CN207540896U - 热-力耦合作用下围岩响应测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种热‑力耦合作用下围岩响应测试系统，包括加压系统、加热系统、监测系统。本实用新型能够直接获取不同温度、不同应力耦合作用下围岩的力学响应，实现对应力调整、温度变化导致围岩破裂演化的定量认识。本实用新型对热‑力耦合作用下围岩基本物理力学参数测定、变形特征、围岩损伤破坏机理研究等方面研究，具有重要的使用价值，也可以为地下工程开挖、支护设计以及围岩稳定性分析提供重要依据。

Description

热-力耦合作用下围岩响应测试系统

技术领域

本实用新型涉及热-力耦合作用下围岩响应测试系统，能用于同时遭遇高地温和高地应力作用的水电工程、矿山开采、能源开发、地下空间等深部地下工程。

背景技术

在地下的某些特殊部位，如断裂带的交汇部位或地热异常区等，往往可能有温泉产生或地温异常，温度高者可达几十摄氏度，当地温超过30℃时产生高地温。温度作为影响岩石强度、变形等力学性能的重要因素，温度变化导致的围岩力学响应不容忽视。

深埋水利水电工程建设、深部矿产资源的开采、煤炭的地下气化、地热资源的开发以及高放射性核废料的储存等工程所处的地质环境——均有可能经历高温，例如南水北调西线工程引水隧洞最大埋深达1100m，最大主应力达50MPa，围岩稳定最高可达70℃；新疆喀什布伦口公格尔水电站引水隧洞温度最高到90℃。在这种高温高压作用下，岩石的力学特性将发生明显的劣化，进而降低工程的整体安全性，表现出与浅部截然不同的力学特性。目前，高温问题己是隧洞工程、采矿工程及其他地下工程常见的地质灾害问题，成为制约以上各项工程建设的技术瓶颈。

在热-力耦合作用研究方面，目前的研究主要集中在岩石室内试验和室内试验结合数值计算两大类，其中岩石的室内试验主要研究岩石的力学特性与温度之间的关系，揭示岩石各力学参数随温度变化的规律；室内试验结合数值模拟的方法则是在试验的基础上，利用数值方法分析温度作用下的围岩应力场、位移场、温度场的变化规律。

上述两种方法主要是针对小尺度岩石，数值计算也是在此基础上开展的，但小尺度岩石中所包含的裂隙网络、受力条件与现场明显不同，室内试验中采用的温度传递方式也与现场实际不符，岩石在不同温度下的力学响应更多地是体现出本身材料组成对温度变化的响应，而在现场实际中，温度变化首先影响的应该是裂隙的扩展，因此需要提供一种现场可用的热-力耦合作用下围岩响应测试系统。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种热-力耦合作用下围岩响应测试系统。为此，本实用新型采用以下技术方案；

热-力耦合作用下围岩响应测试系统，其特征在于它包括加压系统、加热系统、监测系统：

所述加压系统包括在围岩中采用机械开挖洞径的圆形隧洞作为加压洞，在加压洞洞壁全长布置橡胶气囊，并在橡胶气囊与洞壁之间布置传力结构，将橡胶气囊与围岩联系在一起，在橡胶气囊与围岩接触处布置压力传感器；所述加压系统还包括橡胶气囊的充气装置，所述橡胶气囊设置有充放气接头；

所述加热系统包括在加压洞周围均匀布置的多个加热孔；在加热孔中布置电加热元件，在电加热元件与加热孔中间布置密封钢管；

所述监测系统包括在加压洞与加热孔中间布置的监测孔，监测孔内布置传感器。

进一步地，所述圆形隧洞的洞径1m~1.5m、长度6~10m。

进一步地，在圆形隧洞洞壁全长布置一层橡胶覆盖层作为橡胶气囊。

进一步地，所述在加压洞周边均匀布置4~8个加热孔，所述多个加热孔呈圆形布置，加热孔与加压洞之间的间距为1倍加压洞洞径，长度与加压洞一致。

进一步地，所述传力结构采用钢拱架。

进一步地，在加热孔壁与密封钢管之间用导热填充材料填充。

本实用新型提供的热-力耦合作用下围岩响应测试系统，能够直接获取不同温度、不同应力耦合作用下围岩的力学响应，实现对应力调整、温度变化导致围岩破裂演化的定量认识。本实用新型对热-力耦合作用下围岩基本物理力学参数测定、变形特征、围岩损伤破坏机理研究等方面研究，具有重要的使用价值，也可以为地下工程开挖、支护设计以及围岩稳定性分析提供重要依据。

