一种地质力学模型试验中真三轴加载装置和方法与流程

本发明属于地质力学模型试验领域，具体指大型地质力学模型试验中真三轴加载装置和方法。

背景技术：

随着交通工程建设的飞速发展，我国已成为世界上隧道工程数量最多、最复杂、发展最快的国家。由于隧道修建区域地质条件的复杂性，地下水成为了引发隧道施工过程灾害事故的最主要因素之一，隧道突涌水灾害由于其高突发性、强破坏性，往往造成重大的人员伤亡和财产损失，因此对隧道突涌水灾害发生机理及控制技术进行研究，成为了国家重大基础设施建设的一大需求。由于研究水平及科学技术的限制，地质力学模型试验成为了研究隧道等地下工程地质灾害演化过程的一种重要方法，根据相似理论，建立隧道地质条件模型，对其地应力状态进行真实的三维加载模拟，迫切需要建立一套行之有效的加载装置和方法。

技术实现要素：

由于工程地质条件的复杂性和多样形，隧道等地下工程在修建时期，常常遇到软岩大变形等不良地质状况，从而容易引发较为严重的地质灾害。本发明要解决的技术问题是大型地质力学模型试验中允许试验体较大变形的真三轴地应力模拟加载，为软岩等不良地质条件下三维地应力状态对隧道等地下工程围岩稳定性影响规律研究提供了理论参考和技术指导。

本发明采用的技术方案如下：

一种地质力学模型试验中真三轴加载装置，包括由六个加载板组合而成的箱式空间，每个加载板包括连接在一起的加载主板和加载副板，所述的加载主板为可拓展齿形板，其在加载过程中直接接触试验体；所述的加载副板上预留有连接孔，该孔连接导向杆和动力机构，动力机构用来控制加载板的运行方向，并将荷载均匀传递到试验体上；从而实现真三轴地质力学模型试验加载装置的运行。

进一步的，所述的可拓展齿形板包括多块齿形板，多块齿形板组合在一起形成一个四面为锯齿的矩形板结构。

进一步的，所述的加载副板为一个矩形板，其设置在加载主板的外侧。

进一步的，位于不同面的加载主板之间通过锯齿进行啮合。

进一步的，所述的前加载板上预留操作洞口，以方便试验过程中对试验体进行开挖等操作。

具体的实验方法如下：

1)按照技术要求，制作齿形加载钢板；为保证齿形加载板能够正确啮合，各加载板需要进行错位设计，并且根据试验体大小，将齿形加载板进行拼装，并与加载副板用螺栓连接；

2)将拼装好的各加载板进行空间位置的组装，主要包括前加载板、后加载板、左加载板、右加载板、顶加载板和底加载板；各加载板组成三轴加载系统，可以实现对试验体的三维地应力模拟加载；并且在前加载板上预留操作洞口，以方便试验过程中对试验体进行开挖等操作；

3)将地质力学模型试验各加载板通过螺栓与导向杆、油压千斤顶进行连接，根据试验体规模大小和加载板尺寸，合理设计导向杆、油压千斤顶数量和布局；一般来讲，为了满足试验精度要求，需要将导向杆进行均匀、对称分布；为了满足荷载的匀速传递和均匀分布，油压千斤顶一般也需要均匀布置；导向杆和油压千斤顶错位布置，在加载过程中，保证互不干涉，互不影响；

4)配合使用油压加载控制装置、地质力学模型试验反力架及其它辅助配套设施，实现真三轴地质力学模型试验加载；该真三轴地质力学模型试验加载过程中，可实现各加载板的独立运行，通过设置不同的加载速率、保压时间，从而实现对试验体三维地应力状态的真实模拟。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种地质力学模型试验中真三轴加载装置和方法。该装置主要由啮合式加载板组成，各加载板之间预留齿形间隙，通过锯齿进行啮合；在允许试验体一定变形的情况下，可实现对试验体前、后、左、右、上和下部六个方向进行加载，并且预留开挖洞口，可开展真三轴加载条件下的洞室开挖试验。该方法以啮合式加载板组成的箱式空间为试验平台，通过导向杆的准确定位，利用油压千斤顶的推进作用，辅以油压加载控制装置，从而实现真三轴地质力学模型试验加载装置的运行。该真三轴地质力学模型试验加载装置各加载板均由加载主板和加载副板组成，加载主板与加载副板通过高强螺栓连接。加载主板为可拓展齿形钢板，可根据试验体大小进行拓展、拼装，加载过程中直接接触试验体；加载副板预留螺栓孔用来连接导向杆和油压千斤顶，用来控制加载板的运行方向，并将荷载均匀传递到试验体上。

