CN105606456A - 用于模拟深部硐室顶板围岩受力特征的试验装置和试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于模拟深部硐室顶板围岩受力特征的试验装置及其试验方法，该装置包括顶部超长垫板、底部超长垫板、传力钢板、液压油缸、反力钢板、位移约束板、位移边界刚性连接杆、静态应变数据采集仪、声发射探头、声发射数据采集系统、数字照相量测系统和竖向加载系统，所述顶部超长垫板为两端均焊有翼缘板的刚性垫板，放置在试样的顶部，所述底部超长垫板为两端均焊有翼缘板且在上顶面焊接有液压油缸支撑底座的刚性垫板，放置在试样的底部，所述传力钢板的高度略短于试样，放置在所述底部超长垫板的上面，并与试样紧贴。本发明在可以实现模拟深部硐室围岩受力特征的前提下，构造极为简单，经济成本大为降低。

Description

用于模拟深部硐室顶板围岩受力特征的试验装置和试验方法
技术领域
本发明涉及岩石力学与工程技术领域，具体涉及一种用于模拟深部硐室顶板围岩受力特征的试验装置和试验方法。
背景技术
在深部地下工程中进行硐室开挖时，硐室围岩会出现应力重分布，围岩遭到破坏并发生变形。数据显示，顶板冒落事故大约占所有煤矿事故中的75％。深部硐室顶板上部主要受到自重应力的影响，在水平方向上主要受到岩层构造应力的影响，在硐室走向的受力特征可以简化为刚性位移边界。为保证深部硐室顶板围岩的稳定性及施工安全，对深部硐室顶板围岩的承载能力、变形、破坏机理展开深入研究具有重要的工程意义。
申请号为CN201510214150.7的发明专利介绍了一种用于板状岩样压缩试验的侧向约束系统及其试验方法，该装置实现了在侧向约束下对板状岩样的试验研究，但该装置忽略了顶板围岩上覆荷载的作用。
申请号为CN201410036510.4的发明专利介绍了一种隧道模拟加载试验平台，该试验平台可以模拟不同隧道环境下围岩与隧道结构的相互作用，但该装置结构相对复杂，经济成本大，而且该装置局限于隧道模型试验。
公开号为CN202033951U的发明专利介绍了一种岩土工程物理模拟试验机，该装置可对硐室进行地质力学模型试验，但该装置只能对模型的上下左右四个方向进行加载，不能真实模拟深部硐室顶板围岩的受力特征。
目前已研发模型试验加载装置的主要缺点有：结构复杂、造价昂贵、获取数据少，而且硐室开挖后会出现临空面，围岩沿临空面卸荷，巷(隧)道两帮会出现竖直方向的剪切力，现有的试验装置不能模拟与工程实际相似的力学状态。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于模拟深部硐室顶板围岩受力特征的试验装置和试验方法，试验装置结构简易、造价低廉、能够研究深部硐室顶板围岩受力特征。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
用于模拟深部硐室顶板围岩受力特征的试验装置，包括顶部超长垫板、底部超长垫板、传力钢板、液压油缸、反力钢板、位移约束板、位移边界刚性连接杆、静态应变数据采集仪、声发射探头、声发射数据采集系统、数字照相量测系统和竖向加载系统，所述顶部超长垫板为两端均焊有翼缘板的刚性垫板，放置在试样的顶部，所述底部超长垫板为两端均焊有翼缘板且在上顶面焊接有液压油缸支撑底座的刚性垫板，放置在试样的底部，所述传力钢板的高度略短于试样，放置在所述底部超长垫板的上面，并与试样紧贴，所述液压油缸安装在所述液压油缸支撑底座上，所述反力钢板的高度略短于试样，放置在所述底部超长垫板的上面，并与所述顶部超长垫板、底部超长垫板的翼缘板紧贴，所述液压油缸与所述反力钢板和所述传力钢板紧贴，为试样提供一个水平均布荷载，所述位移约束板的数量为两块，分别布置在试样两侧，所述位移约束板的四个角各设计有一个螺栓孔，所述位移边界刚性连接杆两端分别穿过两块位移约束板相对应位置的螺栓孔螺纹连接有平头六角铆螺母，用于固定整个实验装置，并为试样提供一个水平方向的刚性位移边界，所述位移边界刚性连接杆7中部粘贴有应变片，所述应变片与静态应变数据采集仪相连，得到所述位移边界刚性连接杆的轴力变化数据，所述声发射探头粘贴在试样表面，所述声发射探头与所述声发射数据采集系统相连，通过所述声发射数据采集系统得到试验全过程声发射数据，所述数字照相量测系统放置于试样正前方，通过对持续性拍摄的照片采用数字散斑相关方法进行计算机软件分析，实时监测试样破坏过程，所述竖向加载系统直接与所述顶部超长垫板相接触。
