巖土工程多功能模擬試驗裝置的研制

巖土工程多功能模擬試驗裝置的研制

1總結(jié)1.1新型地質(zhì)力學(xué)模型試驗設(shè)備的研制和應(yīng)用地質(zhì)力學(xué)模型試驗技術(shù)是研究大型土木工程工程的重要手段。它在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，在科學(xué)研究、設(shè)計和論證方面發(fā)揮了重要作用。國際上如美國、前蘇聯(lián)、德國、意大利、日本、挪威等發(fā)達國家都先后開展了地質(zhì)力學(xué)模型的試驗研究工作，針對大型礦井頂板圍巖穩(wěn)定、大壩壩體與壩基的巖體穩(wěn)定、大型洞室圍巖穩(wěn)定與支護等工程問題，進行了卓有成效的研究工作，并研制了相應(yīng)的試驗設(shè)備；國內(nèi)如中國科學(xué)院系統(tǒng)的地質(zhì)與地球物理研究所、武漢巖土力學(xué)研究所，清華大學(xué)，原武漢水利電力大學(xué)，長江科學(xué)院，鐵道部科學(xué)研究院西南分院，西南交通大學(xué)等單位，都先后開展了這方面的研究工作，研制了規(guī)模不等的配套模型試驗設(shè)備[9,10,11,12,13,14]；作者所在的總參工程兵三所從1970年初開始地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究工作，研制了多臺性能優(yōu)良的模型加載設(shè)備和材料性質(zhì)試驗設(shè)備，其中，PYD-50三向加載地質(zhì)力學(xué)模型試驗裝置和拉-壓真三軸儀分別獲國家科技進步獎一等獎和三等獎。從總體上看，國內(nèi)外地質(zhì)力學(xué)模型試驗設(shè)備的種類和樣式是比較多的。從模型放置方式看，分為臥式、立式兩類；從模型加載方式看，主要是采用千斤頂加載，少數(shù)用液壓囊加載；從提供反力方式看，有金屬框架式和基坑式；從模型受力維數(shù)看，大部分都是二維的；從控制模型的平面應(yīng)變條件看，嚴格達到的不多，大多采用準平面應(yīng)變條件；從模型內(nèi)所產(chǎn)生應(yīng)變場均勻程度和均勻范圍看，一般都比較小。然而，隨著巖土工程的規(guī)模越來越大，出現(xiàn)的工程問題更加復(fù)雜，需要研究的內(nèi)容也越來越多，對巖土工程建設(shè)的科研設(shè)計水平和計算精度的要求越來越高，現(xiàn)有試驗設(shè)備在功能、加載方式、模型內(nèi)所形成的應(yīng)變場范圍和均勻程度等方面已不能很好地滿足工程實踐的需要，因此，迫切需要研制一種性能優(yōu)良、技術(shù)先進的巖土工程試驗設(shè)備，以滿足國防、人防工程和大型民用巖土工程研究的需要。本裝置與同類設(shè)備相比，在以下幾方面具有創(chuàng)新性：(1)該裝置具有一機多用功能?？蓪Χ词摇⒍慈?、邊坡和基坑進行地質(zhì)力學(xué)模型試驗；對錨固體模擬試件和鋼筋混凝土構(gòu)件等進行抗剪、抗彎強度試驗。(2)該裝置采用了首次研制成功的活塞式均布壓力加載器”，較好地解決了以往模型試驗采用千斤頂加載壓力均勻性偏差較大，采用柔性囊加載行程偏小、強度偏低的技術(shù)難題。本項技術(shù)已獲得國家專利。(3)有效地解決了地質(zhì)力學(xué)模型試驗中要求應(yīng)變場均勻范圍大、均勻程度高的技術(shù)難題，能較好地模擬地下工程的受力環(huán)境。