本发明研究了一种地质力学模型试验中真三轴加载装置和方法，通过齿形加载板预留较大空隙，允许加载板发生较大的位移，解决了大型地质力学模型试验中允许材料较大变形的真三轴加载难题，实现了在试验体较大变形情况下的真三轴在应力模拟加载，并且预留开挖洞口，可开展真三轴加载条件下的洞室开挖试验。与前人研究相比，该发明设计合理，操作更为方便和精确，取得了与工程更为接近、适用范围更广的成果。

所述的真三轴地质力学模型试验加载装置和方法，该装置主要由啮合式加载板组成，各加载板之间预留齿形间隙，在允许试验体一定变形的情况下，可实现对试验体前、后、左、右、上和下部六个方向进行加载。该方法以啮合式加载板组成的箱式空间为试验平台，通过导向杆的准确定位，利用油压千斤顶的推进作用，辅以油压加载控制装置，从而实现真三轴地质力学模型试验加载装置的运行。

所述的真三轴地质力学模型试验啮合式加载板，各加载板均由加载主板和加载副板组成，加载主板与加载副板通过高强螺栓连接。加载主板为可拓展齿形钢板，可根据试验体大小进行拓展、拼装，加载过程中直接接触试验体；加载副板预留螺栓孔用来连接导向杆和油压千斤顶，用来控制加载板的运行方向，并将荷载均匀传递到试验体上。一方面，齿形加载主板实现了允许试验体大变形情况下的加载；另一方面，配合使用的加载副板实现了油压千斤顶作用力在加载主板上的均匀传递。

所述的真三轴地质力学模型试验箱式加载平台，该加载平台由六个加载板和固定的底板组成箱式空间，用以对方形试验体进行地应力模拟加载，并且在前加载板上预留操作洞口，以方便试验过程中对试验体进行开挖等操作；六个加载板组成三个轴向的加载方向，可分别对试验体进行加载，用以模拟真实的三维地应力状态。

所述的真三轴地质力学模型试验加载方法，该方法通过与加载副板连接的导向杆对各加载板进行空间定位和运动方向控制，利用与加载副板连接的油压千斤顶进行加载板的推进和退回操作，从而实现对试验体的三轴加载。各加载板由油压加载控制系统进行独立操控，通过设定的加载速度，可以实现缓慢分级加载，并可以实现长时间的伺服保压。

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申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明提供的地质力学模型试验真三轴加载装置主视图。

图2为本发明提供的地质力学模型试验真三轴加载装置三维视图。

图3为本发明提供的地质力学模型试验真三轴加载装置啮合状态示意图。

图4为本发明提供的地质力学模型试验真三轴加载装置可拓展加载主板。

图5为本发明提供的地质力学模型试验真三轴加载装置上加载板(顶板)。

图6为本发明提供的地质力学模型试验真三轴加载装置前加载板(前板)。

其中，1-上加载副板，2-上加载主板，3-下加载副板，4-下加载主板，5-左加载副板，6-左加载主板，7-右加载副板，8-右加载主板，9-前加载副板，10-前加载主板，11-导向杆螺栓孔，12-油压千斤顶螺栓孔，13-预留隧洞口，14-右加载主板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中由于研究水平及科学技术的限制，地质力学模型试验成为了研究隧道等地下工程地质灾害演化过程的一种重要方法，根据相似理论，建立隧道地质条件模型，对其地应力状态进行真实的三维加载模拟，迫切需要建立一套行之有效的加载装置和方法，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种地质力学模型试验中真三轴加载装置和方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种地质力学模型试验中真三轴加载装置和方法。

