深部巖體高地應(yīng)力模擬加載裝置及試驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種深部巖體高地應(yīng)力模擬加載裝置及試驗裝置。模擬加載裝置包括圓筒，在圓筒上連接有頂蓋，在圓筒的底部設(shè)有鉆孔，在圓筒內(nèi)設(shè)有環(huán)形氣囊，在環(huán)形氣囊上設(shè)有氣囊氣閥，氣囊氣閥的充氣嘴從圓筒內(nèi)部伸至圓筒外部，所述環(huán)形氣囊的外壁貼合在圓筒的內(nèi)壁上，在環(huán)形氣囊內(nèi)設(shè)有氣墊，在氣墊上設(shè)有氣墊氣閥，氣墊氣閥的充氣嘴從頂蓋的內(nèi)側(cè)伸至頂蓋的外側(cè)，所述圓筒與所述頂蓋圍合并構(gòu)成環(huán)形氣囊及氣墊的反力腔。模擬實驗裝置，包括：支撐臺架，在支撐臺架上設(shè)有模擬加載裝置及鉆孔裝置，所述支撐臺架包括兩個相互平行的剛性支架，所述剛性支架包括第一立柱及第二立柱，在第一立柱及第二立柱上設(shè)有橫梁，所述模擬加載裝置設(shè)在橫梁上。
【專利說明】深部巖體高地應(yīng)力模擬加載裝置及試驗裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種基于相似理論和氣壓正壓加載法原理的深部巖體高地應(yīng)力模擬試驗裝置，尤其涉及適用于深部巖體開挖分區(qū)破裂化模擬試驗研究的深部巖體高地應(yīng)力模擬加載裝置及試驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，基本建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，國防建設(shè)不斷發(fā)展，人類在向空中發(fā)展的同時，地下空間的開發(fā)也不斷地走向深部[1]。上千米乃至數(shù)千米的礦井、巷道比比皆是，如沈陽采屯礦開采深度為1197m，南非的Anglogold有限公司的西部深井金礦，開礦深度達(dá)3700m[2];水電工程引水隧道的埋深，如錦屏電站，最大埋深2600m，南水北調(diào)西線工程，最大埋深1150m[3];公路隧道，如穿越阿爾卑斯山伯朗峰圣各達(dá)隧道，埋深2500mM ;核廢料的深層地質(zhì)處理深度已達(dá)數(shù)百米乃至上千米，中國高放核廢料處置庫擬建在深度達(dá)700m的花崗巖中[5];油氣工程已達(dá)300(T4000m ;能源儲存工程達(dá)一千多米，國家戰(zhàn)略能源儲備中大型地下儲氣庫及儲油庫也將在深部地下空間中建造[6];為抵御精確制導(dǎo)武器的殺傷破壞作用，很多國防工程，特別是首腦指揮工程都建在深地下，以獲得很高的防護(hù)能力，如美國北美防空司令部和美國航天司令部的地下指揮中心，就位于科羅拉多州普林斯市郊夏延山的60(T700m巖層下m等等。
[0003]上述煤礦巷道、冶金礦山、水電站地下廠房、鐵路、公路隧道、地下鐵道及國防工程等深部地下工程的開挖和施工，往往帶來很多難以預(yù)測的問題，如巖爆、瓦斯爆炸、突水、頂板大面積來壓和采空區(qū)失穩(wěn)等一系列災(zāi)害性事故頻頻發(fā)生。為了避免突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害對人民生命和財產(chǎn)造成危害，同時也為了盡量減少重大事故的發(fā)生，必須對深部巖體在開挖時引起的特征科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行深入細(xì)致的研究。已有的研究表明，分區(qū)破裂化現(xiàn)象是深部巖體在開挖時所發(fā)生的主要力學(xué)現(xiàn)象之一。深部巖體具有獨(dú)特的構(gòu)造特性，賦存于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，具有高地應(yīng)力、高溫、高滲透壓等特點，這些構(gòu)造與力學(xué)特性使得深部巖體工程響應(yīng)具有一系列新的特征科學(xué)現(xiàn)象。為了進(jìn)一步揭示深部巖體在開挖時所發(fā)生的一系列變化規(guī)律，深入研究深部巖體的特征科學(xué)現(xiàn)象顯得尤為重要。
