CN114441328A - 模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置及方法，涉及地下工程施工技术领域，包括试验主体，试验主体中心设置试验区，试验区周向间隔布置多个贯穿试验主体的加压仓，加压仓与试验区的接触面设有柔性层，加压仓内设置加压装置，以调节接触面作用于试验区的压力。本发明能够通过各加压仓施加压力的大小不同，更加真实地模拟深部岩体具有明确方向性的初始应力环境。

Description

模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置及方法
技术领域
本发明涉及地下工程施工技术领域，尤其涉及模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置及方法。
背景技术
在深部岩体中，锚杆能够改变岩体受力状况，使开挖后岩体由二向应力状态恢复到较为稳定的三向应力状态，增加了岩体间节理裂隙的摩擦力，改善被锚固岩体的物理力学性能，使得锚固区域内岩体峰值强度、峰后强度和残余强度均有所提高。
由于深部地应力最大水平主应力与最小水平主应力相差较大，呈现出强烈的方向性，这对锚固体的成型以及锚固界面承载力的发挥，都有着显著的影响。然而目前常见的锚杆试验装置大多只能模拟浅部岩体中的锚固体均匀受力时的特性，研究高地应力的装置由于传统的三维液压装置伺服系统控制难度较大(六个方向需要六组伺服系统控制加压，还必须考虑压力机相互之间的配合，因此必须有高精密度和灵敏度的传感器、性能优越的计算机和专门编制的控制程序)等因素，大多利用液体内部压强相等的特性，采用液压仓环绕均匀试验样本施压的方式来实现高围压的施加，但这种均匀相等的围压与实际工程中深部岩体的受力状态并不相符，降低了试验结果的适用性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用较低的成本和技术难度模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置及方法，能够通过各加压仓施加压力的大小不同，更加真实地模拟深部岩体具有明确方向性的初始应力环境。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置，包括试验主体，试验主体中心设置试验区，试验区周向间隔布置多个贯穿试验主体的加压仓，加压仓与试验区的接触面设有柔性层，加压仓内设置加压装置，以调节接触面作用于试验区的压力。
作为进一步的实现方式，所述加压仓为中空的柱形结构，加压装置设于加压仓至少一端。
作为进一步的实现方式，所述加压装置包括填充于加压仓内的液体介质和用于施加轴向压力的加载部件。
作为进一步的实现方式，所述试验区埋设检测元件，检测元件的线缆穿过试验区外侧的数据通道。
作为进一步的实现方式，所述数据通道设置于相邻加压仓之间，数据通道轴向套设有多个与其滑动连接的外壳。
作为进一步的实现方式，所述数据通道的横截面呈弧形，且数据通道凸起侧朝向试验区。
作为进一步的实现方式，所述检测元件包括压力传感器和位移传感器，压力传感器和位移传感器的线缆设于不同数据通道内。
作为进一步的实现方式，所述柔性层采用金属薄板。
作为进一步的实现方式，所述试验主体的两端可拆卸连接防护盖。
第二方面，本发明的实施例还提供了一种模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验方法，采用所述的试验装置，通过调整各加压仓预设压力值，模拟有方向性的初始高地应力环境；通过在试验过程中调整个别加压仓的压力值，模拟施工完毕后发生扰动事件时的应力环境及其演化过程。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明在试验区周向设置多个加压仓，每个加压仓具有独立控制的加压装置，通过仓壁临近试验区一侧的柔性层(金属薄膜)，把对加压仓的轴向压缩转化为对试验区的径向压力，用一组小型的、结构简单的加压装置相互配合实现了大型复杂加压装置的功能，大幅减少了高地应力试验设备的制造成本、技术难度和安装后所需的工作空间体积；
