CN110231115B - 模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置及方法，它包括支护力调节器，所述支护力调节器包括两块高强度板，所述高强度板的对角位置通过竖直布置的两根限位锚杆相连，位于顶部的高强度板通过螺盘固定安装在限位锚杆的顶部，位于底层的高强度板上支撑有受力装置，所述受力装置的内部设置有两块对称布置的高强度管片，所述高强度管片和受力装置的内壁之间安装有弹簧阻尼器。本装置通过内部的应力片对内部不同区域的应力进行实时的记录和观察、通过CT扫描对内部的流质填充物和膨胀剂的密实度分布情况去模拟分析不同支护应力下围岩的塑性变形和应力分布情况，使得模拟实验更加的真实、准确。
Description
技术领域
本装置涉及模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置及方法，主要应用于研究工程隧洞的研究、工程巷道等领域。
背景技术
近年来，随着我国国民经济的快速发展，以高速公路和国道为主体的快速交通网络的建设取得了突飞猛进的进步，山区公路隧洞作为高速公路的一个重要组成部分起着愈发突出的作用。针对实验室研究而言，现有的隧洞模拟装置体积过大，操作极其不方便，并且现有的隧洞模拟装置只针对衬砌支护效果研究分析，并不能分析隧洞支护对于隧洞围岩和对支护结构本身的影响；无法给出在指定支护应力下围岩的塑性区扩展和松动圈发育规律；现有支护技术绝大部分是提高钢拱架刚度来提高支护力，本发明有效在预留变形量中填充流质填充层，利用流质填充层抑制隧洞软岩大变形、消散围岩应力，并在模拟试验过程中确定最佳的流质填充物厚度。
发明内容
本发明的目的在于提供模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置及方法，针对现有模拟装置不能分析隧洞支护对于隧洞围岩和对支护结构本身的影响；并且无法确定在指定支护应力下围岩的塑性区发育规律、抑制隧洞软岩大变形过程中最佳的流质填充物厚度；自主研发该装置，利用该装置的支护力调节装置可模拟隧洞不同的支护力应力作用，观察内部的膨胀泥浆的密实度和和压力传感器的数值变化来确定不同支护应力作用下围岩的塑性区变形规律和应力分布情况；分析不同围岩应力下流质充填衬砌结构对于应力的均化、减载效果，内部应力分布情况。本装置通过内部的应力片对内部不同区域的应力进行实时的记录和观察、通过CT扫描对内部的流质填充物和膨胀剂的密实度分布情况去模拟分析不同支护应力下围岩的塑性变形和应力分布情况，使得模拟实验更加的真实、准确。而且装置结构简单、成本低、操作方便，可应用于不同支护条件下隧洞受力的研究，具有广泛的工程实践意义和应用前景。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置，它包括支护力调节器，所述支护力调节器包括两块高强度板，所述高强度板的对角位置通过竖直布置的两根限位锚杆相连，位于顶部的高强度板通过螺盘固定安装在限位锚杆的顶部，位于底层的高强度板上支撑有受力装置，所述受力装置的内部设置有两块对称布置的高强度管片，所述高强度管片和受力装置的内壁之间安装有弹簧阻尼器。
所述高强度板为高强度钢化玻璃或者亚克力板，在高强度板的对角位置加工有用于穿过限位锚杆的通孔。
所述受力装置采用高强度PVC管制作直径为D、高度为H的一端封闭，一端开口的结构；所述受力装置的外形采用立方体或者圆柱体。
实验过程中所述受力装置内部分为两部分，分别是应力蓄积区和流质填充层，两个部分通过橡胶片分隔，所述橡胶片的底端面和应力蓄积区的顶端面设置有压力传感器。
