高地应力真三维加载模型试验系统的研制及其应用

为模拟深部岩体在高地应力条件下的非线性变形破坏特征,研制出一种高地应力真三维加载地质力学模型试验系统,该系统主要由高压加载系统、智能液压控制系统和反力装置系统组成。高压加载系统用于给试验模型施加三维高地应力荷载,主要包括加载板和大吨位液压千斤顶。为解决相邻加载板因三维加载引起模型体压缩而出现的相互妨碍,即"打架"现象,在试验模型体外设置了中空的正方体导向框。通过前后加载板上设置的导洞盘保证了模型洞室在轴向地应力状态下进行开挖,解决了地下洞室试验模型轴向加载开挖的难题。智能液压控制系统用于试验模型的自动加载与稳压,主要包括试验控制台和智能控制传感器。反力装置系统用于给试验模型提供加载反力,主要包括模型反力架、法兰盘和反力传递板。通过工程应用,有效模拟出深部巷道围岩分区破裂–的非线性变形破坏现象。     

地质力学模型试验新技术研究进展及工程应用

 介绍地质力学模型试验的研究进展,包括新型相似材料、组合式模型试验装置及应变、位移量测新技术。新型相似材料能更好地模拟工程岩体,且价格低、易干燥、可重复利用。研制的新型组合式模型试验台可自由组装、刚度大、整体稳定性好,液压加载系统可实现自动伺服控制和梯度加载。应变测试采用先进的高速静态应变采集分析系统和光纤测试技术,模型内部位移采用研制的光栅式微型多点位移计测量,隧洞表面位移采用内卡规、摄影测量和CCD激光位移传感器测量。上述测量手段具有自动化、高精度、受干扰小的特点,可得到更精确的试验结果。最后,以工程为例说明地质力学模型试验在分岔隧道研究中的应用。     

基于地质力学模型试验的大岗山拱坝整体稳定性分析

 地质力学模型试验是研究拱坝整体稳定性的有效方法,采用250∶1的模型比例尺对有基础处理的大岗山拱坝进行三维地质力学模型试验。通过小块体砌筑技术模拟裂隙岩体的变形和强度、坝基不连续结构面以及坝基处理措施;通过油压千斤顶加载系统施加坝面水荷载;采用的数据采集系统能及时、高效地测量坝面应变、坝基岩体外部位移和内部相对位移,并自动存储数据。采用超载水容重法进行超载破坏试验,得到拱坝坝体位移和应力的分布规律以及坝体和坝基岩体的开裂破坏过程。采用3个特征超载安全系数K1,K2和K3对大岗山拱坝整体稳定性进行评价。通过地质力学模型试验和基于变形加固理论的三维数值模拟对比分析表明,大岗山拱坝整体稳定性较高,并得到对拱坝–坝基整体稳定起控制性作用的部位。     

无煤柱自成巷三维地质力学模型试验系统研制与工程应用EI北大核心CSCD

切顶卸压无煤柱自成巷技术是一种新型煤炭开采方法,利用矿山压力做功与岩体碎胀特性自动形成巷道,实现了煤炭开采无巷道掘进、无煤柱留设。为深入研究无煤柱自成巷开采全过程的覆岩运动机制、矿压显现规律与自成巷变形破坏机制,自主研发了切顶卸压无煤柱自成巷三维地质力学模型试验系统,由反力液压加载系统、自动采煤成巷系统和高精实时监测系统组成。试验系统配备无煤柱自成巷推采、切缝、成巷等核心工艺的成套模拟试验装置,实现无煤柱自成巷采掘留一体化开采全过程的真实模拟与完整工作面矿压规律的监测分析,通过组合式反力装置,可开展5.5 m×2.4 m×3.0 m(长×高×宽)以内不同尺寸模型体的地质力学模型试验。以我国首个N00工法工作面——柠条塔煤矿S1201–II工作面为工程背景,利用该试验系统开展了无煤柱自成巷工艺中最复杂的N00工法的三维地质力学模型试验,揭示了N00工法开采的矿压显现规律,得到了自成巷围岩变形控制机制,明确了自成巷关键破坏部位,提出了相应的工程建议,指导了现场设计与应用。现场试验与模型试验结果相一致,验证了模型试验系统研发与应用的合理性与有效性。     

