CN111540265B - 一种多功能地层结构模型试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多功能地层结构模型试验系统及试验方法，该系统包括试件试验装置平台，其由水密的扇形封闭腔体、流固耦合加载和反弧形反力架等系统组成；耦合加载系统区包括向孔隙裂隙试件进行水压(液体)加载和多向的试件骨架加载，二者既可各自独立也可相互联合；扇形封闭腔体通过反力架系统固定，且在扇形的圆心区设为地下工作面施作区，另两平侧面设可设为针对围岩的理化改良施作区。试件加工平台基于未来3D打印发展，制作模板选择与试件性能一致的无机材料如钢化玻璃来制作，可脱也可不脱模，但试件外表面光滑满足密封要求。试验方法与数值模型同步，以“足尺度、严科学”的方针进行各行各种各类的复杂地下工程模型试验及相关理论研究。

Description

一种多功能地层结构模型试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及地层结构模型试验研究技术领域，特别是指一种多功能地层结构模型试验系统及试验方法。

背景技术

随着城市地下空间和深部资源的开发，复杂地质条件下的地下工程设计、施工、技术难度不断加大。地下工程结构力学性能试验受理论和技术条件的制约，长期沿用地面建筑结构的“载荷+结构”试验模式，加载方式是的简单机械千斤顶单方向直接加载，然而实际上，地下工程结构是有别于地面建筑结构的，其主要特征是：

1)围岩的存在既是外部载荷，也是承载结构的一部分；

2)地下工程结构经常处于复杂的多场耦合作用情况下，如应力场、温度场、渗流场等；

3)地下工程埋深超过一百米时，地面建筑常用混凝土构件的抗渗等级往往不能不能满足地下工程结构的要求。

目前现有国内外地下工程结构模拟试验装置的现状是：

1)功能性较单一，重复利用率低；部分专门用于围岩处理，如注浆、冻结等，部分专门用于地下结构受力特征和强度检测，部分专门服务于矿山井筒或交通隧道等领域，已有的模型试验设备拓展性试验能力较差。

2)模型缩小比例过大，导致地下结构及材料特性失真；在进行模拟试验分析时，受装置空间、加载能力等诸多因素限制，大多试验的几何缩比太大，致使地下工程的结构特点和材料特性失真、监测传感器的选择和布置困难等问题。

3)加载结构过于简单，试验装置仍需完善；目前国内外能实现地下水压载荷、岩土固体载荷、地质构造载荷等混合加载功能的试验装置较少，装置密封和加载系统的共同设计是重点。

4)由于岩体整体性强，不易切割和搬运，因此针对采用真正岩体围岩的模型试验就极少；而岩体仿真材料试件的整体模型试验也较少。

5)室内模型试验设计工作量大，制作及试验周期长，很难进行多因素多水平的模型试验研究，单一功能的模型试验费用也过于昂贵。

随着现代地下工程发展，急需研发出能真实反映围岩与结构共同作用、体现多场耦合环境，特别是地下水与含水围岩耦合作用的模型试验平台。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多功能地层结构模型试验系统及实验方法，以至少部分解决目前地下工程模型试验的“结构庞大，功能单一，系统低效”等不足等问题，确保“足尺度、严科学”地进行地下工程结构模拟试验。本发明的多功能地层结构模型试验系统具备科学性、普适性和多功能性，可突破地下工程问题的行业性差异，可通过与现代智能监测技术，图像信息处理技术，3D模型打印技术，新型材料研发技术等结合，为各科研和工程单位提供标准化的试验研究装备，为地下工程发展提供更强的试验研究平台。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种地层结构模型试验系统，其包括试件试验装置平台，所述试件试验装置平台包括：水密的扇形封闭腔体、流固耦合加载系统和反弧形反力架系统；其中，

