CN110887742B - 基于牛腿结构的大尺寸岩体结构面剪切试验的推动方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于牛腿结构的大尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸推动方法，首先，采用长方体钢模具浇筑大尺寸岩体结构面下试样，根据岩体结构面上试样的尺寸设计混凝土浇筑钢模具，利用焊接技术，将N块长方体钢板固定在钢模具中的突出小型长方体结构中，用于制作牛腿结构；然后利用该钢模具，浇筑混凝土上试样和牛腿结构，试样的长、宽、高为L、W、H；最后，在岩体结构面上下试样浇筑完成之后，根据试样的尺寸及牛腿结构的位置，布置M台油缸推动试样进行剪切试验，在试样端部布置2台油缸，在两侧2N台油缸，则M＝2N+2。本发明能避免试样端部应力集中，提高了试验结果的准确性和科学性，同时又能避免试样设计不合理造成人力物力浪费。

Description

基于牛腿结构的大尺寸岩体结构面剪切试验的推动方法
技术领域
本发明涉及基于牛腿结构的大尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸推动方法，属于室内物理力学试验技术领域。
背景技术
近几年来，随着我国经济快速发展，一些关系到国计民生的大型建设项目如中西部大型水电工程、高速公路和高速铁路、深部资源开采、战略石油储备以及核电工程等相继实施，工程区岩体的稳定性及灾变问题相当突出，尤其大型露天矿山、水利等边坡的滑坡地质灾害，轻则严重影响生产，重则造成人员伤亡和设备及矿产资源的重大损失。大量文献研究表明，大型边坡地质灾害的根本原因多为其内部的结构面在一定载荷作用下滑移，导致上覆岩体整体失稳。针对此问题，国内外学者做了大量相关研究，取得了丰硕的学术成果，但文献大多针对小型岩体结构面(结构面长度最大不超过1m)，结构面尺寸与工程现场相差较大，获得的结构面抗剪强度数据与实际值有一定差异，需进行大尺寸岩体结构面(结构面长度大于2m)剪切试验。目前，大尺寸岩体结构面剪切试验的实施还存在一些技术难题：(1)传统的岩体结构面剪切试验采用单个油缸，加载位置为试样端部，照此方法进行大尺寸试样剪切试验时，试样端部易产生应力集中导致局部先破坏，且单个油缸无法提供足够大的推力；(2)在试样侧部浇筑牛腿结构，采用多油缸加载，可提供足够大的推力，但牛腿结构的设计是难题，设计不合理不仅导致钢材的浪费、也会导致牛腿结构过大变形，失去了多油缸推动牛腿结构的效果。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于牛腿结构的大尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸推动方法，能避免试样端部应力集中，使大尺寸试样各部分受力较为均为，解决了局部提前破坏的问题，提高了试验结果的准确性和科学性，同时又能避免试样设计不合理造成人力物力浪费，为大型岩体结构面剪切试验的设计提供科学依据。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于牛腿结构的大尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸推动方法，所述方法包括以下步骤：
(1)依据大尺寸混凝土试样的制定与养护规范，采用长方体钢模具浇筑大尺寸岩体结构面下试样，试样的长、宽、高为L、W、H；
(2)根据岩体结构面上试样的尺寸设计混凝土浇筑钢模具，模具为长方体，两侧具有N对突出的小型长方体结构，N为整数，N≥2；
(3)利用焊接技术，将N块长方体钢板固定在钢模具中的突出小型长方体结构中，用于制作牛腿结构；
(4)利用步骤(2)中的钢模具，依据大尺寸混凝土试样的制定与养护规范，在大尺寸岩体结构面下试样的基础上浇筑上试样，混凝土上试样和牛腿结构一起浇筑，牛试样的长、宽、高为L、W、H，所述牛腿结构上布置传感器，所述传感器与油缸连接；
传感器、加筋混凝土、钢板、上试样、结构面、下试样，油缸。
(5)岩体结构面上下试样浇筑完成之后，根据试样的尺寸及牛腿结构的位置，布置M台油缸推动试样进行剪切试验。
进一步，所述步骤(1)中，的L、W、H需满足L≥4m，W≥2m，H≥0.6m。
再进一步，所述步骤(3)中，在牛腿结构中，长方体钢板外侧包裹的混凝土强度需大于60MPa.。
