一种地质力学模型试验倾斜裂隙的制作装置、系统及方法

摘要

本发明公开了一种地质力学模型试验倾斜裂隙的制作装置、系统及方法，其技术方案为：包括承压装置和角度调节装置，承压装置包括第一水平承压板和连接于第一水平承压板下部且错位设置的第二水平承压板、活动承压组件，所述第二水平承压板和活动承压组件之间转动连接有用于使模型相似材料产生倾斜裂隙的倾斜承压板；角度调节装置包括连接于倾斜承压板和第一水平承压板之间的第一千斤顶、连接于活动承压组件和第一水平承压板之间的第二千斤顶；第一千斤顶、第二千斤顶伸缩能够改变制作倾斜裂隙的角度。本发明通过倾斜承压板实现倾斜裂隙的制作，且倾斜裂隙的角度方便调节；结构简单，适用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及地质力学模型试验领域，尤其涉及一种地质力学模型试验倾斜裂隙的制作装置、系统及方法。

背景技术

随着地下工程建设的快速发展，地下工程不断走向深部，围岩环境也越来越复杂，地下岩层在地应力和外力等作用下形成倾斜分布岩层，为保障倾斜岩层中工程施工开挖与运行安全，研究岩层的变形破坏及围岩的应力位移变化等物理力学特性已经成为地质岩层研究领域的一个重要课题。但是由于地质岩层复杂多变，影响因素众多，传统理论方法难以胜任，数值模拟困难重重，现场监测工作量大、周期长、成本高，相比之下，物理力学模型试验以其形象、直观、真实的特性成为成为了研究这一复杂地质环境的重要科学手段。物理模型试验是根据相似原理采用缩尺模型将复杂的地质岩层通过物理模型进行相似再现，研究真实岩层中发生的现象和过程的规律，对复杂地质岩层中工程建设具有指导意义。

传统的物理模型试验装置只适用于水平岩层的相似模拟，倾斜岩层的制备技术尚不成熟，模型试验中较小的误差就会造成与实际工程有很大的偏差。目前已有一些关于倾斜岩层物理模型试验装置，例如，一种缓倾角层理各向异性岩体隧道稳定性的物理模型试验，将层状岩体概化为层状制作的模型，模型的层间采用极软的薄膜隔断实现分层，但方法仅实现缓倾角层理，且每层岩层的厚度无法保证相等，加载方式为平面应变加载方式；一种不同倾角多层节理深部岩体开挖模型试验，在试验台架内倾斜摊铺材料，人工逐层夯实材料实现节理岩体模拟，但是人工夯实倾斜材料难以做到节理角度和方向的精确控制，精度差、误差大，从而导致模型节理岩体形态与实际岩体存在较大差异，严重影响模型试验结果的可靠性；一种倾斜岩层物理相似模拟试验装置及方法，通过液压千斤顶调节整个模型试验架的倾斜角度实现倾斜岩层的制备，但是该装置成本高，操作难度大，难以用于大型物理模型试验。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种地质力学模型试验倾斜裂隙的制作装置、系统及方法，通过倾斜承压板实现倾斜裂隙的制作，且倾斜裂隙的角度方便调节；结构简单，适用范围广。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种地质力学模型试验倾斜裂隙的制作装置，包括：

承压装置，包括第一水平承压板和连接于第一水平承压板下部且错位设置的第二水平承压板、活动承压组件，所述第二水平承压板和活动承压组件之间转动连接有用于使模型相似材料产生倾斜裂隙的倾斜承压板；

角度调节装置，包括连接于倾斜承压板和第一水平承压板之间的第一千斤顶、连接于活动承压组件和第一水平承压板之间的第二千斤顶；第一千斤顶、第二千斤顶伸缩能够改变制作倾斜裂隙的角度。