[0004]由于深部工程與淺部工程所處的環(huán)境明顯不同，工程巖體所表現(xiàn)出的基本力學(xué)特性及其工程響應(yīng)也明顯不同。由此造成工程災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理、工程穩(wěn)定性控制及其設(shè)計理論等方面也有顯著的差異，引發(fā)了諸多與淺部工程完全不同的，亟需解決的深部工程技術(shù)問題，且這些問題無法全部用傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論圓滿解釋。由于現(xiàn)場監(jiān)測存在許多難以解決的技術(shù)問題、經(jīng)費(fèi)問題和安全問題，必須利用現(xiàn)有的試驗條件在實驗室內(nèi)對深部巖體在高地應(yīng)力條件下的力學(xué)行為展開研究。因此，設(shè)計一套特殊的試驗裝置再現(xiàn)深部巖體的高地應(yīng)力環(huán)境具有重要的理論意義和工程價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型提供一種能夠再現(xiàn)深部巖體開挖過程中高地應(yīng)力環(huán)境的深部巖體高地應(yīng)力模擬加載裝置及試驗裝置。
[0006]本實用新型采用如下技術(shù)方案:
[0007]本實用新型所述的一種深部巖體高地應(yīng)力模擬加載裝置，包括:圓筒，在圓筒上連接有頂蓋，在圓筒的底部設(shè)有鉆孔，在圓筒內(nèi)設(shè)有環(huán)形氣囊，在環(huán)形氣囊上設(shè)有氣囊氣閥，氣囊氣閥的充氣嘴從圓筒內(nèi)部伸至圓筒外部，所述環(huán)形氣囊的外壁貼合在圓筒的內(nèi)壁上，在環(huán)形氣囊內(nèi)設(shè)有氣墊，在氣墊上設(shè)有氣墊氣閥，氣墊氣閥的充氣嘴從頂蓋的內(nèi)側(cè)伸至頂蓋的外側(cè)，所述圓筒與所述頂蓋圍合并構(gòu)成環(huán)形氣囊及氣墊的反力腔。
[0008]本實用新型所述的一種深部巖體高地應(yīng)力模擬實驗裝置，包括:支撐臺架，在支撐臺架上設(shè)有模擬加載裝置及鉆孔裝置，所述支撐臺架包括兩個相互平行的剛性支架，所述剛性支架包括第一立柱及第二立柱，在第一立柱及第二立柱上設(shè)有橫梁，所述模擬加載裝置設(shè)在橫梁上，所述模擬加載裝置包括圓筒，在圓筒上連接有頂蓋，在圓筒的底部設(shè)有鉆孔，在圓筒內(nèi)設(shè)有環(huán)形氣囊，在環(huán)形氣囊上設(shè)有氣囊氣閥，氣囊氣閥的充氣嘴從圓筒內(nèi)部伸至圓筒外部，所述環(huán)形氣囊的外壁貼合在圓筒的內(nèi)壁上，在環(huán)形氣囊內(nèi)設(shè)有氣墊，在氣墊上設(shè)有氣墊氣閥，氣墊氣閥的充氣嘴從頂蓋的內(nèi)側(cè)伸至頂蓋的外側(cè)，所述圓筒與所述頂蓋圍合并構(gòu)成環(huán)形氣囊及氣墊的反力腔。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點:
[0010]本實用新型通過設(shè)計一套基于相似理論和氣壓正壓加載法原理的加載裝置，采用“高壓氣囊加載”的方式，保證了初始條件和施工過程中地應(yīng)力的相似，能真實地再現(xiàn)深部巖體開挖過程中的高地應(yīng)力環(huán)境，為進(jìn)一步試驗研究提供相似基礎(chǔ)。
[0011]研制的模擬試驗設(shè)備由以下3大部分組成:①試驗支撐臺架；②黑色硫化橡膠氣囊向試件提供徑向和軸向荷載的反力裝置等3部分組成。
[0012]把試塊和加載系統(tǒng)支撐在臺架上，氣囊的內(nèi)部凈尺寸與模型的大小相同，便于試驗時氣囊的安裝。模擬時水平和豎直方向采用高壓柔性氣囊施加均布荷載，模擬深部巖體受到的地應(yīng)力，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定的初始地應(yīng)力場后，開始對試件的底面鉆孔，從而模擬深部巖體在開挖和掘進(jìn)時的情況。該裝置可保證試驗全過程的氣壓恒定，操作簡便、安全，且滿足初始條件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型的模擬加載裝置的拼裝示意圖。
