深部岩体高地应力模拟加载装置及试验装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种深部岩体高地应力模拟加载装置及试验装置。模拟加载装置包括圆筒，在圆筒上连接有顶盖，在圆筒的底部设有钻孔，在圆筒内设有环形气囊，在环形气囊上设有气囊气阀，气囊气阀的充气嘴从圆筒内部伸至圆筒外部，所述环形气囊的外壁贴合在圆筒的内壁上，在环形气囊内设有气垫，在气垫上设有气垫气阀，气垫气阀的充气嘴从顶盖的内侧伸至顶盖的外侧，所述圆筒与所述顶盖围合并构成环形气囊及气垫的反力腔。模拟实验装置，包括：支撑台架，在支撑台架上设有模拟加载装置及钻孔装置，所述支撑台架包括两个相互平行的刚性支架，所述刚性支架包括第一立柱及第二立柱，在第一立柱及第二立柱上设有横梁，所述模拟加载装置设在横梁上。
【专利说明】深部岩体高地应力模拟加载装置及试验装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于相似理论和气压正压加载法原理的深部岩体高地应力模拟试验装置，尤其涉及适用于深部岩体开挖分区破裂化模拟试验研究的深部岩体高地应力模拟加载装置及试验装置。
【背景技术】
[0002]近年来，随着国民经济建设的迅猛发展，基本建设规模的不断扩大，国防建设不断发展，人类在向空中发展的同时，地下空间的开发也不断地走向深部[1]。上千米乃至数千米的矿井、巷道比比皆是，如沈阳采屯矿开采深度为1197m，南非的Anglogold有限公司的西部深井金矿，开矿深度达3700m[2];水电工程引水隧道的埋深，如锦屏电站，最大埋深2600m，南水北调西线工程，最大埋深1150m[3];公路隧道，如穿越阿尔卑斯山伯朗峰圣各达隧道，埋深2500mM ;核废料的深层地质处理深度已达数百米乃至上千米，中国高放核废料处置库拟建在深度达700m的花岗岩中[5];油气工程已达300(T4000m ;能源储存工程达一千多米，国家战略能源储备中大型地下储气库及储油库也将在深部地下空间中建造[6];为抵御精确制导武器的杀伤破坏作用，很多国防工程，特别是首脑指挥工程都建在深地下，以获得很高的防护能力，如美国北美防空司令部和美国航天司令部的地下指挥中心，就位于科罗拉多州普林斯市郊夏延山的60(T700m岩层下m等等。
[0003]上述煤矿巷道、冶金矿山、水电站地下厂房、铁路、公路隧道、地下铁道及国防工程等深部地下工程的开挖和施工，往往带来很多难以预测的问题，如岩爆、瓦斯爆炸、突水、顶板大面积来压和采空区失稳等一系列灾害性事故频频发生。为了避免突发性地质灾害对人民生命和财产造成危害，同时也为了尽量减少重大事故的发生，必须对深部岩体在开挖时引起的特征科学现象进行深入细致的研究。已有的研究表明，分区破裂化现象是深部岩体在开挖时所发生的主要力学现象之一。深部岩体具有独特的构造特性，赋存于复杂的地质环境，具有高地应力、高温、高渗透压等特点，这些构造与力学特性使得深部岩体工程响应具有一系列新的特征科学现象。为了进一步揭示深部岩体在开挖时所发生的一系列变化规律，深入研究深部岩体的特征科学现象显得尤为重要。
[0004]由于深部工程与浅部工程所处的环境明显不同，工程岩体所表现出的基本力学特性及其工程响应也明显不同。由此造成工程灾害成灾机理、工程稳定性控制及其设计理论等方面也有显著的差异，引发了诸多与浅部工程完全不同的，亟需解决的深部工程技术问题，且这些问题无法全部用传统的连续介质力学理论圆满解释。由于现场监测存在许多难以解决的技术问题、经费问题和安全问题，必须利用现有的试验条件在实验室内对深部岩体在高地应力条件下的力学行为展开研究。因此，设计一套特殊的试验装置再现深部岩体的高地应力环境具有重要的理论意义和工程价值。
【发明内容】
[0005]本实用新型提供一种能够再现深部岩体开挖过程中高地应力环境的深部岩体高地应力模拟加载装置及试验装置。
[0006]本实用新型采用如下技术方案:
[0007]本实用新型所述的一种深部岩体高地应力模拟加载装置，包括:圆筒，在圆筒上连接有顶盖，在圆筒的底部设有钻孔，在圆筒内设有环形气囊，在环形气囊上设有气囊气阀，气囊气阀的充气嘴从圆筒内部伸至圆筒外部，所述环形气囊的外壁贴合在圆筒的内壁上，在环形气囊内设有气垫，在气垫上设有气垫气阀，气垫气阀的充气嘴从顶盖的内侧伸至顶盖的外侧，所述圆筒与所述顶盖围合并构成环形气囊及气垫的反力腔。
