CN108548766B - 基于磁电控制的岩体瞬态卸荷渗流动力响应模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于磁电控制的岩体瞬态卸荷渗流动力响应模拟试验装置，包括加载模块、试件模块、监测模块和液压站，加载模块包括支撑台、加载油缸和加载筒，试件模块包括节理岩体试样、围压组件和注水组件，能分别对节理岩体试样施加围压和注入高压水，监测模块包括计算机、数据采集装置和摄像机，数据采集装置设于节理岩体试样上，通过线缆与计算机相连，对模拟过程进行监测，摄像机拍摄记录试验过程，液压站与加载油缸及围压组件相联。本发明能直观的了解节理岩体试样瞬态卸荷渗流过程中的应变、位移及振动情况，提高节理岩体试样型在卸荷时的应变率，对节理岩体试样在高围压及高渗压条件下的瞬态卸荷渗流动力响应问题进行有效研究。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程模型试验的技术领域，尤其涉及一种基于磁电控制的岩体瞬态卸荷渗流动力响应模拟试验装置。
背景技术
水电站建设选址均位于高富水地区，深部岩体内部常有高压渗流存在，开挖卸荷应力波在围岩中传播的过程中与结构面产生相互作用，使得结构面产生法向和切向振动，进而产生松动、滑移、开裂，并诱发渗流通道的增大，促进了渗流场的发展；而渗流场的发展又进一步导致结构面填充物特性变化和结构面的进一步扩展，导致围岩参数的劣化和变形的增大，并加剧了后续变形速率，对施工和运行期的地下厂房安全稳定埋下隐患。因此，在研究开挖卸荷过程中的围岩变形稳定问题时，需要考虑动力荷载与渗流场耦合作用下的围岩变形损伤演化问题。
然而，以往都是通过理论分析和数值模拟的方法对有关节理岩体模型在高围压及高渗压条件下的瞬态卸荷渗流动力响应问题进行研究，都不能直观的了解到节理岩体模型瞬态卸荷渗流过程中的应变、位移及振动情况。而现有的模拟开挖卸荷的试验***卸荷速率又较慢，无法对节理岩体模型试件上所受到的荷载进行快速的卸除，所以节理岩体模型在卸荷时的应变率较低，不符合工程中实际的卸荷情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种基于磁电控制的岩体瞬态卸荷渗流动力响应模拟试验装置，能够通过改变渗压水头大小、地应力静载大小及瞬态卸荷峰值大小研究在不同填充条件下，贯通结构面填充物力学特性及节理岩体模型渗流-动应力耦合作用下的松动变形时空分布规律。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于磁电控制的岩体瞬态卸荷渗流动力响应模拟试验装置，其特征在于，包括加载模块、试件模块、监测模块和液压站，加载模块包括支撑台、加载油缸和加载筒，所述支撑台顶部开设加载凹槽，加载凹槽外侧端设有第一反力墩，所述加载油缸和加载筒依次设于加载凹槽内，通过活塞杆相联，加载油缸的外侧端与第一反力墩相抵，所述试件模块包括节理岩体试样、围压组件和注水组件，所述围压组件外套于所述节理岩体试样，所述注水组件包括注水钢管和水泵，围压组件两端分别与支撑台及第二反力墩相抵，所述注水钢管一端为封闭端，依次穿过第二反力墩、节理岩体试样和加载筒与所述活塞杆相连，另一端与所述水泵相连，所述监测模块包括计算机、数据采集装置和摄像机，所述数据采集装置设于节理岩体试样上，通过线缆与计算机相连，所述摄像机拍摄记录试验过程，所述液压站与加载油缸及围压组件相联。
按上述方案，所述活塞杆位于所述加载油缸内的一端上设有第一活塞，位于所述加载筒内的另一端上设有第二活塞，活塞杆为中空结构，所述注水钢管一端与内腔配置相连，活塞杆另一端端头套设铁环，加载筒一端固设环状电磁铁，所述环状电磁铁的内径与活塞杆的外径相配置，环状电磁铁通过线缆与直流电压控制器相连。
按上述方案，所述围压组件包括钢筒和环形橡胶囊，环形橡胶囊包覆所述节理岩体试样置于钢筒内部，钢筒开孔与环形橡胶囊的输油孔相对应设置。