[0014]圖2是本實用新型的剛性支架的主視圖。
[0015]圖3是本實用新型的剛性支架的俯視圖。
[0016]圖4是本實用新型的半圓反力板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖5是本實用新型反力頂板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖6是本實用新型反力底板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖7是本實用新型模擬實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0020]實施例1
[0021]一種深部巖體高地應(yīng)力模擬加載裝置，包括:圓筒，在圓筒上連接有頂蓋，在圓筒的底部設(shè)有鉆孔331，在圓筒內(nèi)設(shè)有環(huán)形氣囊1，在環(huán)形氣囊I上設(shè)有氣囊氣閥11，氣囊氣閥11的充氣嘴從圓筒內(nèi)部伸至圓筒外部，所述環(huán)形氣囊I的外壁貼合在圓筒的內(nèi)壁上，在環(huán)形氣囊I內(nèi)設(shè)有氣墊2，在氣墊2上設(shè)有氣墊氣閥21，氣墊氣閥21的充氣嘴從頂蓋的內(nèi)側(cè)伸至頂蓋的外側(cè)，所述圓筒與所述頂蓋圍合并構(gòu)成環(huán)形氣囊I及氣墊2的反力腔。環(huán)形氣囊I及氣墊2采用大型載重汽車內(nèi)胎材料，因其具有耐拉伸、耐撕裂性能和良好的氣密性，且壓力可以達(dá)到0.75MPa左右。根據(jù)試驗要求氣囊安全可靠，且可以重復(fù)使用，確定氣囊橡膠材料的厚度為5mm。試驗時氣囊在反推力鋼板的約束下對試塊施加圍壓作用(圖1)。由高壓氣泵提供氣體，經(jīng)過濾，通過高壓氣管由氣嘴進(jìn)入氣囊，用調(diào)壓閥調(diào)節(jié)到所需的壓力值，在反力裝置的作用下完成加載。環(huán)形氣囊I及氣墊2在本實施例中，
[0022]圓筒包括反力底板33，在反力底板33上連接有第一半圓反力板31及第二半圓反力板32且第一半圓反力板31的兩個側(cè)壁分別與第二半圓反力板32的兩個側(cè)壁連接，所述頂蓋采用反力頂板34。反力底板33、第一半圓反力板31、第二半圓反力板32及反力頂板34之間用螺栓相連，要求圓筒及頂蓋在氣囊加壓過程中保持原來位置不動，并且變形很小，從而保持氣囊壓力恒定。
[0023]本實施例的模擬加載裝置的特點:
[0024](a)結(jié)構(gòu)簡單，整體剛性好，加壓荷載大。實踐證明結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度偏于安全，在加載過程中，整個裝置變形很小，可以重復(fù)使用。
[0025]( b )操作靈活，使用方便，讀數(shù)直觀。
[0026](C)能形成恒定的高地應(yīng)力場，保證了試驗的初始條件和施工過程的圍壓相似。
[0027]實施例2
[0028]一種深部巖體高地應(yīng)力模擬實驗裝置，包括:支撐臺架，在支撐臺架上設(shè)有模擬加載裝置及鉆孔裝置6，所述支撐臺架包括兩個相互平行的剛性支架，所述剛性支架包括第一立柱41及第二立柱42，在第一立柱41及第二立柱42上設(shè)有橫梁5，所述模擬加載裝置設(shè)在橫梁5上，所述模擬加載裝置包括圓筒，在圓筒上連接有頂蓋，在圓筒的底部設(shè)有鉆孔331，在圓筒內(nèi)設(shè)有環(huán)形氣囊1，在環(huán)形氣囊I上設(shè)有氣囊氣閥11，氣囊氣閥11的充氣嘴從圓筒內(nèi)部伸至圓筒外部，所述環(huán)形氣囊I的外壁貼合在圓筒的內(nèi)壁上，在環(huán)形氣囊I內(nèi)設(shè)有氣墊2，在氣墊2上設(shè)有氣墊氣閥21，氣墊氣閥21的充氣嘴從頂蓋的內(nèi)側(cè)伸至頂蓋的外側(cè)，所述圓筒與所述頂蓋圍合并構(gòu)成環(huán)形氣囊I及氣墊2的反力腔，所述鉆孔裝置6處于能夠使鉆孔裝置的鉆頭鉆進(jìn)、退出圓筒底部鉆孔331的位置。將模擬加載裝置設(shè)在支撐臺架上，使其離地面一定高度，便于利用取芯機(jī)從裝置底部鉆孔模擬開挖過程。試驗時為了模擬深部巖體的開挖或掘進(jìn)，必須在模型上開洞或鉆孔，考慮到鉆孔的方便實施，必須把試驗裝置支撐在一定的高度，故設(shè)計支撐臺架。支撐臺架是兩個相互平行的剛性支架，由4根立柱和兩根橫梁組成，其作用是:一是固定加載裝置；二是便于采用取芯機(jī)模擬開挖過程。