[0008]本实用新型所述的一种深部岩体高地应力模拟实验装置，包括:支撑台架，在支撑台架上设有模拟加载装置及钻孔装置，所述支撑台架包括两个相互平行的刚性支架，所述刚性支架包括第一立柱及第二立柱，在第一立柱及第二立柱上设有横梁，所述模拟加载装置设在横梁上，所述模拟加载装置包括圆筒，在圆筒上连接有顶盖，在圆筒的底部设有钻孔，在圆筒内设有环形气囊，在环形气囊上设有气囊气阀，气囊气阀的充气嘴从圆筒内部伸至圆筒外部，所述环形气囊的外壁贴合在圆筒的内壁上，在环形气囊内设有气垫，在气垫上设有气垫气阀，气垫气阀的充气嘴从顶盖的内侧伸至顶盖的外侧，所述圆筒与所述顶盖围合并构成环形气囊及气垫的反力腔。
[0009]与现有技术相比，本实用新型具有如下优点:
[0010]本实用新型通过设计一套基于相似理论和气压正压加载法原理的加载装置，采用“高压气囊加载”的方式，保证了初始条件和施工过程中地应力的相似，能真实地再现深部岩体开挖过程中的高地应力环境，为进一步试验研究提供相似基础。
[0011]研制的模拟试验设备由以下3大部分组成:①试验支撑台架；②黑色硫化橡胶气囊向试件提供径向和轴向荷载的反力装置等3部分组成。
[0012]把试块和加载系统支撑在台架上，气囊的内部净尺寸与模型的大小相同，便于试验时气囊的安装。模拟时水平和竖直方向采用高压柔性气囊施加均布荷载，模拟深部岩体受到的地应力，当达到稳定的初始地应力场后，开始对试件的底面钻孔，从而模拟深部岩体在开挖和掘进时的情况。该装置可保证试验全过程的气压恒定，操作简便、安全，且满足初始条件。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型的模拟加载装置的拼装示意图。
[0014]图2是本实用新型的刚性支架的主视图。
[0015]图3是本实用新型的刚性支架的俯视图。
[0016]图4是本实用新型的半圆反力板的结构示意图。
[0017]图5是本实用新型反力顶板的结构示意图。
[0018]图6是本实用新型反力底板的结构示意图。
[0019]图7是本实用新型模拟实验装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]实施例1
[0021]一种深部岩体高地应力模拟加载装置，包括:圆筒，在圆筒上连接有顶盖，在圆筒的底部设有钻孔331，在圆筒内设有环形气囊1，在环形气囊I上设有气囊气阀11，气囊气阀11的充气嘴从圆筒内部伸至圆筒外部，所述环形气囊I的外壁贴合在圆筒的内壁上，在环形气囊I内设有气垫2，在气垫2上设有气垫气阀21，气垫气阀21的充气嘴从顶盖的内侧伸至顶盖的外侧，所述圆筒与所述顶盖围合并构成环形气囊I及气垫2的反力腔。环形气囊I及气垫2采用大型载重汽车内胎材料，因其具有耐拉伸、耐撕裂性能和良好的气密性，且压力可以达到0.75MPa左右。根据试验要求气囊安全可靠，且可以重复使用，确定气囊橡胶材料的厚度为5mm。试验时气囊在反推力钢板的约束下对试块施加围压作用(图1)。由高压气泵提供气体，经过滤，通过高压气管由气嘴进入气囊，用调压阀调节到所需的压力值，在反力装置的作用下完成加载。环形气囊I及气垫2在本实施例中，
[0022]圆筒包括反力底板33，在反力底板33上连接有第一半圆反力板31及第二半圆反力板32且第一半圆反力板31的两个侧壁分别与第二半圆反力板32的两个侧壁连接，所述顶盖采用反力顶板34。反力底板33、第一半圆反力板31、第二半圆反力板32及反力顶板34之间用螺栓相连，要求圆筒及顶盖在气囊加压过程中保持原来位置不动，并且变形很小，从而保持气囊压力恒定。
[0023]本实施例的模拟加载装置的特点:
[0024](a)结构简单，整体刚性好，加压荷载大。实践证明结构整体强度和刚度偏于安全，在加载过程中，整个装置变形很小，可以重复使用。
[0025]( b )操作灵活，使用方便，读数直观。
[0026](C)能形成恒定的高地应力场，保证了试验的初始条件和施工过程的围压相似。
[0027]实施例2
