CN110031289B - 岩土工程围岩变形实验装置 - Google Patents

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Abstract

一种围岩变形实验装置，通过模型实验对围岩变形的力学特点进行研究，并且能较好的进行模型设计、实验条件选择及多因素综合模拟，可有效反映真实环境下的岩体变形规律。能够实现准确反映地质体固化时压力随深度的变化规律，同时还避免了竖直铸板法将模型材料成型时导致固化中的变形也相应增加的问题，可有效反映真实环境下的岩体蠕变规律。

Description

岩土工程围岩变形实验装置
技术领域
本发明涉及一种工程地质体模拟实验装置，尤其是涉及一种岩土工程围岩变形实验装置以及实验方法。
背景技术
岩石是由不同的矿物组合构成，而各种各样的岩石则是构成岩体的基础。岩体是整个地质体的一部分，由于构造作用、风化、变质等原因，岩体内部形成许多结构面，它把岩体分成各种形状和大小的岩块，整个岩体在某个初始应力状态下处于一定的相对平衡状态。
由于工程力的作用破坏了岩体原先的初始状态，使结构周围一定范围内的原有岩体受到影响。受到影响范围内的那部分岩(土)体，即称之为围岩。结构工程在开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态，开挖使围岩发生卸荷回弹和应力重分布。施工过程中因围岩应力状态的变化大，或因岩体强度低，以致围岩适应不了回弹应力和重分布的应力的作用而丧失其稳定性。此时，如果不加固或者虽然加固但未保证其质量，都会引起围岩的破坏，对工程的施工和营运造成危害。
围岩的性质是决定支护类型、支护时机以及支护的应力、应变状态的重要影响因素，是分析隧道围岩的稳定性、选用衬砌支护合理参数的基础。具体的说，围岩的结构特征、完整状态、围岩强度、地下水作用、蠕变等因素使得修筑工程的地质环境千变万化，对各种围岩的特性进行研究是进行合理设计的基础。
岩土工程是涉及地质力学、土木工程等多领域交叉学科，常用的研究方法包括实验实验或测量、理论研究、模型实验等。相对前两者，模型实验可在短期内通过实验室环境对相似材料的力学特点进行研究，并且能较好的进行模型设计、实验条件选择及多因素综合模拟，可有效反映真实环境下的岩体蠕变规律。
与原型的力学实验相比，相似实验耗时少、费用少、样品设计及制作简单，是研究岩体工程的有效手段。在实验室环境下，可以较好的对模型材料的配比、实验条件等方面进行调整控制，以使相似材料更好反映原型材料的蠕变规律。确定相似料后，进行模型相似实验。通过相似准则对相似实验的结果进行研究，以揭示原型的相似规律。
在研究开挖引起的围岩变形的研究中，通常采用水平铸板法形成模型材料，但是其在制备过程中竖向高度都是一样的，在物理力学性质上不具有深度上差异并导致不能正确反映实际位移方向和相对大小。中国科学院地质与地球物理研究所在201110309194.X的发明专利中，提出来一种模拟开挖引起围岩变形的实验方法及其实验装置，采用竖直铸板法进行在竖向进行模型体的一体成型制备，从而能够准确反映地质体固化时压力随深度的变化规律；但是由于采用竖直铸板法仅能够将模型材料一次成型，而模型材料体积越大其在固化中的变形也相应增加，导致对于实验结果产生影响；同时，其在生成开挖轮廓线时，需要将侧面玻璃板取出进行加工，从而导致模型材料在生成开挖轮廓线没有横向压力，从而实验影响试验结果。
发明内容
本发明作为201110309194.X的改进，提供一种围岩变形实验装置以及实验方法，能够解决上述技术问题。