两块所述高强度管片组合之后形成一个完整的直径小于受力装置直径的圆柱筒。
所述受力装置的外表面和底部都包裹有碳纤维布进而形成增强区。
所述应力蓄积区填充一定厚度的云母片岩膨胀泥浆，以此模拟高地应力软岩隧洞中的围岩和围岩应力，模拟的围岩应力大小通过调节膨胀泥浆中膨胀剂的含量进行调控；所述应力蓄积区中布置有压力传感器，所述压力传感器的布置方式为，在受力装置的底部填充一定厚度的膨胀泥浆，将其抹平并在其表面上按照一定的密度布置第一压力传感器，重复此步骤；直至整个应力蓄积区充满膨胀泥浆；将贴有第二压力传感器的矩形应力板竖向布置在受力装置横截面的不同位置点。
所述流质填充层中填充一定厚度的流质填充物，所述流质填充物由砂、陶粒、碎屑物按照一定的级配混合形成，利用流质填充层来模拟隧洞的流质衬砌支护结构。
所述流质填充层中布置有压力传感器，所述压力传感器的布置方式为，填充一定厚度的流质填充物，将其表面抹平并在截面直径方向上按照一定的间隔布置第三压力传感器，重复此步骤，直至流质填充物填充至指定高度；将贴有第四压力传感器的矩形应力板竖向的布置在受力装置横截面的不同位置点。
任意一项所述模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置的实验方法，包括以下步骤：
Step1：材料准备：准备高强度PVC管，碳纤维布，橡胶片，膨胀剂，砂子，水泥，云母片，限位锚杆，压力传感器，木板，螺盘，应力板，支护力调节器和受力装置；
Step2：制作受力装置：采用高强度PVC管制作高度为H，截面直径为D的一端封闭一端开口的受力装置；使用碳纤维布对受力装置的外表面和底部进行包裹，所包裹的厚度根据实验要求进行调整；
Step3：制作支护力调节器：使用螺盘将穿过高强度板对角预制空隙的两根限位锚杆进行固定形成具有一定结构的支护力调节器；
Step4：应力蓄积区的填充：在受力装置的底部填充膨胀泥浆，所填充的方法为，填充一定厚度的膨胀泥浆，利用振动仪振捣使得云母片岩局部浮于表面，将其表面抹平，并在其表面按照一定的间隔距离布置压力传感器，重复此步骤，直至整个应力蓄积区充满膨胀泥浆；将两个贴有压力传感器的矩形应力板分别竖向的布置在膨胀剂的中心位置和膨胀泥浆与受力装置的接触面上；
Step5：流质填充层的填充：在橡胶片的上部填充流质填充物，所填充的方法为填充一定厚度的流质填充物，将其表面抹平，在其表面上按照一定的距离间隔布置压力传感器，直至流质填充物达到指定的高度；将贴有压力传感器的矩形应力板竖向的布置在流质填充物的中心位置和流质填充物和受力装置的接触面上；
Step6：受力装置的固定：将受力装置放置在支护力调节器内部，将贴有压力传感器、尺寸与受力装置横截面尺寸相同的高强度板放置在流质填充物上表面，并通过板上两个预留空隙将受力装置和支护力调节其固定在一起；
Step7：工作原理：保持膨胀剂的含量不变，流质填充层厚度一定，通过调节限位锚杆上的螺盘的位置模拟隧洞衬砌的不同支护力，对压力传感器的数值变化进行分析，以此确定结构内部受力情况，并对装置进行整体CT扫描，确定应力蓄积区和流质填充层不同位置密实度、CT值，其中CT值和密度变化与压力片实测应力值变化相互佐证，综合得出应力蓄积区、流质填充层的空间多位置分布情况，基于此获取在实际工程中指定支护力作用下围岩的塑性区发育规律，并确定最佳支护力；
保持膨胀剂的含量不变，通过调节不同厚度流质填充物，分析流质填充层一侧的压力传感器的数值，以此确定在抑制隧洞软岩大变形过程中流质填充最佳厚度；
保持流质填充物厚度不变，调节膨胀剂的含量，模拟围岩不同应力下流质充填衬砌结构均化、减载效果；
