CN105300877B - 一种应力作用下软弱构造带错动模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应力作用下软弱构造带错动模拟试验装置，包括底座，所述底座上依次设有左样室、错动室和右样室，左样室和错动室分别通过导轨与底座滑动连接，左样室、错动室和右样室均为矩形柱且三者内设有同轴等径圆柱形通孔，通孔靠近左样室的一端设有左垫块，通孔靠近右样室的一端设有右垫块，错动室包括外限板和设置在外限板内表面的圆环形的水囊，圆环形水囊内径与通孔的半径相等，左垫块远离左样室的一侧设有第一加载装置，右垫块远离右样室的一端设有第二加载装置，左样室另一侧还设有驱动左样室沿导轨运动的第三加载装置。本发明具有结构简单、能模拟三向应力且施力均匀的特点。

Description

一种应力作用下软弱构造带错动模拟试验装置

技术领域

本发明涉及岩体力学模型试验装备技术领域，尤其涉及一种应力作用下软弱构造带错动模拟试验装置。

背景技术

随着我国交通、水利事业的迅速发展，隧道/洞的建设需求和重要性日益明显。我国西部地区的地质条件复杂，断层活动频繁，性状各异。因此，在线路选择过程中，隧道往往难以避免地穿越断裂破碎带。隧道断层破碎带段具有围岩地质条件差、地层由软岩到硬岩或由硬岩到软岩的过渡等特点，是隧道震害较集中的部位，1995年阪神地震、1999年台湾集集地震和“5.12”汶川地震等隧道震害均证明了这一规律。活动断裂对工程的影响主要表现为错动破坏(抗错断问题)和地震破坏(抗震问题)，错动引起永久变形，对于穿越其中的隧道的影响是巨大的，甚至会产生毁灭性的后果。把握隧道工程的地质条件和地震背景，分析具有发震可能的活动断层于隧道工程的危害性，保证跨越活动断层隧道工程在断层错动下的安全，对于我国西部地区工程建设具有非常重要的意义。当前国内外对于活动断裂带的研究,重点集中于活动断裂的活动方式、位移特征、应力重分布、滑动机理及其影响因素与控制措施等方面，具有重要的科学价值和广泛的工程应用前景。研究成果将有助于科学设计过活动断裂带隧道/洞等工程的支护体系，提升过活动断裂带隧道/洞工程的安全性，同时减少支护成本。

岩体工程模型试验是建立在相似原理的基础之上，通过在比例缩尺的模型试样进行加载、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，监测模型试样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，然后将模型的试验成果换算和应用到现场工程中，从而为工程现场隧洞的开挖施工提供指导和借鉴。尤其重要的是物理模拟可以比较全面地、真实地模拟复杂地下工程结构、复杂地质构造、复杂地下岩层组合关系，与现场实际更加吻合，得到的结论更具说服力，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。

目前，国内外关于活动断裂带错动模式的模型试验开展了大量工作，但模型试验设备和方法存在如下不足：

1)活动断裂带滑动大多通过剪切试验模拟，而大部分剪切试验设备仅能给试样施加单向或双向应力，难以模拟三向应力状态；

2)模型试样多为两部分组成，忽略了活动断裂带三部分(上、下盘与中间软弱结构体)构成特点。

3)模型试验设备在施加初始应力后，无法开挖隧道/洞，因此也就无法模拟模型试样开挖效应，无法知道开挖后隧道的变形特征与应力重新分布等。而预先开挖有孔洞的试样受力状态与现场工程相差较远，得出的结论难以说明问题。

由于缺少能合理模拟应力作用下软弱构造带错动模拟的试验装置，相关研究工作主要通过数值模拟、理论分析进行，得出的结果与现场实际相差较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、能模拟三向应力且施力均匀的应力作用下软弱构造带错动模拟试验装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种应力作用下软弱构造带错动模拟试验装置，包括底座，所述底座上依次设有左样室、错动室和右样室，所述左样室和错动室分别通过导轨与底座滑动连接，所述左样室、错动室和右样室均为矩形柱且三者内分别设有用于放置试样的左通孔、中通孔和右通孔，上述三个通孔为等径圆柱形通孔，沿导轨滑动所述左样室和错动室可使上述三个通孔同轴，形成一个贯通的通孔，所述左通孔的左端设有左垫块，所述右通孔的右端设有右垫块，所述右垫块的中心设有孔径小于所述右通孔的预留孔，所述错动室包括外限板和设置在所述外限板内表面的圆环形的水囊，所述圆环形水囊内径与所述中通孔的直径相等，所述左垫块远离左样室的一端设有第一加载装置，所述右垫块远离所述右样室的一端设有第二加载装置，所述左样室的一侧还设有驱动所述左样室沿所述导轨运动的第三加载装置。