同时这一设计将中心试验区所需要的高围压分解为由多个加压仓共同提供，只需通过简单地调整各加压仓两端的加压装置改变仓内的压力，就能在试验区试件的不同方向上施加不同大小的围压压力，取消了昂贵复杂、对硬件和软件都要求很高的三维加压伺服系统，能够以较低的成本更加真实地模拟深部岩体具有明确方向性的初始应力环境；
另外，这种多个独立加压仓分别加压的方式还可以在试验过程中实时地调整某个加压仓的压力值，以此来模拟施工过程中或施工完毕后发生各种扰动破坏事件时的围压改变及其应力应变演化过程，有利于科技工作者拓展相关研究领域的深度和广度。
(2)本发明的加压仓和试验区的接触面设置柔性层，通过改变各加压仓内部的液体压力，从而柔性层压迫中心试验区域的模型介质，达到预设的初始应力数值；在不需要大幅度增加材料自身强度的基础上，以较小的压力实现高地应力环境，增加试验的安全性。
(3)本发明各加压仓的交界位置设置数据通道，该通道弧形的通道主体和可以移动的、分段式覆盖外壳组成，通过覆盖外壳的不同组合，可方便地设定监测点的位置，同时也能实现高应力试验环境下对数据线缆的保护。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的结构示意图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的横截面示意图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的加压仓内部结构示意图。
其中，1、防护盖，2、试验区，3、加压仓，4、液压装置，5、柔性层，6、检测元件，7、数据通道，8、外壳。
具体实施方式
实施例一：
本实施例提供了一种模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置，如图1所示，包括试验主体和防护盖1，试验主体的两端可拆卸安装防护盖1，在装填试验模型介质时移去防护盖1，模型成型后扣紧盖好防护盖1，以便在严密保护下进行加压试验过程。
防护盖1留有线缆出口，用于数据传输线缆穿过。
在本实施例中，试验主体采用金属筒体，其内部中心位置通过填充模型介质形成试验区2，试验区2的初始状态为圆柱形。
如图2所示，试验区2周向间隔设置多个加压仓3，加压仓3沿试验主体轴向贯穿，加压仓3之间彼此不连通。本实施例的加压仓3为内部中空的柱形结构，临近试验区的部分仓壁被柔性层取代，通过对加压仓3内部加压，使其内部液体压力升高，由于与仓壁其他部分存在刚度差异，柔性层在液体压力的驱使下向外膨胀，对试验区2产生径向压力，不同内部压力的加压仓，其柔性层对试验区的施加的径向压力也不同，从而实现深部岩体应力方向性的模拟。
如图3所示，加压仓3的两端均设置加压装置，通过加压装置改变加压仓3内压力大小，以对试验区2产生不同大小的压力。
加压装置包括填充于加压仓3内的液体介质、对液体介质施加轴向压力的加载部件。在本实施例中，加压装置采用液压装置4，液体介质为液压油，加载部件包括液压缸、与液压缸相连的加载板。每个液压装置4独立控制，通过两端加压的方式，改变各加压仓3内部的液体压力。
加压仓3与试验区2的接触面设有柔性层5，柔性层5为柔性高韧金属薄板，并采用金属编织带强化，加压仓3主体部分为高韧硬质金属。液压装置4对加压仓3施加压力时，能够驱使柔性层5压迫试验区2的模型介质，达到预设的初始应力数值。
本实施例通过调整各个加压仓3压力值的差异，可实现对深部岩体水平应力方向性的体现，方便模拟出具有不同方向性的初始应力环境，并能在试验中随时加以任意调节，模拟后期开挖、突然卸荷、岩爆等事件的影响。
试验区2埋设检测元件6，检测元件6连接线缆；相邻加压仓3之间设置数据通道7，检测元件6的线缆从数据通道7中穿过并与计算机相连。
在本实施例中，检测元件6包括压力传感器和位移传感器，压力传感器和位移传感器的线缆设于不同数据通道7内。
本实施例的数据通道7横截面呈弧形(例如半圆形)，且数据通道7的凸起侧朝向试验区2，数据通道7的轴线方向与加压仓3保持一致。数据通道7外侧套设有多个外壳8，外壳8可沿数据通道7轴线方向滑动，通过移动外壳8能够任意设定测点位置，并在高应力环境中保护检测元件6的线路。
试验开始后，各加压仓3通过独立的液压装置4实现不同的压力值，模拟深部岩体应力方向性的初始应力环境，并可随时通过调整液压装置4实现应力环境的改变。检测元件6获得的试验数据沿线缆通过数据通道7、防护盖1上的数据线出入口传输到计算机，完成一次试验。
