多形状多比尺围岩压力模拟试验系统及试验方法与流程

本发明涉及岩土工程试验领域，具体地说是一种多形状多比尺围岩压力模拟试验系统及试验方法。

背景技术：

随着我国经济社会的发展，地下矿井、隧道、地铁、水电硐室等修建越来越多，深度不断增大，更多的工程处于恶劣地质条件，随之面临的支护问题也越来越突出。比如软岩的大变形、高地压和难支护等问题。在此背景下，越来越多的支护形式被应用在现场，如工字钢拱架、u型钢拱架、钢管混凝土拱架、格栅钢架、混凝土碹体支护等。上述支护结构的力学性能对于现场围岩的最终稳定和工程的安全具有显著影响。开展力学试验是掌握支护结构力学性能的重要研究手段，可以明确支护结构力学特性、揭示其失效机理、优化其设计参数，对工程安全意义重大。

现有试验系统一般采用常规液压油缸，在加载过程中因试验对象结构性原因，部分加载油缸会在保持压力值的情况下被动回缩，这与现场实际情况明显不符，因为现场围岩的变形是单向、不可逆的。另外，试验拱架尺寸受限于外围反力结构大小和油缸规格，只能进行特定或相近尺寸的结构试验；同时在通过外围的油缸对拱架加压时，由于拱架产生形变，油缸轴线与拱架轴线之间不一定能保持原有的垂直状态，这不仅会对试验的精度产生一定的影响，还会对液压油缸造成一定的损害，缩短其使用寿命；除此之外，当前相似的试验系统一般将加载油缸安放在拱架外围，需要体积庞大的外围反力结构，因此占据了大量的实验室空间，并且建造成本高，费工费力，不符合“高精度、高效率、低成本”的原则。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种多形状多比尺围岩压力模拟试验系统及试验方法，该试验系统及试验方法能够准确模拟围岩的变形和压力行为，提高试验精度，并且减少试验系统占用空间，降低制造成本，延长试验系统的使用寿命，使试验系统得到最大化利用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：多形状多比尺围岩压力模拟试验系统，其特征在于：包括可调节油缸位置的底板，所述的底板由混凝土基础和钢板组成；混凝土基础浇筑在地基上，并用锚桩加固；钢板位于混凝土基础上，与混凝土基础共同为油缸提供反力，钢板上有螺栓孔，用于固定和调节油缸位置；所述的油缸为止回油缸，油缸通过油缸底座固定在底板上，所述的油缸底座通过法兰连接与底板固定，止回油缸可根据试验需求调节位置。

为了实现多形状调节功能，进一步的技术方案为：止回油缸通过端铰与链条连接，加载模式以链条的拉力模拟围岩压力；为保护止回油缸，使其只受竖向拉力，通过齿轮组改变链条传力方向；所述的齿轮组由两个转向在同一直线上的齿轮组成，靠近油缸的齿轮固定在加载仓内，使链条方向与止回油缸竖向中心线保持一致，靠近试验对象的齿轮固定在上底板上，每组齿轮位置应使链条方向与试验对象中心线保持水平，本实施例中试验对象为“u”形拱架。特别的，当加载试验对象为圆形时，由于部分止回油缸附近无反力墙固定齿轮，故采用联合支架固定齿轮。所述的联合支架为钢支架，由支架底座和油缸-支架底座固定在底板上，为齿轮提供支撑反力，联合支架上齿轮高度与上底板靠近试验对象的齿轮高度相同，此时，使用联合支架固定齿轮的止回油缸只需一个齿轮即可实现试验需求。

为保证试验精度，进一步的技术方案为：将力传感器布置在试验对象与靠近试验对象的齿轮中间，力传感器所受的拉力即试验对象所受的力，所述的力传感器通过链条和链条连接器与加载拉环连接，所述的加载拉环为钢制拉环，加载拉环套置在试验对象上；为分散加载拉环对试验对象接触区的作用力，降低加载过程中对试验对象产生的应力集中程度，更真实地模拟现场围岩作用，在加载拉环和试验对象中间放置一橡胶垫板；为防止试验过程中加载拉环和橡胶垫板产生移动，在试验对象上焊接限位块以约束橡胶垫板；由于试验过程中，试验对象会产生较大变形，为满足试验精度要求，采用拉线式位移计，所述的拉线式位移计固定在试验对象外侧，位移线固定在试验对象受力处。