1.2典型工程試驗研究總體思路：為在一臺設(shè)備上實現(xiàn)一機多用功能，設(shè)計中采用主機與配套裝置相結(jié)合的方案，即在主機上可進行洞室、洞群、邊坡和基坑等4類典型工程的地質(zhì)力學(xué)模型試驗，利用主機與相應(yīng)的配套裝置結(jié)合，可進行巖石錨固體模擬試件抗剪強度試驗和鋼筋混凝土構(gòu)件的抗彎試驗。設(shè)備研制中要求：工作原理先進，結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，并盡量采用先進技術(shù)，把筆者多年從事模型試驗工作的經(jīng)驗在該試驗設(shè)備的研制中體現(xiàn)出來。2典型工程試驗?zāi)Ｐ?1)主體裝置具有雙向旋轉(zhuǎn)功能，可以平面旋轉(zhuǎn)360°，立面旋轉(zhuǎn)35°；(2)在主機上可進行洞室、洞群、邊坡和基坑等4類典型工程的地質(zhì)力學(xué)模型試驗，可按平面應(yīng)力與準平面應(yīng)變2種條件進行試驗；利用主體裝置與抗剪試驗裝置相配套，可對巖石錨固體模擬試件進行抗剪強度試驗；利用主體裝置與抗彎試驗裝置相配套，可對混凝土及鋼筋混凝土構(gòu)件進行抗彎試驗；(3)地下洞室等4類典型工程試驗?zāi)Ｐ统叽鐬?.6m×1.3m×0.4m；剪切試件尺寸為0.4m×0.4m；梁試件長度不大于1.6m，截面寬度0.4m左右；(4)模型邊界可加均布荷載，也可加階梯形荷載，設(shè)備的最大加載能力在平面應(yīng)力條件下為1.5MPa，在準平面應(yīng)變條件下為2.0MPa；剪切試驗中最大剪切力為1000kN；梁的抗彎試驗最大加載能力為500～700kN。3試驗安裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1模型加載裝置主機結(jié)構(gòu)方案見圖1。它由承載框架、加載單元、縱控梁、豎向支撐、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、斜拉桿、減摩措施等部分組成。下面介紹各部件的構(gòu)造與功能。(1)承載框架。由25#工字鋼和4塊20mm厚的鋼板焊接而成，凈空尺寸為200cm×150cm×40cm，可允許的模型尺寸為160cm×130cm×40cm?？蚣芩慕峭ㄟ^8根φ45的螺桿和2塊20mm厚的鋼板連接?？蚣苌线吋皟蓚?cè)各設(shè)置多個加載單元(上面4個，兩側(cè)各3個)，可對模型塊體施加均布荷載或階梯形荷載。加載單元采用活塞式均布壓力加載器，油壓由WY300-VI型穩(wěn)壓器提供和控制。(2)加載單元。本裝置所采用的加載單元是筆者首次研制成功的活塞式均布壓力加載器，其結(jié)構(gòu)見圖2。其特點是結(jié)構(gòu)合理，原理先進，性能優(yōu)良?；钊谐檀?，荷載集度高，對模型表面不均勻變形的適應(yīng)能力強，可在模型塊體內(nèi)產(chǎn)生大范圍的均勻應(yīng)變場。不需要力的傳遞和分配裝置，占據(jù)空間小。試驗中可對每個加載單元單獨提供油壓，也可以把幾個加載單元串在一起供給同樣的油壓。通常把承載框架頂部的4個加載單元串在一個油路上，左右兩側(cè)的6個加載單元對應(yīng)位置上的兩兩串在一個油路上，這樣頂部便可對模型施加均布荷載，模型兩側(cè)既可以施加均布荷載，也可以施加階梯形荷載。使用效果證明，本加載器的研制成功，有效地解決了長期以來用千斤頂加載壓力均勻性偏差較大，用柔性囊加載行程偏小、荷載強度偏低的加載技術(shù)難題。(3)縱控梁。