本发明的有益效果是：本发明通过左样室和右样室对试样施加轴向的压力，与现有技术不同的是，本发明还通过水囊对试样加载径向的压力，实现软弱构造带三向应力状态的模拟，使该模拟装置能模拟出更贴近真实情况的受力。同时，通过环形水囊对试样进行加载，可以使该力均匀的加载在试样上，避免径向受力不均影响模拟结果，另外，环形水囊在允许错动样加载边界发生错动位移的同时保证荷载均匀施加。左样室底部、错动样底部与底座通过直线导轨连接，当试样受到第三加载装置施加的加载力时，左样室和错动样可以沿导轨滑动，并避免其上下或左右转动。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述水囊外接可以调节水囊水压的压力调节装置。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过压力调节装置调节水囊内的水压，即可以改变水囊作用在试样上的径向压力，便于控制径向压力也可以适用于不同的试样进行模拟试验。

进一步，所述外限板与左样室之间以及外限板与右样室之间均设有滚珠。

采用上述进一步方案的有益效果是，由于左样室或者右样室都有可能与错动室发生相对位移，滚珠可以减小发生相对移动时的摩擦力，使试验效果更明显。

进一步，所述第一加载装置通过钢珠板与所述左垫块连接，所述钢珠板与所述左垫块接触一侧设有多个可以滚动的钢珠。

采用上述进一步方案的有益效果是，由于左样室在加载过程中有可能相对地面发生位移，而第一加载装置是固定的，钢珠板可以减小第一加载装置对左样室移动过程中的摩擦力，使试验结果更好。

进一步，所述第二加载装置包括多个沿所述预留孔边缘均匀布置的加载装置。

采用上述进一步方案的有益效果是，第二加载装置用于从右侧向通孔内的试样加载压力，但在试验过程中，需通过预留孔顺入的钻孔设备在试样中心钻一个小孔以模拟隧道开挖，多个均匀布置的加载装置可以保证施加在试样上的力均匀。

进一步，所述第一加载装置、第二加载装置和第三加载装置均为千斤顶。

进一步，所述第一加载装置、第二加载装置和第三加载装置分别连接至对应的反力架，每个所述反力架均相对地面固定。

采用上述进一步方案的有益效果是，反力架可以给各个加载装置提供着力点，方便加载装置对各个样室加载压力，千斤顶结构轻巧坚固、灵活可靠。

附图说明

图1为本发明正视图；

图2为本发明俯视图；

图3为本发明沿图1中A-A的截面图；

图4为本发明沿图1中B-B的截面图；

图5为本发明沿图1中C-C的截面图；

图6为本发明图3中D处的局部视图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、底座，2、左样室，3、错动室，4、右样室，5、导轨，61、左通孔，62、中通孔，63、右通孔，7、左垫块，8、右垫块，81、预留孔，9、水囊，10、钢珠板，11、第一加载装置，12、第二加载装置，13、第三加载装置，14、外限板，15、滚珠，16、小孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-5所示，一种应力作用下软弱构造带错动模拟试验装置，包括底座1，所述底座1上依次设有左样室2、错动室3和右样室4，所述左样室2和错动室3分别通过导轨5与底座1滑动连接，所述左样室2、错动室3和右样室4均为矩形柱且三者内分别设有用于放置试样的左通孔61、中通孔62和右通孔63，上述三个通孔为等径圆柱形通孔，沿导轨5滑动所述左样室2和错动室3可使上述三个通孔同轴，形成一个贯通的通孔6，所述左通孔61的左端设有左垫块7，所述右通孔63的右端设有右垫块8，所述右垫块8的中心设有孔径小于所述右通孔63的预留孔81，所述错动室3包括外限板14和设置在所述外限板14内表面的圆环形的水囊9，所述圆环形水囊9内径与所述中通孔62的直径相等，所述左垫块7远离左样室2的一端设有第一加载装置11，所述右垫块8远离所述右样室4的一端设有第二加载装置12，所述左样室2的一侧还设有驱动所述左样室2沿所述导轨5运动的第三加载装置13。

所述水囊9外接可以调节水囊9水压的压力调节装置。

所述外限板14与左样室2之间以及外限板14与右样室4之间均设有满布滚珠15。

所述第一加载装置11通过钢珠板10与所述左垫块7连接，所述钢珠板10与所述左垫块7接触一侧设有多个可以滚动的钢珠。

所述第二加载装置12包括多个沿所述预留孔81边缘均匀布置的加载装置，多个均匀布置的加载装置可以保证施加在试样上的力均匀。在试验过程中需通过右侧垫块的预留孔探入钻孔设备在试样中心钻一个小孔16，用于模拟隧道开挖工作。所述第一加载装置11、第二加载装置12和第三加载装置13均为千斤顶。第一、第二加载装置沿通孔轴向布置，二者与第三加载装置垂直。

