真三轴荷载条件下大型地质力学模型试验系统
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
[1，2]
2
真三轴加载模型试验系统的研制
真三轴加载模型试验系统主要由钢结构台架和
液压加载控制系统组成。其某些主体部分在有关结 果[9]中已提及。本次试验有所不同的是，在模型背 面新建立了一个分层反力架和与正面相对应的反力 横梁对洞室群轴线方向施加自平衡式的分级加载， 以模拟平行洞轴向的地应力荷载。该方向设计了 4 级分层载荷，且只在模型的背面安设 16 个千斤顶， 前后反力架间通过前横梁、后横梁和高强度钢拉杆 来实现自平衡对称加载。这样可大为节省模型架前 方的空间，使开挖、监测和支护操作尽量靠近模 型，减少操作难度。 2.1 三维模型试验钢结构台架 (1) 结构台架的设计 三维试验钢结构台架的设计如图 1 所示，主要 包括门式反力架、前后自平衡式分层反力架、结构 墙、组合型滚珠式滑动墙等。安装完成的模型试验 钢结构台架见图 2。 试验台架采用高强度的钢合金和螺栓连接而 成，结构刚度大，能模拟埋深达 2 000 m 时岩体所 处的地应力荷载；其外部尺寸：4.5 m×2 m×3.55 m (长×宽×高)，既可进行大比例尺的三维模型试验， 也能进行二维模型试验。为了观察洞周围岩的破裂 情况，在结构墙上的洞周布设了若干高强度钢化玻 璃条形窗。 (2) 减摩技术 在试验中，试件与加荷压板及结构墙的接触面 将产生摩擦力，这将对模型的变形产生约束。根据 标定，若只采用常规的减摩措施，其摩擦力能达到 施加荷载的 1/4 左右。
Photos of structural steel frame for model tests after installation works
因此，采用了新的减摩技术解决此问题。其设 计原理是在模型表面与结构墙之间设置组合型滚珠 式滑动墙。在其他几个加荷面也采用这一方法。经 测试，采用这种新方法，其摩擦因数小于 0.005，仅 为目前常用的聚四氟乙烯薄膜摩擦因数的 1/30。 2.2 液压加载控制系统 所采用的液压加载控制系统可实现自动控制液
(Geotechnical and Structural Engineering Research Center，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China)
Abstract：To study the stability analysis of underground cavern groups at great depth and under high geostress field，a large-scale geomechanical model test system under true triaxial loading is newly developed. The model test system mainly consists of a steel structural frame and a hydraulic loading control system，which adopts active loading on six surfaces of the model block with a true triaxial stress considering trapezoidal loading steps in two horizontal directions. Newly-developed combinational ball-type sliding walls are installed on each side of the major loading surfaces， which can significantly reduce friction. Based on the system， a large-scale geomechanical model test for an underground cavern group is carried out. Major innovations and improvements have been made in terms of experimental techniques and advanced measurement methods/techniques. Precast blocks of analog materials are piled up and bonded to enhance the consistent mechanical properties of the whole model system. Digital photogrammetric technique， fiber Bragg grating(FBG) technology-based displacement sensing bars， and a newly developed mini-extensometers are employed to measure the deformation of surrounding rock mass. A new unique technique of grouted anchor and prestressed cables are conducted. The development process and phenomenon of fracture patterns of rock surrounding are observed and analyzed during excavating and overloading tests. The test results are compared with those of numerical simulations. These achieved results would provide certain guiding significance for study of similar practical engineering projects.
