一种模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置及方法。它由反力系统，加载系统，制备系统，压实系统组成。反力装置由六面反力架通过高强螺栓连接而成，为加载系统提供反力，加载系统通过液压千斤顶模拟地应力为模型材料进行加载，制备系统用于盛放并制备整个试验的倾斜岩层，压实系统通过加载系统的液压千斤顶对制备系统中的每层相似材料进行均匀压实。本发明专利技术既可以进行水平岩层物理模型试验，还能够满足不同倾斜角度的倾斜岩层物理模型试验，减少了人工摊料压实对试验结果的影响，实现倾斜分层压实制备倾斜岩层，且不受试验位置影响，可满足不同现场需要，能够用于大型三维物理模型试验。

A physical model test device and method for simulating inclined rock formations with different dip angles

The invention relates to a physical model test device and method for simulating inclined rock formations with different inclinations. It consists of reaction system, loading system, preparation system and compacting system. The reaction device is made up of a hexahedral reaction frame connected by a high-strength bolt, which provides a reaction for the loading system. The loading system simulates the ground stress by a hydraulic jack to load the model material, and the preparation system is used to hold and prepare the tilted rock strata for the whole test. The compaction system is used to prepare the preparation system by a hydraulic jack of the loading system. The material of each layer is evenly compacted. The invention can not only carry out the physical model test of horizontal strata, but also satisfy the physical model test of inclined strata with different inclination angles, reduce the influence of manual padding compaction on the test results, realize inclined stratified compaction to prepare inclined strata, and is not affected by the test position, and can meet the different field needs and can be used for Large scale 3D physical model test.

【技术实现步骤摘要】
一种模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置及方法
本专利技术涉及一种倾斜岩层物理模型试验装置及方法，尤其是一种用于地下工程中不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置及方法。
技术介绍
随着地下工程建设的快速发展，地下工程不断走向深部，围岩环境也越来越复杂，地下岩层在地应力和外力等作用下形成倾斜分布岩层，为保障倾斜岩层中工程施工开挖与运行安全，研究岩层的变形破坏及围岩的应力位移变化等物理力学特性已经成为地质岩层研究领域的一个重要课题。但是由于地质岩层复杂多变，影响因素众多，传统理论方法难以胜任，数值模拟困难重重，现场监测工作量大、周期长、成本高，相比之下，物理力学模型试验以其形象、直观、真实的特性成为成为了研究这一复杂地质环境的重要科学手段。物理模型试验是根据相似原理采用缩尺模型将复杂的地质岩层通过物理模型进行相似再现，研究真实岩层中发生的现象和过程的规律，对复杂地质岩层中工程建设具有指导意义。