CN109946166A - 一种岩石围压模拟装置 - Google Patents
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Abstract
一种岩石围压模拟装置，包括加载板、螺栓、螺母、集热导热块、加热元件，其特征在于：集热导热块的侧面开设有轴线相互平行的螺栓通过孔和加热元件安装孔；所述加热元件安装孔内插入所述加热元件；加载板对称地设置于岩石试样块上部两个相对侧，且岩石试样块的上边缘不高于加载板的上边缘；集热导热块位于加载板之间的中间区域，且集热导热块的侧面与加载板的夹持加载面平行；螺栓依次活动地穿过加载板、集热导热块的螺栓通过孔后，利用螺母将加载板紧固于岩石试样块的上部两侧。本装置利用螺栓热胀冷缩产生额外给定拉力，最终将加载板牢牢紧固于岩石试样块的上部两侧，达到向岩石试样块施加给定侧向围压的目的。本装置结构简单、经济实用、操作方便，且满足工程测试精度要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石围压模拟装置，尤其是涉及一种可供TBM(硬岩掘进机)标准线切割试验台的岩石物料仓使用的岩石围压模拟装置。
背景技术
赋存于地层中的岩体均处于原岩应力状态，即具备一定地应力。该应力状态(也称岩体围压)影响了岩石自身物理力学性质、岩石本构特性、岩石破碎/破坏机制、开挖时开挖装置(含破岩刀具)的破岩载荷特性、破岩效率、破岩机制和使用寿命、以及受到开挖扰动后的沉降变形特性等诸多方面；同时，岩体围压使得天然岩体表现出与无围压应力条件状态下(如实验室环境下制备的普通岩石试样块)及浅表地层中低围压应力条件状态下截然不同的特性，是大型地下洞室稳定性分析与工程设计的必要信息之一，对于深部高应力地下工程的安全评价与灾害防治尤为重要。因此，在研究与原岩围压息息相关的岩石力学与岩土工程学问题时，尤其是涉及诸如大埋深隧道环境下TBM(硬岩掘进机)掘进刀具破岩机理、深部煤炭巷道下掘锚机截割头煤岩开挖机理、部分地质构造应力强烈的特殊国防深地工程中采用钻爆法施工后的边坡稳定性问题等深部岩层的研究领域时，需要在研究过程中考虑到原岩围压作用，并应在相应的试验中模拟再现出原岩围压的真实状态。
以在TBM标准线切割试验台的基础上开展TBM刀盘刀具破岩实验研究为例，针对深部岩层的岩样高围压模拟要求(考虑到岩体在隧道开挖前便具有高围压水平)，不仅需要在TBM标准线切割试验台的岩石物料仓内牢固装夹岩石试样块，还应对靠近岩石试样块待切削表面(该面应为自由面)的侧面提供一定加载压力，进而模拟出与真实掘进环境下掘进掌子面相似的边界条件(即岩石具有侧向围压效应)。目前，真三轴扰动试验台、三轴岩石物理力学性能测试试验机等均采用油浴加压的方式模拟三轴围压，但该项技术方案因未留出可供刀具切削的自由面(以下统称为待切削表面)，故不适用于本领域。参考当前现有的两轴岩石物理力学性能测试试验机的围压模拟原理，理论上可采用一对液压缸对顶的方式为岩石试样块施加侧向围压，同时将岩石试样块的上表面留出作为刀具切削表面。然而，不同于在两轴或三轴岩石物理力学性能测试试验机上进行岩体本构变形特性测试或者测量岩石物理力学参数(抗压强度、弹性模量、泊松比和摩擦角等)，由于TBM线切割试验所需岩石试样块的尺寸均较大(如为了避免岩石试样块尺寸过小引起边界效应，文献《Disc cuttingtests in Colorado Red Granite:Implications for TBM performance prediction》中采用了1.1×0.8×0.6m的花岗岩试样)，导致给定围压下所需液压缸工作压力极高，液压泵站及液压系统庞大、成本极高(需要配置伺服阀、高压泵以及复杂的液压系统)，且对加载装置的刚度、液压系统的密封性能和可靠性提出了极高要求，不便于实现。一般的设计经验表明，当TBM标准线切割试验台上采用17英寸(直径为432mm)全尺寸TBM滚刀进行破岩切削试验时，若试验台刀间距模拟能力最大设计为75mm，则在尽量降低岩石试样块尺寸的边界效应的前提下，采用液压缸对顶的方式可获得的理论最高经济性围压仅为1～2MPa左右(按液压缸额定载荷为250～300kN计算)，这显然不能满足深部岩层下高围压模拟要求。