[0029]由于目前尚無成熟的加載裝置可供使用，按照試驗加載要求及試塊大小，自行設(shè)計和制作了模擬試驗的加載裝置。試驗采用氣壓加載法，氣壓加載法分為正壓加載和負(fù)壓加載兩種，正壓加載是利用壓縮空氣的壓力對結(jié)構(gòu)施加荷載，尤其適用于施加均布荷載，直接通過壓力表就可以反映出加載值，加卸載方便，并可產(chǎn)生很大的荷載。負(fù)壓加載是利用真空泵將試驗結(jié)構(gòu)物下面密封室內(nèi)的空氣抽出，使之形成真空，結(jié)構(gòu)的外表面受到的大氣壓，就成為施加在結(jié)構(gòu)上的均布荷載，由真空度可得出加載值。其缺點是安裝量測儀表受到限制，觀測試驗現(xiàn)象等不方便，一般很少應(yīng)用。本實用新型采用正壓加載法，先利用高壓氣泵向氣囊內(nèi)充入高壓空氣，然后利用氣囊加載反力裝置的作用就可以成功地在試塊上施加均布荷載。由于氣囊中的壓力是等值變化的，改變充氣壓力的大小，即可改變施加在模型上均布荷載的大小，可以較真實地再現(xiàn)深部巖體開挖時的高地應(yīng)力環(huán)境。
【權(quán)利要求】
1.一種深部巖體高地應(yīng)力模擬加載裝置，其特征在于，包括:圓筒，在圓筒上連接有頂蓋，在圓筒的底部設(shè)有鉆孔(331)，在圓筒內(nèi)設(shè)有環(huán)形氣囊(1)，在環(huán)形氣囊(I)上設(shè)有氣囊氣閥(11)，氣囊氣閥(11)的充氣嘴從圓筒內(nèi)部伸至圓筒外部，所述環(huán)形氣囊(I)的外壁貼合在圓筒的內(nèi)壁上，在環(huán)形氣囊(I)內(nèi)設(shè)有氣墊(2)，在氣墊(2)上設(shè)有氣墊氣閥(21)，氣墊氣閥(21)的充氣嘴從頂蓋的內(nèi)側(cè)伸至頂蓋的外側(cè)，所述圓筒與所述頂蓋圍合并構(gòu)成環(huán)形氣囊(I)及氣墊(2)的反力腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部巖體高地應(yīng)力模擬加載裝置，其特征在于，圓筒包括反力底板(33)，在反力底板(33)上連接有第一半圓反力板(31)及第二半圓反力板(32)且第一半圓反力板(31)的兩個側(cè)壁分別與第二半圓反力板(32)的兩個側(cè)壁連接，所述頂蓋采用反力頂板(34)。
3.一種深部巖體高地應(yīng)力模擬實驗裝置，其特征在于，包括:支撐臺架，在支撐臺架上設(shè)有模擬加載裝置及鉆孔裝置(6)，所述支撐臺架包括兩個相互平行的剛性支架，所述剛性支架包括第一立柱(41)及第二立柱(42)，在第一立柱(41)及第二立柱(42)上設(shè)有橫梁(5)，所述模擬加載裝置設(shè)在橫梁(5)上，所述模擬加載裝置包括圓筒，在圓筒上連接有頂蓋，在圓筒的底部設(shè)有鉆孔(331)，在圓筒內(nèi)設(shè)有環(huán)形氣囊(1)，在環(huán)形氣囊(I)上設(shè)有氣囊氣閥(11)，氣囊氣閥(11)的充氣嘴從圓筒內(nèi)部伸至圓筒外部，所述環(huán)形氣囊(I)的外壁貼合在圓筒的內(nèi)壁上，在環(huán)形氣囊(I)內(nèi)設(shè)有氣墊(2)，在氣墊(2)上設(shè)有氣墊氣閥(21)，氣墊氣閥(21)的充氣嘴從頂蓋的內(nèi)側(cè)伸至頂蓋的外側(cè)，所述圓筒與所述頂蓋圍合并構(gòu)成環(huán)形氣囊(I)及氣墊(2)的反力腔，所述鉆孔裝置(6)處于能夠使鉆孔裝置的鉆頭鉆進(jìn)、退出圓筒底部鉆孔(331)的位置。
【文檔編號】G01N3/12GK203443860SQ201320577115
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】陳萬祥, 郭志昆, 廖美春 申請人:陳萬祥