作为进一步的实现方式，所述活动承压组件包括活动承压板和固定承压板，活动承压板一端与倾斜承压板转动连接，另一端与固定承压板转动连接。

作为进一步的实现方式，所述活动承压板和固定承压板通过凸起与凹槽结构配合，且所述凸起与凹槽转动连接。

作为进一步的实现方式，所述倾斜承压板一端与第二水平承压板铰接，另一端与活动承压板铰接。

作为进一步的实现方式，所述第一千斤顶通过活动铰座与倾斜承压板相连。

作为进一步的实现方式，所述倾斜承压板的倾斜角度为20°～60°。

第二方面，本发明的实施例还提供了一种地质力学模型试验倾斜裂隙的制作系统，包括所述的制作装置。

作为进一步的实现方式，还包括设置于第一水平承压板远离第一千斤顶一侧的若干第三千斤顶，第三千斤顶通过压实板连接反力架；第三千斤顶用于提供制作倾斜裂隙的动力。

作为进一步的实现方式，所述反力架内设置有用于填筑模型相似材料的模型箱。

第三方面，本发明的实施例还提供了一种地质力学模型试验倾斜裂隙的制作方法，采用所述的制作系统，包括：

调节第一千斤顶、第二千斤顶的伸长距离，使倾斜承压板倾斜角度等于待制作倾斜裂隙角度；

在模型箱内铺填模型相似材料至设定位置；

将所述制作装置放置于模型箱内，使第二水平承压板、倾斜承压板、活动承压组件与模型相似材料表面贴合；

调节第三千斤顶的伸长距离，以将模型相似材料压实。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式设置倾斜承压板、水平承压板和活动承压组件，通过第一千斤顶、第二千斤顶能够调节倾斜承压板的倾斜角度，结构简单，能够适用于不同倾斜裂隙要求。

(2)本发明的一个或多个实施方式通过千斤顶使制作装置整体下降以压实模型相似材料，实现倾斜裂隙的制作，操作简单，模型箱不需要移动；通过千斤顶实现竖向加载，便于裂隙制作。

(3)本发明的一个或多个实施方式在模型体堆填分层压实过程中，能够控制相似材料层面的角度及层厚，实现模型试验倾斜填料以模拟不同地质情况；还可以实现不同岩性夹层的制作，有利于模拟试验中模拟地下工程中地层倾斜，软弱夹层等实际地层情况。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的制作装置结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的制作系统结构示意图；

其中，1、第一千斤顶，2、第二千斤顶，3、活动铰座，4、第一水平承压板，5、第二水平承压板，6、第一铰接端，7、倾斜承压板，8、第二铰接端，9、活动承压板，10、固定承压板，11、第一连接件，12、第二连接件，13、模型箱，14、第三千斤顶，15、压实板，16、反力架。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了一种地质力学模型试验倾斜裂隙的制作装置，如图1所示，包括承压装置和角度调节装置，其中，承压装置包括第一水平承压板4、第二水平承压板5、活动承压组件和倾斜承压板7，第二水平承压板5、活动承压组件和倾斜承压板7均设置于第一水平承压板4下方，且倾斜承压板7转动连接于第二水平承压板5和活动承压组件之间。

进一步的，第二水平承压板5与第一水平承压板4间隔一定距离，二者通过第二连接件12相连，通过第二连接件12使第二水平承压板5与第一水平承压板4形成固定结构。所述第二水平承压板5与第一水平承压板4平行，且第二水平承压板5长度小于第一水平承压板4长度，以为倾斜承压板7留有安装和调节空间。

在本实施例中，第二水平承压板5的一端与第一水平承压板4端部平齐，另一端与倾斜承压板7的一端转动连接；倾斜承压板7的另一端与活动承压组件转动连接。优选地，倾斜承压板7分别与第二水平承压板5、活动承压组件铰接，结构简单，便于安装。

进一步的，倾斜承压板7的一端为第一铰接端6，另一端为第二铰接端7；第一铰接端6与第二水平承压板5铰接，第二铰接端7与活动承压组件铰接。所述活动承压组件通过第一连接件11与第一水平承压板4连接，且活动承压组件与第一水平承压板4的竖向间距与第二水平承压板5和第一水平承压板4的竖向间距不同，形成错位布置，以使倾斜承压板7形成设定倾斜角度。