尽管天然岩体的围压水平对于研究深部岩层下TBM刀盘刀具切削机理和掘进效率至关重要，但由于实验技术的局限性，导致现有的全尺寸TBM刀具破岩试验台都不具备提供模拟侧向围压的能力，具体参考专利201310032227.X、ZL200810143551.8、ZL200810143552.2、CN102445336A、ZL200410089260.7、CN 102788693 A等。国外美国科罗拉多矿业学院、韩国Korea Institute of Construction Technology、土耳其IstanbulTechnical University等机构也对滚刀破岩特性进行了实验研究，但均未能研制出有效的围压模拟装置；这包括文献(Disc cutting tests in Colorado Red Granite:Implications for TBM performance prediction)提到的美国科罗拉多矿业学院研制的线性切割试验台(Linear Cutting Machine)，文献(Optimum spacing of TBM disccutters:A numerical simulation using the three-dimensional dynamic fracturingmethod)提到的韩国Korea Institute of Construction Technology研制的滚刀破岩试验台，文献(Correlation of rock cutting tests with field performance of a TBM ina highly fractured rock formation:A case study in Kozyatagi-Kadikoy metrotunnel,Turkey)提到的土耳其Istanbul Technical University研制的滚刀破岩试验台。
可见，现有TBM刀具切削实验台均不具备围压模拟试验的能力。因此，提供一种经济便捷且满足工程精度测试要求的岩石试样块侧向围压施加装置，尤其是提供一种可供TBM(硬岩掘进机)标准线切割试验台的岩石物料仓使用的岩石围压模拟装置，是目前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的上述局限性，本发明提供了一种岩石围压模拟装置，包括加载板、螺栓、螺母、集热导热块、加热元件，其特征在于：
集热导热块的侧面开设有轴线相互平行的螺栓通过孔和加热元件安装孔；所述加热元件安装孔内插入所述加热元件；加载板左右两端各对称地开设有竖向布置的螺栓安装孔；加载板对称地设置于岩石试样块上部两个相对侧(以下简称上部两侧)，且岩石试样块的上边缘不高于加载板的上边缘；集热导热块位于加载板之间的中间区域，且集热导热块的侧面与加载板的夹持加载面(与岩石试样块接触配合的表面)平行；螺栓依次活动地穿过加载板的螺栓安装孔、集热导热块的螺栓通过孔后，利用螺母将加载板紧固于岩石试样块的上部两侧。
作为优选，加热元件安装孔和螺栓通过孔均为通孔，且各自均匀对称地布置于集热导热块的侧面。
作为优选，加载板两端各对称地开设有4个螺栓安装孔；
作为优选，螺栓选用8.8级及以上的高强度螺栓。
作为优选，加载板选用为槽钢。
作为优选，加载板设置有加强筋。
更为优选，所述螺栓安装孔关于加载板的水平中心面上下对称。
作为优选，所述加热元件为电阻加热棒。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：本发明的目的在于提供一种岩石围压模拟装置，尤其是一种不改变现有TBM(硬岩掘进机)标准线切割试验台的结构，与所述TBM标准线切割试验台岩石物料仓配合使用的岩石围压模拟装置。本装置结构简单、经济实用、操作方便，且满足工程测试精度要求，可广泛应用于诸如大埋深隧道环境下TBM(硬岩掘进机)掘进刀具破岩机理、深部煤炭巷道下掘锚机截割头煤岩开挖机理、部分地质构造应力强烈的特殊国防深地工程中采用钻爆法施工后的边坡稳定等深部岩层的研究领域。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明一种岩石围压模拟装置具体实施例一在TBM标准线切割试验台应用时的三维结构示意图。