当加载实验结束时，泄出流质，应力卸载过程中，通过CT扫描得到应力蓄积区密度变化，当CT值降低20%时，停止卸载，对不同卸荷区域进行划分和力学分析，确定外衬结构力学响应。
本发明有如下有益效果：
1、本发明创新性提出一种利用膨胀泥浆、支护力调节器分别模拟隧洞中围岩和支护力，并且装置侧限刚度可调，研究隧洞支护方式对于衬砌本身的影响，通过分析内部的应力分布情况和填充物密实度可得出在不同支护力下围岩塑性区演变规律；
2、保持膨胀剂的含量不变，流质填充层厚度一定，通过调节限位锚杆上的螺盘的位置模拟隧洞衬砌的不同支护力，通过压力传感器对结构内部的受力情况进行分析，并对装置进行整体CT扫描，确定应力蓄积区和流质填充层不同位置密实度、CT值，基于此获取在实际工程中指定支护力作用下围岩的塑性区发育规律，并确定最佳支护力；
3、保持膨胀剂的含量不变，通过调节不同厚度流质填充物，分析流质填充层一侧的压力传感器的数值，以此确定在抑制隧洞软岩大变形过程中流质填充最佳厚度；
4、当加载实验结束时，泄出流质，应力卸载过程中，通过CT扫描得到应力蓄积区密度变化，当CT值降低20%时，停止卸载，对不同卸荷区域进行划分和进行力学分析，确定外衬结构力学响应；
5、保持流质填充物厚度不变，调节膨胀剂的含量，模拟围岩应力下流质充填衬砌结构均化、减载效果；
6、本发明可以很好的研究隧洞内部的应力分布情况，并且装置结构简单、所需要的成本低、操作方便，可以应用于不同支护条件下隧洞围岩塑性区演变规律的研究、隧洞不同的围岩条件下对于支护结构的影响的研究，具有较高工程应用价值。
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为本发明涉及的装置整体示意图。
图2为本发明涉及的装置内部压力传感器示意图。
图3为本发明涉及的压力传感器排列方法示意图。
图4为本发明涉及的受力装置俯视图。
图5为本发明涉及的支护力调节器示意图。
图中：支护力调节器1、限位锚杆2、螺盘3、高强度板4、受力装置5包括增强层6、应力蓄积区7、流质填充层8、高强度PVC管9、第一压力传感器10、第二压力传感器11、第三压力传感器12、第四压力传感器13、橡胶片14、PVC应力板15、弹簧阻尼器16、高强度管片17。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
参见图1-5，模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置，它包括支护力调节器1，所述支护力调节器1包括两块高强度板4，所述高强度板4的对角位置通过竖直布置的两根限位锚杆2相连，位于顶部的高强度板4通过螺盘3固定安装在限位锚杆2的顶部，位于底层的高强度板4上支撑有受力装置5，所述受力装置5的内部设置有两块对称布置的高强度管片17，所述高强度管片17和受力装置5的内壁之间安装有弹簧阻尼器16。
进一步的，所述高强度板4为高强度钢化玻璃或者亚克力板，在高强度板4的对角位置加工有用于穿过限位锚杆2的通孔。
进一步的，所述受力装置5采用高强度PVC管9制作直径为D、高度为H的一端封闭，一端开口的结构；所述受力装置5的外形采用立方体或者圆柱体。
进一步的，实验过程中所述受力装置5内部分为两部分，分别是应力蓄积区7和流质填充层8，两个部分通过橡胶片14分隔，所述橡胶片14的底端面和应力蓄积区7的顶端面设置有压力传感器。
进一步的，两块所述高强度管片17组合之后形成一个完整的直径小于受力装置5直径的圆柱筒。
进一步的，所述受力装置5的外表面和底部都包裹有碳纤维布进而形成增强区6。