所述第一加载装置11、第二加载装置12和第三加载装置13分别连接至对应的反力架，每个所述反力架均通过连接件固定在地面上。

错动室由外限板和水囊组成，通过水囊可以给错动室内试样施加均匀径向荷载，其轴向加载为第一轴向加载装置和第二轴向加载装置输出力通过左样室和右样室里的试样传递至错动室内的试样，从而实现试样的三向加载。左样室前表面设置有第三加载装置，通过第三加载装置实现左样室相对错动室滑动，以实现三向应力下软弱构造带错动的模拟。从而获得软弱构造带错动时断裂带内软弱地质体位移分布模式、应力演化规律、隧道(洞)支护体及围岩响应，为科学设计支护体系提供可靠的实验方法与手段。

第二加载装置12用于从右侧向通孔6内的试样加载压力，但在试验过程中，需从右侧在试样中心钻一个小孔16，多个加载装置可以保证施加在试样上的力均匀。

本发明的工作过程为：将试样分别放入左样室、错动室和右样室中，将各垫块和钢珠板安装到位，将各加载装置安装到位，同时预加载，施加一个较小的力，使得试样与垫块紧密贴合。然后开启第一加载装置和第二加载装置，同时为水囊加压，将三者按设计的应力路径进行加载，到达给定应力条件后，停止加载并保持应力不变。通过预留孔由右向左对试样进行开挖，完成隧道开挖模拟工作。开启第三加载装置，根据试验设计的数据，缓慢推动左样室，使之相对于错动室滑动。最后记录试验数据，分析处理试验结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应力作用下软弱构造带错动模拟试验装置，其特征在于，包括底座(1)，所述底座(1)上依次设有左样室(2)、错动室(3)和右样室(4)，所述左样室(2)和错动室(3)分别通过导轨(5)与底座(1)滑动连接，所述左样室(2)、错动室(3)和右样室(4)均为矩形柱且三者内分别设有用于放置试样的左通孔(61)、中通孔(62)和右通孔(63)，上述三个通孔为等径圆柱形通孔，沿导轨(5)滑动所述左样室(2)和错动室(3)可使上述三个通孔同轴，形成一个贯通的通孔(6)，所述左通孔(61)的左端设有左垫块(7)，所述右通孔(63)的右端设有右垫块(8)，所述右垫块(8)的中心设有孔径小于所述右通孔(63)的预留孔(81)，所述错动室(3)包括外限板(14)和设置在所述外限板(14)内表面的圆环形的水囊(9)，所述圆环形水囊(9)内径与所述中通孔(62)的直径相等，所述左垫块(7)远离左样室(2)的一端设有第一加载装置(11)，所述右垫块(8)远离所述右样室(4)的一端设有第二加载装置(12)，所述左样室(2)的一侧还设有驱动所述左样室(2)沿所述导轨(5)运动的第三加载装置(13)。

2.根据权利要求1所述一种应力作用下软弱构造带错动模拟试验装置，其特征在于，所述水囊(9)外接可以调节水囊(9)水压的压力调节装置。

3.根据权利要求1所述一种应力作用下软弱构造带错动模拟试验装置，其特征在于，所述外限板(14)与左样室(2)之间以及外限板(14)与右样室(4)之间均设有滚珠(15)。

4.根据权利要求1所述一种应力作用下软弱构造带错动模拟试验装置，其特征在于，所述第一加载装置(11)通过钢珠板(10)与所述左垫块(7)连接，所述钢珠板(10)与所述左垫块(7)接触一侧设有多个可以滚动的钢珠。

5.根据权利要求1所述一种应力作用下软弱构造带错动模拟试验装置，其特征在于，所述第二加载装置(12)包括多个沿所述预留孔(81)边缘均匀布置的加载装置。

6.根据权利要求1-5任一项所述一种应力作用下软弱构造带错动模拟试验装置，其特征在于，所述第一加载装置(11)、第二加载装置(12)和第三加载装置(13)均为千斤顶。

7.根据权利要求6所述一种应力作用下软弱构造带错动模拟试验装置，其特征在于，所述第一加载装置(11)、第二加载装置(12)和第三加载装置(13)分别连接至对应的反力架，每个所述反力架均通过连接件固定在地面上。