CN109238879A - 应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型应力‑渗流‑蠕变作用下地质力学模型试验***，主要包括钢结构主加载部分、液压加载装置和自动化监测‑反馈分析部分。相比较以往的机械加载能够较长时间加载并不用考虑卸载的可能性，并可以通过液压操纵台远程操控，采用千斤顶来实现侧压力对模型的影响，更加真实的反映工程；同时采用自动化监测设备、无线传输技术、非接触视频测量技术以及智能算法技术，实现了数据和图像的实时采集以及反馈分析。
Description
技术领域
本发明涉及地质力学模型试验***，特别涉及一种应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验***。
背景技术
随着经济的迅速发展，人民生活水平的大幅度提高，隧道工程越来越得到重视，我国正在大规模的进行着隧道工程的建设，但是在过程中遇到了不少的困难与问题，越来越多的隧道不得不穿过或修建在软弱岩层中，岩体性质差，受水流、扰动等影响，极易产生突水、突泥等恶劣的情况，且具有明显的蠕变性。复杂地质条件下，在长期荷载作用下，工程岩体的应力应变状态、变形破坏特征随时间将不断发生变化，具有显著的时效特性，岩石的这种表现出与时间相关的性质被称为蠕变性，是岩体重要的力学特性之一。绝大多数工程岩体处于蠕变变形当中，对工程稳定性将造成很大隐患。由于突水、蠕变变形的演化过程十分复杂，理论分析十分困难，所以地质力学模型是解决这种问题的一个很好的方法，物理模型试验具有直观、真实、形象的特点，将支护结构与围岩的个体性忽略，可以直接测试试验中的围岩变形、应力变化结果，而无需建立复杂的岩土体本构关系，这就巧妙地避开了在数学和物理方面遇到的理论不足。
目前国内外在地质力学模型***方面已取得了很大的进展，但是仍存在很多的不足，如结构较单一，尺寸不可调，利用率不高；加载装置较落后，尤其是在长时间加载的情况下容易出现卸载的情况，且加载的精度不高，试验环境不完全符合工程实际等。
发明内容
根据现有技术存在局限的问题，本发明提供了一种新型应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验***。
技术方案：
应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验***，该***由主加载部分、液压加载部分和分析部分三部分组成；
所述的主加载部分为上方开口的箱式结构，左右均为双层侧板，所述双层侧板间设置有千斤顶，可使靠内侧板向内施加压力；所述箱式结构中穿有钢管，钢管经由截止阀连接水箱；所述钢管在箱式结构内部的部分开有多个朝下的孔；
所述液压加载部分包括：试验承力架下方设置的液压加载器；液压加载器作用部连接有垫板；液压加载部分底部设置有传送带，所述主加载部分置于传送带上；
分析部分中的检测元件设置在箱式结构内部并埋设在模型材料中；还包括与检测元件依次连接的数据采集箱、无线传输模块和服务器；所述服务器依需求连接移动终端或PC。
所述的应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验***，其特征在于：所述钢管穿过共四个侧板；所述侧板上钢管孔圆心距板顶边0.05m。
所述的应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验***，其特征在于：所述主加载部分的内部净空间为1.2m×1m×0.3m。
所述的应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验***，其特征在于：所述垫板的尺寸为1.2×0.3m。
所述的应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验***，其特征在于：所述不锈钢水箱左右两侧均设置有截止阀；两个截止阀分别连接钢管两端。
所述试验***的地质力学模型试验方法，其特征在于：
该方法适用于应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验；
步骤如下：
步骤1：按照权利要求1中的方案将试验***安装好；
步骤2：进行现场的勘测，得到隧道围岩及上部覆土的力学参数；
步骤3：根据相似原理，确定围岩及上部覆土的相似材料，研制一种新材料相似材料，制成尺寸为50mm×50mm×100mm的方形试件、面积为30cm²小环刀试件与体积为100cm³的大环刀试件；
步骤4：将上述步骤3中的试件进行基本力学性能的测试，得到力学参数弹性模量、黏聚力、摩擦角、渗透系数与时间参数进行材料的重新配比，直至符合要求；
步骤5：按照要求的力学指标完成配比后，将材料分层摊铺在加载架中，进行隧道模型的制作，同时埋设监测元件；