上述用于模拟深部硐室顶板围岩受力特征的试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将试样放置于顶部超长垫板与底部超长垫板之间，并使得试样与顶部超长垫板、底超长垫板一侧的翼缘板紧贴、对正；
S2、将传力钢板放置于试样底部超长垫板上，并紧贴试样；将液压油缸安装在底部超长垫板的支撑底座上，并使得液压油缸与传力钢板紧贴，再将反力钢板放置于试样底部超长垫板上，紧贴液压油缸、顶部超长垫板以及底超长垫板另一侧的翼缘板；
S3、将两侧的位移约束板与试样对正、对齐，然后将四根位移边界刚性连接杆分别穿过位移约束板四个角部预留的螺栓孔，并在位移边界刚性连接杆两端利用平头六角铆螺母拧紧，固定整个试验装置；
S4、将组装好的整个试验装置放到任意单轴压缩试验机上；
S5、将应变片与静态应变数据采集仪相连，在试样表面粘贴声发射探头11，将声发射探头与声发射数据采集系统相连；
S6、在试样正前方放置高精度摄像机，并确保摄像机图像清晰；
S7、在试样加载过程中，静态应变数据采集仪、数字照相量测系统和声发射数据采集系统不间断的采集数据和图像，实时监测试样在加载过程中的表面变形、裂纹扩展以及声发射信息。
本发明具有以下有益效果：
1)在可以实现模拟深部硐室围岩受力特征的前提下，构造极为简单，经济成本大为降低；
2)利用简单的单轴压缩试验机结合本发明就可进行试验，可以测得加载过程中位移边界刚性连接杆的轴力；
3)通过更换不同尺寸的顶底部超长垫板、传力钢板、反力钢板和位移约束板就可研究试样的尺寸效应；
4)在单轴压缩的条件下可以观察记录整个试验过程中试样表面裂纹的生成、扩展以及试样破坏形态、表面位移场等信息。
附图说明
图1为本发明实施例用于模拟深部硐室顶板围岩受力特征的试验装置示意图；
图2为本发明实施例中侧向约束装置示意图；
图3为本发明实施例中液压油缸支撑底座的正视图。
图4为为本发明实施例中液压油缸支撑底座的侧视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-4所示，本发明实施例提供了一种用于模拟深部硐室顶板围岩受力特征的试验装置，其特征在于，包括顶部超长垫板1、底部超长垫板2、传力钢板3、液压油缸4、反力钢板5、位移约束板6、位移边界刚性连接杆7、静态应变数据采集仪10、声发射探头11、声发射数据采集系统12、数字照相量测系统13和竖向加载系统，所述顶部超长垫板1为两端均焊有翼缘板的刚性垫板，放置在试样的顶部，所述底部超长垫板2为两端均焊有翼缘板且在上顶面焊接有液压油缸支撑底座的刚性垫板，放置在试样的底部，所述传力钢板3的高度略短于试样，放置在所述底部超长垫板2的上面，并与试样紧贴，所述液压油缸4安装在所述液压油缸支撑底座上，所述反力钢板5的高度略短于试样，放置在所述底部超长垫板2的上面，并与所述顶部超长垫板1、底部超长垫板2的翼缘板紧贴，所述液压油缸4与所述反力钢板5和所述传力钢板3紧贴，为试样提供一个水平均布荷载，所述位移约束板6的数量为两块，分别布置在试样两侧，所述位移约束板6的四个角各设计有一个螺栓孔，所述位移边界刚性连接杆7两端分别穿过两块位移约束板相对应位置的螺栓孔螺纹连接有平头六角铆螺母8，用于固定整个实验装置，并为试样提供一个水平方向的刚性位移边界，所述位移边界刚性连接杆7中部粘贴有应变片9，所述应变片9与静态应变数据采集仪10相连，得到所述位移边界刚性连接杆7的轴力变化数据，所述声发射探头11粘贴在试样表面，所述声发射探头11与所述声发射数据采集系统12相连，通过所述声发射数据采集系统12得到试验全过程声发射数据，所述数字照相量测系统13放置于试样正前方，实时监测试样破坏过程，所述竖向加载系统直接与所述顶部超长垫板1相接触。
本发明实施例还提供了一种用于模拟深部硐室顶板围岩受力特征的试验装置的试验方法，包括如下步骤：
S1、将试样放置于顶部超长垫板1与底部超长垫板2之间，并使得试样与顶部超长垫板、底超长垫板一侧的翼缘板紧贴、对正；
S2、将传力钢板2放置于试样底部超长垫板1上，并紧贴试样；将液压油缸4安装在底部超长垫板的支撑底座上，并使得液压油缸4与传力钢板2紧贴，再将反力钢板5放置于试样底部超长垫板2上，紧贴液压油缸4、顶部超长垫板以及底超长垫板另一侧的翼缘板；
S3、将两侧的位移约束板6与试样对正、对齐，然后将四根位移边界刚性连接杆7分别穿过位移约束板四个角部预留的螺栓孔，并在位移边界刚性连接杆7两端利用平头六角铆螺母8拧紧，固定整个试验装置；