[0028]一种深部岩体高地应力模拟实验装置，包括:支撑台架，在支撑台架上设有模拟加载装置及钻孔装置6，所述支撑台架包括两个相互平行的刚性支架，所述刚性支架包括第一立柱41及第二立柱42，在第一立柱41及第二立柱42上设有横梁5，所述模拟加载装置设在横梁5上，所述模拟加载装置包括圆筒，在圆筒上连接有顶盖，在圆筒的底部设有钻孔331，在圆筒内设有环形气囊1，在环形气囊I上设有气囊气阀11，气囊气阀11的充气嘴从圆筒内部伸至圆筒外部，所述环形气囊I的外壁贴合在圆筒的内壁上，在环形气囊I内设有气垫2，在气垫2上设有气垫气阀21，气垫气阀21的充气嘴从顶盖的内侧伸至顶盖的外侧，所述圆筒与所述顶盖围合并构成环形气囊I及气垫2的反力腔，所述钻孔装置6处于能够使钻孔装置的钻头钻进、退出圆筒底部钻孔331的位置。将模拟加载装置设在支撑台架上，使其离地面一定高度，便于利用取芯机从装置底部钻孔模拟开挖过程。试验时为了模拟深部岩体的开挖或掘进，必须在模型上开洞或钻孔，考虑到钻孔的方便实施，必须把试验装置支撑在一定的高度，故设计支撑台架。支撑台架是两个相互平行的刚性支架，由4根立柱和两根横梁组成，其作用是:一是固定加载装置；二是便于采用取芯机模拟开挖过程。
[0029]由于目前尚无成熟的加载装置可供使用，按照试验加载要求及试块大小，自行设计和制作了模拟试验的加载装置。试验采用气压加载法，气压加载法分为正压加载和负压加载两种，正压加载是利用压缩空气的压力对结构施加荷载，尤其适用于施加均布荷载，直接通过压力表就可以反映出加载值，加卸载方便，并可产生很大的荷载。负压加载是利用真空泵将试验结构物下面密封室内的空气抽出，使之形成真空，结构的外表面受到的大气压，就成为施加在结构上的均布荷载，由真空度可得出加载值。其缺点是安装量测仪表受到限制，观测试验现象等不方便，一般很少应用。本实用新型采用正压加载法，先利用高压气泵向气囊内充入高压空气，然后利用气囊加载反力装置的作用就可以成功地在试块上施加均布荷载。由于气囊中的压力是等值变化的，改变充气压力的大小，即可改变施加在模型上均布荷载的大小，可以较真实地再现深部岩体开挖时的高地应力环境。
【权利要求】
1.一种深部岩体高地应力模拟加载装置，其特征在于，包括:圆筒，在圆筒上连接有顶盖，在圆筒的底部设有钻孔(331)，在圆筒内设有环形气囊(1)，在环形气囊(I)上设有气囊气阀(11)，气囊气阀(11)的充气嘴从圆筒内部伸至圆筒外部，所述环形气囊(I)的外壁贴合在圆筒的内壁上，在环形气囊(I)内设有气垫(2)，在气垫(2)上设有气垫气阀(21)，气垫气阀(21)的充气嘴从顶盖的内侧伸至顶盖的外侧，所述圆筒与所述顶盖围合并构成环形气囊(I)及气垫(2)的反力腔。
2.根据权利要求1所述的深部岩体高地应力模拟加载装置，其特征在于，圆筒包括反力底板(33)，在反力底板(33)上连接有第一半圆反力板(31)及第二半圆反力板(32)且第一半圆反力板(31)的两个侧壁分别与第二半圆反力板(32)的两个侧壁连接，所述顶盖采用反力顶板(34)。
3.一种深部岩体高地应力模拟实验装置，其特征在于，包括:支撑台架，在支撑台架上设有模拟加载装置及钻孔装置(6)，所述支撑台架包括两个相互平行的刚性支架，所述刚性支架包括第一立柱(41)及第二立柱(42)，在第一立柱(41)及第二立柱(42)上设有横梁(5)，所述模拟加载装置设在横梁(5)上，所述模拟加载装置包括圆筒，在圆筒上连接有顶盖，在圆筒的底部设有钻孔(331)，在圆筒内设有环形气囊(1)，在环形气囊(I)上设有气囊气阀(11)，气囊气阀(11)的充气嘴从圆筒内部伸至圆筒外部，所述环形气囊(I)的外壁贴合在圆筒的内壁上，在环形气囊(I)内设有气垫(2)，在气垫(2)上设有气垫气阀(21)，气垫气阀(21)的充气嘴从顶盖的内侧伸至顶盖的外侧，所述圆筒与所述顶盖围合并构成环形气囊(I)及气垫(2)的反力腔，所述钻孔装置(6)处于能够使钻孔装置的钻头钻进、退出圆筒底部钻孔(331)的位置。
【文档编号】G01N3/12GK203443860SQ201320577115
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】陈万祥, 郭志昆, 廖美春 申请人:陈万祥