步骤6：打开不锈钢水箱两侧的截止阀，进行水溶液渗流；
步骤7：对隧道模型施加竖向压力与侧向压力，通过位移计、压力计、渗压计采集位移数据，然后由自动化采集箱采集，通过无线网络将其发送到服务器中；
步骤:8：采用智能反馈分析软件进行参数反分析和数值计算，同时，通过给定钻孔数据建立地质体可视化模型；
步骤9：通过外加的摄像机，可以远程实时显示模型加载过程模型的破坏过程，将图像和数据传输到智能反馈软件中进行图像分析。
优点及效果：
相比现有技术主要有：
（1）结构方面，本发明的钢结构主框架采用螺栓连接，操作更加方便，对于尺寸的选择以及组合更加灵活，对于试验装置利用最大化；
（2）本发明是应力-渗流-蠕变作用下的地质力学模型试验***，需要长时间加载，加载方面选用液压加载装置，相比较以往的机械加载能够较长时间加载并不用考虑卸载的可能性，并可以通过液压操纵台远程操控，采用千斤顶来实现侧压力对模型的影响，更加真实的反映工程；
（3）本发明采用自动化监测设备、无线传输技术、非接触视频测量技术以及智能算法技术，实现了数据和图像的实时采集以及反馈分析。
附图说明：
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明的钢结构加载结构图；
图3位埋入土体的供水管示意图；
图4为本发明的自动化监测-反馈分析部分示意图。
图中标注：1-1前后板；1-2侧板1；1-3侧板2；1-4底板；1-5千斤顶加载结构；1-6不锈钢水箱；1-7截止阀；1-8钢管；2-1试验承力架；2-2液压加载器；2-3传送带；2-4液压操纵台；2-5垫板；3-1检测元件；3-2数据采集箱；3-3无线传输模块；3-4服务器；3-5移动PC；3-6移动终端；3-7非接触视频测量***。
具体实施方式：
根据现有技术存在局限的问题，本发明提供了一种新型应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验***，主要包括钢结构主加载部分、液压加载装置和自动化监测-反馈分析部分。
如图1所示，一种应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验***包括钢结构主加载部分1、液压加载装置2和自动化监测-反馈分析部分3。
如图2所示，钢结构主加载部分1为由一块底板1-4、两个前后板1-1与四个侧板1-2和1-3螺栓连接而成上端开口的箱式结构。前后两块板尺寸为1.8×1m，每块板上有一个0.3×0.3m的一个洞，洞的底部距离板的底部为0.3m，洞的上部距离板的上部有0.4m，前后两块板每块板上有4排螺栓孔，第一排与第二排，第三排与第四排之间的距离都为0.2m，二三之间为1.3m，每排有六个螺栓口。底板尺寸为1.8×0.4m，底板有4排螺栓孔，分别与4块侧板相连，每排有两个螺栓孔，每排的间距与前后两块板相同。侧板尺寸为0.3×1m，每侧两块板，两块板之间间隔0.2m，两块侧板之间有千斤顶，模拟侧向压力，左右两侧相对称的，左侧的第二块板与右侧的第二块板之间的距离为1.2m，这四块板的前后下三侧各伸出0.1m的翼板，通过螺栓分别与前、后、下三侧的板相连，构成一个整体。模型主框架的净空间为1.2m×1m×0.3m。
如图2所示，钢结构主加载部分1还包括不锈钢水箱1-6、截止阀1-7、钢管1-8。不锈钢水箱的尺寸为0.4×0.27×0.2m，不锈钢水箱左右两侧留有进出水口，并有截止阀与供水管相连，供水管为钢管。四个侧板上都预留有一个圆孔的圆心距离板的上侧为0.05m，钢管穿过圆孔埋入一定深度的模型材料中，钢结构主加载部分1通过钢管与不锈钢水箱相连，钢管埋入模型材料中的部分下部有一定数量的孔，使水通过孔渗入模型材料。
如图1所示，液压加载装置2包括试验承力架2-1、液压加载器2-2、传送带2-3与液压操纵台2-4，将钢结构加载框架1放置在试验台上，通过传送带将试验台置于液压加载器下方，液压加载器底端连接一块尺寸为1.2×0.3m垫板2-5，通过液压操纵台控制液压加载器将压力传递到模型材料上。
如图3所示，自动化监测-反馈分析部分3包括监测元件3-1、数据采集箱3-2、无线传输模块3-3、服务器3-4、移动PC3-5、移动终端3-6、智能反馈分析软件3-7。在模型材料中埋设有监测元件，监测元件与数据采集箱相连，数据采集箱通过无线传输模块将数据传输到服务器，服务器连接有移动PC和移动终端，移动PC和移动终端中装载有智能反馈分析软件。
如图3所示，自动化监测-反馈分析部分3还与非接触视频测量***相连，能够同时采集数据和图像，非接触视频测量***所采集的数据和图像通过上述智能反馈分析软件进行进一步分析。智能反馈分析软件主要由自主开发数值计算模块、反分析模块、图像处理分析模块以及基于钻孔数据的三维可视化模块组成。
