平面应变高强井壁加载装置及试验加载方法与流程

本发明涉及矿山建设领域，特别涉及平面应变高强井壁加载装置及试验加载方法。

背景技术：

目前高强井壁的混凝土最高强度已经达到90mpa，高强井壁的受力分析及破坏机理一直都是矿山建设研究领域中的一个重要课题。高强井壁的受力及变形特性比较复杂，相似模型试验是研究该问题的一种重要方法。

在高强井壁的模型实验中，对外载的控制是整个实验的重要内容，通常选用油压来模拟井壁的外荷载，高强井壁对应的外荷载较大，这对试验的加载装置提出了更高的要求。在对井壁的力学特性分析中，通常把井壁看做无限长厚壁圆筒，井壁的受力问题可以简化为平面应变问题。

目前针对于平面应变高强井壁模型试验加载装置的研究还没有形成系统的理论。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种平面应变高强井壁加载装置及试验加载方法，能够实现平面应变状态下高强井壁的加载实验。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种平面应变高强井壁加载装置，包括：高压容器，用于容纳需要测试的井壁模型，在井壁模型上粘贴有若干应变片并连接数据线；所述高压容器由圆柱形的筒体、上盖和下盖组成，所述筒体的上端与所述上盖连接，所述筒体的下端与所述下盖连接，所述上盖与所述下盖连接，所述上盖上设置有压力监测孔，用于连接压力监测装置，所述筒体上设有进油孔，用于向所述筒体内进油，所述筒体上设有引线孔，用于将连接在所述井壁模型上的所述数据线引出所述筒体。

进一步地，在上述平面应变高强井壁加载装置中，所述上盖与所述下盖均为圆环状，所述上盖的上表面和所述下盖的下表面均设有一圈隆起部，所述压力监测孔设置在所述上盖的隆起部上。

进一步地，在上述平面应变高强井壁加载装置中，所述上盖和所述下盖的径向方向均分布有多条凸起条纹，在所述上盖和所述下盖上沿径向由内向外均分布有三圈孔。

进一步地，在上述平面应变高强井壁加载装置中，双头螺杆从所述上盖和所述下盖上的最内圈的孔穿过并经过所述筒体中间且不与所述筒体的侧壁接触，所述双头螺杆将所述上盖与所述下盖连接并固定，在所述双头螺杆的两端均由螺母固定，所述井壁模型放置在所述筒体的侧壁与所述双头螺杆之间的空间，所述双头螺杆具有足够的刚度能够保证所述井壁模型处于平面应变状态。

进一步地，在上述平面应变高强井壁加载装置中，在所述上盖和所述下盖上的中间圈的孔用于放入螺钉，所述筒体的上端和下端均设置有与所述中间圈的孔对应的孔，所述螺钉将所述上盖与所述筒体的上端连接，所述螺钉将所述下盖与所述筒体的下端连接。

进一步地，在上述平面应变高强井壁加载装置中，所述筒体的上端和下端的外圈端各设置有一个凸出的圆台，在所述圆台上设置有一圈孔，所述圆台上的孔与所述上盖和所述下盖上的最外圈的孔一一对应并用于放入螺栓，所述螺栓将所述上盖与所述筒体的上端连接，所述螺栓将所述下盖与所述筒体的下端连接。

进一步地，在上述平面应变高强井壁加载装置中，在所述上盖和所述下盖上的最内圈孔的外侧沿径向分布有多圈第一凹槽，所述第一凹槽用于放置o形密封圈。

进一步地，在上述平面应变高强井壁加载装置中，在所述下盖的内圈端部设置有一圈第二凹槽，所述第二凹槽用于放置放油漏斗。

进一步地，在上述平面应变高强井壁加载装置中，所述筒体中部的外侧壁上设置有一圈圆形凸肋，在所述圆形凸肋上均匀分布有八个孔：其中两个孔为所述进油孔，另外六个孔为引线孔，两个所述进油孔位于所述筒体的圆环横截面的一条直径上。

