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块裂岩体失稳过程及机理的二维模型试验系统与方法.pdf

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块裂岩体 失稳 过程 机理 二维 模型 试验 系统 方法
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摘要
申请专利号:

CN201611224324.9

申请日:

2016.12.27

公开号:

CN106706437A

公开日:

2017.05.24

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G01N 3/12申请日:20161227|||公开
IPC分类号: G01N3/12; G01N3/02 主分类号: G01N3/12
申请人: 山东大学
发明人: 李术才; 胡杰; 石少帅; 刘洪亮; 贺鹏; 孙尚渠; 张延欢; 周申; 张琦
地址: 250061 山东省济南市经十路17923号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 济南圣达知识产权代理有限公司 37221 代理人: 张勇
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法律状态
申请(专利)号:

CN201611224324.9

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.06.16|||2017.05.24

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种块裂岩体失稳过程及机理的二维模型试验系统及方法,系统包括试验台架、液压加载系统和图像采集模块,所述试验台架为封闭结构,为液压加载系?#31243;?#20379;反力支撑,所述液压加载系统设置于试验台架内侧,对预制岩体施加压力,提供不同环境下的地应力,所述图像采集模块设置于试验台架前端,记录液压加载系统向岩体施加力致使岩块的失稳过程。本发明通过钢台架内部安装液压千斤顶通过板片作用在成型后的模拟岩体表面,通过数控系统调节千斤顶的施加力,模拟不同环境下围岩地应力的需求,采用高清摄像系统可以完整的记录岩块的失稳过程。

权利要求书

1.一种块裂岩体失稳过程及机理的二维模型试验系统,其特征是:包括试验台架、液压
加载系统和图像采集模块,所述试验台架为四周封闭结构,为液压加载系?#31243;?#20379;反力支撑,
所述液压加载系统设置于试验台架内侧,对预制岩体施加压力,提供不同环境下的地应力,
所述图像采集模块设置于试验台架前端,记录液压加载系统向岩体施加力致使岩块的失稳
过程。
2.如权利要求1所述的一种块裂岩体失稳过程及机理的二维模型试验系统,其特征是:
所述试验台架由单榀钢框架通过高强度螺栓连接而成,作为反力结构。
3.如权利要求1所述的一种块裂岩体失稳过程及机理的二维模型试验系统,其特征是:
所述液压加载系统,包括数控系统和多个液压千斤顶,试验台架内侧均匀安装液压千斤顶,
作用在预制岩体表面,所述数控系统控制千斤顶压力大小,实现不同环境下地应力的需求。
4.如权利要求1所述的一种块裂岩体失稳过程及机理的二维模型试验系统,其特征是:
所述预制岩体为固态石蜡材料模拟岩体。
5.基于如权利要求1-4中任一项所述的系统的工作方法,其特征是:制备固态石蜡材料
模拟岩体,按照工况对模拟岩体进行裂隙切割,使岩体分离成孤立块体,当岩体切割完成
后,开挖岩体,在岩体上形成一空腔;利用液压加载系统,模拟不同环境下地应力,对开挖后
的预制岩体进行加压,记录岩块的失稳过程。
6.如权利要求5所述的工作方法,其特征是:采用固态石蜡材料模拟岩体,将液态石蜡
材?#31995;?#20837;立方体的模具中,待材料凝固后,按照试验工况利用切割刀具对固态的石蜡材料
进行裂隙切割,使岩体分离成孤立块体。
7.如权利要求5所述的工作方法,其特征是:由三片弧形铁片拼接成三?#33041;?#29366;刀具,当
岩体切割完成后,将刀具推入岩体中,在刀具内部开挖岩体,待岩体开挖完全后,分解刀具
并拆除。

说明书

块裂岩体失稳过程及机理的二维模型试验系统与方法

技术领域

本发明涉及一种块裂岩体失稳过程及机理的二维模型试验系统与方法。

背景技术

伴随着我国经济的飞速发展,基础设施建设在大力推进。在我国西?#31995;?#21306;在建工
程中,隧道工程的应用?#25214;?#24191;泛。块裂岩体失稳是地下工程中常见的灾害形式。在施工过程
和运营期,隧道工程容易出现块裂岩体失稳的现象,对人的生命财产安全造成巨大的损失。
地下工程模型试验通常?#21069;?#29031;相似比和相似理论将实?#20351;?#31243;按照一定的比例缩小成一个
模型,通过在比例缩小或等比模型上进行相应的试验,获取相关数据得到相关结论,这种方
法已成为地下工程领域最为主要的研究手段之一。研究隧道与地下工程块裂岩体失稳过程
及机理对工程防灾减灾具有重要的指导意义。以往的模型试验针对隧道与地下工程块裂岩
体失稳过程及机理的研究较少,仅针对某个单独影响因素对工程块裂岩体失稳过程展开模
型试验研究。

发明内容

本发明为了解决上述问题,提出了一种块裂岩体失稳过程及机理的二维模型试验
系统与方法,本发明能够有效的研究隧道与地下工程块裂岩体失稳过程及机理。

为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:

一种块裂岩体失稳过程及机理的二维模型试验系统,包括试验台架、液压加载系
统和图像采集模块,所述试验台架为四周封闭结构,为液压加载系?#31243;?#20379;反力支撑,所述液
压加载系统设置于试验台架内侧,对预制岩体施加压力,提供不同环境下的地应力,所述图
像采集模块设置于试验台架前端,记录液压加载系统向岩体施加力致使岩块的失稳过程。

所述试验台架由单榀钢框架通过高强度螺栓连接而成,作为反力结构。

所述液压加载系统,包括数控系统和多个液压千斤顶,试验台架内侧均匀安装液
压千斤顶,作用在预制岩体表面,所述数控系统控制千斤顶压力大小,实现不同环境下地应
力的需求。

