CN115389286A - 一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法，涉及相似物理模型试验技术领域。该方法首先通过膨胀材料和透水层制备封闭应力产生元件，并测试封闭应力产生元件的性能，优化封闭应力产生元件的设计，获得满足试验要求的封闭应力产生元件；再在物理模型中根据试验要求安装封闭应力产生元件，布置应力和应变测量装置，用于测量封闭应力产生元件激发时产生的应力及物理模型的应变；最后对物理模型试样施加真三向边界应力，评估封闭应力产生元件的激发与封闭应力的产生效果。该方法通过封闭应力产生元件的不同组合形式，可以实现同一物理模型试样内部不同方向、不同量值、不同作用空间的封闭应力构建。
Description
技术领域
本发明涉及相似物理模型试验技术领域，尤其涉及一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法。
背景技术
深部岩体中的封闭应力是指岩体在不受外力作用的情况下，以自平衡状态存在于其内部的应力。封闭应力是地质体经历形成、变质和构造运动的复杂历史后留存在岩体中的残余应力。封闭应力的形成原因较为复杂，至今尚不完全清晰。但一般认为热应力、冻胀力、位错造成的局部剪应力等都可形成封闭应力。大多数情况下封闭应力的值是地应力的数倍，因此，当存在封闭应力的岩体受到开挖卸荷等人类工程活动影响而得以释放时，极易引起硬岩岩爆、软岩大变形、富水岩体突出等工程灾害，研究局部封闭应力场作用下的深部工程安全问题具有重要意义。
物理模型试验是开展深部工程岩体力学与安全研究的重要手段。在目前的物理模型试验中，模型内部的应力场是通过边界施加荷载构建的。这种以边界面力施加方法构建出的应力场，受模型试样端面摩擦力的影响，试样的应力场分布由外向内呈递减的趋势。通过一定的边界减摩技术，可以构建出一个准均匀分布的人工应力场。但对于岩体内部的封闭应力，尚缺少科学合理的构建方法。
文献[含封闭应力岩石的相似模拟技术]提出了一种采用水泥基材料模拟岩石基体，夹杂采用橡胶颗粒模拟流体包裹体，通过加热使橡胶颗粒膨胀产生的应力模拟包裹体中的封闭应力的方法。但该方法无法实现封闭应力的量值和方向的有效控制。且加热过程除了引起橡胶颗粒膨胀以外，高温还会影响岩体物理力学性质，影响模型与工程岩体的相似性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法，根据模型内部的不同地质构造类型，在褶皱核部、断层错动区、硬性结构面尖端等特定位置，实现量值、方向、作用空间与时间可控的封闭应力构建。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法，包括以下步骤：
步骤1：制备封闭应力产生元件；
所述封闭应力产生元件设置在物理模型内部，包括环形刚性圈，膨胀材料，透水层，隔水薄膜和激发管路；所述环形刚性圈与隔水薄膜将膨胀材料和透水层整体包裹；所述膨胀材料与透水层相间布置；
所述环形刚性圈为金属材质的刚性圆环，用于限制膨胀材料激发后的侧向变形，使得膨胀材料膨胀产生的局部应力沿着圆环的中心轴线方向作用；
所述膨胀材料，为硫铝酸钙膨胀剂，用于激发后产生膨胀力，以实现局部封闭应力的模拟；
所述透水层，采用石英砂，用于保证膨胀材料激发时与水的均匀接触；
所述隔水薄膜，为聚乙烯薄膜，用于隔离物理模型相似材料与封闭应力产生元件内部的膨胀材料，避免膨胀材料在物理模型相似材料水化的过程中提前激发；
所述激发管路，为聚乙烯管，设置在环形刚性圈上端边缘位置，并引出至物理模型外部，用于激发封闭应力产生元件时水的注入；
步骤2：测试封闭应力产生元件的性能；
利用岩石膨胀压力试验仪对制备的封闭应力产生元件进行性能测试，获得不同膨胀材料层数、厚度、透水层参数、注水量、注水速率及反应时间与膨胀应力产生之间的定量关系；优化封闭应力产生元件的设计，获得满足试验要求的封闭应力产生元件；
步骤3：在物理模型中安装封闭应力产生元件；
根据模型试验的实际需求，在物理模型试样的制作过程中，在拟构建封闭应力的位置安放封闭应力产生元件，并根据拟构建封闭应力的大小和方向，选择不同的封闭应力产生元件组合形式及安装方向；并将封闭应力产生元件的激发管路引至物理模型试样外部；