由2塊槽鋼和2塊鋼板焊接而成，長200cm，高11cm。通過螺桿把上、下兩端固定到加載框架的前后兩個面上，每面共有9根，按等間距設(shè)置。在梁上沿其長度方向按等間距設(shè)置11個M16的螺絲釘，螺釘?shù)南旅鎵壕o鋼墊板(50cm×10cm×1cm)，鋼墊板下面是聚四氟乙烯墊層。通過測力板手給螺釘施加設(shè)定的初始緊固力，并且在試驗過程中通過控制各螺釘?shù)耐舛嘶咎幱谕黄矫鎯?nèi)，來近似地實現(xiàn)模型的準平面應(yīng)變條件。當進行洞室、洞群、邊坡和基坑等模型試驗時，被開挖部分的縱控梁可以臨時拆掉，局部解除縱向控制。(4)豎向支撐。由型鋼焊接成的支承架和承重為100kN的滾子軸承組成，其作用是把加載框架支撐起來，以便于模型的平面旋轉(zhuǎn)。支撐點設(shè)在兩側(cè)框架的中間，從而減小了模型平面旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)動力矩。(5)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。為了簡化旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，模型平面旋轉(zhuǎn)是用設(shè)在框架上方的導(dǎo)鏈實現(xiàn)的，導(dǎo)鏈固定在試驗室房頂大梁上。旋轉(zhuǎn)時框架的上、下兩邊均用導(dǎo)鏈控制，防止框架在旋轉(zhuǎn)過程中失控。模型立面旋轉(zhuǎn)是通過設(shè)在框架一端的2個桿式千斤頂實現(xiàn)的。當油缸活塞伸出時，加載框架可在立面內(nèi)繞另一端下角支承螺桿轉(zhuǎn)動，最大轉(zhuǎn)角θ=35°。為了防止轉(zhuǎn)動過程中模型平面發(fā)生偏斜，要求2臺千斤頂油缸出力基本一致，同時在支承螺桿兩側(cè)還安裝了側(cè)限鋼墊板。(6)斜拉桿。如圖1所示，在模型前后2個面上各設(shè)2根，其長度可通過絲扣調(diào)節(jié)。其作用是保持裝置加載試驗時的穩(wěn)定性。(7)減摩措施。在模型表面凡與加載裝置相接觸的部位都設(shè)置了2層聚四氟乙烯薄層，以此來減少模型表面的摩擦損失。根據(jù)試驗結(jié)果，2層聚四氟乙烯之間的摩擦系數(shù)約為5%左右。3.2試驗裝置及施力剪切試驗配套裝置見圖3。利用主機與它配合可進行巖石錨固體模擬試件抗剪試驗，得到較理想的τ-u曲線。試驗時將模型放在剪切盒內(nèi)，剪切盒分上下兩半，中間留有10mm的空隙，剪切試件尺寸為40cm×40cm×40cm。剪切盒內(nèi)壁與試件表面之間設(shè)有2層聚四氟乙烯墊層，以減少法向力的摩擦損失。剪切力是由水平放置的千斤頂A,B提供，A為主動施力，B為被動施力，最大出力為1000kN。千斤頂?shù)姆戳νㄟ^支座傳到框架上，其合力通過傳力裝置作用到剪切面上。為了克服剪切試驗中的轉(zhuǎn)動效應(yīng)，在剪切盒一側(cè)設(shè)置了限轉(zhuǎn)裝置。此外，在剪切盒下部設(shè)置了滾軸，以克服剪切盒下部移動時底面摩擦力的影響。剪切面上的法向應(yīng)力由千斤頂C施加。該千斤頂壓力通過壓板、墊塊和蓋板傳到試件表面上。為保持在試驗過程中試件的法向壓力不變，法向千斤頂油壓由砝碼控制。3.3荷載抗彎試驗利用主機與抗彎試驗配套裝置配合，可進行梁的跨中集中力抗彎試驗、純彎曲試驗和均布荷載抗彎試驗。這里僅介紹均布荷載抗彎試驗裝置，其結(jié)構(gòu)方案如圖4所示。