所述预制岩体为固态石蜡材料模拟岩体。

基于上述系统的工作方法,制备固态石蜡材料模拟岩体,按照工况对模拟岩体进
行裂隙切割,使岩体分离成孤立块体,当岩体切割完成后,开挖岩体,在岩体上形成一空腔;
利用液压加载系统,模拟不同环境下地应力,对开挖后的预制岩体进行加压,记录岩块的失
稳过程。

采用固态石蜡材料模拟岩体,将液态石蜡材?#31995;?#20837;立方体的模具中,待材料凝固
后,按照试验工况利用切割刀具对固态的石蜡材料进行裂隙切割,使岩体分离成孤立块体。

由三片弧形铁片拼接成三?#33041;?#29366;刀具,当岩体切割完成后,将刀具推入岩体中,在
刀具内部开挖岩体,待岩体开挖完全后,分解刀具并拆除。

本发明的有益效果为:

1、采用凝固的液态石蜡作为流态相似材料模拟岩体,凝固后的材料融化后可以循
环使用。

2、预制的石蜡岩体硬度相对?#31995;停?#21487;以利用切割刀具根据所需要的工况进行裂隙
切割。

3、钢框架、钢台架、台架?#35013;?#30001;高强度钢构件通过预留螺栓槽拼接组成,具有可拆
装性,并能满足强度的要求。

4、钢台架内部安装液压千斤顶通过板片作用在成型后的模拟岩体表面,通过数控
系统调节千斤顶的施加力,模拟不同环境下围岩地应力的需求。

5、采用高清摄像系统可以完整的记录岩块的失稳过程。

附图说明

图1为模型试验台架及液压加载系统示意图;

图2为岩体预制装置示意图;

图3为岩体安装示意图;

图4为岩体裂隙切割过程示意图;

图5为三?#33041;?#22411;刀具示意图;

图6、图7为开挖前、后的模型示意图;

图8为模型试验过程示意图;

其中:1钢框架 2液压千斤顶 3底座 4矩形加压板 5模具 6预制岩体 7裂隙岩体
8三?#33041;?#22411;刀具 9高清摄像仪。

具体实施方式:

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示,一种用于研究隧道与地下工程中块裂岩体失稳过程和机理的二维模
型试验系统,主要包括(1)模型试验台架?#21644;?#37096;台架由单榀钢框架1通过高强度螺栓连接而
成,作为反力结构;(2)液压加载系统:由液压千斤顶2和数控系统组成,外部钢架内侧安装
液压千斤顶2,通过矩形加压板4作用在预制岩体表面,通过计算机控制千斤顶2压力大小,
实现不同环境下地应力的需求;(3)块裂岩体预制:采用固态石蜡材料模拟岩体6,将液态石
蜡材?#31995;?#20837;立方体的模具5中,待材料凝固后,按照试验工况利用切割刀具对固态的石蜡材
料进行裂隙切割,使岩体分离成孤立块体7;(4)模拟隧道开挖:由三片弧形铁片拼接成三心
圆状刀具8,当岩体6切割完成后,将刀具8推入岩体6中,在刀具内部开挖岩体,待岩体开挖
完全后,分解刀具并拆除;(5)高清摄像系统:采用高清摄像仪9记录岩块的失稳过程,用于
后期分析块裂岩体失稳规律。

所述的一整块钢板作为试验装置底座,外围钢框架由带有螺栓槽的型钢钢板拼接
组成,框架下部通过螺栓与台架?#35013;?#26643;接固定。

所述的钢台架内部安装液压千斤顶,左右侧和上方各安装三个,通过矩形板作用
在成型的岩体表面,利用计算机控制调节千斤顶压力大小,模拟不同环境地应力的需求。

如图2所示,所述的石蜡材料易于融化且硬度?#31995;停?#37319;用固态的石蜡模拟岩体,将
石蜡融化后倒入模具,放置一段时间待其凝固。

如图3所示,所述的模具内的液态石蜡完全凝固后,采用刀具按照试验工况对岩体
进行切割,使之成为分离块体。

如图5所示,所述的三片弧形铁片通过螺栓组装而成,铁片边缘锋利可以切入固态
石蜡中。

如图6所示,所述的三?#33041;?#22411;刀具推入岩体中,对刀具内部岩体进行开挖,形成空
腔后拆卸刀具,观察块体失稳过程。

如图7所示,所述的高清摄像仪在刀具拆卸完毕后,对岩块掉落过程进行记录,分
析块裂岩体失稳规律。

一种用于研究隧道与地下工程中块裂岩体失稳过程和机理的二维模型试验系统,
其特征在于,操作方法包括以下几步:

(1)采用一整块钢板作为装置?#35013;?;

(2)采用型钢钢板拼接成钢框架1,在外部钢架内侧安装液压千斤顶2,与计算机相
连实现控制作用,配合高强度螺栓将框架下部与台架?#35013;?栓接固定好;

(3)将液态石蜡倒入模具5中,待石蜡凝固后,按照试验工况对预制岩体6进行切
割,使之成为裂隙块体7;

(4)将预制岩体安装进台架内,安装完成后,将三?#33041;?#22411;刀具8推入岩体中,对刀具
内侧岩体进行开挖,开挖完成后将刀具拆?#24230;?#20986;;

(5)通过计算机控制千斤顶2压力大小,模拟不同环境下地应力,对预制岩体进行
加压;

(6)架设高清摄像仪9,记录岩块掉落过程。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范
围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不
需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变?#31283;?#22312;本发明的保护范围以内。

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