使用该装置进行应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验的具体实施步骤如下：
步骤1：按照上述步骤将新型地质力学动力试验***安装好；
步骤2：进行现场的勘测，得到隧道围岩及上部覆土的力学参数；
步骤3：根据相似原理，经过反复比选调配，确定围岩及上部覆土的相似材料，研制一种新材料相似材料，制成尺寸为50mm×50mm×100mm的方形试件、面积为30cm²小环刀试件与体积为100cm³的大环刀试件；
步骤4：将上述步骤3中的试件进行基本力学性能的测试，得到力学参数弹性模量、黏聚力、摩擦角、渗透系数与时间参数进行材料的重新配比，直至符合要求；
步骤5：按照要求的力学指标完成配比后，将材料分层摊铺在加载架中，进行隧道模型的制作，同时埋设监测元件；
步骤6：打开不锈钢水箱两侧的截止阀，进行水溶液渗流；
步骤7：对隧道模型施加竖向压力与侧向压力，通过位移计、压力计、渗压计采集位移数据，然后由自动化采集箱采集，通过无线网络将其发送到服务器中；
步骤:8：采用智能反馈分析软件进行参数反分析和数值计算，同时，可以通过给定钻孔数据建立地质体可视化模型；
步骤9：通过外加的摄像机，可以远程实时显示模型加载过程模型的破坏过程，将图像和数据传输到智能反馈软件中进行图像分析。
Claims (6)
1.应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验***，其特征在于：该***由主加载部分（1）、液压加载部分（2）和分析部分（3）三部分组成；
所述的主加载部分（1）为上方开口的箱式结构，左右均为双层侧板，所述双层侧板间设置有千斤顶，可使靠内侧板向内施加压力；所述箱式结构中穿有钢管（1-8），钢管（1-8）经由截止阀（1-7）连接水箱（1-6）；所述钢管（1-8）在箱式结构内部的部分开有多个朝下的孔；
所述液压加载部分（2）包括：试验承力架（2-1）下方设置的液压加载器（2-2）；液压加载器（2-2）作用部连接有垫板（2-5）；液压加载部分（2）底部设置有传送带，所述主加载部分（1）置于传送带上；
分析部分（3）中的检测元件（3-1）设置在箱式结构内部并埋设在模型材料中；还包括与检测元件（3-1）依次连接的数据采集箱（3-2）、无线传输模块（3-3）和服务器（3-4）；所述服务器（3-4）依需求连接移动终端（3-6）或PC（3-5）。
2.根据权利要求1所述的应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验***，其特征在于：所述钢管（1-8）穿过共四个侧板；所述侧板上钢管（1-8）孔圆心距板顶边0.05m。
3.根据权利要求1所述的应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验***，其特征在于：所述主加载部分（1）的内部净空间为1.2m×1m×0.3m。
4.根据权利要求1所述的应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验***，其特征在于：所述垫板（2-5）的尺寸为1.2×0.3m。
5.根据权利要求1所述的应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验***，其特征在于：所述不锈钢水箱（1-6）左右两侧均设置有截止阀（1-7）；两个截止阀（1-7）分别连接钢管（1-8）两端。
6.一种使用如权利要求1所述试验***的地质力学模型试验方法，其特征在于：
该方法适用于应力-渗流-蠕变作用下地质力学模型试验；
步骤如下：
步骤1：按照权利要求1中的方案将试验***安装好；
步骤2：进行现场的勘测，得到隧道围岩及上部覆土的力学参数；
步骤3：根据相似原理，确定围岩及上部覆土的相似材料，研制一种新材料相似材料，制成尺寸为50mm×50mm×100mm的方形试件、面积为30cm²小环刀试件与体积为100cm³的大环刀试件；
步骤4：将上述步骤3中的试件进行基本力学性能的测试，得到力学参数弹性模量、黏聚力、摩擦角、渗透系数与时间参数进行材料的重新配比，直至符合要求；
步骤5：按照要求的力学指标完成配比后，将材料分层摊铺在加载架中，进行隧道模型的制作，同时埋设监测元件；
步骤6：打开不锈钢水箱两侧的截止阀，进行水溶液渗流；
步骤7：对隧道模型施加竖向压力与侧向压力，通过位移计、压力计、渗压计采集位移数据，然后由自动化采集箱采集，通过无线网络将其发送到服务器中；
步骤:8：采用智能反馈分析软件进行参数反分析和数值计算，同时，通过给定钻孔数据建立地质体可视化模型；
步骤9：通过外加的摄像机，可以远程实时显示模型加载过程模型的破坏过程，将图像和数据传输到智能反馈软件中进行图像分析。
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