围岩变形与压力模拟试验系统及试验方法

摘要

本发明公开了一种围岩变形与压力模拟试验系统及试验方法，属于岩土工程试验领域，其结构包括承载试验对象和试验系统的底板，在底板上安装有位于试验对象内侧的单向加载装置，单向加载装置一端铰接在底板上，单向加载装置另一端铰接有传力装置，单向加载装置通过传力装置对试验对象施加由外围向中心的力。本发明可实现对围岩变形和压力的准确模拟，用于开展各不同形状和尺寸的支护结构的力学试验；不需要外围的反力结构，便于制造、降低成本、节省空间；可保证试验荷载始终保持为径向荷载，且利于加载装置的寿命。

权利要求

1.围岩变形与压力模拟试验系统，其特征是，包括承载试验对象和试验系统的底板，在底板上安装有位于试验对象内侧的单向加载装置，单向加载装置一端铰接在底板上，单向加载装置另一端铰接有传力装置，单向加载装置通过传力装置对试验对象施加由外围向中心的力；

所述单向加载装置远离试验对象的一端铰接在反力柱上，反力柱为固定连接在底板上的圆柱状结构，反力柱的轴线与底板垂直；

所述单向加载装置与底板之间设有支撑装置，支撑装置包括支撑杆和滚轮，支撑杆的顶端与单向加载装置固定连接，支撑杆的底端安装滚轮，滚轮与底板接触；

所述的传力装置沿试验对象均匀分布，传力装置为框架形结构，传力装置套置在试验对象的横截面的外侧，传力装置与试验对象相接触的一侧设有传力分散器，传力装置与传力分散器铰接连接。

2.根据权利要求1所述的围岩变形与压力模拟试验系统，其特征是，在底板上还设有限位挡梁，限位挡梁沿试验对象均匀分布；限位挡梁由上下布置且相互平行的上档梁和下挡梁构成，上档梁和下挡梁通过挡梁柱连接在一起，上档梁和下挡梁之间存在容纳试验对象的缝隙。

3.根据权利要求1所述的围岩变形与压力模拟试验系统，其特征是，在底板上固定设置有为试验对象提供反力的支座，所述支座呈“L”形。

4.根据权利要求1所述的围岩变形与压力模拟试验系统，其特征是，所述传力分散器与试验对象相接触的表面上设有橡胶垫板。

5.利用权利要求2所述的围岩变形与压力模拟试验系统进行试验的试验方法，其特征是，包括以下步骤：步骤（1）：将下挡梁安装在挡梁柱上，形成操作平台；

步骤（2）：将试验对象在所述的操作平台上组装；

步骤（3）：将单向加载装置的尾端铰接在底板上，调整单向加载装置的长度从而使试验系统的作业半径适应试验对象的形状及尺寸；

步骤（4）：将单向加载装置的头端与传力装置铰接连接；

步骤（5）：将上档梁安装在档梁柱上，将试验对象限定在平面内，使其只能产生平面内移动和变形；

步骤（6）：在试验系统上布置传感器，并将传感器连接到相应的监测系统；

步骤（7）：打开监测系统，进行预加载；

步骤（8）：控制单向加载装置的荷载及位移，给试验对象加载，试验开始；

步骤（9）：试验过程中实时观测、采集试验对象的变形、受力、应变情况；

步骤（10）：试验对象出现破裂、失稳、大变形现象且无法继续承载时，停止加载，关闭监测系统，试验结束。

6. 根据权利要求5所述的试验方法，其特征是，所述步骤（7）中，预加载过程中施加的荷载不大于预估破坏荷载的3%；所述步骤（8）中，荷载小于0.9Qmax时，加载速率0.02Qmax/min，每0.1Qmax保压1min；荷载大于0.9Qmax时，加载速率0.005Qmax/min，每0.05Qmax保压1 min，其中，Qmax为预估极限荷载。