图1 Fig.1
全三维地质力学模型试验台架装置设计示意图(单位：mm)
Sketch of steel frame design for true three-dimensional geomechanical model tests(unit：mm)
主厂房 主变室 尾调室
图2 Fig.2
安装完成的模型试验钢结构台架
。这些特点决定了
开展一定模型试验的必要性。 进行模型试验就必须要有相应的模型试验系 统，近年已研制成功的进行地下洞室地质力学模型 试验的装置主要有：陈霞龄等[3]研制了一种格梁钢 结构的三维台架，并进行了洞群的平面应变试验； 蒋树屏等[4]采用公路隧道及围岩综合试验系统模拟 了隧道在多种开挖方法下的施工力学效应；李仲奎 等[5]研制了一种离散化三维多主应力面加载试验系 统，并以其进行了大型洞群模型试验；陈安敏等[6] 研制了 YD-A 型岩土工程多功能模拟试验装置，并 进行了小浪底工程地下洞群模型试验；姜耀东等[7] 应用其研制的真三轴巷道平面模型试验系统进行了 复杂条件下巷道稳定性的模型试验；张强勇等[8]研 制了一种组合式地质力学模型试验系统，进行了分 岔隧道的大型模型试验；朱维申等[9]研制了准三维 模型试验台架装置，并进行了高地应力条件下大型 洞群模型试验。 但上述前人的试验工作尚存在以下主要问题： 大多数模型的尺寸较小，无法进行大比尺洞室群体 的模型试验或试验台架的刚度和液压加载控制系统 难以实现高地应力和超载安全度模拟试验；或未能 模拟洞室轴向和侧向的梯级加载方式等。有的模型 进深大，很难实现人工分层开挖，更无法安设注浆 锚杆、预应力锚索和收敛量测点等；试验过程中难 以观察洞周围岩的破裂现象和破坏过程；对消除
•2•
岩石力学与工程学报
2010 年
Key words：geomechanics；model test；true triaxial stress state；new experimental techniques；underground cavern group；stability analysis 模型体加载面摩擦力的影响缺乏有效的技术方法。
第 29 卷
第1期
朱维申，等. 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
•3•
(a) 钢结构台架正面布置图
(b) 钢结构台架侧视图
(1—门式反力架；2—结构墙；3—传压盒；4—液压千斤顶；5—反力横梁；6—底座；7—滚动轴承；8—前后自平衡式分层反力架； 9—高强度钢拉杆；10—组合型滚珠式滑动墙；11—高强度有机玻璃板观察窗)
(山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)
摘要：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。 关键词：地质力学；模型试验；真三轴应力状态；新试验技术；地下洞群；稳定性分析 中图分类号：P 55 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2010)01–0001–07
1
引
言Leabharlann Baidu
为解决以往试验系统的不足，本文研制了一种 具有超低摩擦力，带滚珠式滑动墙的自平衡式梯级 加载的大型真三轴加荷模型试验系统，并以其开展 了地下洞群的模型试验。同时，实现了安设预应力 锚索和注浆锚杆新技术，并开发和应用了数种国内 外先进的量测方法和技术。后期还开展了超载试 验，并与数值分析结果做了对比。
DEVELOPMENT OF LARGE-SCALE GEOMECHANICAL MODEL TEST SYSTEM UNDER TRUE TRIAXIAL LOADING AND ITS APPLICATIONS
ZHU Weishen，ZHANG Qianbing，LI Yong，SUN Linfeng，ZHANG Lei，ZHENG Wenhua
随着我国西部大开发战略的实施，将有几十座 大型水电站正在建设或进入规划设计阶段。大型地 下洞群的规模在逐渐增大、所处的地质环境也愈加 复杂。尤其是在深埋、高地应力条件下，洞群围岩 的稳定性状况、破坏形态和破坏机制等问题是目前 急需解决的问题。地质力学模型试验和数值模拟是 解决这类问题的主要研究方法。地质力学模型试验 在研究锚固效应和研究围岩的破裂过程及机制以及 研究其在不同埋深条件下的超载破坏试验时，具有 独特的优势。 同时， 试验的结果还可和数值模拟的 结果作对比分析和相互验证
收稿日期：2009–06–11；修回日期：2009–09–15 基金项目：国家自然科学基金重点项目(90510019)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412705) 作者简介：朱维申(1932–)，男，博士，1962 年于波兰克拉科夫矿冶学院获博士学位，现任教授、博士生导师，主要从事岩石力学与地下工程方面的 教学与研究工作。E-mail：zhuw@sdu.edu.cn
第 29 卷 第 1 期 2010 年 1 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.29 No.1 Jan.，2010
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
朱维申，张乾兵，李 勇，孙林锋，张 磊，郑文华
2
真三轴加载模型试验系统的研制
真三轴加载模型试验系统主要由钢结构台架和