无煤柱自成巷三维地质力学模型试验系统研制与工程应用

切顶卸压无煤柱自成巷技术是一种新型煤炭开采方法,利用矿山压力做功与岩体碎胀特性自动形成巷道,实现了煤炭开采无巷道掘进、无煤柱留设。为深入研究无煤柱自成巷开采全过程的覆岩运动机制、矿压显现规律与自成巷变形破坏机制,自主研发了切顶卸压无煤柱自成巷三维地质力学模型试验系统,由反力液压加载系统、自动采煤成巷系统和高精实时监测系统组成。试验系统配备无煤柱自成巷推采、切缝、成巷等核心工艺的成套模拟试验装置,实现无煤柱自成巷采掘留一体化开采全过程的真实模拟与完整工作面矿压规律的监测分析,通过组合式反力装置,可开展5.5 m×2.4 m×3.0 m(长×高×宽)以内不同尺寸模型体的地质力学模型试验。以我国首个N00工法工作面——柠条塔煤矿S1201–II工作面为工程背景,利用该试验系统开展了无煤柱自成巷工艺中最复杂的N00工法的三维地质力学模型试验,揭示了N00工法开采的矿压显现规律,得到了自成巷围岩变形控制机制,明确了自成巷关键破坏部位,提出了相应的工程建议,指导了现场设计与应用。现场试验与模型试验结果相一致,验证了模型试验系统研发与应用的合理性与有效性。     

组合式地质力学模型试验系统及其在分岔隧道工程中的应用

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法。地质模型是客观物理实体的再现,在满足相似原理的条件下,能够真实反映岩土介质的基本力学变形特性。要进行模型试验,就必须有相应的模型试验装置。根据地质力学模型试验的特点,本文研制出一种能实施同步非均匀加载的组合式地质力学模型试验系统。该系统主要由盒式台架装置、变荷加载板和液压加载控制试验台组成,其具有尺寸可调、加载规模大、持荷稳定的显著优点。应用该系统对一大型分岔隧道工程进行了三维地质力学模型试验研究,有效揭示了分岔隧道围岩位移场、应力场的变化规律和岩锚支护效应。     

层状岩体边坡的弯曲变形破坏试验及有限元分析

用地质力学模型试验方法，在实验室对层状岩体边坡进行分期开挖破坏试验，同时利用考虑了岩层弯曲变形效应的有限元程序模拟开挖破坏过程。两种方法所得结果具有良好的可比性，揭示了在开挖状态下岩体弯曲变形折断破坏的一些规律。     

磁性岩土相似材料物理力学性能试验研究

地质力学磁力模型试验能够模拟实际工程中的复杂情况,从而确定现场中难以确定的问题。而磁性岩土相似材料与原型材料的力学性能参数是否相似,是地质力学磁力模型试验是否可靠的重要因素,为了保证模型试验结果的可靠性,需要对磁性岩土相似材料进行试验研究。由于岩土中岩体与结构面力学性能相差很大,将岩土相似材料分为岩体相似材料与结构面相似材料分别研究,选取铁粉、石英砂、粘土为岩体磁性相似材料,选取铁粉、重晶石粉、石膏为结构面相似材料。测量相似材料的密度、抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角、泊松比等力学性能参数,研究材料含量与物理力学性能变化之间的规律,为地质力学磁力模型试验提供指导。     

新型岩土地质力学模型试验系统的研制及应用

根据地质力学模型试验的特点,研制出一种新型岩土地质力学模型试验系统,该系统主要由盒式台架装置、带扁千斤顶的变荷加载板、液压加载控制试验台组成。其中盒式台架装置用于容纳试验模型并作为加载反力装置,带扁千斤顶的变荷加载板用于给试验模型施加非均布荷载,液压加载控制试验台用于试验模型的自动加压与稳压。该系统具有规模大、整体稳定性好、尺寸可调、能进行同步非均匀加载,并具有加荷高、升压快速、持荷稳定的优点。将该系统应用于某一高速公路大型分岔隧道的三维地质力学模型试验研究,试验结果有效指导和优化了工程的设计和施工。     

节理岩体数值分析及模型试验研究

本文利用损伤模型分析了模拟节理岩体的力学特性,并利用地质力学模型试验分析了地下洞群的变形和应力状态,从而证明了损伤模型的正确性和实用性.     