7.根据权利要求5所述的试验方法，其特征是，所述步骤（8）中，全部的单向加载装置同步动作或者非同步动作。

说明书

围岩变形与压力模拟试验系统及试验方法

技术领域

[0001] 本发明涉及岩土工程试验领域，具体地说是一种围岩变形与压力模拟试验系统及试验方法。

背景技术

[0002] 随着我国经济社会的发展，地下矿井、隧道、地铁、水电硐室等修建越来越多，更多的工程处于恶劣地质条件，随之面临的支护问题也越来越突出。在此背景下，越来越多的支护形式被应用在现场，如工字钢拱架、U型钢拱架、钢管混凝土拱架、格栅钢架、混凝土碹体支护等。上述支护结构的力学性能对于现场围岩的最终稳定和工程的安全具有显著影响。开展力学试验时掌握支护结构力学性能的重要研究手段，可以明确支护结构力学特性、揭示其失效机理、优化其设计参数，对工程安全意义重大。

[0003] 然而，目前尚没有一种科学合理的试验系统能够真实准确的模拟巷道、隧道围岩的变形与压力。现有试验系统一般采用常规液压油缸，在加载过程中因试验对象结构性原因，部分加载油缸会在保持压力值的情况下被动回缩，这与现场实际情况明显不符，因为现场围岩的变形是单向、不可逆的。另外，当前相似的试验系统一般将加载油缸安放在拱架外围，需要体积庞大的外围反力结构，占据了大量实验室空间，且建造成本高，费工费力，不符合“高精度、高效率、低成本”的原则；同时通过外围的油缸对拱架加压时，由于拱架产生形变，油缸轴线与拱架轴线之间不一定能保持原有的垂直状态，不仅会对试验的精确度造成一定的影响，还会对液压油缸造成一定的损害，缩短其使用寿命。

发明内容

[0004] 针对上述问题，本发明的目的在于提供一种围岩变形与压力模拟试验系统及试验方法，该试验系统及试验方法能够准确模拟围岩的变形行为，并且减少占用空间，降低制造成本，提高试验精度，延长试验系统的使用寿命。

[0005] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案包括：围岩变形与压力模拟试验系统，包括承载试验对象和试验系统的底板，在底板上安装有位于试验对象内侧的单向加载装置，单向加载装置一端铰接在底板上，单向加载装置另一端铰接有传力装置，单向加载装置通过传力装置对试验对象施加由外围向中心的力。

[0006] 为了防止试验对象加载时发生平面以外的变形，进一步的技术方案为：在底板上还设有限位挡梁，限位挡梁沿试验对象均匀分布；限位挡梁由上下布置且相互平行的上档梁和下挡梁构成，上档梁和下挡梁通过挡梁柱连接在一起，上档梁和下挡梁之间存在容纳试验对象的缝隙。挡梁柱将上档梁和下挡梁固定在底板上一定高度处，上档梁和下挡梁均与试验对象的边缘处形成接触。

[0007] 进一步的技术方案为：在底板上固定设置有为试验对象提供反力的支座，所述支座呈“L”形，支座位于试验对象的两端且与试验对象的端部接触。

[0008] 进一步的技术方案为：所述单向加载装置远离试验对象的一端铰接在反力柱上，反力柱为固定连接在底板上的圆柱状结构，反力柱的轴线与底板垂直。

[0009] 为避免单向加载装置在重力作用下发生偏斜，使单向加载装置保持在设定好的平面内运动，进一步的技术方案为：所述单向加载装置与底板之间设有支撑装置，支撑装置包括支撑杆和滚轮，支撑杆的顶端与单向加载装置固定连接，支撑杆的底端安装滚轮，滚轮与底板接触。支撑装置可以设置两个，分别设置在单向加载装置的中部和单向加载装置与传力装置相连接的一端。

[0010] 进一步的技术方案为：所述的传力装置沿试验对象均匀分布，传力装置为框架形结构，传力装置套置在试验对象的横截面的外侧，传力装置与试验对象相接触的一侧设有传力分散器，传力装置与传力分散器铰接连接。传力分散器能够将力均匀的作用在其与试验对象的接触面上，准确模拟围岩受力情况。

