本發(fā)明涉及礦山建設(shè)領(lǐng)域，特別涉及平面應(yīng)變高強井壁加載裝置及試驗加載方法。

背景技術(shù)：

目前高強井壁的混凝土最高強度已經(jīng)達到90mpa，高強井壁的受力分析及破壞機理一直都是礦山建設(shè)研究領(lǐng)域中的一個重要課題。高強井壁的受力及變形特性比較復(fù)雜，相似模型試驗是研究該問題的一種重要方法。

在高強井壁的模型實驗中，對外載的控制是整個實驗的重要內(nèi)容，通常選用油壓來模擬井壁的外荷載，高強井壁對應(yīng)的外荷載較大，這對試驗的加載裝置提出了更高的要求。在對井壁的力學(xué)特性分析中，通常把井壁看做無限長厚壁圓筒，井壁的受力問題可以簡化為平面應(yīng)變問題。

目前針對于平面應(yīng)變高強井壁模型試驗加載裝置的研究還沒有形成系統(tǒng)的理論。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種平面應(yīng)變高強井壁加載裝置及試驗加載方法，能夠?qū)崿F(xiàn)平面應(yīng)變狀態(tài)下高強井壁的加載實驗。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種平面應(yīng)變高強井壁加載裝置，包括：高壓容器，用于容納需要測試的井壁模型，在井壁模型上粘貼有若干應(yīng)變片并連接數(shù)據(jù)線；所述高壓容器由圓柱形的筒體、上蓋和下蓋組成，所述筒體的上端與所述上蓋連接，所述筒體的下端與所述下蓋連接，所述上蓋與所述下蓋連接，所述上蓋上設(shè)置有壓力監(jiān)測孔，用于連接壓力監(jiān)測裝置，所述筒體上設(shè)有進油孔，用于向所述筒體內(nèi)進油，所述筒體上設(shè)有引線孔，用于將連接在所述井壁模型上的所述數(shù)據(jù)線引出所述筒體。

進一步地，在上述平面應(yīng)變高強井壁加載裝置中，所述上蓋與所述下蓋均為圓環(huán)狀，所述上蓋的上表面和所述下蓋的下表面均設(shè)有一圈隆起部，所述壓力監(jiān)測孔設(shè)置在所述上蓋的隆起部上。

進一步地，在上述平面應(yīng)變高強井壁加載裝置中，所述上蓋和所述下蓋的徑向方向均分布有多條凸起條紋，在所述上蓋和所述下蓋上沿徑向由內(nèi)向外均分布有三圈孔。

進一步地，在上述平面應(yīng)變高強井壁加載裝置中，雙頭螺桿從所述上蓋和所述下蓋上的最內(nèi)圈的孔穿過并經(jīng)過所述筒體中間且不與所述筒體的側(cè)壁接觸，所述雙頭螺桿將所述上蓋與所述下蓋連接并固定，在所述雙頭螺桿的兩端均由螺母固定，所述井壁模型放置在所述筒體的側(cè)壁與所述雙頭螺桿之間的空間，所述雙頭螺桿具有足夠的剛度能夠保證所述井壁模型處于平面應(yīng)變狀態(tài)。

進一步地，在上述平面應(yīng)變高強井壁加載裝置中，在所述上蓋和所述下蓋上的中間圈的孔用于放入螺釘，所述筒體的上端和下端均設(shè)置有與所述中間圈的孔對應(yīng)的孔，所述螺釘將所述上蓋與所述筒體的上端連接，所述螺釘將所述下蓋與所述筒體的下端連接。

進一步地，在上述平面應(yīng)變高強井壁加載裝置中，所述筒體的上端和下端的外圈端各設(shè)置有一個凸出的圓臺，在所述圓臺上設(shè)置有一圈孔，所述圓臺上的孔與所述上蓋和所述下蓋上的最外圈的孔一一對應(yīng)并用于放入螺栓，所述螺栓將所述上蓋與所述筒體的上端連接，所述螺栓將所述下蓋與所述筒體的下端連接。