真三轴荷载条件下大型地质力学模型试验系统的研制及其应用

 为研究深埋、高地应力条件下地下洞群围岩稳定性,新研制大型真三轴加载地质力学模型试验系统,该系统主要由三维钢结构台架装置和液压加载控制系统组成,可实现全三轴应力状态下在侧向施加梯级荷载。在各加载面上研制和布设组合型滚珠式滑动墙,实现新型超低减摩技术。用该系统开展洞群开挖支护的模型试验,在试验技术和模型制作工艺上有了创新和重大改进：采用预制模块堆砌黏结成型的工艺方法制作模型,提高全模型在力学性能上的一致性;采用数字照相变形量测技术、基于光纤Bragg光栅的棒式位移传感器和新研制的高精度光栅尺型微型多点位移计进行围岩内变形量测;新研发施作注浆锚杆和预应力锚索的独到工艺技术;还开展大埋深条件下的超载试验,观察到围岩破坏的发展过程,试验结果还与数值分析进行对比。研究的方法技术及结果将对类似工程研究有一定的指导和借鉴意义。     

硬岩应力–应变曲线真三轴仪研制关键技术研究

基于茂木式岩石真三轴试验原理,介绍真三轴试验机设计中的岩石体积变形测量、端部摩擦效应、应力空白角效应以及真三轴条件下的峰后行为捕捉关键试验技术。此试验系统具有高刚度、大吨位及高响应等特点,能获得真三轴条件下多种硬岩的全应力–应变曲线。同时,利用该试验系统,对不同减摩方案下的摩擦系数进行测试,并评估端部摩擦效应对岩石变形的影响。结果表明:硬脂酸和凡士林混合物具有较好的减摩效果,真三轴试验中,建议采用此减摩方案。端部摩擦往往造成岩石变形的不均匀分布,且对岩石的变形模量和强度有所提高。     

透明岩体相似物理模拟试验新方法研究

在传统岩土工程模型试验中,物理模型通常由不透明材料制备而成,变形的直接观测仅限于模型表面,而模型内部变形只能通过局部的、间接的方法进行有限观测,致使全面细致的岩体变形破裂过程及其复杂力学行为研究受到很大局限。借鉴已有一定研究基础的透明土试验的思路与方法,以软岩相似物理模拟为突破口,针对透明相似材料的透明度、强度、相似性和变形量测等几个关键难题,系统研发了透明岩体模型的制作方法、试验加载系统、数字散斑照相量测等关键技术。通过透明岩体基本物理力学实验和相似物理模型试验研究,1提出了透明岩体试样的制备方法,获得了试样透明度较为理想的硅粉、液体石蜡以及正十三烷的配比参数,研制了一种适合模拟软岩物理力学性质与变形破裂特征的透明相似物理试验材料。2通过透明岩体试样内置人工测点和散斑面,分别采用激光切面和白光照射,提出了两种较为有效的透明岩体内部变形的数字照相观测方法。3建立了透明岩体相似物理模拟试验新方法,包括透明岩体组成材料的选择、试样制作的材料配比、制作过程要素控制、模型内测点和散斑面设置、数字照相量测以及配套加载物理试验系统等。     

中尺寸岩样真三轴试验系统研制与应用

 目前国内外岩石真三轴试样尺寸倾向于两极,且尺寸跨度大、应力大小不同,不便于研究岩体三轴强度的尺寸效应和高应力环境复杂应力路径岩石的变形与强度特征,为了解决这个问题,研制LWZ–10000型中尺寸岩石真三轴试验系统,详细介绍该系统的设计思路、结构特点、技术指标及功能,该系统具有以下特点：(1) 自动伺服控制与变形破坏全过程数据采集,且精度高、性能稳定;(2) 试样尺寸介于室内和现场三轴试样尺寸之间,且尺寸可变;(3) 侧向和轴向载荷高,且三向独立控制;(4) 可同步进行超声波和声发射跟踪测试。采用该系统对锦屏大理岩进行大量的不同应力路径真三轴试验,对加载和卸载路径真三轴试验的应力–应变全过程曲线及与波速对应关系进行分析,结合大理岩不同尺寸卸载路径的真三轴试验成果,初步研究大理岩卸载路径下强度参数的尺寸效应。该系统的成功研制为研究多向复杂应力路径下不同尺寸深部岩体的变形及强度参数提供了新手段。     