液压加载控制系统组成。其某些主体部分在有关结 果[9]中已提及。本次试验有所不同的是，在模型背 面新建立了一个分层反力架和与正面相对应的反力 横梁对洞室群轴线方向施加自平衡式的分级加载， 以模拟平行洞轴向的地应力荷载。该方向设计了 4 级分层载荷，且只在模型的背面安设 16 个千斤顶， 前后反力架间通过前横梁、后横梁和高强度钢拉杆 来实现自平衡对称加载。这样可大为节省模型架前 方的空间，使开挖、监测和支护操作尽量靠近模 型，减少操作难度。 2.1 三维模型试验钢结构台架 (1) 结构台架的设计 三维试验钢结构台架的设计如图 1 所示，主要 包括门式反力架、前后自平衡式分层反力架、结构 墙、组合型滚珠式滑动墙等。安装完成的模型试验 钢结构台架见图 2。 试验台架采用高强度的钢合金和螺栓连接而 成，结构刚度大，能模拟埋深达 2 000 m 时岩体所 处的地应力荷载；其外部尺寸：4.5 m×2 m×3.55 m (长×宽×高)，既可进行大比例尺的三维模型试验， 也能进行二维模型试验。为了观察洞周围岩的破裂 情况，在结构墙上的洞周布设了若干高强度钢化玻 璃条形窗。 (2) 减摩技术 在试验中，试件与加荷压板及结构墙的接触面 将产生摩擦力，这将对模型的变形产生约束。根据 标定，若只采用常规的减摩措施，其摩擦力能达到 施加荷载的 1/4 左右。
Photos of structural steel frame for model tests after installation works
因此，采用了新的减摩技术解决此问题。其设 计原理是在模型表面与结构墙之间设置组合型滚珠 式滑动墙。在其他几个加荷面也采用这一方法。经 测试，采用这种新方法，其摩擦因数小于 0.005，仅 为目前常用的聚四氟乙烯薄膜摩擦因数的 1/30。 2.2 液压加载控制系统 所采用的液压加载控制系统可实现自动控制液
(Geotechnical and Structural Engineering Research Center，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China)
Abstract：To study the stability analysis of underground cavern groups at great depth and under high geostress field，a large-scale geomechanical model test system under true triaxial loading is newly developed. The model test system mainly consists of a steel structural frame and a hydraulic loading control system，which adopts active loading on six surfaces of the model block with a true triaxial stress considering trapezoidal loading steps in two horizontal directions. Newly-developed combinational ball-type sliding walls are installed on each side of the major loading surfaces， which can significantly reduce friction. Based on the system， a large-scale geomechanical model test for an underground cavern group is carried out. Major innovations and improvements have been made in terms of experimental techniques and advanced measurement methods/techniques. Precast blocks of analog materials are piled up and bonded to enhance the consistent mechanical properties of the whole model system. Digital photogrammetric technique， fiber Bragg grating(FBG) technology-based displacement sensing bars， and a newly developed mini-extensometers are employed to measure the deformation of surrounding rock mass. A new unique technique of grouted anchor and prestressed cables are conducted. The development process and phenomenon of fracture patterns of rock surrounding are observed and analyzed during excavating and overloading tests. The test results are compared with those of numerical simulations. These achieved results would provide certain guiding significance for study of similar practical engineering projects.