进一步的，所述应力蓄积区7填充一定厚度的云母片岩膨胀泥浆，以此模拟高地应力软岩隧洞中的围岩和围岩应力，模拟的围岩应力大小通过调节膨胀泥浆中膨胀剂的含量进行调控；所述应力蓄积区7中布置有压力传感器，所述压力传感器的布置方式为，在受力装置5的底部填充一定厚度的膨胀泥浆，将其抹平并在其表面上按照一定的密度布置第一压力传感器10，重复此步骤；直至整个应力蓄积区7充满膨胀泥浆；将贴有第二压力传感器11的矩形应力板15竖向布置在受力装置5横截面的不同位置点。
进一步的，所述流质填充层8中填充一定厚度的流质填充物，所述流质填充物由砂、陶粒、碎屑物按照一定的级配混合形成，利用流质填充层8来模拟隧洞的流质衬砌支护结构。
进一步的，所述流质填充层8中布置有压力传感器，所述压力传感器的布置方式为，填充一定厚度的流质填充物，将其表面抹平并在截面直径方向上按照一定的间隔布置第三压力传感器12，重复此步骤，直至流质填充物填充至指定高度；将贴有第四压力传感器13的矩形应力板15竖向的布置在受力装置5横截面的不同位置点。
进一步的，将膨胀剂与一定的水泥、砂子、25%云母片、水等混合形成膨胀泥浆，25%石英云母片，模拟实际工程中石英云母片岩的性质，分层振捣，使得云母片水平局部浮于表面，模拟围岩水平片理方向，所述的膨胀泥浆中膨胀剂含量为20%~30%。
进一步的，将受力装置5的底部放置在支护力调节器1没有预留空隙的高强度板4上，受力装置5的底部放置压力传感器；将尺寸与受力装置5横截面尺寸相同的高强度板4放置在流质填充物的上表面，通过预留空隙使用限位锚杆2和螺盘3将其固定在受力装置5内部。
实施例2：
任意一项所述模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置的实验方法，包括以下步骤：
Step1：材料准备：准备高强度PVC管，碳纤维布，橡胶片，膨胀剂，砂子，水泥，云母片，限位锚杆，压力传感器，木板，螺盘，应力板，支护力调节器和受力装置；
Step2：制作受力装置5：采用高强度PVC管9制作高度为H，截面直径为D的一端封闭一端开口的受力装置；使用碳纤维布对受力装置的外表面和底部进行包裹，所包裹的厚度根据实验要求进行调整；
Step3：制作支护力调节器1：使用螺盘3将穿过高强度板4对角预制空隙的两根限位锚杆2进行固定形成具有一定结构的支护力调节器1；
Step4：应力蓄积区7的填充：在受力装置的底部填充膨胀泥浆，所填充的方法为，填充一定厚度的膨胀泥浆，利用振动仪振捣使得云母片岩局部浮于表面，将其表面抹平，并在其表面按照一定的间隔距离布置压力传感器，重复此步骤，直至整个应力蓄积区充满膨胀泥浆；将两个贴有压力传感器的矩形应力板15分别竖向的布置在膨胀剂的中心位置和膨胀泥浆与受力装置的接触面上；
Step5：流质填充层8的填充：在橡胶片14的上部填充流质填充物，所填充的方法为填充一定厚度的流质填充物，将其表面抹平，在其表面上按照一定的距离间隔布置压力传感器，直至流质填充物达到指定的高度；将贴有压力传感器的矩形应力板15竖向的布置在流质填充物的中心位置和流质填充物和受力装置的接触面上；
Step6：受力装置5的固定：将受力装置5放置在支护力调节器1内部，将贴有压力传感器、尺寸与受力装置横截面尺寸相同的高强度板放置在流质填充物上表面，并通过板上两个预留空隙将受力装置和支护力调节其固定在一起；