另一方面，提供了一种平面应变高强井壁模型试验加载方法，包括以下步骤：

(1)在模具中浇筑井壁，并对所述井壁的上下端面进行精加工，得井壁模型；

(2)在所述井壁模型同一水平的内外表面及钢筋网的内外排各粘贴若干应变片并连接数据线；

(3)打开权利要求1至9任一项的平面应变高强井壁加载装置的所述上盖，将所述井壁模型放置在所述高压容器内，将所述数据线从所述引线装置中引出所述高压容器，用环氧树脂对所述数据线与所述引线装置之间的空隙进行填充，保证所述井壁模型与所述高压容器之间的空间密闭，盖好所述上盖，上紧所述双头螺栓、螺钉和螺栓，将所述进油接口通过高压油管与高压油泵相连；

(4)利用所述高压油泵通过高压油管对所述加载装置中的井壁模型进行加载，根据模型壁厚不同进行预加载；随后分级稳压加载，然后稳压1～2min再继续加载；当井壁模型接近破坏时，提高加载速度直至井壁模型破裂；

优选地，所述预加载不超过井壁模型设计荷载的30％，所述分级稳压加载为每30s加载0.5mpa。

从以上的描述中，可以看出，本发明能够实现了如下技术效果：

本发明提供的平面应变高强井壁加载装置及试验加载方法可实现对高强井壁的受力及破坏机理分析；

在高强井壁模型的实验中，该加载装置能够适应高强井壁对应的较大外荷载，同时实现了井壁的平面应变。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明的一个实施例的整体结构示意图；

图2为图1中实施例的上盖的上表面的结构示意图(如果去掉图中标记10，该图也可作为下盖的下表面示意图)；

图3为图1中实施例的放油漏斗的结构示意图；

图4为图1中实施例的进油孔的俯视结构示意图；

图5为图1中实施例的进油接口的截面结构示意图；

图6为图1中实施例的引线装置的俯视结构示意图；

图7为图1中实施例的引线装置的截面结构示意图；

图8为图1中实施例的双头螺杆的结构示意图；

图9为图1中实施例的o形密封圈的结构示意图；

图10为图1中实施例的紫铜垫圈的结构示意图；

图11为图1中实施例的压力监测装置的结构示意图；

图12为图1中a处的放大结构示意图。

附图标记说明：1双头螺杆、2上盖、3螺钉、4螺栓、5进油孔、6下盖、7放油漏斗、8引线孔、9第一凹槽、10压力监测孔、11筒体、12o型密封圈、13进油接口、131法兰、132螺纹双头接头、14引线装置、141法兰、142出线接头、143出线孔、15压力监测装置、151压力表、152油压传感器、16紫铜垫圈、17圆形凸肋、18圆台、19第二凹槽、20孔、21孔、22孔、23孔、24隆起部、25凸起条纹。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1至图12所示，根据本发明的实施例，提供了一种平面应变高强井壁加载装置，包括：高压容器，高压容器的内表面光滑，用于容纳需要测试的井壁模型，在井壁模型上粘贴有若干应变片并连接数据线；高压容器由圆柱形的筒体11、上盖2和下盖6组成，筒体11的上端与上盖2连接，筒体11的下端与下盖6连接，上盖2与下盖6连接，从而将上盖2和下盖6盖合到筒体11上，上盖2上设置有压力监测孔10，用于连接压力监测装置15，筒体11上设有进油孔5，用于向筒体11内进油，筒体11上设有引线孔8，用于将连接在井壁模型上的数据线引出筒体11。

本发明的实施例提供的平面应变高强井壁加载装置可保证井壁模型在高压容器内处于平面应变状态。

进一步地，压力监测装置15通过压力监测孔10与上盖2连接，压力监测装置15包括1个0.4级标准精密压力表151和1个bpr-250油压传感器152，油压传感器152置于所述高压容器内，压力表151置于所述高压容器的外部以便于监测高压容器内的油压，油压传感器152与压力表151的连接线穿过压力监测孔10。