按上述方案，所述液压站包括油箱、油泵、第一高压油管、第二高压油管和第三高压油管，油箱通过输油管和回油管与油泵相连，油泵分别与第一、第二、第三高压油管相连，第一、第二高压油管分别与加载油缸的两端相连通，第三高压油管穿过钢管开孔与环形橡胶囊的输油孔相连通，第一高压油管上设有第一油压表和第一控制阀，第二高压油管上设有第二油压表和第二控制阀，第三高压油管上设有第三油压表和第三控制阀。
按上述方案，所述加载油缸的内侧端面和加载筒的外侧端面上分别设有卡合装置，所述卡合装置由相配置的卡圈和卡槽组成。
按上述方案，所述数据采集装置包括节理岩体试样外周面安设的应变计、压力传感器，内周面安设的渗压力传感器和振动传感器，在节理岩体试样内部埋设的加速度传感器和位移传感器。
按上述方案，所述注水钢管位于节理岩体试样内的部分均布注水孔。
本发明的有益效果是：1、提供一种基于磁电控制的岩体瞬态卸荷渗流动力响应模拟试验装置，针对以往实验方法无法模拟高速率卸荷的不足，实现了在不同围压下及不同渗压下节理岩体模型上荷载和渗压力的快速卸除，使得节理岩体模型型产生较大的振动和应变率，更符合实际工程中节理岩体模型瞬态卸荷的情况；2、可以实现对高地应力及高渗压条件下节理岩体模型瞬态卸荷过程的模拟，并通过对节理岩体模型型在瞬态卸荷松动条件下的应变监测、振动监测、压力监测、加速度监测、渗压力监测、位移监测及高速摄影，探明地应力瞬态卸荷与不同渗压对节理岩体模型松动的影响，揭示节理岩体模型在地应力瞬态卸荷松动条件下的力学行为，对了解高地应力瞬态卸荷条件下的岩体松动规律和岩体开挖工程施工有重要意义；3、岩体模型采用不同配合比的类岩石材料材料制成，可通过改变类岩石材料配合比来改变其弹性模量、泊松比、抗压强度等力学参数，从而模拟出不同力学参数的节理岩体模型。
附图说明
图1为本发明一个实施例的正视图。
图2为本发明一个实施例的俯视图。
其中：1.支撑台，2.加载油缸，3.加载筒，4.加载凹槽，5.第一反力墩，6.第二反力墩，7.活塞杆，8.节理岩体试样，9.注水钢管，10.水泵，11.第一活塞，12.第二活塞，13.铁环，14.环状电磁铁，15.直流电压控制器，16.钢筒，17.环形橡胶囊，18.油箱，19.油泵，20.第一高压油管，21.第二高压油管，22.第三高压油管，23.输油管，24.回油管，25.第一油压表，26.第一控制阀，27.第二油压表，28.第二控制阀，29.第三油压表，30.第三控制阀，31.卡圈，32.卡槽。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。
如图1-2所示，本发明提供了一种基于磁电控制的岩体瞬态卸荷渗流动力响应模拟试验装置，包括加载模块、试件模块、监测模块和液压站，加载模块包括支撑台1、加载油缸2和加载筒3，支撑台顶部开设加载凹槽4，加载凹槽外侧端设有第一反力墩5，加载油缸和加载筒依次设于加载凹槽内，通过活塞杆7相联，加载油缸的外侧端与第一反力墩相抵，试件模块包括节理岩体试样8、围压组件和注水组件，围压组件外套于节理岩体试样，注水组件包括注水钢管9和水泵10，围压组件两端分别与支撑台及第二反力墩6相抵，注水钢管一端为封闭端，依次穿过第二反力墩、节理岩体试样和加载筒与活塞杆相连，另一端与水泵相连，注水钢管位于节理岩体试样内的部分均布注水孔，为节理岩体模型提供高渗压，监测模块包括计算机、数据采集装置和摄像机，数据采集装置设于节理岩体试样上，通过线缆与计算机相连，摄像机拍摄记录试验过程，液压站与加载油缸及围压组件相联。
活塞杆位于加载油缸内的一端上设有第一活塞11，位于加载筒内的另一端上设有第二活塞12，活塞杆为中空结构，注水钢管一端与内腔配置相连，活塞杆另一端端头套设铁环13，加载筒一端固设环状电磁铁14，环状电磁铁的内径与活塞杆的外径相配置，环状电磁铁通过线缆与直流电压控制器15相连。
围压组件包括钢筒16和环形橡胶囊17，环形橡胶囊包覆节理岩体试样置于钢筒内部，钢筒开孔与环形橡胶囊的输油孔相对应设置。
液压站包括油箱18、油泵19、第一高压油管20、第二高压油管21和第三高压油管22，油箱通过输油管23和回油管24与油泵相连，油泵分别与第一、第二、第三高压油管相连，第一、第二高压油管分别与加载油缸的两端相连通，第三高压油管穿过钢管开孔与环形橡胶囊的输油孔相连通，第一高压油管上设有第一油压表25和第一控制阀26，第二高压油管上设有第二油压表27和第二控制阀28，第三高压油管上设有第三油压表29和第三控制阀30。