S4、将组装好的整个试验装置放到任意单轴压缩试验机上；
S5、将应变片9与静态应变数据采集仪10相连，在试样表面粘贴声发射探头11，将声发射探头11与声发射数据采集系统12相连；
S6、在试样正前方放置高精度摄像机13，并确保摄像机图像清晰；
S7、在试样加载过程中，静态应变数据采集仪10、数字照相量测系统13和声发射数据采集系统12不间断的采集数据和图像，实时监测试样在加载过程中的表面变形、裂纹扩展以及声发射信息。
本具体实施通过将顶部超长垫板、底部超长垫板分别放在试样的顶部和底部，顶部超长垫板直接和试验机压头接触，荷载经由顶部超长垫板传至试样，可以模拟深部硐室围岩所受的构造应力。顶部超长垫板、底部超长垫板增强了试验机的刚度，同时，顶底超长垫板的翼缘板可以为试样临空面提供剪切力，可以模拟深部硐室围岩两帮所受的剪切作用。通过液压油缸可提供压力，然后通过所述反力钢板和所述传力钢板为试样提供一个水平均布荷载，可以模拟深部硐室围岩所受的自重应力。通过静态应变数据采集仪得到的数据进行换算，可以得到所述位移边界刚性连接杆的轴力。通过声发射系统采集试验全过程试样的声发射反应特征，通过数字照相量测系统实时监测试样破坏形态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.用于模拟深部硐室顶板围岩受力特征的试验装置，其特征在于，包括顶部超长垫板(1)、底部超长垫板(2)、传力钢板(3)、液压油缸(4)、反力钢板(5)、位移约束板(6)、位移边界刚性连接杆(7)、静态应变数据采集仪(10)、声发射探头(11)、声发射数据采集系统(12)、数字照相量测系统(13)和竖向加载系统，所述顶部超长垫板(1)为两端均焊有翼缘板的刚性垫板，放置在试样的顶部，所述底部超长垫板(2)为两端均焊有翼缘板且在上顶面焊接有液压油缸支撑底座的刚性垫板，放置在试样的底部，所述传力钢板(3)的高度略短于试样，放置在所述底部超长垫板(2)的上面，并与试样紧贴，所述液压油缸(4)安装在所述液压油缸支撑底座上，所述反力钢板(5)的高度略短于试样，放置在所述底部超长垫板(2)的上面，并与所述顶部超长垫板(1)、底部超长垫板(2)的翼缘板紧贴，所述液压油缸(4)与所述反力钢板(5)和所述传力钢板(3)紧贴，所述位移约束板(6)的数量为两块，分别布置在试样两侧，所述位移约束板(6)的四个角各设计有一个螺栓孔，所述位移边界刚性连接杆(7)两端分别穿过两块位移约束板相对应位置的螺栓孔螺纹连接有平头六角铆螺母(8)，所述位移边界刚性连接杆(7)中部粘贴有应变片(9)，所述应变片(9)与静态应变数据采集仪(10)相连，所述声发射探头(11)粘贴在试样表面，所述声发射探头(11)与所述声发射数据采集系统(12)相连，所述数字照相量测系统(13)放置于试样正前方，实时监测试样破坏过程，所述竖向加载系统直接与所述顶部超长垫板(1)相接触。
2.如权利要求1所述的用于模拟深部硐室顶板围岩受力特征的试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将试样放置于顶部超长垫板(1)与底部超长垫板(2)之间，并使得试样与顶部超长垫板、底超长垫板一侧的翼缘板紧贴、对正；、
S2、将传力钢板(2)放置于试样底部超长垫板(1)上，并紧贴试样；将液压油缸(4)安装在底部超长垫板的支撑底座上，并使得液压油缸(4)与传力钢板(2)紧贴，再将反力钢板(5)放置于试样底部超长垫板(2)上，紧贴液压油缸(4)、顶部超长垫板以及底超长垫板另一侧的翼缘板；
S3、将两侧的位移约束板(6)与试样对正、对齐，然后将四根位移边界刚性连接杆(7)分别穿过位移约束板四个角部预留的螺栓孔，并在位移边界刚性连接杆(7)两端利用平头六角铆螺母(8)拧紧，固定整个试验装置；
S4、将组装好的整个试验装置放到任意单轴压缩试验机上；
S5、将应变片(9)与静态应变数据采集仪(10)相连，在试样表面粘贴声发射探头(11)，将声发射探头(11)与声发射数据采集系统(12)相连；
S6、在试样正前方放置高精度摄像机(13)，并确保摄像机图像清晰；
S7、在试样加载过程中，静态应变数据采集仪(10)、数字照相量测系统(13)和声发射数据采集系统(12)不间断的采集数据和图像，实时监测试样在加载过程中的表面变形、裂纹扩展以及声发射信息。
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