所述扇形封闭腔体中设置有透水型加载板，所述透水型加载板将所述扇形封闭腔体分隔为试件安装区和耦合加载区；其中，所述试件安装区用于安装预设类型的模型试验的试件，所述耦合加载区用于安装所述流固耦合加载系统；

所述流固耦合加载系统包括水压泵送管路、水压控制阀门和固体骨架应力加载装置；所述水压泵送管路和水压控制阀门相连，用于向所述扇形封闭腔体中的岩土试件进行水压渗流加载，使得岩土试件内部的裂隙、孔隙充满水压载荷；所述固体骨架应力加载装置用于对所述试件安装区内的模型试件进行预设方向的固体骨架应力加载，从而实现岩土的流固耦合加载；

所述扇形封闭腔体通过所述反弧形反力架系统固定；且在所述扇形封闭腔体的圆心侧设置有地下工作面施作区，另两平侧面设有针对围岩试件的理化改良施作区；

所述扇形封闭腔体的上下左右的内缘是光滑的无机涂层，和试件钢化玻璃表面实现各种边界的面密封。

其中，所述多功能地层结构模型试验系统还包括与所述试件试验装置平台配套的试件预制加工平台；所述试件预制加工平台包括：加工工装平台、试件模具、3D打印机和制件设备；其中，

所述加工工装平台固定于地面，用于安装所述试件模具和制件设备，和所述3D打印机相配套；

所述试件模具固定在所述加工工装平台上，与所述试件安装区的形状及几何尺寸匹配；

所述制件设备以滑轨方式安装在所述加工工装平台上，所述制件设备位于所述试件模具上方，并可相对于所述试件模具进行前、后、左、右方向的移动。

其中，所述反弧形反力架系统包括内部反弧形肋板结构和外部反弧形肋板结构；

其中，所述内部反弧形肋板结构用于对所述扇形封闭腔体的外弧面进行固定，所述外部反弧形肋板结构用于对扇形封闭腔体的两侧直面进行固定。

其中，作业面模拟装置以可拆卸方式密封安装于所述地下工作面施作区；且所述作业面模拟装置上布置有预设类型的监测传感器，以监测地下围岩和工作面支护结构性能参数。

其中，所述固体骨架应力加载装置包括径向加载装置、顶部轴向加载装置和底部轴向加载装置；所述径向加载装置、顶部轴向加载装置和底部轴向加载装置各自独立，载荷大小自由组合；

其中，所述径向加载装置用于在所述模型试件的径向上，对所述模型试件的外弧面进行径向耦合加载；所述顶部轴向加载装置用于在所述模型试件的轴向上，对所述模型试件的顶面进行耦合加载；所述底部轴向加载装置用于在所述模型试件的轴向上，对所述模型试件的底面进行耦合加载。

其中，所述加载装置包括千斤顶、液压加载囊和与所述液压加载囊连接的透水加载板；其中，所述顶部轴向加载装置和底部轴向加载装置的透水加载板上附有用于处理模型试件围岩的物理化学模拟接口。

其中，所述试件模具包括顶面板、底面板、两侧直板、外径弧板和内径弧板；

其中，所述顶面板、底面板和两侧直板内侧面由刚硬光滑的无机材料涂层材料制成；所述外径弧板和内径弧板由钢板制成，所述外径弧板及内径弧板分别与所述顶面板、底面板以及两侧直板通过可拆卸、可自锁紧密的嵌口方式装配，辅助螺栓可拆卸地连接。