传统的物理模型试验装置只适用于水平岩层的相似模拟，倾斜岩层的制备技术尚不成熟，模型试验中较小的误差就会造成与实际工程有很大的偏差，因此如何进行精准制备倾斜岩层就成为模型试验能否取得成功的关键，目前国内外有关倾斜岩层物理模型试验装置及方法研究现状如下：《岩土力学》2009年第7期介绍了一种缓倾角层理各向异性岩体隧道稳定性的物理模型试验，将层状岩体概化为层状制作的模型，模型的层间采用极软的薄膜隔断实现分层，但方法仅实现缓倾角层理，且每层岩层的厚度无法保证相等，加载方式为平面应变加载方式。《岩石力学与工程学报》2013年第8期介绍了一种75°倾角正断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验装置，通过箱底施加强制位移，模拟断层的错动，实现隧道在断层影响下的受力和变形研究，但只能模拟单一断层，且不能实现三维加载。《煤炭学报》2013年第7期介绍了一种特厚急倾斜煤层开采岩层移动模拟试验，制备了不同厚度的倾斜煤层，揭示了50°倾角特厚煤层分层开采时岩层变形破坏的特征和机理，但是该实验装置没有进行倾斜煤层分层压实，没有实现真三维加载。《岩土力学》2016年第10期介绍了一种不同倾角多层节理深部岩体开挖模型试验，在试验台架内倾斜摊铺材料，人工逐层夯实材料实现节理岩体模拟，但是人工夯实倾斜材料难以做到节理角度和方向的精确控制，精度差、误差大，从而导致模型节理岩体形态与实际岩体存在较大差异，严重影响模型试验结果的可靠性。《岩土工程学报》2017年第12期介绍了一种层状围岩与盾构管片衬砌相互作用关系的相似模型试验，试验中通过将模型围岩沿不同的层理方向锯切出2.0mm的间隙来模拟层状围岩的层理面，实现了不同层理倾角下管片衬砌壁后围岩变性破坏分析研究，但锯切节理面无法精准控制方向与开度，且该实验只能实现平面应变加载。申请号为201510011652.X的专利技术专利介绍了一种倾斜岩层物理相似模拟试验装置及方法，通过液压千斤顶调节整个模型试验架的倾斜角度实现倾斜岩层的制备，但是该装置成本高，操作难度大，难以用于大型物理模型试验。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可模拟不同倾角倾斜岩层的物理模型试验装置及方法，该装置可精确制备物理模型试验中中不同倾角的倾斜岩层，实现倾角，厚度，材料用量的精确控制，且该装置造价较低，构造简单，操作便捷，安全性好，且能用于大型三维物理模型试验。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置，包括反力系统、加载系统、制备系统、压实系统；通过调整倾斜角度既可以进行水平岩层物理模型试验，也能够满足不同倾斜角度的倾斜岩层物理模型试验。具体的，每个系统结构如下：所述的制备系统包括导向框、加载板、条形控制板和阻板件，所述的导向框固定在所述的反力系统内，所述的加载板安装在导向框上；所述的条形控制板用于控制每层材料用量，其通过连接件安装在位于导向框前、后两个面的加载板上；所述的阻板件安装在位于导向框底部的加载板上，用于阻挡压实板的滑动；所述的压实系统用于压实倾斜岩层每层的相似材料，其包括三角形加载块、压实板、弧面承载块和锚固螺栓；所述的压实板倾斜安装在所述的导向框内，其与条形控制板、底部加载板和左加载板或者右加载板形成一个横截面为三角形的加载区域；所述的压实板上固定有多个弧面承载块，每个弧面承载块与一个所述的三角形加载块配合；所述的加载系统对上、下、前、后、左、右加载板和所述的压实板提供加载力，所述的反力系统为所述的加载系统提供反力。通过条形控制板和阻板件精确控制倾斜岩层的倾角和方向以及每层的材料用量，实现倾斜岩层制备的高度精细化，克服了人工摊料压实导致的误差影响。进一步优选的，所述的反力系统由上、下、左、右、前、后六面的反力架组成，反力架之间通过高强螺栓连接。进一步优选的，所述的加载系统包括位于反力架前、后、左、右、上、下六个面上的液压千斤顶，位于前、后、左、右、下方的液压千斤顶的缸体固定于所述的反力架上，动力杆安装矩形推力器对加载板进行加载；位于反力架上方的液压千斤顶的缸体固定于所述的反力架上，其动力端连接圆形垫筒，所述的圆形垫筒连接所述的三角形加载块，对压实板进行施力。进一步优选的，位于反力架上面的液压千斤顶在进行地应力加载时，拆除其动力端连接的圆形垫筒，连接上加载板，进行地应力加载。进一步优选的，所述的条形控制板包括多个，多个条形控制板按照一定的倾斜角度依次安装导向框前、后两个面的加载板上。进一步优选的，所述的阻板件包括多个，多个阻板件按照设定的间距和位置水平的安装在所述的底部加载板上。进一步优选的，所述的阻板件为阻板钢筋。进一步优选的，所述的三角形加载块可在弧面承载块上自由滑动。进一步优选的，所述的圆形垫筒用于连接顶端液压千斤顶与三角形加载块，两者之间的间距通过调节圆形垫筒的数量来控制。进一步优选的，所述的导向框放在所述的反力架内，其为一个矩形框架结构，其上设有导轨，六面加载板插装在所述的导轨内。本专利技术公开来的一种利用本专利技术的装置进行倾斜岩层物理模型试验的方法是：第一步，制作条形控制板。根据试验设计的倾斜岩层的倾角以及分层厚度h，将矩形钢板切割成条形控制板，并用连接螺栓将第一块条形控制板固定在加载板上。