CN110006742A - 一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室 - Google Patents
一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室 Download PDFInfo
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Abstract
一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室，包括三轴压力室本体，用于装放试样，并提供围压和轴压。内侧液压套筒，置于试样的内部孔道中,内侧液压套筒用于提供内侧可变化的围压,模拟开挖及加固过程中的应力变化。外侧液压套筒，置于试样的外侧，外侧液压套筒用于提供外侧围压,模拟地下岩体所处的地应力场。底座，与内侧液压套筒的接口对接，液压油从通过底座的进油口进入内侧液压套筒的接口，提供内侧可变化的围压。轴向位移传感器，位于三轴压力室本体顶部，轴向位移传感器用于测量三轴试验时的轴向变形。本发明用于模拟现场地下洞室和隧洞开挖的卸荷及支护情况，更加准确的掌握隧洞围岩在开挖卸荷及加固过程中的力学特性和破坏特征。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程力学试验仪器领域，涉及一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室。
背景技术
为了研究自然条件下岩体的物理力学性质，常需要对岩体所处的自然环境进行模拟，现场原位试验虽能较好的还原其所处的环境，但在实施过程中难度较大，一些因素无法控制，因此需要在实验室内对岩体所处的环境进行模拟。
地下洞室的开挖,破坏了原始应力平衡条件,引起周围岩体应力的重分布，并在洞室周边出现应力集中现象。此时，如洞壁各点的应力场未超过能导致岩体破坏的临界值，则围岩是稳定的，否则将出现松弛变形甚至塌落破坏等现象，并从洞壁开始，逐渐沿半径方向向岩体内部发展。为了防止围岩的松弛变形和破坏，需要及时进行支护。作用在支护上的压力称山岩压力或围岩压力。地下洞室的开挖，产生二次应力，其径向表现为卸荷，而切向表现为加荷。对于这种工程，如果仍采用以往加载试验所得到的相关理论及岩石力学参数来解决这些问题，就势必造成一些误差及错误。为此，研究卸荷条件下岩石的变形、强度性质及岩石力学参数，有着重要的理论和实际意义。
目前，实验室的三轴卸荷试验中，一般先加载至初始应力状态，然后控制轴压恒定，逐渐减小围压直至岩石试样破坏。这种试验方式，岩样是实心的，侧向应力的加卸载可以模拟现场边坡开挖的卸荷情况，但是不能模拟地下洞室和隧洞的开挖卸荷。现存的各种三轴压力室，只能模拟边坡或者基坑岩体的开挖卸荷，但是不能模拟地下洞室的开挖卸荷及支护。主要原因是边坡或者基坑是表层岩土体的开挖，试验过程中通过控制试样的侧向应力加卸载可以模拟开挖卸荷的应力变化过程；但地下工程的开挖是在岩体内部进行的，与常规三轴卸荷试验的应力路径存在较大差别。如果要在试验过程中较好的模拟地下工程的开挖，应该做到如下两个方面：一方面在试样的外侧施加侧向应力，模拟地下岩体所处的地应力场；另一方面在岩样内部施加可变化的应力场模拟开挖及加固过程中的应力变化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在现有的三轴压力试验室的基础上，提供一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室，用于模拟现场地下洞室和隧洞开挖的卸荷及支护情况，更加准确的掌握隧洞围岩在开挖卸荷及加固过程中的力学特性和破坏特征。该三轴试验压力室既可模拟地下洞室开挖卸荷，亦可模拟开挖卸荷后的支护及扰动。
本发明采取的技术方案为：
一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室，包括：
三轴压力室本体，用于装放试样，并提供围压和轴压；
内侧液压套筒，置于试样的内部孔道中,内侧液压套筒用于提供内侧可变化的围压,模拟开挖及加固过程中的应力变化；
外侧液压套筒，置于试样的外侧，外侧液压套筒用于提供外侧围压,模拟地下岩体所处的地应力场；
底座与内侧液压套筒的接口对接，液压油通过底座的进油口进入内侧液压套筒的接口，提供内侧可变化的围压。
轴向位移传感器，位于三轴压力室本体顶部，轴向位移传感器用于测量三轴试验时的轴向变形。
所述内侧液压套筒上端封闭、下端设有带有螺纹的内侧液压套筒接口，所述内侧液压套筒接口与底座相对接，底座与所述内侧液压套筒接口相对接，底座置于连接有轴向位移传感器的固定杆的底板上，底板又与底端的承压台相接触,且位于承压台的正中心处。
所述三轴压力室本体包括顶板，所述顶板两翼伸出且下端有一圆柱状金属块与之相连，所述圆状金属块中间有一凹槽，且凹槽直径与内侧液压套筒直径相同。
所述顶板下端的圆柱状金属块与试样接触、且压于试样之上，轴向位移传感器与所述顶板相接触。