步骤4：在物理模型中布置应力和应变测量装置，用于测量封闭应力产生元件激发时产生的应力及物理模型的应变；
在封闭应力产生元件应力作用方向上安装压力盒，并在压力盒外侧一定距离内布置分布式应变传感光纤；压力盒用于测量封闭应力产生元件产生的应力；分布式应变传感光纤用于测量物理模型产生的应变；
步骤5：评估封闭应力产生元件的激发与封闭应力产生效果；
步骤5.1：完成物理模型试样的构建与养护，对物理模型试样施加真三向边界应力，通过在试样端部设置减摩材料来减小加压设备与物理模型加载时的摩擦，在物理模型试样内部构建准均匀的人工应力场；
步骤5.2：通过激发管路，向封闭应力产生元件注入水，按照步骤2获得的注入参数与封闭应力的关系控制注入速率、注入量与反应时间，实现封闭应力产生元件的有效激发；
步骤5.3：读取设置在封闭应力产生元件位置的压力盒测量的应力数据，监测分布式应变传感光纤测量的应变数据，评估物理模型试样内部局部封闭应力的产生效果是否满足设计要求。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法，(1)可以在工程岩体物理模型内部构建高于边界应力的局部封闭应力，并实现封闭应力量值和方向的控制；(2)封闭应力的构建不影响试样整体的性质，保证相似物理模型试验对于几何相似、物理相似和力学相似的要求；(3)通过封闭应力产生元件的不同组合形式，可以实现同一物理模型试样内部不同方向、不同量值、不同作用空间的封闭应力构建；(4)可以控制封闭应力的产生时间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的封闭应力产生元件结构示意图；
图3为本发明实施例提供的封闭应力产生元件性能测试的示意图；
图4为本发明实施例提供的封闭应力产生元件在物理模型试样中的设置效果示意图；
图5为本发明实施例提供的封闭应力作用下在物理模型中进行工程活动的模拟过程示意图。
图中，1、环形刚性圈；2、隔水薄膜；3、膨胀材料；4、透水层；5、激发管路；6、丝杠；7、玻璃钢环；8：封闭应力产生元件；9、仪器压力盒；10、底座；11、检测压力盒；12、物理模型试样；13、褶皱模型；14、褶皱核部；15、开挖隧道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例中，一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：制备封闭应力产生元件；
本实施例中，封闭应力产生元件8设置在物理模型内部，如图2所示，包括环形刚性圈1，膨胀材料3，透水层4，隔水薄膜2和激发管路5；所述环形刚性圈1与隔水薄膜2将膨胀材料3和透水层4整体包裹；所述膨胀材料3与透水层4相间布置；
本实施例中，环形刚性圈1为一内径为0.09m外径0.10m高度为0.02m的钢制刚性圆环，用于限制膨胀材料3激发后的侧向变形，使得膨胀材料3膨胀产生的局部应力沿着圆环的中心轴线方向作用；
膨胀材料3采用粉末状硫铝酸钙膨胀剂，本实施例将其压制成半径0.045m，厚度为0.005m的扁平状圆饼，用于激发后产生膨胀力，实现局部封闭应力的模拟。
透水层4，采用10-20目数的石英砂，填充于隔水薄膜2和膨胀材料3之间，用于保证膨胀材料3激发时与水的均匀接触；
隔水薄膜2采用聚乙烯薄膜，将钢制刚性圆环1用隔水薄膜2包裹一端后按照0.001m厚石英砂与硫铝酸钙膨胀剂圆饼的循环直至放满钢制刚性圆环1后，用隔水薄膜2封闭钢制刚性圆环1另一端，用于隔离物理模型相似材料与封闭应力产生元件8内部的膨胀材料3，避免封闭应力产生元件8在物理模型相似材料水化的过程中提前激发。
激发管路采用直径0.01m的低密度高压聚乙烯管，设置在环形刚性圈上端边缘位置，并引出至物理模型外部，用于激发封闭应力产生元件时水的注入；
步骤2：测试封闭应力产生元件的性能；
利用岩石膨胀压力试验仪对制备的封闭应力产生元件进行性能测试，获得不同膨胀材料层数、厚度、透水层参数、注水量、注水速率及反应时间与膨胀应力产生之间的定量关系；优化封闭应力产生元件的设计，获得满足试验要求的封闭应力产生元件；