图2为图1的主视图。
图3为本发明具体实施例一的三维结构示意图(不含岩石试样块)。
图4为如图1所示TBM标准线切割试验台的工作台的三维结构示意图(不含岩石试样块)。
图5为本发明具体实施例一中螺栓通过孔和加热元件安装孔在集热导热块侧面的具体布置形式一的侧视图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例一。
如图1至图5所示，为本发明一种岩石围压模拟装置的具体实施例一在普通的TBM标准线切割试验台应用时的附图说明。如图1、图2和图4所示，TBM标准线切割试验台一般包括立柱组件和置于立柱组件下方的工作台，其中：
所述立柱组件包括垂直液压缸1、横梁2、立柱3、活动横梁4、三向力传感器5、滚刀安装座6和安装于滚刀安装座6内的滚刀7；一对立柱3竖直放置于地基(未画出)上，且与所述地基固接；立柱3的上部固接有横梁2，形成一个龙门架结构；横梁4上固接有竖直布置的垂直液压缸1，其活塞杆与设置于横梁2下方的活动横梁4固接；立柱3与活动横梁4动配合，可对活动横梁4起限位导向作用，同时防止垂直液压缸1受到弯矩作用；活动横梁4下方经由三向力传感器5与滚刀安装座6固接；这样一来，在垂直液压缸1的作用下，滚刀7可相对立柱3和横梁2作垂直上下移动，以分别实现滚刀7的退刀和进给运动；
如图1和图4所示，工作台包括岩石物料仓9、横向导轨13、纵向导轨12、横移液压缸10、纵移液压缸20、物料仓支撑座11；岩石物料仓9用于安装固定岩石试样块8；一般而言，岩石物料仓9通过紧固螺钉(未画出)将岩石试样块8的下部牢固固定于岩石物料仓9的仓内，如有必要还应用水泥可靠填充岩石试样块8的下部侧面与岩石物料仓9的仓壁之间的间隙；为了方便试验前后装拆岩石试样块8，岩石试样块8的上部岩面(含待切削表面)通常露出于岩石物料仓9的仓外，为自由面，岩石物料仓9固定在物料仓支撑座11上；物料仓支撑座11活动地放置在纵向导轨12上；纵移液压缸20的筒身与物料仓支撑座11的下底面固接，而纵移液压缸20的活塞杆通过铰接支座I(未编号)与所述地基固接；在纵移液压缸20的作用下，物料仓支撑座11可沿着纵向导轨12相对所述地基作往复纵向移动；物料仓支撑座11上固设有与纵向导轨12导向相垂直的横向导轨13；纵向导轨12固接于所述地基上；横移液压缸10的筒身通过铰接支座23与物料仓支撑座11上表面固接，横移液压缸10的活塞杆与岩石物料仓支撑座11固接。这样一来，在纵移液压缸20和垂直液压缸1的综合作用下，模拟滚刀7滚压破碎岩石试样块8的运动；当垂直液压缸1锁止固定，在横移液压缸10的作用下，岩石物料仓9沿着横向导轨13相对于滚刀7作横向移动，用于调整滚刀7具上一岩石切槽的间距，以模拟不同刀间距下滚刀7滚压破碎岩石试样块8的运动。
一般而言，TBM标准线切割试验台的电气系统采用PLC控制，由液压系统提供动力，采用工控机、数据采集卡、三向力传感器、压力传感器、流量传感器、加速度传感器、编码器、动态应变仪、声发射装置、高速数字摄像系统组成的监控系统对滚刀破岩过程进行监测。例如，垂直液压缸1、横移液压缸10和纵移液压缸20都有外置式位移传感器(未画出)，进出口油路上装有压力传感器(未画出)和流量传感器(未画出)，用来测量垂直液压缸1、横移液压缸10和纵移液压缸20的压力、速度、位移以及滚刀7贯入岩石试样块8的深度(俗称滚刀切深)。
在不改变前述TBM标准线切割试验台的总体结构形式和主要零部件的前提条件下，通过简单地装配操作本发明一种岩石围压模拟装置，便可较为便捷经济地获得岩石试样块的单侧围压效果，并借助TBM标准线切割试验台开展新颖的有无围压条件下TBM滚刀破岩试验和切削性能对比研究。如图1至图3所示，本发明一种岩石围压模拟装置，包括加载板18、螺栓16、螺母17、集热导热块15、加热元件(未画出)，其特征在于：