所述三轴压力室本体包括带有螺纹的上旋盖、下旋盖，所述旋盖能够通过旋转拧紧，用于固定三轴压力室本体内部的试样。
所述三轴压力室本体包括压力室侧壁，外侧液压套筒置于所述压力室侧壁内，试样置于所述外侧液压套筒内。
所述试样为中空的圆柱形试样，外径为50mm,高为100mm，内部孔道的孔径为10～40mm，圆孔的高度即为岩样的高度，内侧液压套筒置于试样的内部。
第一应变片贴于试样外部与外侧液压套筒接触处，第二应变片贴于试样内部与内侧液压套筒接触处，用于测量试验时的环向变形。
所述内侧液压套筒直径即为圆孔直径，高度即为试样的高度。
所述底座为一带有螺纹接口凹槽的底座，螺纹接口与内侧液压套筒的接口对接，形成一个联通的区域，且底座下部有进油口，与液压油泵相连接。
所述三轴压力室本体的压力室侧壁两端分别有排气阀、压力室进油口，压力室进油口外接油管，油管与液压油泵相连接。
本发明一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室，可以模拟现场地下洞室和隧洞的开挖卸荷及支护情况，还可以进一步的模拟扰动和加固，操作过程简单，加载方式简单，且模拟效果较好。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的整体正视结构示意图。
图2为本发明的试样和内侧液压套筒总体结构示意图。
图3为本发明的内侧液压套筒和底座对接的总体结构示意图。
图4为本发明三轴压力室部分的正视结构示意图。
图5为本发明三轴压力室部分的总体结构示意图。
图6为本发明的旋盖结构示意图。
图中：顶板1，轴向位移传感器2，内侧液压套筒3，外侧液压套筒4，排气阀5，固定杆6，底座7，底板8，承压台9，上旋盖10、下旋盖10’，压力室侧壁11，试样12，压力室进油口13，第一应变片14，第二应变片14’，内侧液压套筒的接口15，进油口16，上旋盖接口17，下旋盖接口17’，三轴压力室本体18。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
(1)：三轴试验岩样试样的直径宜为48mm～54mm,试样高度与直径之比宜为2.0～2.5，一般使用的岩样为直径50mm，高度100mm，以此为例对本发明的多功能三轴试验压力室进行说明。如图2中所示，在标准岩样中心用钻孔机钻出直径为10～40mm的圆孔，此时，即完成了试样12的制备。
(2)：第一应变片14，第二应变片14’分别贴于试样12的外部与外侧液压套筒4接触处的正中间、试样12的内部与内侧液压套筒3接触处的正中间。用电阻应变仪作为测试装置，且采用惠斯通电桥半桥线路进行连接。检查完毕后，将带有两片应变片14、14’的试样12置于压力室的外侧液压套筒4的正中间。如图1、图3、图4、图5所示，将下旋盖接口17’与下旋盖10’对接且旋转至拧紧。然后将底座7与内侧液压套筒接口15对接且拧紧，将底座进油口16接于液压油泵上。将整个三轴压力室本体18置于底板8上，将上旋盖接口17与上旋盖10对接且旋转至拧紧，然后将顶板1置于上旋盖10上。调整轴向位移传感器2，使得轴向位移传感器2的初始读数在误差允许范围内。最后将整个带有试样12的三轴压力室本体18置于承压台9正中间上，将与液压油泵相连的油管接于压力室进油口13上且拧紧。将与应变片相连的电缆和整个三轴试验机的电缆连接完好后，即可进行模拟试验。
(3)：加载时用两套独立的侧向加载系统加载，使内外压力同步施加，即通过压力室进油口13和底座进油口16同时给外侧液压套筒4和内侧液压套筒3充油，使得外侧油压σ3和内侧油压σ'3同时达到初始应力值，其中σ3＝σ'3，即模拟了初始的地应力水平。
(4)：通过内侧侧向加载系统逐渐减小σ'3至0MPa，且保持外侧油压σ3不变。在此过程中，通过轴向位移传感器2和应变片测得试样样的轴向变形和环向变形，研究应力与应变的关系，即可模拟现场地下洞室和隧洞的开挖卸荷过程。
(5)：还可以通过内侧侧向加载系统逐渐从0MPa开始增加σ”3，且保持外侧油压σ3不变，可以增加到与σ3大小相同，也可以增加到稍大于σ3或稍小于σ3。在此过程中，通过轴向位移传感器2和应变片测得试样的轴向变形和环向变形，研究应力与应变的关系，即可模拟现场地下洞室和隧洞开挖卸荷后的预应力加固(支护)过程。
(6)：也可以通过内侧侧向加载系统，时而增大σ'3，时而减小σ'3，且保持外侧油压σ3不变。持续增大与减小的时间和速率视使用者而定。在此过程中，通过轴向位移传感器2和应变片测得试样的轴向变形和环向变形，根据应力与应变的关系，即可模拟现场地下洞室和隧洞开挖卸荷后的扰动过程。
(7)试验结束后，先通过控制开关使得试验机停止工作，然后将压力室进油口13和底座进油口16处的油管拆除掉，将轴向位移传感器2从固定杆6上拆除，后将整个三轴压力室本体18搬离试验机平台上，旋开上旋盖10、下旋盖10’，用专用的取样器将试样12从外侧液压套筒4中取出，并拆除两片应变片，后将内侧液压套筒3从试样12中取出，将取出的试样12用保鲜膜包裹并用橡皮筋捆绑起来，以免碎屑从岩样上剥落下来，后将其他试验部件擦拭干净后按位置放好并对电缆进行拆除和对试验机进行清理。
Claims (10)