该装置主要由啮合式加载板(前板、后板、左板、右板、上板和下板)组成，各加载板之间预留齿形间隙，在允许试验体一定变形的情况下，可实现对试验体前、后、左、右、上和下部六个方向进行加载，并且预留开挖洞口，可开展真三轴加载条件下的洞室开挖试验。该方法以啮合式加载板组成的箱式空间为试验平台，通过导向杆的准确定位，利用油压千斤顶的推进作用，辅以油压加载控制装置，从而实现真三轴地质力学模型试验加载装置的运行。该真三轴地质力学模型试验加载装置各加载板均由加载主板和加载副板组成，加载主板与加载副板通过高强螺栓连接。

前板包括前加载主板10和前加载副板9；右板包括右加载主板8和右加载副板7；上板包括上加载主板2和上加载副板1，下板包括下加载主板4和下加载副板3；左板包括左加载副板5和左加载主板6；后板包括后加载主板14和后加载副板(未在图中表示)。

上述不同面的加载主板为可拓展齿形钢板，加载过程中直接接触试验体，在允许试验体发生较大变形的情况下实现真三轴加载；加载副板预留螺栓孔用来连接导向杆和油压千斤顶，用来控制加载板的运行方向，并将荷载均匀传递到试验体上；加载副板为一个矩形板，其设置在加载主板的外侧。

本发明通过齿形加载板预留较大空隙，允许加载板发生较大的位移，解决了大型地质力学模型试验中允许材料较大变形的真三轴加载难题，实现了在试验体较大变形情况下的真三轴在应力模拟加载，并且预留隧洞口13，可开展真三轴加载条件下的洞室开挖试验。与前人研究相比，该发明设计合理，操作更为方便和精确，取得了与工程更为接近、适用范围更广的成果。

真三轴地质力学模型试验箱式加载平台，该加载平台由六个加载板和固定的底板组成箱式空间，用以对方形试验体进行地应力模拟加载；六个加载板组成三个轴向的加载方向，可分别对试验体进行加载，用以模拟真实的三维地应力状态。

如图1～6所示，一种地质力学模型试验中真三轴加载装置和方法，包括以下步骤：

1)如图1～2所示，根据地质力学模型试验规模大小和尺寸要求，按照技术标准，制作齿形加载钢板，齿形加载钢板中间较为完整，边缘有一定长度和宽度的齿形。

2)如图3所示，为保证齿形加载主板能够正确啮合，各加载主板需要进行错位设计，即保证在试验体受力压缩过程中，各加载板可以正确的推进和退回，从而进行有效的加载。

3)如图4所示，根据试验体大小，将齿形加载主板进行拼装，以上加载主板为例，该加载主板由六块不同形状的齿形加载板按照设计要求拼装完成，中间无缝连接，边缘齿形开口设计。

4)如图5～6所示，将齿形加载主板与加载副板通过螺栓连接。并且为了方便模型试验过程中对试验体的操作，前加载板中心位置预留了操作洞口。

5)将拼装完成的各加载板进行空间位置的组装，如图2所示。并且将各加载板通过螺栓与导向杆、油压千斤顶连接，合理布置导向杆和油压千斤顶的位置，从而实现对试验体的三维地应力模拟的均匀加载；(图2中表示出来的是导向杆螺栓孔11，油压千斤顶螺栓孔12)。

6)将该地质力学模型试验加载装置与整体模型试验系统及其辅助配套设施进行连接，应用于三维地应力条件下岩溶隧道开挖过程突涌水灾害的模拟，取得了良好的试验效果。

上述加载方法，通过与加载副板连接的导向杆对各加载板进行空间定位和运动方向控制，利用与加载副板连接的油压千斤顶进行加载板的推进和退回操作，从而实现对试验体的三轴加载。各加载板由油压加载控制系统进行独立操控，通过设定的加载速度，可以实现缓慢分级加载，并可以实现长时间的伺服保压。

本发明公开的真三轴加载装置相对于现有技术来说，在尺度和规模上更大；

本发明采用齿形啮合式加载，可以在允许试验体发生一定变形的情况下，仍然可以对试验本施加作用力；常规平板型加载板在加载时可能会相互干扰，或者无法移动(卡住)、或者无法更为均匀的加载。

本发明的真三轴加载装置预留开挖洞口，可以开展真三轴加载条件下的洞室开挖试验；本发明的齿形加载主板实现了允许试验体大变形情况下的加载；配合使用的加载副板实现了油压千斤顶作用力在加载主板上的均匀传递。两者相互配合，可以使加载板在移动过程中，还可以均匀加载。

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