[0011] 所述的单向加载装置可采用止回油缸或者单向气缸等只能单向加载的装置，单向加载装置与反力柱以及传力装置之间均为铰接，传力装置与传力分散器之间也为铰接，可保证单向加载装置本身只受轴向力，不因试验对象的变形而承受侧向荷载，一方面使得施加的荷载均为径向荷载，另一方面保护单向加载装置不被损坏。

[0012] 进一步的技术方案为：所述传力分散器与试验对象相接触的表面上设有橡胶垫板。橡胶垫板能够有效降低加载过程中对试验对象产生的应力集中程度，更真实模拟现场围岩作用的真实状况。

[0013] 本发明解决其技术问题的技术方案还包括：一种试验方法，包括以下步骤：

[0014] 步骤(1)：将下挡梁安装在挡梁柱上，形成操作平台；

[0015] 步骤(2)：将试验对象在所述的操作平台上组装，并将试验对象安放在指定位置；

[0016] 步骤(3)：将单向加载装置的尾端铰接在底板的反力柱上，调整单向加载装置的长度从而使试验系统的作业半径适应试验对象的形状及尺寸；

[0017] 步骤(4)：将单向加载装置的头端与传力装置铰接连接，将传力装置与传力分散器铰接连接；

[0018] 步骤(5)：将上档梁安装在档梁柱上，将试验对象限定在平面内，使其只能产生平面内移动和变形；

[0019] 步骤(6)：在试验系统上布置传感器，并将传感器连接到相应的监测系统；

[0020] 所述的传感器主要包括力传感器、位移传感器、应变传感器等，力传感器布置在单向加载装置与传力装置相连接的一端，位移传感器一端连接在试验台的底板上，另一端连接在试验对象上，应变传感器采用应变片，应变片根据需要贴在试验对象上，力传感器和位移传感器应与数据采集系统相连接，应变片应通过导线与应变仪相连接，数据采集系统和应变仪组成监测系统。

[0021] 步骤(7)：打开监测系统，进行预加载；

[0022] 步骤(8)：控制单向加载装置的荷载及位移，给试验对象加载，试验开始；

[0023] 步骤(9)：试验过程中实时观测、采集试验对象的变形、受力、应变情况；

[0024] 步骤(10)：试验对象出现破裂、失稳、大变形现象且无法继续承载时，停止加载，关闭监测系统，试验结束；

[0025] 步骤(11)：结果分析：根据监测系统采集到的荷载、位移、应变等监测结果及试验对象的变形破坏情况，得到试验对象的承载力、整体刚度等力学特性及变形破坏机理。

[0026] 进一步的技术方案为：所述步骤(7)中，预加载的具体操作方法为：通过加载控制系统使单向加载装置长度缩短，使传力分散器与试验对象的外侧密贴，并施加不大于预估破坏荷载3％的荷载；所述步骤(8)中，加载的具体操作方法为：可采用单调加压的方式，荷载小于0.9Qmax时，加载速率0.02Qmax/min，每0.1Qmax保压1min；荷载大于0.9Qmax时，加载速率0.005Qmax/min，每0.05Qmax保压1min，其中，Qmax为预估极限荷载。

[0027] 进一步的技术方案为：所述步骤(8)中，根据需要模拟的围岩变形和压力的实际情况，通过加载控制系统将全部的单向加载装置同步动作或者非同步动作。

[0028] 本发明的有益效果是：

[0029] 1、可实现对围岩变形和压力的准确模拟。现有试验系统一般采用常规液压油缸，在加载过程中因试验对象结构性原因，部分加载油缸会在保持压力值的情况下被动回缩；这与现场实际情况明显不符，因为现场围岩的变形是单向、不可逆的。本试验系统及试验方法采用单向加载装置，在试验过程中，单向加载装置只可以收缩或停止而不能外伸，即便是单向加载装置受到的拉力大于其内部液压油的负压，也不会外伸；单向加载装置的上述特性实现了对围岩变形特性的更准确模拟；

