[发明专利]水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置及方法

权利要求书

1.一种水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置，其特征在于：包括模拟岩体、加载系统、渗流场控制系统、数据采集系统和总控制器，所述模拟岩体中心为混凝土井壁，混凝土井壁内侧为预制井筒，混凝土井壁外侧从下到上按顺序依次填筑底板隔水层、含水层和顶板隔水层，含水层外侧的环形区域填充帷幕注浆体；所述加载系统、渗流场控制系统设置在模拟岩体外部，渗流场控制系统的渗流场管道埋设在含水层中；所述数据采集系统包括埋设在模拟岩体混凝土井壁内表面、混凝土井壁外表面、帷幕注浆体、顶板隔水层、含水层和底板隔水层内的监测元件；所述总控制器分别与加载系统、渗流场控制系统、数据采集系统连接。

2.根据权利要求1所述的水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置，其特征在于：所述总控制器包括电脑、数据线、水平加载数据线、竖向加载数据线、井壁轴向加载数据线、监测元件数据线，电脑通过水平加载数据线、竖向加载数据线、井壁轴向加载数据线与液压加载系统相连，电脑通过数据线与渗流场控制系统相连，电脑通过监测元件数据线与采集数据系统相连。

3.根据权利要求2所述的水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置，其特征在于：所述加载系统包括模型反力架、反力架盖、水平加载轴、竖向加载轴、井壁轴向加载轴、钢板，所述模拟岩体放置在模型反力架中，模型反力架和反力架盖用螺栓Ⅰ相连，模拟岩体左面、右面、前面、后面均设置水平加载轴；模拟岩体上面和下面均设置竖向加载轴；模拟岩体的混凝土井壁上部设置井壁轴向加载轴，水平加载轴、竖向加载轴和井壁轴向加载轴底部用螺栓Ⅱ固定在模型反力架上，水平加载轴、竖向加载轴和井壁轴向加载轴顶部与模拟岩体相接触，水平加载轴、竖向加载轴和井壁轴向加载轴与模拟岩体相接触位置处均设有钢板，水平加载轴通过水平加载数据线连接电脑，竖向加载轴通过竖向加载数据线连接电脑，井壁轴向加载轴通过井壁轴向加载数据线连接电脑；通过电脑控制水平加载轴对模拟岩体左面、右面、前面、后面进行水平加载，控制竖向加载轴对模拟岩体上面、下面进行竖向加载，控制井壁轴向加载轴对模拟岩体的混凝土井壁进行轴向加载。

4.根据权利要求3所述的水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置，其特征在于：所述渗流场控制系统包括渗流场管道、管道接头、测压器Ⅰ、测压器Ⅱ、测速调节阀Ⅰ、测速调节阀Ⅱ、水泵、水箱，渗流场管道由多根平行导水钢管和一根纵向引水钢管组合而成，多根平行导水钢管预埋于含水层的左右两侧边界内，纵向引水钢管的中部分别连接多根平行导水钢管的一端，多根平行导水钢管的另一端伸入含水层内，所述水泵的一端经测压器Ⅰ、测速调节阀Ⅰ后与渗流场管道的进水端相连，水泵另一端与水箱相连；渗流场管道的出水端经测压器Ⅱ、测速调节阀Ⅱ后与水箱相连；电脑通过数据线连接测压器Ⅰ、测压器Ⅱ、测速调节阀Ⅰ、测速调节阀Ⅱ，通过测速调节阀Ⅰ和测速调节阀Ⅱ控制渗流场水压，通过测压器Ⅰ、测压器Ⅱ对渗流场水压的进行实时监测。

5.根据权利要求4所述的水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置，其特征在于：所述顶板隔水层和底板隔水层的材料为质量比为2.8:1的细砂岩：硅酸盐水泥，含水层的材料为质量比为3:11.2：5.8:16的粗砾岩：粗砂岩：细砂岩；硅酸盐水泥，帷幕注浆体的材料为质量比为0.98:1:1.42的水：水泥：水玻璃。

6.根据权利要求4所述的水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置，其特征在于：所述数据采集系统包括光纤渗压传感器、多点位移计、电阻式应变片和微型压力盒，在混凝土井壁内表面、混凝土井壁外表面均埋设电阻式应变片，帷幕注浆体、含水层、底板隔水层、顶板隔水层内均埋设光纤渗压传感器、多点位移计和微型压力盒，电脑控制器通过监测元件数据线与光纤渗压传感器、多点位移计、电阻式应变片和微型压力盒相连进行数据的采集并将数据存储于电脑控制器。

7.根据权利要求6所述的水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置，其特征在于：所述模拟岩体的预制井筒底部安装有摄像装置，所述模拟岩体的预制井筒下部设有量筒和电子天平。