[实用新型]一种柔性边界加载试验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种柔性加载装置，特别涉及一种适用于地质力学模型试验的柔性边界加载试验装置。

背景技术

随着我国矿山隧道、国防、水利及其它地下工程建设的迅猛发展，地下空间的开发利用逐渐走进深部，所遇到的工程地质条件日趋复杂，面临的问题也越具挑战性，各种工程灾害屡有发生，如岩爆、隧洞围岩大变形、分区破裂化等，其一旦发生后果十分严重。

目前研究方法主要有理论研究、模型试验、数值模拟三种方法。由于岩土介质自身特性及赋存地质环境的复杂性，各种工程灾害往往包含岩石动力学、断裂损伤力学等概念，所涉及参数较多，理论分析难度较大；数值模拟已广泛应用于岩土工程的研究和设计并获得成功，但其往往对参数依赖程度要求较高，而这些参数存在不确定性，需要现场测定或试验的检验才能生效。而通过模型试验方法，在基本满足相似理论条件下，能更全面真实地反映地质构造和工程整体结构，更准确的模拟开挖施工过程中的动态力学性能变化全过程，试验结果直观明了，能较好解决上述难题。

模型试验一般采用有限尺寸模型模拟无限介质中的开挖问题，需要科学的设定模型的边界条件，以达到开挖卸荷物理过程的相似。目前采用的边界条件：一是等位移边界条件，二是等应力边界条件。

前者一般采用液压千斤顶通过加载板对模型加载。为实现迅速的跟进模型因变形引起边界受力的变化，还有一些研究者通过液压伺服控制系统驱动油缸，以实现迅速的跟进模型因变形引起边界受力的变化，但边界均是刚性的。加载面位移是均匀的，应力不均匀。对于均匀材料，能给出满意结果，但对像含结构面岩体这类非连续、非均匀介质，此加载方式将导致边界上作用力不均匀、不确定，不能很好模拟岩体受静水压力这一客观情况；后者考虑通过液压油囊、气囊加载方式，或者在模型与加载板之间加一层如柔性橡胶等柔性垫层以实现等应力边界条件，这对于保证模型表面均匀应力场，提高模型试验精度具有重要意义。但通过油囊、气囊的加载方式，因其行程及加载压力均有限，对于模型试验的适用性不强，尤其是对于深地下工程将很难满足加载要求；后者虽满足了等应力边界条件，但在开挖卸荷过程中，其不能及时补给因卸荷而引起围岩回弹所需的能量，从而也不能准确的模拟真实的边界情况。

张建明研究了砂土颗粒材料在常应力、常位移以及常刚度三种法向边界条件下接触面力学特性，对二维接触面试验机形式进行了扩宽，但在岩石材料试验以及大型三维试验研究中，加载一直停留在前两种手段，有必要研究在合适刚度条件下进行模型试验能否更进一步提高模拟精度。Denis E.Gill、钱七虎院士等均提出岩石试件在刚、柔性试验机做单轴压缩试验时，如果岩石试件峰后刚度大于试验机刚度，则可能发生爆发性破坏（岩爆），否则，则发生渐变性破坏（塌方）。J.A.Hudson等也提出了在单轴压缩试验时存在上述情况,应考虑试验机刚度对试件的影响。现有模型试验加载装置均未考虑过试验装置刚度对模型试验的影响，这将导致模型试验所得结果不能真实反应模型材料的破坏特性，其结果对于研究深地下工程岩石变形破坏存在一定缺陷。为克服以上不足，应考虑加载系统与模型之间刚度问题，地质力学模型试验的加载边界条件应该是在尽可能满足等应力边界加载条件前提下，需更多的考虑试验加载系统与模型之间的刚度问题。

深部岩体构造单元长期处于高地应力压缩状态，其界面处具有黏结和摩擦特性，在微观和宏观水平上均表现出储能特性，这一特性可以看作是将作用在边界上的“主动”力变换为作用在边界上的“被动”力的某一种机制。这种机制使之在一定的条件下转化为具有平均应力及速度的宏观水平上的能量，并非常显著地影响着岩体变形过程中的力学性质和变形稳定性。

因此进行模型试验时，在保证等应力边界加载条件下，有必要更合理设定模型的加载边界，使加载系统的刚度小于或等于模型材料刚度，从而实现变“主动”力为“被动”力。

根据圣维南原理，介质中开挖时，远区的应力场变化较小，因而该方法在开挖洞径较小而模型尺寸较大的情况下，导致的误差不大。但是，由于实际的试验实施过程中，模型尺寸受到经费、加载能力等多方面因素的限制，不可能做到很大，因而由此导致的误差是未知的。而用有限尺寸模型模拟无限介质中的模型试验时，要实现柔性加载，除需还原其均匀的受力状态外，还需在开挖卸荷过程中及时补给围岩回弹所需能量，并提供给模型一合适的回弹刚度。