[0030] 2、单向加载装置均安装在试验对象的内侧，不需要外围的反力结构，便于制造、降低成本、节省空间；

[0031] 3、通过单向加载装置的收缩实现加载，各连接处均为铰接，可保证试验荷载始终保持为径向荷载，可提高试验精度；与加载装置安装在试验对象外部对其进行加载相比，本发明可防止试验对象形变后加载装置轴线与试验对象轴线之间不一定能保持原有的垂直状态，而对加载装置造成损害，缩短其使用寿命；

[0032] 4、可用于开展U型钢拱架、工字钢拱架、钢管混凝土拱架、格栅钢架及混凝土碹体等支护形式的力学试验，适用范围广；

[0033] 5、调节反力柱的位置和单向加载装置的长度，可实现不同形状和尺寸的拱架力学试验，以适应矿山巷道、隧道、水电隧洞、地铁不同工况下的不同形状拱架，如圆形、直墙半圆拱形、半圆反底拱形、马蹄形。

附图说明

[0034] 图1为本发明实施例的结构示意图；

[0035] 图2为图1的A-A视图；

[0036] 图3为图1的B-B视图。

[0037] 图中：1-试验对象，2-反力柱，3-止回油缸，4-尾铰，5-端铰，6-分力铰，7-传力分散器，8-传力装置，9-限位挡梁，10-挡梁柱，11-支座，12-中部支撑，13-端部支撑，14-底板，15-橡胶垫板。

具体实施方式

[0038] 下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的描述：

[0039] 如图1所示，围岩变形与压力模拟试验系统，包括承载试验对象1和试验系统的底板14，试验对象1为“U”形的拱架，试验系统主要由反力柱2、止回油缸3、传力系统、辅助构件等组成。其中：

[0040] 所述的反力柱2一般由钢材加工而成，反力柱2为圆柱状结构，固定在底板14上，反力柱2的轴线与底板14垂直，其位置与止回油缸3的尾铰4设计位置对应，用于固定止回油缸3的尾铰4，为该试验系统提供反力。通过改变反力柱2的位置，并调节止回油缸3的长度，可以有效调整试验系统的作业半径，适应不同形状及尺寸的试验对象1。

[0041] 所述的止回油缸3通过收缩实现对试验对象1的加载作用；在试验过程中，止回油缸3只可以收缩或停止而不能外伸，即便是止回油缸3受到的拉力大于其内部液压油的负压，也不会外伸；从而可以实现对围岩变形的更准确模拟。

[0042] 所述的传力系统由尾铰4、端铰5、分力铰6、传力装置8和传力分散器7组成。

[0043] 如图2所示，所述的尾铰4设置在止回油缸3的后端，用于连接止回油缸3和反力柱2；所述的端铰5设置在止回油缸3的前端，用于连接传力装置8；所述的传力装置8又通过分力铰6与传力分散器7相连，传力分散器7作用在所述的试验对象1上。传力系统的铰结构可保证止回油缸3本身只受轴向力，不因试验对象1的变形而承受侧向荷载，一方面使得施加的荷载均为径向荷载，另一方面保护止回油缸3不被损坏。

[0044] 所述的传力装置8沿试验对象1均匀分布，传力装置8为框架形结构，传力装置8套置在试验对象1的横截面的外侧，传力装置8与试验对象相接触的一侧设有传力分散器7，所述传力分散器7的表面设有橡胶垫板15，能够有效降低加载过程中对试验对象1产生的应力集中程度，更真实模拟现场围岩作用的真实状况。

[0045] 所述的辅助构件由限位挡梁9、支座11、中部支撑12和端部支撑13组成。

[0046] 如图3所示，所述的限位挡梁9通过档梁柱10将上、下档梁固定在底板14上一定高度处，用于防止所述的试验对象1加载时发生平面外的变形。限位挡梁9沿试验对象1均匀分布；限位挡梁9由上下布置且相互平行的上档梁和下挡梁构成，上档梁和下挡梁之间存在容纳试验对象1的缝隙，上档梁和下挡梁均与试验对象1的边缘处形成接触。

