，其特征在于：至少有2/3的加载压头穿孔(3.3)设置在加载压头侧壁(3.2)和限位筒(6)接触区域以外；每个加载压头穿孔(3.3)的直径为1～2cm；所有加载压头穿孔(3.3)的总面积占上部垫块(8)接触区域以外的加载压头侧壁(3.2)面积的50％～60％。

3.根据权利要求1所述的可加围压并约束试样转动的加载机构，其特征在于：所述的加载压头侧壁(3.2)的外周圆直径为D1＝57～112cm；加载压头侧壁(3.2)的内周圆直径为D2＝52～103cm；且加载压头侧壁(3.2)的壁厚为5～15cm；

外套筒(5)的外周圆直径也为D2；限位筒(6)的内周圆直径也为D1；T形橡胶圈(2)的外周圆直径也为D1。

4.根据权利要求3所述的可加围压并约束试样转动的加载机构，其特征在于：所述的外套筒(5)的内周圆直径为D3＝50～100cm；L形橡胶圈(4)的外周圆直径也为D3，上部垫块(8)的外周圆直径也为D3。

5.根据权利要求1所述的可加围压并约束试样转动的加载机构，其特征在于：所述的外套筒(5)的壁厚为2～5cm。

6.根据权利要求3所述的可加围压并约束试样转动的加载机构，其特征在于：所述的T形橡胶圈(2)的内周圆直径不小于0.8×D1。

7.根据权利要求3所述的可加围压并约束试样转动的加载机构，其特征在于：所述的L形橡胶圈(4)的内周圆直径不少于0.8×D3，且L形橡胶圈(4)的整体高度为0.1×D3～0.2×D3，L形橡胶圈(4)的“L”形截面的长宽比为2:3。