所述步骤(3)中，为保证试样侧边油缸有足够的行程，相邻两个牛腿结构之间大距离大于2m。
更进一步，所述步骤(5)中，在试样端部布置2台油缸，在两侧2N台油缸，则M＝2N+2。
所述步骤(5)中，油缸的最大输出力均为200T，且M台油缸同步工作。
所述步骤(3)中，牛腿结构中的长方体钢板宽度需满足如下公式：
w牛min≤w牛≤w牛max
式中，w牛为牛腿结构在剪切方向上的宽度，wmin为牛腿结构的最小宽度，wmax为牛腿结构的最大宽度；其中，wmin和wmax的取值需利用Ansys Workbench软件进行有限元数值计算分析，并通过反函数确定，公式如下：
Figure BDA0002272456730000031
式中，
Figure BDA0002272456730000032
为牛腿结构的钢板的允许应力集中系数，
Figure BDA0002272456730000033
为牛腿结构的包裹混凝土的允许应力集中系数。
所述步骤(3)中，所述钢板被加筋混凝土包覆，加筋混凝土和钢板形成上试样，上试样和下试样之间为结构面。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：能避免试样端部应力集中，使大尺寸试样各部分受力较为均为，解决了局部提前破坏的问题，提高了试验结果的准确性和科学性，同时又能避免试样设计不合理造成人力物力浪费，为大型岩体结构面剪切试验的设计提供科学依据；对于大型露天矿山边坡和水利边坡减少投资、降低生产成本、保证开采安全有着重要的意义；同时操作简便，费用较低，适用范围较宽。
附图说明
图1是本发明的岩体结构面试样示意图(X为长度方向、Y为宽度方向、Z 为高度方向)，其中，(a)上试样钢模具立体图；(b)试样整体及油缸布置示意图。
图2是本发明的岩体结构面试样Y-Z平面视图(X为长度方向、Y为宽度方向、Z为高度方向)，附图标记如下：传感器1、加筋混凝土2、钢板3、上试样4、结构面5、下试样6。
图3是本发明的岩体结构面试样X-Y平面视图(X为长度方向、Y为宽度方向、Z为高度方向)，附图标记如下：传感器1、加筋混凝土2、钢板3、上试样4、油缸7。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1～图3，一种基于牛腿结构的大尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸推动方法，所述方法包括以下步骤：
(1)依据大尺寸混凝土试样的制定与养护规范，采用长方体钢模具浇筑大尺寸岩体结构面下试样，试样的长、宽、高为L、W、H；
(2)根据岩体结构面上试样的尺寸设计具有特殊构造的混凝土浇筑钢模具，该模具如附图1所示，总体为长方体，两侧具有N对突出的小型长方体结构，N 为整数，N≥2；
(3)利用焊接技术，将N块长方体钢板固定在钢模具中的突出小型长方体结构中，用于制作牛腿结构；
(4)利用步骤(2)中的钢模具，依据大尺寸混凝土试样的制定与养护规范，在大尺寸岩体结构面下试样的基础上浇筑上试样，混凝土上试样和牛腿结构一起浇筑，牛腿结构如附图所示，试样的长、宽、高为L、W、H；附图包括：传感器 1、加筋混凝土2、钢板3、上试样4、结构面5、下试样6，油缸7，所述钢板被加筋混凝土包覆，加筋混凝土和钢板形成上试样，上试样和下试样之间为结构面，所述牛腿结构上布置传感器，所述传感器与油缸连接；
(5)岩体结构面上下试样浇筑完成之后，根据试样的尺寸及牛腿结构的位置，布置M台油缸推动试样进行剪切试验，在试样端部布置2台油缸，在两侧2N台油缸，则M＝2N+2；
进一步，所述步骤(1)中，大尺寸试样的L、W、H需满足L≥4m，W≥2m， H≥0.6m；
再进一步，所述步骤(3)中，在牛腿结构中，长方体钢板外侧包裹的混凝土强度需大于60MPa；
为保证试样侧边油缸有足够的行程，相邻两个牛腿结构之间大距离大于2m。
所述步骤(5)中，油缸的最大输出力均为200T，且M台油缸同步工作。
所述步骤(3)中，牛腿结构中的长方体钢板宽度需满足如下公式：
w牛min≤w牛≤w牛max
式中，w牛为牛腿结构在剪切方向上的宽度，wmin为牛腿结构的最小宽度，wmax为牛腿结构的最大宽度；其中，wmin和wmax的取值需利用Ansys Workbench软件进行有限元数值计算分析，并通过反函数确定，公式如下：
Figure BDA0002272456730000051
式中，