進一步地，在上述平面應(yīng)變高強井壁加載裝置中，在所述上蓋和所述下蓋上的最內(nèi)圈孔的外側(cè)沿徑向分布有多圈第一凹槽，所述第一凹槽用于放置o形密封圈。

進一步地，在上述平面應(yīng)變高強井壁加載裝置中，在所述下蓋的內(nèi)圈端部設(shè)置有一圈第二凹槽，所述第二凹槽用于放置放油漏斗。

進一步地，在上述平面應(yīng)變高強井壁加載裝置中，所述筒體中部的外側(cè)壁上設(shè)置有一圈圓形凸肋，在所述圓形凸肋上均勻分布有八個孔：其中兩個孔為所述進油孔，另外六個孔為引線孔，兩個所述進油孔位于所述筒體的圓環(huán)橫截面的一條直徑上。

另一方面，提供了一種平面應(yīng)變高強井壁模型試驗加載方法，包括以下步驟：

(1)在模具中澆筑井壁，并對所述井壁的上下端面進行精加工，得井壁模型；

(2)在所述井壁模型同一水平的內(nèi)外表面及鋼筋網(wǎng)的內(nèi)外排各粘貼若干應(yīng)變片并連接數(shù)據(jù)線；

(3)打開權(quán)利要求1至9任一項的平面應(yīng)變高強井壁加載裝置的所述上蓋，將所述井壁模型放置在所述高壓容器內(nèi)，將所述數(shù)據(jù)線從所述引線裝置中引出所述高壓容器，用環(huán)氧樹脂對所述數(shù)據(jù)線與所述引線裝置之間的空隙進行填充，保證所述井壁模型與所述高壓容器之間的空間密閉，蓋好所述上蓋，上緊所述雙頭螺栓、螺釘和螺栓，將所述進油接口通過高壓油管與高壓油泵相連；

(4)利用所述高壓油泵通過高壓油管對所述加載裝置中的井壁模型進行加載，根據(jù)模型壁厚不同進行預(yù)加載；隨后分級穩(wěn)壓加載，然后穩(wěn)壓1～2min再繼續(xù)加載；當(dāng)井壁模型接近破壞時，提高加載速度直至井壁模型破裂；

優(yōu)選地，所述預(yù)加載不超過井壁模型設(shè)計荷載的30％，所述分級穩(wěn)壓加載為每30s加載0.5mpa。

從以上的描述中，可以看出，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)了如下技術(shù)效果：

本發(fā)明提供的平面應(yīng)變高強井壁加載裝置及試驗加載方法可實現(xiàn)對高強井壁的受力及破壞機理分析；

在高強井壁模型的實驗中，該加載裝置能夠適應(yīng)高強井壁對應(yīng)的較大外荷載，同時實現(xiàn)了井壁的平面應(yīng)變。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。其中：

圖1為本發(fā)明的一個實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中實施例的上蓋的上表面的結(jié)構(gòu)示意圖(如果去掉圖中標(biāo)記10，該圖也可作為下蓋的下表面示意圖)；

圖3為圖1中實施例的放油漏斗的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖1中實施例的進油孔的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為圖1中實施例的進油接口的截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為圖1中實施例的引線裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為圖1中實施例的引線裝置的截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為圖1中實施例的雙頭螺桿的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為圖1中實施例的o形密封圈的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為圖1中實施例的紫銅墊圈的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為圖1中實施例的壓力監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12為圖1中a處的放大結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說明：1雙頭螺桿、2上蓋、3螺釘、4螺栓、5進油孔、6下蓋、7放油漏斗、8引線孔、9第一凹槽、10壓力監(jiān)測孔、11筒體、12o型密封圈、13進油接口、131法蘭、132螺紋雙頭接頭、14引線裝置、141法蘭、142出線接頭、143出線孔、15壓力監(jiān)測裝置、151壓力表、152油壓傳感器、16紫銅墊圈、17圓形凸肋、18圓臺、19第二凹槽、20孔、21孔、22孔、23孔、24隆起部、25凸起條紋。