[0047] 所述的支座11固定在底板14上，用于给试验对象1提供反力。支座11呈“L”形，支座11位于试验对象1的两端且与试验对象1的端部接触。

[0048] 所述的中部支撑12和端部支撑13分别设置在止回油缸3的中部和前端，用于支撑止回油缸3，使液压油缸3保持在设定好的水平面内运动。中部支撑12和端部支撑13均由支撑杆和滚轮构成，支撑杆的顶端与止回油缸3固定连接，支撑杆的底端安装滚轮，滚轮与底板14接触。

[0049] 本实施例的试验方法，包括以下步骤：

[0050] 步骤(1)：将下挡梁安装在挡梁柱10上，形成操作平台；

[0051] 步骤(2)：将试验对象1在所述的操作平台上组装，并将试验对象1安放在指定位置；

[0052] 步骤(3)：将各止回油缸3通过尾铰4固定在指定的反力柱2上，并调节止回油缸3的长度，调整试验系统的作业半径，适应试验对象1的形状及尺寸；

[0053] 步骤(4)：采用端铰5连接止回油缸3和连接传力装置8，通过分力铰6将传力装置8与传力分散器7相连；

[0054] 步骤(5)：将上档梁安装在档梁柱10上，将试验对象1限定在平面内，使其只能产生平面内移动和变形；

[0055] 步骤(6)：在试验系统上布置传感器，并将传感器连接到相应的监测系统；

[0056] 所述的传感器主要包括力传感器、位移传感器、应变传感器等，力传感器布置在单向加载装置与传力装置相连接的一端，位移传感器一端连接在试验台的底板上，另一端连接在试验对象上，应变传感器采用应变片，应变片根据需要贴在试验对象上，力传感器和位移传感器应与数据采集系统相连接，应变片应通过导线与应变仪相连接，数据采集系统和应变仪组成监测系统。

[0057] 步骤(7)：打开监测系统，进行预加载：通过加载控制系统使止回油缸3长度缩短，使传力分散器7与试验对象1的外侧密贴，并施加不大于预估破坏荷载3％的荷载；

[0058] 步骤(8)：通过加载控制系统控制止回油缸3的荷载及位移，给试验对象1加载，试验开始：可根据需要模拟的围岩变形和压力的实际情况，通过加载控制系统将全部油缸设置为同步动作，或非同步动作；试验可采用单调加压的方式，荷载小于0.9Qmax时(Qmax为预估极限荷载)，加载速率0.02Qmax/min，每0.1Qmax保压1min；荷载大于0.9Qmax时，加载速率0.005Qmax/min，每0.05Qmax保压1min；

[0059] 步骤(9)：试验过程中实时观测、采集试验对象的变形、受力、应变情况；

[0060] 步骤(10)：试验对象1出现破裂、失稳、大变形等现象且无法继续承载时，停止加载，关闭监测系统，试验结束；

[0061] 步骤(11)：结果分析：根据监测系统采集到的荷载、位移、应变等监测结果及试验对象的变形破坏情况，得到试验对象的承载力、整体刚度等力学特性及变形破坏机理。

[0062] 本发明的试验对象1可以是U型钢拱架，也可针对其它截面拱架，如钢管混凝土、U型钢、工字钢、格栅钢架等，根据试验需要其整体形状可以为圆形、椭圆形和直腿半圆形等，可准确模拟巷道、隧道、地铁、水电硐室围岩的变形行为，从而有效对支护拱架等支护形式进行开展力学试验，研究其力学特性，优化力学参数。

[0063] 本发明采用的单向加载装置不限于实施例所述的止回油缸，还可以采用单向气缸或者单向电缸等其他单向加载装置。

[0064] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不是本发明的全部实施例，不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

[0065] 除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术，为了突出本发明的创新特点，上述技术特征在此不再赘述。