Step7：工作原理：保持膨胀剂的含量不变，流质填充层厚度一定，通过调节限位锚杆2上的螺盘3的位置模拟隧洞衬砌的不同支护力，对压力传感器的数值变化进行分析，以此确定结构内部受力情况，并对装置进行整体CT扫描，确定应力蓄积区7和流质填充层8不同位置密实度、CT值，其中CT值和密度变化与压力片实测应力值变化相互佐证，综合得出应力蓄积区、流质填充层的空间多位置分布情况，基于此获取在实际工程中指定支护力作用下围岩的塑性区发育规律，并确定最佳支护力；
保持膨胀剂的含量不变，通过调节不同厚度流质填充物，分析流质填充层一侧的压力传感器的数值，以此确定在抑制隧洞软岩大变形过程中流质填充最佳厚度；
保持流质填充物厚度不变，调节膨胀剂的含量，模拟围岩不同应力下流质充填衬砌结构均化、减载效果；
当加载实验结束时，泄出流质，应力卸载过程中，通过CT扫描得到应力蓄积区密度变化，当CT值降低20%时，停止卸载，对不同卸荷区域进行划分和力学分析，确定外衬结构力学响应。
进一步的，保持膨胀泥浆的膨胀剂含量不变，流质填充层8厚度一定，调节限位锚杆上2螺盘3的位置模拟隧洞衬砌的不同支护力，对压力传感器的数值变化进行分析，以此确定结构内部不同区域的受力情况，并对装置进行整体CT扫描，确定应力蓄积区7和流质填充层8不同位置密实度、CT值，基于此获取在实际工程中指定支护力作用下围岩的塑性区发育规律。
Claims (6)
1.模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置，其特征在于：它包括支护力调节器（1），所述支护力调节器（1）包括两块高强度板（4），所述高强度板（4）的对角位置通过竖直布置的两根限位锚杆（2）相连，位于顶部的高强度板（4）通过螺盘（3）固定安装在限位锚杆（2）的顶部，位于底层的高强度板（4）上支撑有受力装置（5），所述受力装置（5）的内部设置有两块对称布置的高强度管片（17），所述高强度管片（17）和受力装置（5）的内壁之间安装有弹簧阻尼器（16）；
实验过程中所述受力装置（5）内部分为两部分，分别是应力蓄积区（7）和流质填充层（8），两个部分通过橡胶片（14）分隔，所述橡胶片（14）的底端面和应力蓄积区（7）的顶端面设置有压力传感器；
所述应力蓄积区（7）填充一定厚度的云母片岩膨胀泥浆，以此模拟高地应力软岩隧洞中的围岩和围岩应力，模拟的围岩应力大小通过调节膨胀泥浆中膨胀剂的含量进行调控；所述应力蓄积区（7）中布置有压力传感器，所述压力传感器的布置方式为，在受力装置（5）的底部填充一定厚度的膨胀泥浆，将其抹平并在其表面上按照一定的密度布置第一压力传感器（10），重复此步骤；直至整个应力蓄积区（7）充满膨胀泥浆；将贴有第二压力传感器（11）的矩形应力板（15）竖向布置在受力装置（5）横截面的不同位置点；
所述流质填充层（8）中填充一定厚度的流质填充物，所述流质填充物由砂、陶粒、碎屑物按照一定的级配混合形成，利用流质填充层（8）来模拟隧洞的流质衬砌支护结构；
所述流质填充层（8）中布置有压力传感器，所述压力传感器的布置方式为，填充一定厚度的流质填充物，将其表面抹平并在截面直径方向上按照一定的间隔布置第三压力传感器（12），重复此步骤，直至流质填充物填充至指定高度；将贴有第四压力传感器（13）的矩形应力板（15）竖向的布置在受力装置（5）横截面的不同位置点。
2.根据权利要求1所述模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置，其特征在于：所述高强度板（4）为高强度钢化玻璃或者亚克力板，在高强度板（4）的对角位置加工有用于穿过限位锚杆（2）的通孔。
3.根据权利要求1所述模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置，其特征在于：所述受力装置（5）采用高强度PVC管（9）制作直径为D、高度为H的一端封闭，一端开口的结构；所述受力装置（5）的外形采用立方体或者圆柱体。
