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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