作为本发明的一个方法，提供围岩变形实验装置，包括：矩形框架，其竖向设置，底面以及两个侧面封闭，用于容纳软材料模板；侧面玻璃板，设置于矩形框架的另外两个侧面，用于观察围岩变形；还包括横条模具，其用于在其内生成软材料横条，底面形状与矩形框架的底面形状相同，高度为矩形框架高度的1/N，N为大于20的整数；压强计算部，其基于软材料的密度计算位于矩形框架不同高度的软材料横条的压强；液压成型部，其基于压强计算部计算的不同高度的软材料横条的压强，在横条模具施加不同压强，使横条模具内形成设置于矩形框架不同高度的软材料横条；软材料模型生成部，其基于横条模具内形成的设置于矩形框架不同高度的软材料横条，生成位于矩形框架内的竖向软材料模板；围岩变形生成部，其在竖向软材料模版上生成开挖轮廓线，通过所述开挖轮廓线的观察点的位置变化，确定开挖引起的围岩变形。
优选的，所述软材料由明胶、甘油和水熔融而成。
优选的，所述液压成型部按照压强由高到低依次在横条模具内生成软材料横条，所述软材料模型生成部依次将生成的软材料横条放置入矩形框架，在其顶面填充一层处于熔融体软材料，将位于其上的软材料横条放置入矩形框架，使上下两层软材料横条固结合并。
优选的，还包括压强控制部，其包括多个标准软材料横条，用于在软材料模型生成部使横条模具生成的设置于矩形框架不同高度的软材料横条在矩形框架内固化结合时，设置于高度最高的软材料横条之上，直到到达矩形框架的顶部。
优选的，所述标准软材料横条的高度为所述横条模具生成的软材料横条的2倍。
作为本发明的另外一个方面，提供一种围岩变形实验装置，包括：矩形框架，其竖向设置，底面以及两个侧面封闭，用于容纳软材料模板；侧面玻璃板，设置于矩形框架的另外两个侧面，用于观察围岩变形；其特征在于还包括：模块确定部，其基于轮廓线高度以及矩形框架高度确定竖向软材料部以及轮廓线部，所述竖向软材料部仅设置软材料，所述轮廓线部设置轮廓线板以及软材料；横条模具，其用于在其内生成软材料横条，底面形状与矩形框架的底面形状相同，高度为竖向软材料部高度的1/N，N为大于15的整数；压强计算部，其基于软材料的密度计算位于矩形框架不同高度的软材料横条的压强；液压成型部，其基于计算的不同高度的软材料横条的压强，在横条模具施加不同压强，使横条模具内形成设置于矩形框架不同高度的软材料横条；竖向软材料部生成部，其基于横条模具内形成的设置于矩形框架不同高度的软材料横条，生成位于矩形框架内的竖向软材料部；轮廓线部生成部，其包括轮廓线板以及轮廓线模具，所述轮廓线模具水平设置，高度与轮廓线板矩形框架宽度相同，一端侧板可调节，将所述可调节侧板调节为轮廓线的高度，将轮廓线板设置于轮廓线模具中，注入熔融状态的软材料后固结成轮廓线软材料部；组合部，其将轮廓线部与竖向软材料部固化成竖向软材料模板；围岩变形生成部，其通过矩形框架上方开口将竖向软材料模版中的轮廓线板以及轮廓线板上方的软材料取出，形成开挖轮廓线，通过所述开挖轮廓线的观察点的位置变化，确定开挖引起的围岩变形。
优选的，还包括压强控制部，其包括多个标准软材料横条，用于在软材料模型生成部使横条模具生成的设置于矩形框架不同高度的软材料横条在矩形框架内固化结合时，设置于高度最高的软材料横条之上，直到到达矩形框架的顶部。
优选的，所述轮廓线板高于软材料位置设置有横向提手，所述围岩变形生成部通过所述横向提手将所述轮廓线板以及轮廓线板上方的软材料取出，形成开挖轮廓线。
作为本发明的另外一个方面，提供一种围岩变形实验方法，其通过上述围岩变形实验装置制备具有开挖轮廓线的竖向软材料模版，通过软材料模版的观测点的位移变化，确定开挖引起的围岩变形。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将使用实施例对本发明进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些实施例获取其他的技术方案，也属于本发明的公开范围。