4.根据权利要求1所述模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置，其特征在于：两块所述高强度管片（17）组合之后形成一个完整的直径小于受力装置（5）直径的圆柱筒。
5.根据权利要求1所述模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置，其特征在于：所述受力装置（5）的外表面和底部都包裹有碳纤维布进而形成增强区（6）。
6.采用权利要求1-5任意一项所述模拟不同支护力下围岩塑性区发育和流质衬砌结构力学响应的装置的实验方法，其特征在于包括以下步骤：
Step1：材料准备：准备高强度PVC管，碳纤维布，橡胶片，膨胀剂，砂子，水泥，云母片，限位锚杆，压力传感器，木板，螺盘，应力板，支护力调节器和受力装置；
Step2：制作受力装置（5）：采用高强度PVC管（9）制作高度为H，截面直径为D的一端封闭一端开口的受力装置；使用碳纤维布对受力装置的外表面和底部进行包裹，所包裹的厚度根据实验要求进行调整；
Step3：制作支护力调节器（1）：使用螺盘（3）将穿过高强度板（4）对角预制空隙的两根限位锚杆（2）进行固定形成具有一定结构的支护力调节器（1）；
Step4：应力蓄积区（7）的填充：在受力装置的底部填充膨胀泥浆，所填充的方法为，填充一定厚度的膨胀泥浆，利用振动仪振捣使得云母片岩局部浮于表面，将其表面抹平，并在其表面按照一定的间隔距离布置压力传感器，重复此步骤，直至整个应力蓄积区充满膨胀泥浆；将两个贴有压力传感器的矩形应力板（15）分别竖向的布置在膨胀剂的中心位置和膨胀泥浆与受力装置的接触面上；
Step5：流质填充层（8）的填充：在橡胶片（14）的上部填充流质填充物，所填充的方法为填充一定厚度的流质填充物，将其表面抹平，在其表面上按照一定的距离间隔布置压力传感器，直至流质填充物达到指定的高度；将贴有压力传感器的矩形应力板（15）竖向的布置在流质填充物的中心位置和流质填充物和受力装置的接触面上；
Step6：受力装置（5）的固定：将受力装置（5）放置在支护力调节器（1）内部，将贴有压力传感器、尺寸与受力装置横截面尺寸相同的高强度板放置在流质填充物上表面，并通过板上两个预留空隙将受力装置和支护力调节其固定在一起；
Step7：工作原理：保持膨胀剂的含量不变，流质填充层厚度一定，通过调节限位锚杆（2）上的螺盘（3）的位置模拟隧洞衬砌的不同支护力，对压力传感器的数值变化进行分析，以此确定结构内部受力情况，并对装置进行整体CT扫描，确定应力蓄积区（7）和流质填充层（8）不同位置密实度、CT值，其中CT值和密度变化与压力片实测应力值变化相互佐证，综合得出应力蓄积区、流质填充层的空间多位置分布情况，基于此获取在实际工程中指定支护力作用下围岩的塑性区发育规律，并确定最佳支护力；
保持膨胀剂的含量不变，通过调节不同厚度流质填充物，分析流质填充层一侧的压力传感器的数值，以此确定在抑制隧洞软岩大变形过程中流质填充最佳厚度；
保持流质填充物厚度不变，调节膨胀剂的含量，模拟围岩不同应力下流质充填衬砌结构均化、减载效果；
当加载实验结束时，泄出流质，应力卸载过程中，通过CT扫描得到应力蓄积区密度变化，当CT值降低20%时，停止卸载，对不同卸荷区域进行划分和力学分析，确定外衬结构力学响应。
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