在本实施例中，活动承压组件与第一水平承压板4的竖向间距大于第二水平承压板5和第一水平承压板4的竖向间距；可以理解的，在其他实施例中，活动承压组件与第一水平承压板4的竖向间距也可以设置为小于第二水平承压板5和第一水平承压板4的竖向间距。

所述第一连接件11、第二连接件12仅起到连接、支撑作用，可以根据实际要求选择现有连接板、连接杆或其他连接结构。

进一步的，所述活动承压组件包括活动承压板9和固定承压板10，固定承压板10与第一连接件11连接，固定承压板10和活动承压板9之间活动连接，以使倾斜承压板7的角度可调节。

在本实施例中，所述活动承压板9和固定承压板10通过凸起与凹槽结构配合，且所述凸起与凹槽转动连接。例如：活动承压板9为凹字形板，固定承压板10为凸字形板，凹字形板与凸字形板转动连接。

进一步的，所述角度调节装置包括第一千斤顶1、第二千斤顶2，第一千斤顶1连接于第一水平承压板4与倾斜承压板7之间，第二千斤顶2连接于第一水平承压板4与活动承压板9之间，第一千斤顶1、第二千斤顶2伸缩能够改变倾斜承压板7的倾斜角度。

在本实施例中，所述倾斜承压板7的倾斜角度为20°～60°，即能够制作倾斜角度为20°～60°范围内的倾斜裂隙，可以模拟缓倾斜、倾斜、急倾斜等多种产状的岩体模型，适用范围更广。

所述第一千斤顶1一端与第一水平承压板4固定连接，另一端通过活动铰座3与倾斜承压板7相连。第二千斤顶2一端与第一水平承压板4固定连接，另一端连接活动承压板9；通过调整第一千斤顶1、第二千斤顶2的伸出长度调节倾斜承压板7的倾斜角度。

实施例二：

本实施例提供了一种地质力学模型试验倾斜裂隙的制作系统，如图2所示，包括实施例一所述的制作装置，还包括模型箱13、反力架16，反力架16采用框架结构，模型箱13固定于反力架16内。

进一步的，第一水平承压板4上方设置若干第三千斤顶14，第三千斤顶14垂直于第一水平承压板4；第三千斤顶14的顶部通过压实板15连接于反力架16顶部的内表面。

在模型箱13内填筑填筑模型相似材料后，所述制作装置设置于模型箱13中，通过在制作装置上方安装第三千斤顶14使制作装置对填筑模型相似材料产生压力，以夯实模型相似材料。

实施例三：

本实施例提供了一种地质力学模型试验倾斜裂隙的制作方法，采用实施例二所述的制作系统，包括以下步骤：

A.确定裂隙倾角，根据实际地层的倾角，通过调节第一千斤顶1、第二千斤顶2的伸长距离，确定倾斜承压板7的倾斜角度；固定活动承压板9、固定承压板10，保证活动承压板9为水平状态。

B.通过液压锁锁定第一千斤顶1、第二千斤顶2，以固定两者的伸长距离。

C.堆填相似材料，根据实际工程中的地层密度，在模型箱13内填铺模型相似材料，根据裂隙的倾斜角度、位置和模型相似材料的密度，计算填料的重量，将模型相似材料铺填夯实到相应位置。

D.放置制作装置，使第二水平承压板5、倾斜承压板7、活动承压组件与模型相似材料表面贴合；调节第三千斤顶14的伸长距离，通过反力架16将摊铺的模型相似材料压实。

本实施例在模型相似材料填铺过程中根据实际工程概况设置倾斜裂隙，并进行分层压实直至模型填完成，通过三维梯度非均匀加载结构模型试验更真实地揭示深部地下洞室围岩的非线性变形特征和破坏机理，进而更合理地评价地下洞室围岩的稳定性和采取有效的加固措施。

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。