本实施例在试验区周向设置多个加压仓3，每个加压仓3具有独立控制的加压装置，通过仓壁临近试验区一侧的柔性层5(金属薄膜)，将对加压仓3的轴向压缩转化为对试验区的径向压力，用一组小型的、结构简单的加压装置相互配合实现了大型复杂加压装置的功能，大幅减少了高地应力试验设备的制造成本、技术难度和安装后所需的工作空间体积。
同时将中心试验区2所需要的高围压分解为由多个加压仓3共同提供，只需通过简单地调整各加压仓3两端的加压装置改变仓内的压力，就能在试验区2试件的不同方向上施加不同大小的围压压力，取消了昂贵复杂、对硬件和软件都要求很高的三维加压伺服系统，能够以较低的成本更加真实地模拟深部岩体具有明确方向性的初始应力环境。
另外，这种多个独立加压仓3分别加压的方式还可以在试验过程中实时地调整某个加压仓3的压力值，以此来模拟施工过程中或施工完毕后发生各种扰动破坏事件时的围压改变及其应力应变演化过程，有利于科技工作者拓展相关研究领域的深度和广度。
实施例二：
本实施例提供了一种模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验方法，采用实施例一所述的试验装置，通过调整各加压仓3预设压力值，模拟有方向性的初始高地应力环境；通过在试验过程中调整个别加压仓3的压力值，模拟施工完毕后发生扰动事件时的应力环境及其演化过程。
其中，防护盖1在装试验模型介质的时候打开，安装完毕后两端关闭，通过高强度和高可靠度的锁定装置锁紧，仅留有数据传输线缆出口，将监测信息和试验数据传出。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置，其特征在于，包括试验主体，试验主体中心设置试验区，试验区周向间隔布置多个贯穿试验主体的加压仓，加压仓与试验区的接触面设有柔性层，加压仓内设置加压装置，以调节接触面作用于试验区的压力。
2.根据权利要求1所述的模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置，其特征在于，所述加压仓为中空的柱形结构，加压装置设于加压仓至少一端。
3.根据权利要求2所述的模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置，其特征在于，所述加压装置包括填充于加压仓内的液体介质和用于施加轴向压力的加载部件。
4.根据权利要求1所述的模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置，其特征在于，所述试验区埋设检测元件，检测元件的线缆穿过试验区外侧的数据通道。
5.根据权利要求4所述的模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置，其特征在于，所述数据通道设置于相邻加压仓之间，数据通道轴向套设有多个与其滑动连接的外壳。
6.根据权利要求5所述的模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置，其特征在于，所述数据通道的横截面呈弧形，且数据通道凸起侧朝向试验区。
7.根据权利要求4所述的模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置，其特征在于，所述检测元件包括压力传感器和位移传感器，压力传感器和位移传感器的线缆设于不同数据通道内。
8.根据权利要求1所述的模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置，其特征在于，所述柔性层采用金属薄板。
9.根据权利要求1所述的模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验装置，其特征在于，所述试验主体的两端可拆卸连接防护盖。
10.模拟深部岩体应力方向性的锚固界面性能试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的试验装置，通过调整各加压仓预设压力值，模拟有方向性的初始高地应力环境；通过在试验过程中调整个别加压仓的压力值，模拟施工完毕后发生扰动事件时的应力环境及其演化过程。
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