为防止试验对象加载时发生平面以外的变形，进一步的技术方案为：在上底板上设有限位挡梁，所述的限位挡梁沿试验对象均匀分布，由上下布置且相互平行的上挡梁和下挡梁构成，上挡梁和下挡梁通过挡梁柱连接在一起，限位挡梁将试验对象固定在上、下挡梁中间；所述的挡梁柱为带螺纹钢筋，通过螺母调节和固定上、下挡梁，挡梁柱固定在预留孔内；所述的预留孔是布置在上底板的若干深孔，这些预留孔在浇灌混凝土时通过预埋钢管形成。

为了实现多比尺调节功能，进一步的技术方案为：根据试验需求，通过调节挡梁柱位置改变限位挡梁位置，实现多比尺结构试验；在上底板设有为试验对象提供反力的拱脚约束轨道，所述的拱脚约束轨道为“l”形钢块，拱脚约束轨道位于试验对象的两端且与试验对象的拱脚接触，拱脚约束轨道通过预留孔固定和调节位置。

为保证安全，进一步的技术方案为：在加载仓试验装置布置完成后，将横梁放置在加载仓开口处，然后将盖板放置在横梁上，所述的横梁由若干方木组成，方便拆卸、组装；所述的盖板为块独立钢板，为使链条穿过盖板，盖板边缘有预留的方槽，除此之外，根据试验需求，在进行圆形拱架试验时，需要调整限位挡梁的位置，故盖板上还有预留孔，以安装限位挡梁，使用时只需将挡梁柱安装到盖板的预留孔内即可。

本发明解决其技术问题的技术方案还包括：一种试验方法，包括以下步骤：

步骤（1）：根据试验对象尺寸和齿轮位置计算下挡梁位置；

步骤（2）：将所有下挡梁安装在同一水平高度处，形成操作平台；

步骤（3）：将试验对象在上述操作平台上组装，并将试验对象安放在指定位置；

步骤（4）：安装上挡梁，将试验对象限定在平面内，使其只能产生平面内移动和变形；

步骤（5）：将止回油缸固定在底板指定位置，调整止回油缸状态使其符合试验需求，并与链条一端通过端铰连接，链条放置到齿轮上，盖好盖板；

步骤（6）：链条另一端与力传感器相连，将力传感器与加载拉环通过另一段链条和链条连接器连接，并在加载拉环与试验对象外侧的中间放置橡胶垫板；

步骤（7）：在试验系统上布置传感器，所述的传感器包括位移传感器和应变传感器，位移传感器采用拉线式位移计，位移计布置在试验对象外侧，应变传感器采用应变片，将应变片根据需要粘贴在试验对象上；

步骤（8）：力传感器和位移传感器与数据采集系统相连接，应变片与应变仪相连接，数据采集系统和应变仪组成监测系统；

步骤（9）：打开监测系统，进行预加载，通过预加载控制系统施加不大于预估破坏荷载3%的荷载；

步骤（10）：控制止回油缸的荷载及位移，给试验对象加载，试验开始，加载的具体操作方法为：可采用单调加压的方式，荷载小于0.9qmax时，加载速率为0.02qmax/min，每0.1qmax保压1min，荷载大于0.9qmax时，加载速率0.005qmax/min，每0.05qmax保压1min，其中，qmax为预估极限荷载；