加载油缸的内侧端面和加载筒的外侧端面上分别设有卡合装置，卡合装置由相配置的卡圈31和卡槽32组成，能在卸载时使得加载油缸和加载筒相连，防止对节理岩体试样发生碰撞加压。
数据采集装置包括节理岩体试样外周面安设的应变计、压力传感器，内周面安设的渗压力传感器和振动传感器，在节理岩体试样内部埋设的加速度传感器和位移传感器。应变计用来测量并记录岩体试样的应变变化，并将监测数据传送至计算机；振动传感器用来测量并记录岩体试样的振动速度变化，并将监测数据传送至计算机；压力传感器用来测量并记录节理岩体试样的压力变化，并将监测数据传送至计算机；加速度传感器用来测量并记录岩体试样的振动加速度变化，并将监测数据传送至计算机；位移传感器用来测量并记录岩体试样的位移变化，并将监测数据传送至计算机；渗压力传感器用来测量并记录岩体试样的渗压力变化，并将监测数据传送至计算机；设置在电磁铁外部的直流电压控制器及其连接的用来测量并记录电磁铁的电压变化，并通过将监测数据传送至计算机；计算机接收数据，存储并分析所采集的实验数据。
本发明的工作过程如下：
首先，在节理岩体试样外表面贴上应变计、压力传感器，内表面贴上渗压力传感器，并布置振动传感器，在节理岩体模型内部埋设加速度传感器、位移传感器，应变计、压力传感器、振动传感器、加速度传感器、位移传感器；将节理岩体试样放置在环形橡胶囊的内部，并将它们一起放入钢筒内；将加载筒放置在加载装置支撑台加载凹槽槽里面，使其可以自由滑动，加载筒作用端一侧与节理岩体试样对齐。将加载油缸固定在加载凹槽里，并通过活塞杆与加载筒相连。安置好摄影机并调整其各项设置；打开监测***中所有的装置和设备，并记录各装置和设备的初始值，以便与实验之后的数值进行对比。
然后，通过油泵、第三高压油管对环形橡胶囊进行充液压油，并通过第三油压表控制环形橡胶囊内油压的大小，加载油缸收缩使电磁铁和铁环互相紧密连接，然后利用液压站将油箱中的高压液压油经第一高压油管送入加载油缸，从而推动活塞杆向外移动，活塞杆与加载筒一并向前运动。加载筒向前运动并通过作用端与节理岩体试样接触，施加压力荷载，此时第二活塞与电磁铁之间产生拉力作用，控制液压站使得加载大小恒定。通过试件上的动压力传感器测得当前试件上加载大小，模拟开挖前受压状态。通过直流电压控制器控制电磁铁上的直流电压大小及变化速率，从而控制电磁铁与铁环之间的分离过程，最终实现瞬态卸荷的模拟。
最后，通过液压站将油箱中的高压液压油经第二高压油管送入加载油缸，从而推动活塞杆向内收缩，带动加载筒回到初始位置，并将加载油缸中的液压油经第一高压油管送回液压站油箱中，关闭液压站中的油泵。
液压站工作原理如下：
通过液压站将液压站油箱中的高压液压油经由第二高压油管送入加载油缸内，从而推动活塞杆向内收缩，并将加载油缸中的液压油经由第一高压油管送回液压站油箱中，使活塞杆上的铁环调节到能与电磁铁紧密连接的位置。
然后，启动液压站对加载筒和环形橡胶囊进行缓慢加载至实验需要的荷载，记录此时第三油压表的度数和电压数值，关闭高压水泵，待环形橡胶囊内的液压油稳定后，将钢筒和环形橡胶囊依次拆除，取出节理岩体试样。并利用监测***中的计算机保存的监测数据、油压表度数、电压表度数，对节理岩体试样卸载渗流动力响应进行模拟。
通过液压站对节理岩体试样缓慢加载的工作原理如下：
首先加载油缸收缩使电磁铁和铁环互相紧密连接，然后利用液压站控制活塞杆与加载筒一并向前运动，并通过作用端与节理岩体试样相接触，施加压力荷载，此时第二活塞与电磁铁之间产生拉力作用，控制液压站使得加载大小恒定，同时观察液压站中的油压表的变化。
通过调整水泵、液压站第三控制阀的数值，来使围岩渗流大小、节理岩体围压稳定，然后通过改变电压峰值大小来考虑荷载峰值变化对节理岩体松动效应的影响。其中振动传感器、加速度传感器、位移传感器和应变计等用来记录节理岩体的松动效应。