本发明实施例的围岩变形实验装置，包括矩形框架，侧面玻璃板，横条模具，压强计算部，液压成型部，软材料模型生成部以及围岩变形生成部。
矩形框架可以是金属框架或者是木质框架，用于在其内容纳软材料模板，其竖向设置，底面以及相对的两个侧面封闭。侧面玻璃板为两块，其设置于矩形框架的未封闭的另外两个相对侧面，用于观测围岩变形。可以将侧面玻璃板进行钢化处理，从而增加其强度。玻璃板与框架的连接可以采用常规的连接方式例如使用螺丝固定连接。
横条模具，其用于在其内生成软材料横条。软材料根据模拟围岩性质的不同由不同比例的明胶、甘油和水熔融而成, 明胶、甘油和水的比例可以是10～20：20～30：50～60。软材料横条用于在矩形框架内固结成用于实验的软材料模板。横条模具的底面和侧面封闭，底面形状与矩形框架的底面形状相同，高度为矩形框架高度的1/N，N为大于20的整数，从而在横条模具内形成的软材料横条的高度为矩形框架高度的1/N，将N个软材料横条依次固结在矩形框架内，即能够形成用于实验的软材料模板。
压强计算部，其基于软材料的密度计算位于矩形框架不同高度的软材料横条的压强。具体的矩形框架内第i条软材料横条压强为P＝ρg（H－hi），其中H为矩形框架高度， hi为该软材料横条的中心高度。
液压成型部，其用于向横条模具分别施加压强，从而使横条模具内形成在特定压强下产生的软材料横条。软材料模型生成部，其基于横条模具内在不同压强下形成的的软材料横条，生成位于矩形框架内的竖向软材料模板。具体的，横条模具的底面和侧面封闭，顶面通过液压成型部施加压强，从而横条模具内形成在特定压强下产生的软材料横条。液压成型部基于压强计算部计算的不同高度的软材料横条的压强，按照压强由高到低依次在横条模具内生成软材料横条，软材料模型生成部依次将生成的软材料横条放置入矩形框架，在其顶面填充一层处于熔融体软材料，将位于其上的软材料横条放置入矩形框架，使上下两层软材料横条固结合并；通过分层依次固结，最后形成矩形框架内的竖向软材料模板。优选的，还可以设置压强控制部，其包括多个标准软材料横条，用于在软材料模型生成部使横条模具生成的设置于矩形框架不同高度的软材料横条在矩形框架内固化结合时，设置于高度最高的软材料横条之上，直到到达矩形框架的顶部；从而使上下两层软材料横条固结合并时，其压强与最终状态的压强一致。优选的，所述标准软材料横条的高度为横条模具生成的软材料横条的2倍。
围岩变形生成部，其在竖向软材料模版上生成开挖轮廓线，通过所述开挖轮廓线的观察点的位置变化，确定开挖引起的围岩变形。可以通过例如分别取出两侧玻璃板，使用工具切除两个开挖轮廓线的方式，形成开挖轮廓线。
通过本发明上述实施例的设置，能够实现准确反映地质体固化时压力随深度的变化规律，同时还避免了竖直铸板法将模型材料成型时导致固化中的变形也相应增加的问题。
本发明优选的实施例的围岩变形实验装置，包括矩形框架，侧面玻璃板，模块确定部，横条模具，压强计算部，液压成型部，压强控制部，竖向软材料部生成部，轮廓线部生成部，组合部以及围岩变形生成部。
其中，矩形框架，侧面玻璃板，横条模具的设置与上述第一实施例相同。模块确定部，其基于轮廓线高度以及矩形框架高度确定竖向软材料部以及轮廓线部，竖向软材料部仅设置软材料，轮廓线部设置轮廓线板以及软材料。
横条模具，其用于在其内生成软材料横条，底面形状与矩形框架的底面形状相同，高度为竖向软材料部高度的1/N，N为大于15的整数。