步骤（11）：试验过程中，根据需要模拟的围岩变形和压力的实际情况，通过加载控制系统将全部的止回油缸同步动作或非同步动作；

步骤（12）：试验过程中实时观测，采集试验对象的受力、应变、变形情况，保存相应数据资料；

步骤（13）：试验对象出现破裂、失稳、大变形等现象且无法继续承载时，停止加载，关闭监测系统，试验结束；

步骤（14）：根据监测系统采集到的荷载、位移、应变等监测结果及试验对象的变形破坏情况，得到试验对象的承载力，整体刚度等力学特性及变形破坏机理。

本发明的有益效果是：

1、能够准确模拟围岩的变形与压力行为，开展力学实验，提高试验精度；

2、油缸底部通过法兰连接固定在底板上，并可根据试验要求调节位置，实现对不同形状拱架的围岩压力模拟试验，即多形状，如直墙半圆形、圆形、半圆反底拱形、马蹄形；

3、通过调节链条长度可改变加载半径，将拱架固定在拱脚约束轨道的相应位置可实现对不同尺寸拱架的围岩压力模拟实验，即多比尺；

4、油缸布置在加载仓内，位于拱架平面外，不需要外围庞大的反力结构，减少试验系统占用空间，降低制造成本，而且能提供更大的操作半径；

5、油缸竖向放置，通过链条传递拉力，加载模式以链条的拉力代替现有试验系统的油缸压力。链条轴力与油缸轴线对中，由于链条只传递轴力不传递弯矩，所以油缸只受竖向拉力，有利于保护油缸，延长油缸使用寿命；

6、可用于开展u型钢拱架、工字钢拱架、钢管混凝土拱架、格栅钢架及混凝土碹体等支护结构的力学试验，适用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行介绍。

图1为本发明平面图；

图2为图1的1-1剖面图；

图3为图2的2-2剖面图；

图4为图3的3-3剖面图；

图5为限位挡梁详图。

图中：1-试验对象，2-力传感器，3-拉线位移计，4-限位块，5-橡胶垫板，6-挡梁柱，7-限位挡梁，8-齿轮支座，9-预留孔，10-链条连接器，11-拱脚约束轨道，12-加载仓，13-盖板，14-横梁，15-齿轮，16-链条，17-加载拉环，18-螺栓，19-端铰，20-止回油缸，21-底板，22-上底板，23-锚桩，24-地基，25-油缸底座，26-联合支架，27-支架底座，28-油缸-支架底座。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，多形状多比尺围岩压力模拟试验系统，其特征在于：包括可调节油缸位置的底板21，所述的底板21由混凝土基础和钢板组成；混凝土基础浇筑在地基24上，并用锚桩23加固；钢板位于混凝土基础上，与混凝土基础共同为油缸提供反力，钢板上有螺栓孔，用于固定和调节油缸位置；所述的油缸为止回油缸20，油缸底部通过油缸底座25固定在底板21上，所述的油缸底座25通过法兰连接与底板21固定，止回油缸20可根据试验需求调节位置。

为了实现多形状调节功能，进一步的技术方案为：止回油缸20通过端铰19与链条16连接，加载模式以链条16的拉力模拟围岩压力；为保护止回油缸20，使其只受竖向拉力，通过齿轮组改变链条传力方向；所述的齿轮组由两个转向在同一直线上的齿轮15组成，靠近油缸的齿轮15固定在加载仓12内，使链条16方向与止回油缸20竖向中心线保持一致，靠近试验对象1的齿轮15固定在上底板22上，每组齿轮15位置应使链条16方向与试验对象1中心线保持水平，本实施例中试验对象1为“u”形拱架。特别的，当加载试验对象1为圆形时，由于部分止回油缸20附近无反力墙固定齿轮15，故采用联合支架26固定齿轮15。所述的联合支架26为钢支架，由支架底座27和油缸-支架底座28固定在底板21上，为齿轮15提供支撑反力，联合支架26上齿轮高度与上底板靠近试验对象的齿轮高度相同，此时，使用联合支架26固定齿轮的止回油缸20只需一个齿轮15即可实现试验需求。

为保证试验精度，进一步的技术方案为：将力传感器2布置在试验对象1与靠近试验对象1的齿轮15中间，力传感器2所受的拉力即试验对象1所受的力，所述的力传感器2通过链条16和链条连接器10与加载拉环17连接，所述的加载拉环17为钢制拉环，加载拉环17套置在试验对象1上；为分散加载拉环17对试验对象接触区的作用力，降低加载过程中对试验对象1产生的应力集中程度，更真实地模拟现场围岩作用，在加载拉环17和试验对象1中间放置一橡胶垫板5；为防止试验过程中加载拉环17和橡胶垫板5产生移动，在试验对象1上焊接限位块4以约束橡胶垫板5；由于试验过程中，试验对象1会产生较大变形，为满足试验精度要求，采用拉线式位移计3，所述的拉线式位移计3固定在试验对象外侧，位移线固定在试验对象1受力处。