如图1和图3所示，集热导热块15的侧面开设有轴线相互平行的螺栓通过孔和加热元件安装孔；所述加热元件安装孔内插入所述加热元件；本例中，更为具体地，如图3所示，集热导热块15为长方块体状结构，其长度为150mm，采用导热性良好的材料制成，如碳钢；
加载板18的左右两端各对称地开设有竖向布置的螺栓安装孔(未编号)；本例中，更为具体地，如图3所示，为加载板18的左右两端各对称地开设有2个螺栓安装孔；加载板18对称设置于岩石试样块8上部两个相对侧(以下简称上部两侧)，且岩石试样块8的上边缘不高于加载板18的上边缘；集热导热块15位于加载板18之间的中间区域，且集热导热块15的侧面与加载板18的夹持加载面(与岩石试样块8接触配合的表面)平行；螺栓16依次活动地穿过加载板18的螺栓安装孔、集热导热块15的螺栓通过孔后，利用螺母17将加载板18紧固于岩石试样块8的上部两侧；此时，加载板18紧贴如图1所示岩石试样块8的上部两侧，而岩石试样块8的下部(远离待切削表面)的四周侧面(可含下底面)紧固于如图4所示的岩石物料仓内。
前述螺栓通过孔和加热元件安装孔在集热导热块15的侧面。如图5所示，加热元件安装孔15-1和螺栓通过孔15-3均为完整通孔，且各自尽量均匀对称地布置于集热导热块15的侧面；加热元件安装孔15-1和螺栓通过孔15-3之间无相对位置关系要求；
作为优选，螺栓16选用8.8级及以上的高强度螺栓。
作为优选，加载板18选用为槽钢。更为具体地，本例中为U形槽钢。
作为优选，加载板18内凹三面两两设置有加强筋(未画出)。
更为优选，考虑到当螺栓16的螺栓选用组数为2时，单根螺栓16受到的拉应力会很大，而螺栓选用组数多于4组时会降低加载板18的刚度，并导致本装置难以同步紧固操作，因此螺栓选用组数推荐为4组，相应地，每块加载板18上开设有4个螺栓安装孔。
更为优先，如图3所示，所述螺栓安装孔也关于加载板18的水平中心面上下对称。
作为优选，所述加热元件为电阻加热棒。
本发明一种岩石围压模拟装置的工作原理为：如图1所示，在TBM标准线切割试验台上，完成本发明一种岩石围压模拟装置的初步紧固装配，即试验前室温下，利用螺母17将加载板18初步紧固于岩石试样块8的上部两侧；待完成本发明一种岩石围压模拟装置的初步紧固装配后，加热元件通电后持续加热，使得集热导热块15升温并将温度传递给得螺栓16；当螺栓16升至给定温度后，由于螺栓16受热膨胀伸长，故再次拧紧螺母17；加热元件断电停止加热，当螺栓16冷却至室温后，利用螺栓16热胀冷缩产生的额外给定拉力，最终将加载板18牢牢紧固于岩石试样块8的上部两侧，达到向岩石试样块8施加给定侧向围压的目的。
Claims (8)
1.一种岩石围压模拟装置，包括加载板、螺栓、螺母、集热导热块、加热元件，其特征在于：所述集热导热块的侧面开设有轴线相互平行的螺栓通过孔和加热元件安装孔；所述加热元件安装孔内插入所述加热元件；所述加载板左右两端各对称地开设有竖向布置的螺栓安装孔；所述加载板对称地设置于岩石试样块上部两侧，且所述岩石试样块的上边缘不高于所述加载板的上边缘；所述集热导热块位于所述加载板之间的中间区域，且所述集热导热块的侧面与所述加载板的夹持加载面平行；所述螺栓依次活动地穿过所述加载板的螺栓安装孔、所述集热导热块的螺栓通过孔后，利用所述螺母将所述加载板紧固于所述岩石试样块的上部两侧。
2.根据权利要求1所述的岩石围压模拟装置，其特征在于：所述加热元件安装孔和螺栓通过孔均为通孔，且各自均匀对称地布置于所述集热导热块的侧面。
3.根据权利要求1所述的岩石围压模拟装置，其特征在于：所述加载板两端各对称地开设有4个螺栓安装孔。
4.根据权利要求1所述的岩石围压模拟装置，其特征在于：所述螺栓选用8.8级及以上的高强度螺栓。
5.根据权利要求1所述的岩石围压模拟装置，其特征在于：所述加载板选用为槽钢。
6.根据权利要求1所述的岩石围压模拟装置，其特征在于：所述加载板设置有加强筋。
7.根据权利要求1所述的岩石围压模拟装置，其特征在于：所述螺栓安装孔关于加载板的水平中心面上下对称。
8.根据权利要求1所述的岩石围压模拟装置，其特征在于：所述加热元件为电阻加热棒。
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