压强计算部，其基于软材料的密度计算位于矩形框架竖向软材料部的不同高度的软材料横条的压强。液压成型部，其基于计算的不同高度的软材料横条的压强，在横条模具施加不同压强，使横条模具内形成设置于矩形框架竖向软材料部的不同高度的软材料横条。
竖向软材料部生成部，其基于横条模具内形成的设置于矩形框架不同高度的软材料横条，生成位于矩形框架内的竖向软材料部。在形成竖向软材料部时，可以使用与上一实施例中一样的压强控制部。竖向软材料部生成部采用与上述实施例中软材料模型生成部相同的设置方式。
轮廓线部生成部，其包括轮廓线板以及轮廓线模具。轮廓线板为形状与轮廓线相同的板材组合而成，可以使用塑料或者金属制作轮廓线板。轮廓线模具为长方形模具，其水平设置，高度与轮廓线板矩形框架宽度相同，一端侧板可调节，将可调节侧板调节为轮廓线的高度，将轮廓线板设置于轮廓线模具中，注入熔融状态的软材料后固结成轮廓线软材料部。
组合部，其将轮廓线部与竖向软材料部固化成竖向软材料模板。具体的，在竖向软材料部顶面填充一层处于熔融体软材料，将轮廓线部放置于竖向软材料部顶面，从而使轮廓线部与竖向软材料部固化成竖向软材料模板。
围岩变形生成部，其通过矩形框架上方开口将竖向软材料模版中的轮廓线板以及轮廓线板上方的软材料取出，形成开挖轮廓线。可以在轮廓线板高于软材料位置设置有横向提手，围岩变形生成部通过横向提手将所述轮廓线板以及轮廓线板上方的软材料取出，形成开挖轮廓线。通过所述开挖轮廓线的观察点的位置变化，确定开挖引起的围岩变形。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述公开内容之后，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，在不脱离本发明原理前提下，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种围岩变形实验装置，包括：矩形框架，其竖向设置，底面以及两个侧面封闭，用于容纳软材料模板；侧面玻璃板，设置于矩形框架的另外两个侧面，用于观察围岩变形；其特征在于还包括：模块确定部，其基于轮廓线高度以及矩形框架高度确定竖向软材料部以及轮廓线部，所述竖向软材料部仅设置软材料，所述轮廓线部设置轮廓线板以及软材料；横条模具，其用于在其内生成软材料横条，底面形状与矩形框架的底面形状相同，高度为竖向软材料部高度的1/N，N为大于15的整数；压强计算部，其基于软材料的密度计算位于矩形框架不同高度的软材料横条的压强；液压成型部，其基于计算的不同高度的软材料横条的压强，在横条模具施加不同压强，使横条模具内形成设置于矩形框架不同高度的软材料横条；竖向软材料部生成部，其基于横条模具内形成的设置于矩形框架不同高度的软材料横条，生成位于矩形框架内的竖向软材料部；轮廓线部生成部，其包括轮廓线板以及轮廓线模具，所述轮廓线模具水平设置，高度与轮廓线板矩形框架宽度相同，一端侧面玻璃板可调节，将可调节的所述侧面玻璃板调节为轮廓线的高度，将轮廓线板设置于轮廓线模具中，注入熔融状态的软材料后固结成轮廓线软材料部；组合部，其将所述轮廓线部与竖向软材料部固化成竖向软材料模板；围岩变形生成部，其通过矩形框架上方开口将竖向软材料模版中的轮廓线板以及轮廓线板上方的软材料取出，形成开挖轮廓线，通过所述开挖轮廓线的观察点的位置变化，确定开挖引起的围岩变形。
2.根据权利要求1所述的围岩变形实验装置，其特征在于：还包括压强控制部，其包括多个标准软材料横条，用于在所述软材料模型生成部使横条模具生成的设置于矩形框架不同高度的软材料横条在矩形框架内固化结合时，设置于高度最高的软材料横条之上，直到到达矩形框架的顶部。
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