本实施例中，因变量过多，所以提前确定部分参数：设定膨胀材料层数为3层、厚度为0.005m，透水层为厚度为0.001m目数为10-20的石英砂颗粒，注水时长为10分钟，等待4小时等其充分反应，只变化注水量来控制封闭应力。
如图3所示将封闭应力产生元件8放置于岩石膨胀压力试验仪的玻璃钢环内固定，通过丝杠对封闭应力产生元件8施加0.01MPa的力，每10分钟读取一次变形，直至连续3次读数不变，向预留的激发管道注水，通过设置在岩石膨胀压力试验仪的底座上的仪器压力盒记录因膨胀导致的应力大小，并比较是否满足目标的封闭应力大小和方向。若不满足，则根据情况进行多次实验，通过改变注水量来控制封闭应力产生元件产生的封闭应力大小，不断优化封闭应力产生元件的设计，直至在岩石膨胀压力试验仪下测得的因膨胀所带来的应力达到所需的5.0MPa，获得满足试验要求的封闭应力产生元件。
步骤3：在物理模型中安装封闭应力产生元件；
根据模型试验的实际需求，在物理模型试样的制作过程中，在拟构建封闭应力的位置安放封闭应力产生元件，并根据拟构建封闭应力的大小和方向，选择不同的封闭应力产生元件组合形式及安装方向；如果只需构建单向封闭应力的物理模型只安装单个封闭应力产生元件，对于需要构建双向封闭应力的物理模型采用两个封闭应力产生元件组合的形式；并将封闭应力产生元件的激发管路引至物理模型试样外部；
步骤4：在物理模型中布置应力和应变测量装置，用于测量封闭应力产生元件激发时产生的应力及物理模型的应变；
在封闭应力产生元件应力作用方向上安装压力盒，并在距压力盒一定距离范围内布置分布式应变传感光纤；压力盒用于测量封闭应力产生元件产生的应力；分布式应变传感光纤用于测量物理模型产生的应变。
本实施例中，在物理模型中，从封闭应力产生元件的应力方向向外，依次布置封闭应力产生元件，压力盒11和分布式应变传感光纤。压力盒11紧密接触放置在封闭应力产生元件两端。传感光纤则埋于压力盒外侧相近的混凝土中(传感光纤比较灵敏不能紧贴着压力盒，但又足够靠近，5cm左右)。压力盒11用于测量封闭应力产生元件产生的应力，为确保封闭应力产生元件激发时满足目标应力要求。传感光纤用于测量物理模型的应变，确保物理模型不会因封闭应力产生元件的激发而内部提前发生产生变形破坏，对封闭应力产生影响(如果封闭应力产生元件激发时最近的部分产生应变，会释放掉一部分封闭应力)。压力盒11与传感光纤是确保物理模型的封闭应力的状态。至于物理模型其他部分是否预埋测量装置和预埋的位置，则是根据使用物理模型的实验者提出的要求进行操作，而非封闭应力的构建方法。
本实施例中，根据物理模型试验的实际需求，利用3D打印机构建褶皱模型13，制备不同的3D混凝土砂浆，通过预先设置打印程序，施工时按照程序将混凝土材料通过挤出装置中的喷嘴挤出进行打印，在物理模型试样的制作过程中，在拟构建封闭应力的位置安放封闭应力产生元件，并根据拟构建封闭应力的大小和方向，将封闭应力产生元件竖直安放，如图4所示。同时，在设计的封闭应力作用方向距离封闭应力产生元件0.02m处安装压力盒，布置分布式应变传感光纤，预留激发管路，引至物理模型试样12外部。
步骤5：评估封闭应力产生元件的激发与封闭应力产生效果；
步骤5.1：完成物理模型试样的构建与养护，对物理模型试样施加真三向边界应力，通过在试样端部设置减摩材料(聚四氟乙烯与润滑油)来减小加压设备与物理模型加载时的摩擦，在物理模型试样内部构建准均匀的人工应力场；
本实施例中，物理模型试样的构建与养护方法为：根据实际工程配置性能相似的混凝土构建物理模型试样，并在试样浇筑时预埋封闭应力产生元件，静置12小时后拆模，拆模后应立即放入温度为20±2℃，相对湿度95％以上的标准养护室中养护14天—28天，得到养护后的物理模型试样。
步骤5.2：通过激发管路，向封闭应力产生元件注入水，按照步骤2获得的注入参数与封闭应力的关系控制注入速率、注入量与反应时间，实现封闭应力产生元件的有效激发；
步骤5.3：读取设置在封闭应力产生元件位置的压力盒测量的应力数据，监测分布式应变传感光纤测量的应变数据，评估物理模型试样内部局部封闭应力的产生效果是否满足设计要求。