其中，所述透水型加载板和固体骨架应力加载装置的厚度、刚度大于试件，而且所述透水型加载板上的透水孔可封堵可拆卸，以模拟工程特殊偏流的地下水环境。

其中，通过所述试件预制加工平台的试件模具制作的试件，其表面采用的是光滑的钢化玻璃。

相应地，为解决上述技术问题，本发明还提供如下技术方案：

一种地层结构模型试验方法，其包括：

根据待模拟工程项目，建立模拟试验模型，确定试件材料；

搭建如上所述的试件预制平台，根据确定的试件材料制备试件；

组装如上所述的试验装置平台，并安装所制备的试件；

依据设定的试验方案进行试验，记录试验过程及相应的监测数据信息；

建立与模拟实验模型相同的数值模型，并计算相应数值计算结果；

优化数值模型的数值计算条件及参数，使得数值计算结果与模型实验一致；

基于优化后的数值计算条件及参数，建立真实模型，将所述真实模型的计算结果作为相应的真实试验结果。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1)实现地下工程结构的多场耦合作用，模拟真实的工程地质环境及相应围岩加固技术，以满足多场耦合作用下围岩与结构共同承载的模型试验需求；

2)可借助先进图像分析技术，新型仿真材料研发成果，先进3D模型打印设备等完成模型试件的制作，理论上涵盖全部围岩材料的仿真制作。

3)通过对本发明的地层结构模型试验系统的不断完善和标准化的发展，增强该地层结构模型试验系统在地下工程中普适性，可按尺寸、功能、加载、功能等具体需求分型设计，成为一种常规化的教学和科研平台；

4)基于科学的相似准则、通过对比同比例相似模型的试验结果和数值计算结果，优化真实工程数值计算的计算条件和参数取值；并由此，可借助建立多变的数值模型，进行多因素多水平的模型试验，从而大幅减少具体实物模型试验数量，从而降低科学研究成本。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的试件试验装置平台的水平横截面示意图；

图2为本发明第一实施例提供的试件试验装置平台的径向纵截面示意图；

图3为本发明第一实施例提供的试件预制加工平台的水平横截面示意图；

图4为本发明第一实施例提供的试件预制加工平台的竖向纵截面示意图；

图5为本发明第二实施例提供的地层结构模型试验方法的流程示意图。

附图标记说明：

1、扇形封闭腔体；2、透水型加载板；3、试件；4、水压控制阀门；5、径向加载装置；6、顶部轴向加载装置；7、底部轴向加载装置；8、物理化学模拟接口；9、作业面模拟装置；10、内部反弧形肋板结构；11、外部反弧形肋板结构；12、试件模具；13、加工工装平台；14、制件设备。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

第一实施例

请参阅图1至图4，本实施例提供一种多功能地层结构模型试验系统，该系统首先包括试件试验装置平台；该试件试验装置平台如图1和图2所示，主要包括：扇形封闭腔体1、流固耦合加载系统和反弧形反力架系统；其中，

扇形封闭腔体1中设置有透水型加载板2，透水型加载板2将扇形封闭腔体1分隔为两大功能区，分别为试件安装区I和耦合加载区II；其中，试件安装区I用于安装预设类型的模型试验的试件3，试件3既包括围岩也包括结构，耦合加载区II用于安装流固耦合加载系统。

流固耦合加载系统包括高水压泵送管路、水压控制阀门4和多向的固体骨架应力加载装置，二者既可各自独立也可相互联合；水压控制阀门4用于向扇形封闭腔体1中的岩土试件进行水压渗流加载，使得岩土试件内部的裂隙、孔隙充满水压载荷；固体骨架应力加载装置用于对试件安装区I内的试件3进行预设方向的固体骨架应力加载，从而实现岩土的流固耦合加载；具体地，在本实施例中，固体骨架应力加载装置包括径向加载装置5、顶部轴向加载装置6和底部轴向加载装置7；三个不同方向上的加载装置各自独立，载荷大小自由组合；

其中，径向加载装置5用于在试件3的径向上，对试件3的外弧面进行径向耦合加载；顶部轴向加载装置6用于在试件3的轴向上，对试件3的顶面进行耦合加载；底部轴向加载装置7用于在试件3的轴向上，对试件3的底面进行耦合加载。每一加载装置均包括千斤顶、液压加载囊和与所述液压加载囊连接的透水加载板；其中，顶部轴向加载装置6和底部轴向加载装置7的加载板上附有用于处理试件3围岩的各种物理化学模拟接口8，该物理化学模拟接口8可根据试验方案，结合其他小型设备模拟地下加锚注浆和人工冻结加固。