具體實施方式

下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

在本發(fā)明的描述中，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明而不是要求本發(fā)明必須以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。本發(fā)明中使用的術(shù)語“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接；可以是直接相連，也可以通過中間部件間接相連，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。

如圖1至圖12所示，根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種平面應(yīng)變高強井壁加載裝置，包括：高壓容器，高壓容器的內(nèi)表面光滑，用于容納需要測試的井壁模型，在井壁模型上粘貼有若干應(yīng)變片并連接數(shù)據(jù)線；高壓容器由圓柱形的筒體11、上蓋2和下蓋6組成，筒體11的上端與上蓋2連接，筒體11的下端與下蓋6連接，上蓋2與下蓋6連接，從而將上蓋2和下蓋6蓋合到筒體11上，上蓋2上設(shè)置有壓力監(jiān)測孔10，用于連接壓力監(jiān)測裝置15，筒體11上設(shè)有進油孔5，用于向筒體11內(nèi)進油，筒體11上設(shè)有引線孔8，用于將連接在井壁模型上的數(shù)據(jù)線引出筒體11。

本發(fā)明的實施例提供的平面應(yīng)變高強井壁加載裝置可保證井壁模型在高壓容器內(nèi)處于平面應(yīng)變狀態(tài)。

進一步地，壓力監(jiān)測裝置15通過壓力監(jiān)測孔10與上蓋2連接，壓力監(jiān)測裝置15包括1個0.4級標(biāo)準(zhǔn)精密壓力表151和1個bpr-250油壓傳感器152，油壓傳感器152置于所述高壓容器內(nèi)，壓力表151置于所述高壓容器的外部以便于監(jiān)測高壓容器內(nèi)的油壓，油壓傳感器152與壓力表151的連接線穿過壓力監(jiān)測孔10。

進一步地，上蓋2與下蓋6均為圓環(huán)狀且大小相同，上蓋2的上表面和下蓋6的下表面均設(shè)有一圈隆起部24，壓力監(jiān)測孔10設(shè)置在上蓋2的隆起部24上。上蓋2和下蓋6的徑向方向均分布有多條凸起條紋25，隆起部24和凸起條紋25用來提高該加載裝置的承載能力，在上蓋2和下蓋6上沿徑向由內(nèi)向外均分布有三圈孔，其中：

最內(nèi)圈的孔21優(yōu)選設(shè)置為16個圓孔，雙頭螺桿1從上蓋2和下蓋6上的最內(nèi)圈的孔21穿過并經(jīng)過筒體11中間且不與筒體11的側(cè)壁接觸，雙頭螺桿1將上蓋2與下蓋6連接并固定，在雙頭螺桿1的兩端均由螺母固定，井壁模型放置在筒體11的側(cè)壁與雙頭螺桿1之間的空間，雙頭螺桿1具有足夠的剛度能夠保證井壁模型處于平面應(yīng)變狀態(tài)。進一步地，孔21的內(nèi)壁光滑，可設(shè)置下蓋6最內(nèi)圈的孔21呈橢圓形狀，即容納雙頭螺桿1后還留有空隙，用于緩沖井壁模型破壞時的沖擊對雙頭螺桿1的破壞；也可設(shè)置下蓋6最內(nèi)圈的孔21的直徑大于上蓋2最內(nèi)圈的孔21的直徑，用來緩解井壁模型破壞時對雙頭螺桿1造成的沖擊。