本实施例中，当物理模型试样内部的封闭应力达到设计要求后，开展隧道开挖15、采矿等工程活动模拟，如图5所示，重现封闭应力导致的不同深部工程灾害类型，监测灾害孕育过程中的岩体响应信息，揭示封闭应力诱导的深部工程岩体灾害孕育机制。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (7)
1.一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法，其特征在于：
制备封闭应力产生元件；
测试封闭应力产生元件的性能，优化封闭应力产生元件的设计，获得满足试验要求的封闭应力产生元件；
在物理模型中根据试验要求安装封闭应力产生元件；
在物理模型中布置应力和应变测量装置，用于测量封闭应力产生元件激发时产生的应力及物理模型的应变；
评估封闭应力产生元件的激发与封闭应力的产生效果。
2.根据权利要求1所述的一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法，其特征在于：所述封闭应力产生元件设置在物理模型内部，包括环形刚性圈，膨胀材料，透水层，隔水薄膜和激发管路；所述环形刚性圈与隔水薄膜将膨胀材料和透水层整体包裹；所述膨胀材料与透水层相间布置；所述激发管路，设置在环形刚性圈上端边缘位置，并引出至物理模型外部，用于激发封闭应力产生元件时水的注入。
3.根据权利要求2所述的一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法，其特征在于：所述环形刚性圈为金属材质的刚性圆环，用于限制膨胀材料激发后的侧向变形，使得膨胀材料膨胀产生的局部应力沿着圆环的中心轴线方向作用；
所述膨胀材料，为硫铝酸钙膨胀剂，用于激发后产生膨胀力，以实现局部封闭应力的模拟；
所述透水层，采用石英砂，用于保证膨胀材料激发时与水的均匀接触；
所述隔水薄膜，为聚乙烯薄膜，用于隔离物理模型相似材料与封闭应力产生元件内部的膨胀材料，避免膨胀材料在物理模型相似材料水化的过程中提前激发。
4.根据权利要求3所述的一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法，其特征在于：所述测试封闭应力产生元件的性能的具体方法为：
利用岩石膨胀压力试验仪对制备的封闭应力产生元件进行性能测试，获得不同膨胀材料层数、厚度、透水层参数、注水量、注水速率及反应时间与膨胀应力产生之间的定量关系；优化封闭应力产生元件的设计，获得满足试验要求的封闭应力产生元件。
5.根据权利要求4所述的一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法，其特征在于：所述在物理模型中根据试验要求安装封闭应力产生元件的具体方法为：
根据物理模型试验的实际需求，在物理模型试样的制作过程中，在拟构建封闭应力的位置安放封闭应力产生元件，并根据拟构建封闭应力的大小和方向，选择不同的封闭应力产生元件组合形式及安装方向；将封闭应力产生元件的激发管路引至物理模型试样外部。
6.根据权利要求5所述的一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法，其特征在于：所述测量封闭应力产生元件激发时产生的应力及物理模型的应变的具体方法为：
在封闭应力产生元件应力作用方向上安装压力盒，并在压力盒外侧一定距离内布置分布式应变传感光纤；压力盒用于测量封闭应力产生元件产生的应力；分布式应变传感光纤用于测量物理模型产生的应变。
7.根据权利要求6所述的一种用于物理模型试验的深部岩体封闭应力构建方法，其特征在于：评估封闭应力产生元件的激发与封闭应力产生效果的具体方法为：
完成物理模型试样的构建与养护，对物理模型试样施加真三向边界应力，通过在试样端部设置减摩材料来减小加压设备与物理模型加载时的摩擦，在物理模型试样内部构建准均匀的人工应力场；
通过激发管路，向封闭应力产生元件注入水，按照获得的注入参数与封闭应力的关系控制注入速率、注入量与反应时间，实现封闭应力产生元件的有效激发；
读取设置在封闭应力产生元件位置的压力盒测量的应力数据，监测分布式应变传感光纤测量的应变数据，评估物理模型试样内部局部封闭应力的产生效果是否满足设计要求。
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