Figure BDA0002272456730000052
为牛腿结构的钢板的允许应力集中系数，
Figure BDA0002272456730000053
为牛腿结构的包裹混凝土的允许应力集中系数。
本实施例的方案能避免试样端部应力集中，使大尺寸试样各部分受力较为均为，解决了局部提前破坏的问题，提高了试验结果的准确性和科学性，同时又能避免试样设计不合理造成人力物力浪费，为大型岩体结构面剪切试验的设计提供科学依据；对于大型露天矿山边坡和水利边坡减少投资、降低生产成本、保证开采安全有着重要的意义；同时操作简便，费用较低，适用范围较宽。

Claims (7)

1.一种基于牛腿结构的大尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸推动方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)依据大尺寸混凝土试样的制定与养护规范，采用长方体钢模具浇筑大尺寸岩体结构面下试样，试样的长、宽、高为L、W、H；
(2)根据岩体结构面上试样的尺寸设计混凝土浇筑钢模具，模具为长方体，两侧具有N对突出的小型长方体结构，N为整数，N≥2；
(3)利用焊接技术，将N块长方体钢板固定在钢模具中的突出小型长方体结构中，用于制作牛腿结构；
(4)利用步骤(2)中的钢模具，依据大尺寸混凝土试样的制定与养护规范，在大尺寸岩体结构面下试样的基础上浇筑上试样，混凝土上试样和牛腿结构一起浇筑，试样的长、宽、高为L、W、H，所述牛腿结构上布置传感器，所述传感器与油缸连接；
(5)岩体结构面上下试样浇筑完成之后，根据试样的尺寸及牛腿结构的位置，布置M台油缸推动试样进行剪切试验；
所述步骤(3)中，牛腿结构中的长方体钢板宽度需满足如下公式：
w牛min≤w牛≤w牛max
式中，w牛为牛腿结构在剪切方向上的宽度，wmin为牛腿结构的最小宽度，wmax为牛腿结构的最大宽度；其中，wmin和wmax的取值需利用Ansys Workbench软件进行有限元数值计算分析，并通过反函数确定，公式如下：
Figure FDA0003720508520000011
式中，
Figure FDA0003720508520000012
为牛腿结构的钢板的允许应力集中系数，
Figure FDA0003720508520000013
为牛腿结构的包裹混凝土的允许应力集中系数。
2.如权利要求1所述的一种基于牛腿结构的大尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸推动方法，其特征在于，所述步骤(1)中，的L、W、H需满足L≥4m，W≥2m，H≥0.6m。
3.如权利要求1或2所述的一种基于牛腿结构的大尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸推动方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在牛腿结构中，长方体钢板外侧包裹的混凝土强度需大于60MPa。
4.如权利要求3所述的一种基于牛腿结构的大尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸推动方法，其特征在于，所述步骤(3)中，为保证试样侧边油缸有足够的行程，相邻两个牛腿结构之间大距离大于2m。
5.如权利要求1或2所述的一种基于牛腿结构的大尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸推动方法，其特征在于，所述步骤(5)中，在试样端部布置2台油缸，在两侧2N台油缸，则M＝2N+2。
6.如权利要求1或2所述的一种基于牛腿结构的大尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸推动方法，其特征在于，所述步骤(5)中，油缸的最大输出力均为200T，且M台油缸同步工作。
7.如权利要求1或2所述的一种基于牛腿结构的大尺寸岩体结构面剪切试验的多油缸推动方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述钢板被加筋混凝土包覆，加筋混凝土和钢板形成上试样，上试样和下试样之间为结构面。
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