中間圈的孔22優(yōu)選設(shè)置為30個圓孔，在上蓋2和下蓋6上的中間圈的孔22用于放入螺釘3，筒體11的上端和下端均設(shè)置有與中間圈的孔22對應(yīng)的孔，螺釘3將上蓋2與筒體11的上端連接，螺釘3將下蓋6與筒體11的下端連接。即螺釘3共有60個，分別從上蓋2與下蓋6的中間圈的孔22穿過，通過螺紋擰合到筒體11上，從而與筒體11相連。

最外圈的孔23優(yōu)選設(shè)置為30個圓孔，筒體11的上端和下端的外圈端各設(shè)置有一個凸出的圓臺18，在圓臺18上設(shè)置有一圈孔，圓臺18上的孔與上蓋2和下蓋6上的最外圈的孔23一一對應(yīng)并用于放入螺栓4，螺栓4將上蓋2與筒體11的上端連接，螺栓4將下蓋6與筒體11的下端連接，螺栓4的螺桿端由螺母固定。即螺栓4有60個，從上蓋2與下蓋6的最外圈的孔23穿過，并穿過筒體11的上端和下端的突出圓臺18，通過螺母擰合后，分別將上蓋2、下蓋6與筒體11緊密連接在一起。

優(yōu)選地，最外圈的孔23與中間圈的孔22交錯分布，以利于提高該加載裝置的承載能力。

上蓋2和下蓋6的材質(zhì)均優(yōu)選用27simn鋼，該種材料具有較高的強度和耐磨性，可以保證上蓋2和下蓋6在反復(fù)加載以及拆卸后仍能保持較高的完整性和較好的工作性能。

雙頭螺桿1、螺釘3及螺栓4的材質(zhì)可以選用42crmo，該種材料具有高強度和韌性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，可以很好的滿足的螺桿1、螺釘3及螺栓4承受多次高強拉伸的的性能要求。

每個螺釘3、螺栓4及螺母與筒體11接觸的面上都墊有紫銅墊圈16，保證螺母與筒體11的緊密接觸而又不會對筒體11的表面造成損傷。紫銅墊圈16，為圓環(huán)形狀，具有一定厚度，被墊在螺母與筒體11的接觸面上。

進一步地，在上蓋2和下蓋6上的最內(nèi)圈孔21的外側(cè)沿徑向分布有多圈第一凹槽9，第一凹槽9用于放置o形密封圈12。第一凹槽9優(yōu)選設(shè)置為四圈，其中兩個第一凹槽9分布在筒體11與上蓋2(下蓋6)的接觸面上，另外兩個第一凹槽9分布在井壁模型與上蓋2(下蓋6)的接觸面上。o形密封圈12的材質(zhì)優(yōu)選為耐油橡膠，與第一凹槽9的直徑對應(yīng)的共分為4種直徑，o形密封圈12的截面直徑略小于第一凹槽9的寬度，當(dāng)上蓋2與筒體11、下蓋6與筒體11、上蓋2與井壁模型、下蓋6與井壁模型接觸時，o形密封圈12被壓變形，從而保證各構(gòu)件的緊密接觸，o形密封圈12的表面氣泡不得多于10個，泡徑小于2mm，硬度為hs90，要求具有較好的彈性。

進一步地，在下蓋6的內(nèi)圈端部設(shè)置有一圈第二凹槽19，第二凹槽19用于放置放油漏斗7。放油漏斗7的直徑略大于下蓋6的內(nèi)徑，放油漏斗7的外緣通過下蓋6內(nèi)圈端部的第二凹槽19與下蓋6相連，并保證漏斗7的外緣與下蓋6的上表面處于同一水平面，以利于油的匯入。

進一步地，筒體11中部的外側(cè)壁上設(shè)置有一圈圓形凸肋17，在圓形凸肋17上均勻分布有八個孔：其中兩個孔為進油孔5，另外六個孔為引線孔8，兩個進油孔5位于筒體11的圓環(huán)橫截面的一條直徑上，即兩個進油孔5相對設(shè)置，正常情況下開啟一個進油孔5即可滿足加載要求，另外一個進油孔5作為應(yīng)對突發(fā)情況的備用進油孔。