图1 Fig.1
全三维地质力学模型试验台架装置设计示意图(单位：mm)
Sketch of steel frame design for true three-dimensional geomechanical model tests(unit：mm)
主厂房 主变室 尾调室
图2 Fig.2
安装完成的模型试验钢结构台架
。这些特点决定了
开展一定模型试验的必要性。 进行模型试验就必须要有相应的模型试验系 统，近年已研制成功的进行地下洞室地质力学模型 试验的装置主要有：陈霞龄等[3]研制了一种格梁钢 结构的三维台架，并进行了洞群的平面应变试验； 蒋树屏等[4]采用公路隧道及围岩综合试验系统模拟 了隧道在多种开挖方法下的施工力学效应；李仲奎 等[5]研制了一种离散化三维多主应力面加载试验系 统，并以其进行了大型洞群模型试验；陈安敏等[6] 研制了 YD-A 型岩土工程多功能模拟试验装置，并 进行了小浪底工程地下洞群模型试验；姜耀东等[7] 应用其研制的真三轴巷道平面模型试验系统进行了 复杂条件下巷道稳定性的模型试验；张强勇等[8]研 制了一种组合式地质力学模型试验系统，进行了分 岔隧道的大型模型试验；朱维申等[9]研制了准三维 模型试验台架装置，并进行了高地应力条件下大型 洞群模型试验。 但上述前人的试验工作尚存在以下主要问题： 大多数模型的尺寸较小，无法进行大比尺洞室群体 的模型试验或试验台架的刚度和液压加载控制系统 难以实现高地应力和超载安全度模拟试验；或未能 模拟洞室轴向和侧向的梯级加载方式等。有的模型 进深大，很难实现人工分层开挖，更无法安设注浆 锚杆、预应力锚索和收敛量测点等；试验过程中难 以观察洞周围岩的破裂现象和破坏过程；对消除
•2•
岩石力学与工程学报
2010 年
Key words：geomechanics；model test；true triaxial stress state；new experimental techniques；underground cavern group；stability analysis 模型体加载面摩擦力的影响缺乏有效的技术方法。
第 29 卷
第1期
朱维申，等. 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
•3•
(a) 钢结构台架正面布置图
(b) 钢结构台架侧视图
(1—门式反力架；2—结构墙；3—传压盒；4—液压千斤顶；5—反力横梁；6—底座；7—滚动轴承；8—前后自平衡式分层反力架； 9—高强度钢拉杆；10—组合型滚珠式滑动墙；11—高强度有机玻璃板观察窗)
(山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)
摘要：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。 关键词：地质力学；模型试验；真三轴应力状态；新试验技术；地下洞群；稳定性分析 中图分类号：P 55 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2010)01–0001–07
1
引
言Leabharlann Baidu
为解决以往试验系统的不足，本文研制了一种 具有超低摩擦力，带滚珠式滑动墙的自平衡式梯级 加载的大型真三轴加荷模型试验系统，并以其开展 了地下洞群的模型试验。同时，实现了安设预应力 锚索和注浆锚杆新技术，并开发和应用了数种国内 外先进的量测方法和技术。后期还开展了超载试 验，并与数值分析结果做了对比。
DEVELOPMENT OF LARGE-SCALE GEOMECHANICAL MODEL TEST SYSTEM UNDER TRUE TRIAXIAL LOADING AND ITS APPLICATIONS
ZHU Weishen，ZHANG Qianbing，LI Yong，SUN Linfeng，ZHANG Lei，ZHENG Wenhua
随着我国西部大开发战略的实施，将有几十座 大型水电站正在建设或进入规划设计阶段。大型地 下洞群的规模在逐渐增大、所处的地质环境也愈加 复杂。尤其是在深埋、高地应力条件下，洞群围岩 的稳定性状况、破坏形态和破坏机制等问题是目前 急需解决的问题。地质力学模型试验和数值模拟是 解决这类问题的主要研究方法。地质力学模型试验 在研究锚固效应和研究围岩的破裂过程及机制以及 研究其在不同埋深条件下的超载破坏试验时，具有 独特的优势。 同时， 试验的结果还可和数值模拟的 结果作对比分析和相互验证
收稿日期：2009–06–11；修回日期：2009–09–15 基金项目：国家自然科学基金重点项目(90510019)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412705) 作者简介：朱维申(1932–)，男，博士，1962 年于波兰克拉科夫矿冶学院获博士学位，现任教授、博士生导师，主要从事岩石力学与地下工程方面的 教学与研究工作。E-mail：zhuw@sdu.edu.cn
第 29 卷 第 1 期 2010 年 1 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.29 No.1 Jan.，2010
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
朱维申，张乾兵，李 勇，孙林锋，张 磊，郑文华