进一步地，上盖2与下盖6均为圆环状且大小相同，上盖2的上表面和下盖6的下表面均设有一圈隆起部24，压力监测孔10设置在上盖2的隆起部24上。上盖2和下盖6的径向方向均分布有多条凸起条纹25，隆起部24和凸起条纹25用来提高该加载装置的承载能力，在上盖2和下盖6上沿径向由内向外均分布有三圈孔，其中：

最内圈的孔21优选设置为16个圆孔，双头螺杆1从上盖2和下盖6上的最内圈的孔21穿过并经过筒体11中间且不与筒体11的侧壁接触，双头螺杆1将上盖2与下盖6连接并固定，在双头螺杆1的两端均由螺母固定，井壁模型放置在筒体11的侧壁与双头螺杆1之间的空间，双头螺杆1具有足够的刚度能够保证井壁模型处于平面应变状态。进一步地，孔21的内壁光滑，可设置下盖6最内圈的孔21呈椭圆形状，即容纳双头螺杆1后还留有空隙，用于缓冲井壁模型破坏时的冲击对双头螺杆1的破坏；也可设置下盖6最内圈的孔21的直径大于上盖2最内圈的孔21的直径，用来缓解井壁模型破坏时对双头螺杆1造成的冲击。

中间圈的孔22优选设置为30个圆孔，在上盖2和下盖6上的中间圈的孔22用于放入螺钉3，筒体11的上端和下端均设置有与中间圈的孔22对应的孔，螺钉3将上盖2与筒体11的上端连接，螺钉3将下盖6与筒体11的下端连接。即螺钉3共有60个，分别从上盖2与下盖6的中间圈的孔22穿过，通过螺纹拧合到筒体11上，从而与筒体11相连。

最外圈的孔23优选设置为30个圆孔，筒体11的上端和下端的外圈端各设置有一个凸出的圆台18，在圆台18上设置有一圈孔，圆台18上的孔与上盖2和下盖6上的最外圈的孔23一一对应并用于放入螺栓4，螺栓4将上盖2与筒体11的上端连接，螺栓4将下盖6与筒体11的下端连接，螺栓4的螺杆端由螺母固定。即螺栓4有60个，从上盖2与下盖6的最外圈的孔23穿过，并穿过筒体11的上端和下端的突出圆台18，通过螺母拧合后，分别将上盖2、下盖6与筒体11紧密连接在一起。

优选地，最外圈的孔23与中间圈的孔22交错分布，以利于提高该加载装置的承载能力。

上盖2和下盖6的材质均优选用27simn钢，该种材料具有较高的强度和耐磨性，可以保证上盖2和下盖6在反复加载以及拆卸后仍能保持较高的完整性和较好的工作性能。

双头螺杆1、螺钉3及螺栓4的材质可以选用42crmo，该种材料具有高强度和韧性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好，可以很好的满足的螺杆1、螺钉3及螺栓4承受多次高强拉伸的的性能要求。

每个螺钉3、螺栓4及螺母与筒体11接触的面上都垫有紫铜垫圈16，保证螺母与筒体11的紧密接触而又不会对筒体11的表面造成损伤。紫铜垫圈16，为圆环形状，具有一定厚度，被垫在螺母与筒体11的接触面上。

进一步地，在上盖2和下盖6上的最内圈孔21的外侧沿径向分布有多圈第一凹槽9，第一凹槽9用于放置o形密封圈12。第一凹槽9优选设置为四圈，其中两个第一凹槽9分布在筒体11与上盖2(下盖6)的接触面上，另外两个第一凹槽9分布在井壁模型与上盖2(下盖6)的接触面上。o形密封圈12的材质优选为耐油橡胶，与第一凹槽9的直径对应的共分为4种直径，o形密封圈12的截面直径略小于第一凹槽9的宽度，当上盖2与筒体11、下盖6与筒体11、上盖2与井壁模型、下盖6与井壁模型接触时，o形密封圈12被压变形，从而保证各构件的紧密接触，o形密封圈12的表面气泡不得多于10个，泡径小于2mm，硬度为hs90，要求具有较好的弹性。