扇形封闭腔体1通过反弧形反力架系统固定；在扇形封闭腔体1的圆心侧设置有地下工作面施作区III，足够的空间为未来进行模型试验的科研人员提供仿真工作面用于模拟地下工程施工过程，如砌筑、锚杆、喷射混凝土、注浆加固等等。另两平侧面设有针对围岩试件的理化改良施作区IV；通过预留孔、管路和控制阀门，可在围岩内的施作，如钻孔、取芯、护壁、抽水、注浆等。

进一步地，上述扇形封闭腔体1的上下左右的内缘是光滑和精密的无机涂层，和试件钢化玻璃表面实现各种边界的面密封。

进一步地，在本实施例中，上述透水型加载板2在千斤顶加载位置适当加厚，以保证足够刚度；透水型加载板2和固体骨架应力加载装置的厚度、刚度大于试件3，而且透水型加载板2上的透水孔可封堵可拆卸，以模拟工程特殊偏流的地下水环境。

上述地下工作面施作区III内依据试验目的以可拆卸方式密封安装有预设类型的作业面模拟装置9，用于模拟地下工程施工过程。同时在此作业面模拟装置9上布置有监测传感器，以监测地下围岩和工作面支护结构性能参数，包括位移、应力、应变、渗流及温度信息。

此外，本实施例的试验装置平台按轴对称力学模型设计，轴、径向加载装置位于密闭腔体1内，设计反弧形反力架系统固定扇形封闭腔体1，以满足结构及试验安全。该反弧形反力架系统包括内部反弧形肋板结构10和外部反弧形肋板结构11，在加载试验前完成独立的安装；

其中，内部反弧形肋板结构10用于对扇形封闭腔体1的外弧面进行固定，外部反弧形肋板结构11用于对扇形封闭腔体1的两侧直面进行固定。扇形封闭腔体1的组装以槽口楔形挤压结构连接为主，螺栓连接为辅；安装完成后，除径向固体荷载加载弧形界面，其他界面应满足法向刚性约束。

进一步地，本实施例的地层结构模型试验系统还包括与上述试件试验装置平台配套的试件预制加工平台；该试件预制加工平台如图3和图4所示，主要包括：加工工装平台13、试件模具12、3D打印机和各种制件设备14；其中，加工工装平台13通过螺栓固定于地面，用于安装试件模具12和制件设备14，和未来不断发展的3D打印设备相配套；设计满足试件模具12及制件设备14的安装空间要求，并具有一定机动空间。

试件模具12螺栓固定在加工工装平台13上；在本实施例中，其为与试件安装区I的几何尺寸和形状精准匹配的扇形模具，设计满足试件与腔体结构紧密接触；其包括顶面板、底面板、两侧直板、外径弧板和内径弧板；其中，顶面板、底面板和两侧直板主要由钢化玻璃制成，以便检查试件制作，顶面板、底面板和两侧直板内侧面由刚硬光滑的无机材料涂层材料制成；外径弧板和内径弧板由钢板制成，外径弧板及内径弧板分别与顶面板、底面板以及两侧直板通过可拆卸、可自锁紧密的嵌口方式装配，辅助螺栓可拆卸地连接，弧板形状可根据研究目的而设计。此外，该扇形模具材料外表光滑，以确保试件制作过程中不受模板摩擦影响。

制件设备14以滑轨方式安装在加工工装平台13上，位于试件模具12上方，并可相对于试件模具12前、后、左、右移动，以满足不同试件的制备要求。

本实施例的试件预制加工平台基于未来3D打印发展，制作模板选择与试件性能一致的无机材料如钢化玻璃来制作，可脱也可不脱模，但试件外表面光滑满足密封要求。通过该试件预制加工平台的试件模具12制作的试件，其表面采用的是与岩土材料性能相近的光滑钢化玻璃，既确保边界实施密封，又达到材料相似。