如圖4和圖5所示，進油孔5用于連接進油接口13，進油接口13有兩個，進油接口13由一個法蘭131和一個螺紋雙頭接頭132組成，在進油孔5周圍的筒體11上設(shè)置有多個孔20，用于與法蘭131連接，法蘭131的一端可通過墊片與筒體11緊密相連并通過穿入法蘭131和孔20的螺栓固定，法蘭131的另一端與螺紋雙頭接頭132的一端相連，螺紋雙頭接頭132的另一端與高壓油管相連。

如圖6和圖7所示，筒體11上設(shè)有引線孔8，用于連接引線裝置14，引線裝置14有六個，所有數(shù)據(jù)線均采用就近原則從鄰近的引線裝置14引出，避免大量的數(shù)據(jù)線纏繞、混亂。線裝置14由一個法蘭141和一個出線接頭142組成，出線接頭142上設(shè)置有多個出線孔143，法蘭141的一端可通過墊片與筒體11緊密相連，法蘭141的另一端與出線接頭142有螺紋的一端相連，出線孔143均勻分布在出線接頭142的端面，數(shù)據(jù)線通過出線孔143穿出筒體11外。

本發(fā)明的實施例還公開一種平面應(yīng)變高強井壁模型試驗加載方法，包括以下步驟：

(1)在模具中澆筑井壁，養(yǎng)護一段時間后送車間和磨床對其上下端面進行精加工，得井壁模型；優(yōu)選對井壁模型精加工來獲得較高的光滑度，確保井壁模型的上、下兩端面邊界條件的相似性和密封性；

(2)在井壁模型同一水平的內(nèi)外表面及鋼筋網(wǎng)的內(nèi)外排按照常規(guī)貼片工藝各粘貼若干應(yīng)變片并連接數(shù)據(jù)線；

(3)打開如上所述的平面應(yīng)變高強井壁加載裝置的上蓋2，將井壁模型放置在高壓容器內(nèi)，將數(shù)據(jù)線從引線裝置14中引出高壓容器，用環(huán)氧樹脂對數(shù)據(jù)線與引線裝置14之間的空隙進行填充，保證井壁模型與高壓容器之間的空間密閉，蓋好上蓋2，上緊雙頭螺桿1、螺釘3和螺栓4，將進油接口13通過高壓油管與高壓油泵相連；

由高壓油泵施加水平油壓模擬橫向均勻地壓作用，在上蓋2的下端設(shè)置有兩道o形密封圈12，通過其變形可消除端面的摩擦力，以確保井壁模型在徑向方向上能夠自由滑動和密封，該加載裝置在豎直方向上通過上蓋2、下蓋6和雙頭螺桿1、螺釘3及螺栓4進行固定，由于上蓋和雙頭螺桿1、螺釘3及螺栓4的剛度較大，在加載過程中，井壁模型基本上處于平面應(yīng)變狀態(tài)；

(4)利用高壓油泵通過高壓油管對加載裝置中的井壁模型進行加載，根據(jù)模型壁厚不同進行預(yù)加載；隨后分級穩(wěn)壓加載，然后穩(wěn)壓1～2min再繼續(xù)加載；當(dāng)井壁模型接近破壞時，提高加載速度直至井壁模型破裂。優(yōu)選預(yù)加載不超過井壁模型設(shè)計荷載的30％，分級穩(wěn)壓加載即每30s加載0.5mpa。

從以上的描述中，可以看出，本發(fā)明上述的實施例實現(xiàn)了如下技術(shù)效果：

本發(fā)明實施例提供的平面應(yīng)變高強井壁加載裝置及試驗加載方法可實現(xiàn)對高強井壁的受力及破壞機理分析。

在高強井壁模型的實驗中，該加載裝置能夠適應(yīng)高強井壁對應(yīng)的較大外荷載，同時實現(xiàn)了井壁的平面應(yīng)變。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。