[发明专利]一种用于在模型试验中产生模拟水平应力的装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于模型试验的颗粒加载装置及其方法，可应用于需要模拟初始地应力的各种岩土工程相似的模型试验中。

背景技术

地质力学模型试验是研究岩土工程和地下工程稳定和支护系统优化设计及合理化施工方法的重要手段。在模型试验中，需要给试验模型的边界上施加作用应力，以按照相似比例真实再现原型所处的地质力学环境。

上世纪90年代，向试验模型施加边界应力的装置及其方法，主要有以下三种：

第一种，是在模型边界上施加均匀分布的应力，这种加载方式是水平向由柔性液压囊施加应力荷载，垂直向由液压千斤顶进行加载。参见文献为，“赵震英.洞群开挖围岩破坏过程试验.水利学报，1995，12：24～28”。

第二种，是在三维模型的六个面同时施加量级个各不相同的三向主动荷载，但每一个作用面的荷载都是均匀分布的。这种加载方式是由充油系统，加载油路和同步油缸组向模型实施加载，采用六个闭环伺服控制回路进行控制。参见文献为，“郭舜年，李先榕.三维地质力学模型试验装置加载及其控制系统设计.水电工程研究，1997（4）:33～37”。

第三种，是将作用面分成若干个均匀分布的荷载区，在三个作用面上施加荷载，另外三个对应面做成被动承压面，以反力的形式来模拟该处的地应力。对每个荷载作用面又分成3-4个均匀分布的荷载区，以便模拟应力的变化，每个荷载区的总荷载等于该区原有荷载的总和。模型的荷载通过油压力盒或油压袋施加，当三维台架中模块砌筑完毕后，即安放油压袋，引出油管和测量电缆，再用砂及砂袋将油压袋与台架间的空隙充填密实。参见文献为，“陈霞龄，等.地下洞室围岩稳定的试验研究.武汉水利电力大学学报，1994：17～23”。

21世纪初，岩土工程和地下工程地质力学模型试验研究又受到重视，并提出了一些新的加载方法。例如，清华大学李仲奎等人发明的“离散化多主应力面加载系统和装置”，成功模拟了大型地下发电厂房洞室群模型试验中的复杂三维应力场，采用了二百多个不同压力值的高压气囊进行加载，每个气囊的尺寸为60cm×50cm。参见文献为，“李仲奎，等.三维模型试验新技术及其在大型地下洞群研究中的应用.岩石力学与工程学报，2003，22(9)：1430～1436”以及“李仲奎，等.大型洞室群三维模型试验离散化多主应力面加载及监控系统的研究.试验技术与管理，2002，19（5）:4～10”。

三峡大学袁大祥等人在进行三峡高边坡模型试验时，采用了由透明连通管水柱高度控制压强的窄条液压枕模拟边界地应力。参加文献为，“袁大祥.高边坡节理岩体地质力学模型试验研究.三峡大学学报（自然科学版），2001，23(3)：194～199”。

山东大学岩土工程中心张强勇等，在地下洞室模型试验中采用分配块和油压千斤顶群来模拟变化的地应力场。参见文献为，“张强勇，陈旭光，林波.深部巷道围岩分区破裂三维地质力学模型试验研究.岩石力学与工程学报，2009，28（9）”。

此外，还有采用水银袋加载水平应力的方法，但水银容重太高难以调整。试验过程中一旦泻漏则污染严重，造成很大损失。此外，水银价格很高，因而不适于用作加载手段。

现对传统装置及其方法模拟效果作一说明。如图1所示，由于岩体的自重产生的垂直应力σv等于该点之上岩体的厚度H（岩土工程中称为“埋深”）与岩体容重γ的乘积。而该点受到的自重产生的水平应力σh与岩体的泊松效应有关，等于σv与侧压系数K的乘积。其中，K=ν/（1-ν），ν为岩体泊松比。如果岩体模型范围是在岩体内部的某个深度，或者受到水平方向的构造应力，则岩体模型边界所受到的水平应力则为梯形分布。如果岩体模型范围的上表面就是岩体的表面，也就是地表，则岩体模型边界所受到的水平应力为梯形分布或三角形分布。

如图2所示，传统的加载方法都只能形成阶梯形分布的水平应力。与图1所示的实际地应力分布形式相距甚远，无法真实地模拟实际地应力的分布形式。

因此，以上所述的传统方法中，无论是采用刚性的设备千斤顶加载，还是柔性液压设备加载、离散化气囊加载、液压枕加载，都很难准确模拟线性分布的应力场。虽然千斤顶群和离散化气囊可以较近似模拟线性分布，但在模型较小的情况下会受设备条件限制而无法模拟。而且千斤顶群的压力每个都不同，控制很麻烦，需要复杂的系统设备，成本太高。

发明内容