本实施例的地层结构模型试验系统，主要用于地下工程中多场耦合加载条件下地层结构模型试验研究；实现多场耦合加载、衬砌结构支护、围岩锚杆注浆、地层人工冻结等模拟，借以相似理论、数值仿真、3D打印、信息监测等先进技术，用于多场耦合加载下复杂地下工程结构系统及围岩结构相互作用的前瞻性和实践性研究。可按尺寸、功能、加载、功能等具体需求，分型设计而标准化制作，可供复杂地质环境中受多场耦合作用的地层及结构进行模型试验。

第二实施例

请参阅图5，本实施例提供一种地层结构模型试验方法，依据图5的试验流程，进行工程模型试验的实施方案设计，其包括以下步骤：

1、明确工程基本问题，抽象具体真实模型，确定工程模拟试验项目；

2、建立模拟实验模型，确定试件相似材料，设计试验方案；

3、搭建如上述实施例所述的试件预制平台，制备试件；

1)将试件模具12固定在加工工装平台13上；

2)制件设备14以滑轨方式安装于试件模具12之上；

3)将上述确定的制件材料装入制件设备14后，按试件模具12进行试件制作；其中，所制试件与扇形封闭腔体1的试件安装区I的几何尺寸相匹配，满足试件与腔体结构紧密接触。

4、组装如上述实施例所述的试验装置平台，安装试件并封闭结构；

5、依据设定的试验方案进行试验，记录试验过程及相应的监测数据信息；

6、建立与模拟实验模型相同的数值模型，并计算相应数值计算结果；

7、优化数值计算条件及参数，使得数值计算结果与模型实验一致；

8、基于优化后的数值计算条件及参数，建立真实模型，将真实模型的计算结果作为相应的真实试验结果；

9、以此步骤完成由模型试验得到真实试验结果的研究过程。

其中，上述用于模拟地下围岩和衬砌结构的试件材料性能应符合模型试验的相似准则，对于难以重塑的岩体材料，可基于其宏、微观结构特征3D打印制作。相关的相似材料研究和3D打印设备可经专家评定后，在加工平台13进行系统安装和试件制作。

此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

还需说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明的优选实施例，但对于本领域普通技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (9)

1.一种多功能地层结构模型试验系统，其特征在于，包括试件试验装置平台，用于地下工程中多场耦合加载条件下地层结构模型试验；所述试件试验装置平台包括：水密的扇形封闭腔体、流固耦合加载系统和反弧形反力架系统；其中，

所述扇形封闭腔体中设置有透水型加载板，所述透水型加载板将所述扇形封闭腔体分隔为试件安装区和耦合加载区；其中，所述试件安装区用于安装预设类型的模型试验的试件，所述耦合加载区用于安装所述流固耦合加载系统；

所述流固耦合加载系统包括水压泵送管路、水压控制阀门和固体骨架应力加载装置；所述水压泵送管路和水压控制阀门相连，用于向所述扇形封闭腔体中的岩土试件进行水压渗流加载，使得岩土试件内部的裂隙、孔隙充满水压载荷；所述固体骨架应力加载装置用于对所述试件安装区内的模型试件进行预设方向的固体骨架应力加载，从而实现岩土的流固耦合加载；

所述扇形封闭腔体通过所述反弧形反力架系统固定；且在所述扇形封闭腔体的圆心侧设置有地下工作面施作区，另两平侧面设有针对围岩试件的理化改良施作区；

所述扇形封闭腔体的上下左右的内缘是光滑的无机涂层，和试件钢化玻璃表面实现各种边界的面密封；

所述反弧形反力架系统包括内部反弧形肋板结构和外部反弧形肋板结构，在加载试验前完成独立的安装；其中，所述内部反弧形肋板结构用于对所述扇形封闭腔体的外弧面进行固定，所述外部反弧形肋板结构用于对扇形封闭腔体的两侧直面进行固定；安装完成后，除径向固体荷载加载弧形界面，其他界面满足法向刚性约束。