1.一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室，其特征在于包括：
三轴压力室本体(18)，用于装放试样(12)，并提供围压和轴压；
内侧液压套筒(3)，置于试样(12)的内部孔道中,内侧液压套筒(3)用于提供内侧可变化的围压,模拟开挖及加固过程中的应力变化；
外侧液压套筒(4)，置于试样(12)的外侧，外侧液压套筒(4)用于提供外侧围压,模拟地下岩体所处的地应力场；
底座(7)，与内侧液压套筒(3)的接口(15)对接，液压油通过底座(7)的进油口(16)进入内侧液压套筒(3)的接口(15)，提供内侧可变化的围压；
轴向位移传感器(2)，位于三轴压力室本体(18)顶部，轴向位移传感器(2)用于测量三轴试验时的轴向变形。
2.根据权利要求1所述一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室，其特征在于：所述内侧液压套筒(3)上端封闭、下端设有带有螺纹的内侧液压套筒接口(15)，所述内侧液压套筒接口(15)与底座(7)相对接，底座(7)与所述内侧液压套筒接口(15)相对接，底座(7)置于连接有轴向位移传感器(2)的固定杆(6)的底板(8)上。
3.根据权利要求1所述一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室，其特征在于：所述三轴压力室本体(18)包括顶板(1)，所述顶板(1)两翼伸出且下端有一圆柱状金属块与之相连，所述圆状金属块中间有一凹槽，且凹槽直径与内侧液压套筒(3)直径相同。
4.根据权利要求1所述一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室，其特征在于：所述顶板(1)下端的圆柱状金属块与试样(12)接触、且压于试样(12)之上，轴向位移传感器(2)与所述顶板(1)相接触。
5.根据权利要求1所述一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室，其特征在于：所述三轴压力室本体(18)包括带有螺纹的上旋盖(10)、下旋盖(10’)，所述旋盖能够通过旋转拧紧，用于固定三轴压力室本体(18)内部的试样(12)。
6.根据权利要求1所述一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室，其特征在于：所述三轴压力室本体(18)包括压力室侧壁(11)，外侧液压套筒(4)置于所述压力室侧壁(11)内，试样(12)置于所述外侧液压套筒(4)内。
7.根据权利要求1所述一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室，其特征在于：第一应变片(14)贴于试样(12)外部与外侧液压套筒(4)接触处，第二应变片(14’)贴于试样(12)内部与内侧液压套筒(3)接触处，用于测量试验时的环向变形。
8.根据权利要求1所述一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室，其特征在于：所述底座(7)为一带有螺纹接口凹槽的底座，螺纹接口与内侧液压套筒(3)的接口(15)对接，形成一个联通的区域，且底座(7)下部有进油口(16)，与液压油泵相连接。
9.根据权利要求1所述一种可模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验压力室，其特征在于：所述三轴压力室本体(18)的压力室侧壁(11)两端分别有排气阀(5)、压力室进油口(13)，压力室进油口(13)外接油管，油管与液压油泵相连接。
10.一种模拟地下洞室和隧洞开挖卸荷及支护的三轴试验方法，其特征在于：
加载时用两套独立的侧向加载系统加载，使内外压力同步施加，即通过压力室进油口(13)和底座进油口(16)同时给外侧液压套筒(4)和内侧液压套筒(3)充油，使得外侧油压σ3和内侧油压σ'3同时达到初始应力值，其中σ3＝σ′3，即模拟了初始的地应力水平；
通过内侧侧向加载系统逐渐减小σ'3至0MPa，且保持外侧油压σ3不变；在此过程中，通过轴向位移传感器(2)和应变片测得试样样的轴向变形和环向变形，研究应力与应变的关系，即可模拟现场地下洞室和隧洞的开挖卸荷过程；
通过内侧侧向加载系统逐渐从0MPa开始增加σ″3，且保持外侧油压σ3不变，可以增加到与σ3大小相同，也可以增加到稍大于σ3或稍小于σ3；在此过程中，通过轴向位移传感器(2)和应变片测得试样的轴向变形和环向变形，研究应力与应变的关系，即可模拟现场地下洞室和隧洞开挖卸荷后的预应力加固、支护过程；
通过内侧侧向加载系统时而增大σ'3，时而减小σ'3，且保持外侧油压σ3不变；持续增大与减小的时间和速率视使用者而定，在此过程中，通过轴向位移传感器(2)和应变片测得试样的轴向变形和环向变形，根据应力与应变的关系，即可模拟现场地下洞室和隧洞开挖卸荷后的扰动过程。
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