深部隧道框架式真三轴物理试验系统研制与应用

为了研究深部隧(巷)道围岩稳定性机理与支护控制技术,以千米埋深为基本条件,考虑三轴六面恒压加载和数字照相量测先进技术的应用,研制了一套结构紧凑、特色鲜明的真三轴框架式大型物理模拟试验系统。该系统由模型加载反力框架、以扁油缸与真空回油为特色的液压加载控制系统、自行研制的数字照相变形量测与围岩应力测试系统和开挖支护辅助装置4部分组成,可用于长1000 mm×宽1000 mm×厚1000 mm的深部隧(巷)道大型物理相似模型试验研究。最后给出在深部矿山巷道围岩变形受力观测分析与围岩分区破裂化现象再现试验的应用实例。应用结果表明,本套试验系统对于研究包括矿山巷道、TBM隧道在内的深部隧(巷)道工程开挖与支护过程中围岩变形与应力分布规律及其稳定控制作用机理都具有重要价值。     

某地区花岗石三轴蠕变试验及其损伤分岔特性研究

 以某地区花岗岩为例，在分级加载条件下对岩石的蠕变特性进行三轴压缩蠕变试验研究，试验结果表明：岩石变形从稳态蠕变进入加速蠕变阶段存在一个应力阈值，当应力低于该阈值时，岩石内部的原始裂隙和孔隙在低应力水平下挤压密实，产生微细观的线黏弹性变形，蠕变变形以平缓的速率增长并最终趋于稳定，此时岩石的流变参数保持恒定；当应力超过该阈值时，在较高应力水平的持续作用下，岩石内部有大量细观分布裂纹产生并且迅速发展，损伤急剧演化累积，导致岩石流变参数发生突变。采用FLAC3D对花岗岩三轴蠕变试验进行三维数值模拟，得到岩石蠕变进入加速阶段的应力阈值。最后结合固体力学的分岔理论，从流变参数的角度考虑，对广义开尔文模型引入损伤变量，建立能够反映岩石加速蠕变阶段的损伤演化方程，对岩石进入加速蠕变阶段后由于参数突变引发的分岔力学特性进行分析，确定引起岩石发生分岔行为的流变参数以及岩石蠕变变形的分岔点。计算结果表明，基于考虑损伤影响的有效初始弹性模量得到的计算曲线与试验曲线的吻合情况较为理想。     

基于多级破坏方法确定岩石卸荷强度参数 的试验研究

 根据卸荷路径确定岩石卸荷强度参数时,为避免岩样本身离散性过大对强度的影响,采用了卸荷多级破坏试验方法。将卸荷应力路径与多级破坏方法有机结合,用单个岩样获取多个强度值,然后通过回归确定岩石卸荷强度参数。基于MTS 815.02岩石三轴试验机,研究荷载控制方式下多级破坏试验中峰值判断、破坏状态变形控制等几个问题,并提出相应的解决方案。最后成功开展了大理岩卸荷多级破坏试验,取得了与常规卸荷破坏试验较一致的结果。研究成果表明,卸荷应力路径中引入多级破坏的方法,既考虑了应力路径对强度的影响,又有效避免岩样离散性过大对强度的影响,是一种实用、有效的确定岩石卸荷强度参数方法。     

一室四腔刚-柔加载机构真三轴仪的改进与强度试验——西安理工大学真三轴仪

土的真三轴仪是研究不同应力路径等复杂应力条件下土力学性质的重要仪器。与国内外已有真三轴仪的加载机构比较,西安理工大学真三轴仪具有一室四腔、竖向和水平面内正交两向分别呈刚性和柔性加载机构的特征。试样的竖向采用刚性板加载,侧向正交双轴分别采用两组内置于压力腔的液压囊加载。针对试样上下端部刚性板的约束作用,增大了试样的竖向尺寸,研制了高宽比为2∶1的压力室;针对立方体试样侧面正交双轴的液压囊体积变化量测侧向变形的不足,研制了穿越液压囊的变形量测机构;针对自动控制系统信号波动变化较大,稳定性差等不足,开发了自动控制系统及多种应力路径和控制方式的控制程序。通过饱和砂土、非饱和土和原状黄土的试验,测试了各种土的强度变化规律,验证了改进真三轴仪的性能。