2.如权利要求1所述的多功能地层结构模型试验系统，其特征在于，所述多功能地层结构模型试验系统还包括与所述试件试验装置平台配套的试件预制加工平台；所述试件预制加工平台包括：加工工装平台、试件模具、3D打印机和制件设备；其中，

所述加工工装平台固定于地面，用于安装所述试件模具和制件设备，和所述3D打印机相配套；

所述试件模具固定在所述加工工装平台上，与所述试件安装区的形状及几何尺寸匹配；

所述制件设备以滑轨方式安装在所述加工工装平台上，所述制件设备位于所述试件模具上方，并可相对于所述试件模具进行前、后、左、右方向的移动。

3.如权利要求1所述的多功能地层结构模型试验系统，其特征在于，作业面模拟装置以可拆卸方式密封安装于所述地下工作面施作区；且所述作业面模拟装置上布置有预设类型的监测传感器，以监测地下围岩和工作面支护结构性能参数。

4.如权利要求1所述的多功能地层结构模型试验系统，其特征在于，所述固体骨架应力加载装置包括径向加载装置、顶部轴向加载装置和底部轴向加载装置；所述径向加载装置、顶部轴向加载装置和底部轴向加载装置各自独立，载荷大小自由组合；

其中，所述径向加载装置用于在所述模型试件的径向上，对所述模型试件的外弧面进行径向耦合加载；所述顶部轴向加载装置用于在所述模型试件的轴向上，对所述模型试件的顶面进行耦合加载；所述底部轴向加载装置用于在所述模型试件的轴向上，对所述模型试件的底面进行耦合加载。

5.如权利要求4所述的多功能地层结构模型试验系统，其特征在于，所述加载装置包括千斤顶、液压加载囊和与所述液压加载囊连接的透水加载板；其中，所述顶部轴向加载装置和底部轴向加载装置的透水加载板上附有用于处理模型试件围岩的物理化学模拟接口。

6.如权利要求2所述的多功能地层结构模型试验系统，其特征在于，所述试件模具包括顶面板、底面板、两侧直板、外径弧板和内径弧板；

其中，所述顶面板、底面板和两侧直板内侧面由刚硬光滑的无机材料涂层材料制成；所述外径弧板和内径弧板由钢板制成，所述外径弧板及内径弧板分别与所述顶面板、底面板以及两侧直板通过可拆卸、可自锁紧密的嵌口方式装配，辅助螺栓可拆卸地连接。

7.如权利要求1所述的多功能地层结构模型试验系统，其特征在于，所述透水型加载板和固体骨架应力加载装置的厚度、刚度大于试件，而且所述透水型加载板上的透水孔可封堵可拆卸，以模拟工程特殊偏流的地下水环境。

8.如权利要求2所述的多功能地层结构模型试验系统，其特征在于，通过所述试件预制加工平台的试件模具制作的试件，其表面采用的是光滑的钢化玻璃。

9.一种地层结构模型试验方法，其特征在于，用于地下工程中多场耦合加载条件下地层结构模型试验；包括：

根据待模拟工程项目，建立模拟试验模型，确定试件材料；

搭建如权利要求2所述的试件预制平台，根据确定的试件材料制备试件；

组装如权利要求1-8任一项所述的试验装置平台，并安装所制备的试件；

依据设定的试验方案进行试验，记录试验过程及相应的监测数据信息；

建立与模拟实验模型相同的数值模型，并计算相应数值计算结果；

优化数值模型的数值计算条件及参数，使得数值计算结果与模型实验一致；

基于优化后的数值计算条件及参数，建立真实模型，将所述真实模型的计算结果作为相应的真实试验结果。

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