为防止试验对象1加载时发生平面以外的变形，进一步的技术方案为：在上底板22上设有限位挡梁7，所述的限位挡梁7沿试验对象1均匀分布，由上下布置且相互平行的上挡梁和下挡梁构成，上挡梁和下挡梁通过挡梁柱6连接在一起，限位挡梁7将试验对象1固定在上、下挡梁中间；所述的挡梁柱6为带螺纹钢筋，通过螺母调节和固定上、下挡梁，挡梁柱6固定在预留孔9内；所述的预留孔9是布置在上底板22的若干深孔，这些预留孔9在浇灌混凝土时通过预埋钢管形成。

为了实现多比尺调节功能，进一步的技术方案为：根据试验需求，通过调节挡梁柱6位置改变限位挡梁7位置，实现多比尺结构试验；在上底板22设有为试验对象1提供反力的拱脚约束轨道11，所述的拱脚约束轨道11为“l”形钢块，拱脚约束轨道11位于试验对象1的两端且与试验对象1的拱脚接触，拱脚约束轨道11通过预留孔9固定和调节位置。

为保证安全，进一步的技术方案为：在加载仓12试验装置布置完成后，将横梁14放置在加载仓开口处，然后将盖板13放置在横梁上，所述的横梁14由若干方木组成，方便拆卸、组装；所述的盖板12为8块独立钢板，为使链条16穿过盖板13，盖板13边缘有预留的方槽，除此之外，根据试验需求，在进行圆形拱架试验时，需要调整限位挡梁7的位置，故盖板13上还有预留孔9，以安装限位挡梁7，使用时只需将挡梁柱6安装到盖板13的预留孔9内即可。

本实施例的试验方法，包括以下步骤：

步骤（1）：根据试验对象1尺寸和齿轮15位置计算下挡梁位置；

步骤（2）：将所有下挡梁安装在同一水平高度处，形成操作平台；

步骤（3）：将试验对象1在上述操作平台上组装，并将试验对象1安放在指定位置；

步骤（4）：安装上挡梁，将试验对象1限定在平面内，使其只能产生平面内移动和变形；

步骤（5）：将止回油缸20固定在底板21指定位置，调整止回油缸20状态使其符合试验需求，并与链条16一端通过端铰19连接，链条16放置到齿轮15上，盖好盖板13；

步骤（6）：链条16另一端与力传感器2相连，将力传感器2与加载拉环17通过另一段链条16和链条连接器10连接，并在加载拉环17与试验对象1外侧的中间放置橡胶垫板5；

步骤（7）：在试验系统上布置传感器，所述的传感器包括位移传感器和应变传感器，位移传感器采用拉线式位移计3，位移计布置在试验对象1外侧，应变传感器采用应变片，将应变片根据需要粘贴在试验对象上；

步骤（8）：力传感器2和位移传感器3与数据采集系统相连接，应变片与应变仪相连接，数据采集系统和应变仪组成监测系统；

步骤（9）：打开监测系统，进行预加载，通过预加载控制系统施加不大于预估破坏荷载3%的荷载；

步骤（10）：控制止回油缸20的荷载及位移，给试验对象1加载，试验开始，加载的具体操作方法为：可采用单调加压的方式，荷载小于0.9qmax时，加载速率为0.02qmax/min，每0.1qmax保压1min，荷载大于0.9qmax时，加载速率0.005qmax/min，每0.05qmax保压1min，其中，qmax为预估极限荷载；

步骤（11）：试验过程中，根据需要模拟的围岩变形和压力的实际情况，通过加载控制系统将全部的止回油缸20同步动作或非同步动作；

步骤（12）：试验过程中实时观测，采集试验对象1的受力、应变、变形情况，保存相应数据资料；

步骤（13）：试验对象1出现破裂、失稳、大变形等现象且无法继续承载时，停止加载，关闭监测系统，试验结束；

步骤（14）：根据监测系统采集到的荷载、位移、应变等监测结果及试验对象的变形破坏情况，得到试验对象1的承载力，整体刚度等力学特性及变形破坏机理。

本发明采用的单向加载装置不限于实施例所述的止回油缸，还可采用单向气缸或者单向电缸等其他单向加载装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不是本发明的全部试验范围，不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员移植技术，为了突出本发明的创新特点，上述特征在此不再赘述。