围岩变形与压力模拟试验系统及试验方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术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。本专利技术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。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。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。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。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。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。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。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。本专利技术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：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，并将试验对象安放在指定位置；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；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；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；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。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；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。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。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。本专利技术的有益效果是：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；本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。
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。
5.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。
6.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。
7.根据权利要求6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
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李为腾，李廷春，王刚，杨宁，玄超，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37