第二步，铺填岩层相似材料。根据计算好的比例称取实验所需第一层相似材料原料，采用搅拌机搅拌均匀后倒入制备系统的第一层相似材料铺填空间，沿条形控制板边缘用刮板刮平，刮平后用木板轻轻碾压。第三步，安装压实系统。3-1、将压实板放在相似材料上面，压实板底部放在底部加载板上的阻板件前面，防止压实过程中钢板滑动。3-2、用锚固螺栓将弧面承载块固定在压实板上，将三角形加载块盛放于弧面加载块上，保证在加载过程中三角形加载块顶面始终保持水平。3-3、测量顶部液压千斤顶与三角形加载块顶面之间的间距，选取合适数量的圆形垫筒，将液压千斤顶与三角形加载块进行连接。第四步，压实相似材料。根据相似材料成型压力P0计算液压千斤顶的压力设定值P＝P0/cosα，启动加载系统对铺填好的相似材料进行加载压实，并稳压24小时。第五步，试验模型成型。第一层压实后，拆除压实系统，并在第一层材料表面撒云母片(或隔层相似材料)作为隔层。安装第二块条形控制板，重复操作第二步至第四步，依次类推，直至第二层、第三层、.....本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置，其特征在于，包括反力系统、加载系统、制备系统、压实系统；其中：所述的制备系统包括导向框、加载板、条形控制板和阻板件，所述的导向框固定在所述的反力系统内，所述的加载板安装在导向框上；所述的条形控制板用于控制每层材料用量，其通过连接件安装在位于导向框前、后两个面的加载板上；所述的阻板件安装在位于导向框底部的加载板上，用于阻挡压实板的滑动；所述的压实系统用于压实倾斜岩层每层的相似材料，其包括三角形加载块、压实板、弧面承载块和锚固螺栓；所述的压实板倾斜安装在所述的导向框内，其与条形控制板、底部加载板和左加载板或者右加载板形成一个横截面为三角形的加载区域；所述的压实板上固定有多个弧面承载块，每个弧面承载块与一个所述的三角形加载块配合；所述的加载系统对上、下、前、后、左、右加载板和所述的压实板提供加载力，所述的反力系统为所述的加载系统提供反力。

【技术特征摘要】
1.一种模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置，其特征在于，包括反力系统、加载系统、制备系统、压实系统；其中：所述的制备系统包括导向框、加载板、条形控制板和阻板件，所述的导向框固定在所述的反力系统内，所述的加载板安装在导向框上；所述的条形控制板用于控制每层材料用量，其通过连接件安装在位于导向框前、后两个面的加载板上；所述的阻板件安装在位于导向框底部的加载板上，用于阻挡压实板的滑动；所述的压实系统用于压实倾斜岩层每层的相似材料，其包括三角形加载块、压实板、弧面承载块和锚固螺栓；所述的压实板倾斜安装在所述的导向框内，其与条形控制板、底部加载板和左加载板或者右加载板形成一个横截面为三角形的加载区域；所述的压实板上固定有多个弧面承载块，每个弧面承载块与一个所述的三角形加载块配合；所述的加载系统对上、下、前、后、左、右加载板和所述的压实板提供加载力，所述的反力系统为所述的加载系统提供反力。2.如权利要求1所述的模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置，其特征在于，所述的反力系统由上、下、左、右、前、后六面的反力架组成，反力架之间通过高强螺栓连接。3.如权利要求2所述的模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置，其特征在于，所述的加载系统包括位于反力架前、后、左、右、上、下六个面上的液压千斤顶，位于前、后、左、右、下方的液压千斤顶的缸体固定于所述的反力架上，动力杆安装矩形推力器对加载板进行加载；位于反力架上方的液压千斤顶的缸体固定于所述的反力架上，其动力端连接圆形垫筒，所述的圆形垫筒连接所述的三角形加载块，对压实板进行施力。4.如权利要求2所述的模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置，其特征在于，位于反力架上面的液压千斤顶在进行地应力加载时，拆除其动力端连接的圆形垫筒，连接上加载板，进行地应力加载。5.如权利要求2所述的模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置，其特征在于，所述的导向框放在所述的反力架内，其为一个矩形框架结构，其上设有导轨，六面加载板插装在所述的导轨内。6.如权利要求1所述的一种模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置，其特征在于，所述的条形控制板包括多个，多个条形控制板按照一定的倾斜角度依...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强勇，张振杰，李术才，刘传成，张岳，任明洋，李帆，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37