附图说明

图1为本实用新型热-力耦合作用下围岩响应测试系统的平面布置图。

图2为图1的轴向剖视示意图。

图3为本实用新型热-力耦合作用下围岩响应测试系统加压洞内的平面布置图。

图4为本实用新型热-力耦合作用下围岩响应测试系统加压洞内的轴向结构图。

图5为本实用新型热-力耦合作用下围岩响应测试系统加热孔内的平面布置图。

图6为本实用新型热-力耦合作用下围岩响应测试系统加热孔内的轴向结构图。

具体实施方式

参照附图，实用新型所提供的热-力耦合作用下围岩响应测试系统包括：

（1）加压系统，实现对围岩受力状态的人为改变。所述加压系统包括在围岩中采用机械开挖洞径1m~1.5m、长度6~10m的圆形隧洞，作为加压洞1使用。

加压洞1在现场地下工程中选择合适场地设置，避开长大裂隙构造和地下水，向下开挖加压洞，采用机械式开挖，避免对周边围岩造成损伤。

在加压洞洞壁全长布置一层橡胶覆盖层，起到橡胶气囊2的作用，并在橡胶气囊内侧布置钢拱架3，钢拱架3作为传力结构，利用钢拱架3将橡胶气囊2与围岩联系在一起，应力能够有效传递给周边围岩，确保内部气体产生的压力能够有效传递到周边围岩。附图标号10为加压洞壁。

为了实现洞内压力的改变，所述橡胶气囊2为可充放气的气囊，具有充放气接头。利用压力容器21向橡胶气囊2内充填氮气，压力值范围在0.5MPa~5MPa，在加气过程中要保持较低的速率，在1~2天时间内充满气囊即可，防止气囊受力不均发生破坏。

在橡胶气囊与围岩接触处布置压力传感器，压力传感器间距1~1.5m，保证压力实时监测，并且在升温过程中，由于气体热胀冷缩，对围岩的压力产生影响，也需要通过压力监测来实时调节，保证压力的稳定。

（2）加热系统

加热控系统主要是通过在加压系统周边布置加热孔5，在加热孔5内布置不锈钢加热棒6来实现的，加热棒6与外部电源60相连，以便发热，升高围岩中的温度。

在加压洞1周边均匀布置4~8个加热孔5，这些加热孔5呈圆形布置，加热孔5仍然采用机械式开挖，加热孔5间距大约为100mm，与加压洞1之间的间距为1倍加压洞1洞径，长度与加压洞1相同。

在加热孔5内布置的不锈钢加热棒6，直径大约为50mm，利用高压电流对其加热，在加热棒6与加热孔中间布置密封钢管7，防止加热棒6受地下水的影响，发生事故。在密封钢7管和加热孔5之间充填细沙8，保证温度能够均匀传递到周边围岩。附图标号60为高压电流的电源。

当加热棒6开始加热时，将导致加压洞1内气体压力发生变化，为了保证压力的稳定，根据布置在加压洞内压力传感器4实时调整橡胶气囊2的压力，保证稳压。

（3）监测系统，监测系统主要是为了监测加压洞1与加热孔5之间围岩响应。

在加压洞1与加热孔5中间布置监测孔9，监测孔9内布置温度计、声发射、应力计、多点位移计等传感器，分别监测围岩在不同温度、不同外力耦合作用下的破裂、应力和变形等响应特征，实现对应力调整、温度变化导致围岩破裂演化的定量认识。

以上所述仅为本实用新型的具体实施例，但本实用新型的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的保护范围之中。

Claims (6)

1.热-力耦合作用下围岩响应测试系统，其特征在于它包括加压系统、加热系统、监测系统：

所述加压系统包括在围岩中采用机械开挖洞径的圆形隧洞作为加压洞，在加压洞洞壁全长布置橡胶气囊，并在橡胶气囊与洞壁之间布置传力结构，将橡胶气囊与围岩联系在一起，在橡胶气囊与围岩接触处布置压力传感器；所述加压系统还包括橡胶气囊的充气装置，所述橡胶气囊设置有充放气接头；

所述加热系统包括在加压洞周围均匀布置的多个加热孔；在加热孔中布置电加热元件，在电加热元件与加热孔中间布置密封钢管；

所述监测系统包括在加压洞与加热孔中间布置的监测孔，监测孔内布置传感器。

2.如权利要求1所述的热-力耦合作用下围岩响应测试系统，其特征在于所述圆形隧洞的洞径1m~1.5m、长度6~10m。

3.如权利要求1所述的热-力耦合作用下围岩响应测试系统，其特征在于在圆形隧洞洞壁全长布置一层橡胶覆盖层作为橡胶气囊。

4.如权利要求1所述的热-力耦合作用下围岩响应测试系统，其特征在于所述在加压洞周边均匀布置4~8个加热孔，所述多个加热孔呈圆形布置，加热孔与加压洞之间的间距为1倍加压洞洞径，长度与加压洞一致。

5.如权利要求1所述的热-力耦合作用下围岩响应测试系统，其特征在于所述传力结构采用钢拱架。

6.如权利要求1所述的热-力耦合作用下围岩响应测试系统，其特征在于在加热孔壁与密封钢管之间用导热填充材料填充。