调整液压站第三控制阀、电磁铁的电压峰值大小的数值，来使节理岩体围压、荷载峰值变化稳定，然后通过改变围岩渗流压力的大小来考虑渗流力峰值变化对节理岩体松动效应的影响。
通过调节电磁铁外部的直流电压控制器和水泵的大小，使节理岩体瞬态卸荷峰值和节理岩体渗流压力稳定，然后通过调整液压站第三控制阀的大小来考虑节理岩体周围围压对节理岩体松动效应的影响
调整液压站第三控制阀、水泵和电磁铁的电压控制器使得节理岩体围压、渗压力和卸载荷载峰值保持稳定，然后可以通过改变不同节理岩体内部结构面之间的粗糙度来考虑节理岩体周围围压对节理岩体松动效应的影响。
调整液压站第三控制阀、水泵和电磁铁的电压控制器使得节理岩体围压、渗压力和卸载荷载峰值保持稳定，然后使节理岩体内部结构面之间粗糙度为光滑，改变结构面的数量，即考虑不同结构面数量对节理岩体松动效应的影响。
调整液压站第三控制阀、水泵和电磁铁的电压控制器使得节理岩体围压、渗压力和卸载荷载峰值保持稳定，然后使节理岩体内部结构面的数量变为零，并利用电镜扫描研究岩体瞬态卸荷作用下的损伤分布规律。
也可以通过电压控制电磁铁的安培力减弱的速率，来研究高、中、低三种不同卸载速率对损伤和松动效应的影响。
Claims (7)
1.基于磁电控制的岩体瞬态卸荷渗流动力响应模拟试验装置，其特征在于，包括加载模块、试件模块、监测模块和液压站，加载模块包括支撑台、加载油缸和加载筒，所述支撑台顶部开设加载凹槽，加载凹槽外侧端设有第一反力墩，所述加载油缸和加载筒依次设于加载凹槽内，通过活塞杆相联，加载油缸的外侧端与第一反力墩相抵，所述试件模块包括节理岩体试样、围压组件和注水组件，所述围压组件外套于所述节理岩体试样，所述注水组件包括注水钢管和水泵，围压组件两端分别与支撑台及第二反力墩相抵，所述注水钢管一端为封闭端，依次穿过第二反力墩、节理岩体试样和加载筒与所述活塞杆相连，另一端与所述水泵相连，所述监测模块包括计算机、数据采集装置和摄像机，所述数据采集装置设于节理岩体试样上，通过线缆与计算机相连，所述摄像机拍摄记录试验过程，所述液压站与加载油缸及围压组件相联。
2.根据权利要求1所述的基于磁电控制的岩体瞬态卸荷渗流动力响应模拟试验装置，其特征在于，所述活塞杆位于所述加载油缸内的一端上设有第一活塞，位于所述加载筒内的另一端上设有第二活塞，活塞杆为中空结构，所述注水钢管一端与内腔配置相连，活塞杆另一端端头套设铁环，加载筒一端固设环状电磁铁，所述环状电磁铁的内径与活塞杆的外径相配置，环状电磁铁通过线缆与直流电压控制器相连。
3.根据权利要求2所述的基于磁电控制的岩体瞬态卸荷渗流动力响应模拟试验装置，其特征在于，所述围压组件包括钢筒和环形橡胶囊，环形橡胶囊包覆所述节理岩体试样置于钢筒内部，钢筒开孔与环形橡胶囊的输油孔相对应设置。
4.根据权利要求3所述的基于磁电控制的岩体瞬态卸荷渗流动力响应模拟试验装置，其特征在于，所述液压站包括油箱、油泵、第一高压油管、第二高压油管和第三高压油管，油箱通过输油管和回油管与油泵相连，油泵分别与第一、第二、第三高压油管相连，第一、第二高压油管分别与加载油缸的两端相连通，第三高压油管穿过钢筒开孔与环形橡胶囊的输油孔相连通，第一高压油管上设有第一油压表和第一控制阀，第二高压油管上设有第二油压表和第二控制阀，第三高压油管上设有第三油压表和第三控制阀。
5.根据权利要求2所述的基于磁电控制的岩体瞬态卸荷渗流动力响应模拟试验装置，其特征在于，所述加载油缸的内侧端面和加载筒的外侧端面上分别设有卡合装置，所述卡合装置由相配置的卡圈和卡槽组成。
6.根据权利要求3所述的基于磁电控制的岩体瞬态卸荷渗流动力响应模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集装置包括节理岩体试样外周面安设的应变计、压力传感器，内周面安设的渗压力传感器和振动传感器，在节理岩体试样内部埋设的加速度传感器和位移传感器。
7.根据权利要求1所述的基于磁电控制的岩体瞬态卸荷渗流动力响应模拟试验装置，其特征在于，所述注水钢管位于节理岩体试样内的部分均布注水孔。
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