进一步地，在下盖6的内圈端部设置有一圈第二凹槽19，第二凹槽19用于放置放油漏斗7。放油漏斗7的直径略大于下盖6的内径，放油漏斗7的外缘通过下盖6内圈端部的第二凹槽19与下盖6相连，并保证漏斗7的外缘与下盖6的上表面处于同一水平面，以利于油的汇入。

进一步地，筒体11中部的外侧壁上设置有一圈圆形凸肋17，在圆形凸肋17上均匀分布有八个孔：其中两个孔为进油孔5，另外六个孔为引线孔8，两个进油孔5位于筒体11的圆环横截面的一条直径上，即两个进油孔5相对设置，正常情况下开启一个进油孔5即可满足加载要求，另外一个进油孔5作为应对突发情况的备用进油孔。

如图4和图5所示，进油孔5用于连接进油接口13，进油接口13有两个，进油接口13由一个法兰131和一个螺纹双头接头132组成，在进油孔5周围的筒体11上设置有多个孔20，用于与法兰131连接，法兰131的一端可通过垫片与筒体11紧密相连并通过穿入法兰131和孔20的螺栓固定，法兰131的另一端与螺纹双头接头132的一端相连，螺纹双头接头132的另一端与高压油管相连。

如图6和图7所示，筒体11上设有引线孔8，用于连接引线装置14，引线装置14有六个，所有数据线均采用就近原则从邻近的引线装置14引出，避免大量的数据线缠绕、混乱。线装置14由一个法兰141和一个出线接头142组成，出线接头142上设置有多个出线孔143，法兰141的一端可通过垫片与筒体11紧密相连，法兰141的另一端与出线接头142有螺纹的一端相连，出线孔143均匀分布在出线接头142的端面，数据线通过出线孔143穿出筒体11外。

本发明的实施例还公开一种平面应变高强井壁模型试验加载方法，包括以下步骤：

(1)在模具中浇筑井壁，养护一段时间后送车间和磨床对其上下端面进行精加工，得井壁模型；优选对井壁模型精加工来获得较高的光滑度，确保井壁模型的上、下两端面边界条件的相似性和密封性；

(2)在井壁模型同一水平的内外表面及钢筋网的内外排按照常规贴片工艺各粘贴若干应变片并连接数据线；

(3)打开如上所述的平面应变高强井壁加载装置的上盖2，将井壁模型放置在高压容器内，将数据线从引线装置14中引出高压容器，用环氧树脂对数据线与引线装置14之间的空隙进行填充，保证井壁模型与高压容器之间的空间密闭，盖好上盖2，上紧双头螺杆1、螺钉3和螺栓4，将进油接口13通过高压油管与高压油泵相连；

由高压油泵施加水平油压模拟横向均匀地压作用，在上盖2的下端设置有两道o形密封圈12，通过其变形可消除端面的摩擦力，以确保井壁模型在径向方向上能够自由滑动和密封，该加载装置在竖直方向上通过上盖2、下盖6和双头螺杆1、螺钉3及螺栓4进行固定，由于上盖和双头螺杆1、螺钉3及螺栓4的刚度较大，在加载过程中，井壁模型基本上处于平面应变状态；

(4)利用高压油泵通过高压油管对加载装置中的井壁模型进行加载，根据模型壁厚不同进行预加载；随后分级稳压加载，然后稳压1～2min再继续加载；当井壁模型接近破坏时，提高加载速度直至井壁模型破裂。优选预加载不超过井壁模型设计荷载的30％，分级稳压加载即每30s加载0.5mpa。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明实施例提供的平面应变高强井壁加载装置及试验加载方法可实现对高强井壁的受力及破坏机理分析。

在高强井壁模型的实验中，该加载装置能够适应高强井壁对应的较大外荷载，同时实现了井壁的平面应变。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。