它是通過荷載分配系統(tǒng)把一個千斤頂?shù)募辛嫉搅旱谋砻嫔稀Ｔ撓到y(tǒng)千斤頂最大允許出力為700kN。梁的長度不大于160cm，截面尺寸寬度40cm左右，高度由梁的強度大小來確定。4安裝調(diào)試和設(shè)備4.1裝置功能調(diào)試安裝調(diào)試主要針對主體裝置進行。調(diào)試內(nèi)容有：加載器的出力與油壓的關(guān)系、在2種平面條件下主體裝置框架的受力變形狀態(tài)、在不同邊界荷載條件下模型塊體內(nèi)應(yīng)變分布狀態(tài)等。裝置的其他功能，如雙向旋轉(zhuǎn)功能，抗剪、抗彎試驗功能等均已在實際應(yīng)用中得到了證實，未再作調(diào)試。限于篇幅，這里只介紹在平面應(yīng)力條件下模型塊體內(nèi)應(yīng)變分布狀態(tài)調(diào)試結(jié)果。4.2本裝置的安裝及驗證為了檢驗加載裝置的力學(xué)性能，采用石膏模型作了平面應(yīng)力條件下的加載試驗，試驗方案見圖5。試驗?zāi)Ｐ统叽鐬?60cm×130cm×40cm。整個模型由8個分塊組成，每個分塊尺寸為80cm×65cm×20cm，分塊之間由環(huán)氧膠粘合。模型材料配比為石膏∶水∶檸檬酸=1∶0.7∶0.05%。材料力學(xué)參數(shù)見表1，表中Rc,Rt,E，ν，c，?分別為材料的單軸抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比、粘聚力和內(nèi)摩擦角。調(diào)試中分別采用手動油泵和WY300-VI型液壓穩(wěn)壓器加載。荷載分級施加，每級荷載穩(wěn)壓5min后讀數(shù)。平面應(yīng)力條件下的加載試驗共做了4組,側(cè)壓系數(shù)分別為N=1,0.4,0和側(cè)向壓力為階梯形分布情況。圖6給出了側(cè)壓系數(shù)N=0.4的調(diào)試結(jié)果,從圖中可以看到:在模型塊體內(nèi)垂直應(yīng)變和水平應(yīng)變分布大范圍內(nèi)都處于均勻狀態(tài),只是在邊界上很小范圍(10cm左右)呈現(xiàn)出不均勻分布狀態(tài)。水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變平均值之比5.3/1362/107/vhεε==,這與N=0.4時,按彈性理論計算結(jié)果是一致的。每層應(yīng)變的平均值與各層應(yīng)變的平均值之比,垂直應(yīng)變最大偏差為5%,水平應(yīng)變最大偏差為6%,可見應(yīng)變場的均勻性良好。對該裝置的安裝調(diào)試結(jié)果表明：在各種正常工況下，主體框架受力均在彈性范圍內(nèi)，其安全系數(shù)約為1.75；各加載器出力與油壓之間均呈直線關(guān)系，滿足加載誤差要求；在2種平面條件下，模型塊體內(nèi)均能產(chǎn)生大范圍的均勻應(yīng)變場，能較好地滿足地質(zhì)力學(xué)模型試驗所需要的應(yīng)變場均勻范圍大、均勻程度高的要求。5研究擴大與研究成果利用本裝置已為多個國防、人防工程研究項目和國家大型水電工程項目進行了模型試驗研究，如李家峽水電站巖質(zhì)高邊坡群錨加固效應(yīng)模型試驗研究、錨固基坑模型試驗研究、錨索對巖體剪切面抗剪能力增強效果模型試驗研究、軟巖中后勤洞庫預(yù)應(yīng)力錨索加固效應(yīng)模型試驗研究、箱型混凝土墻板構(gòu)件抗彎性能試驗研究等，均取得了令人滿意的成果。下面著重介紹李家峽水電站巖質(zhì)高邊坡群錨加固效應(yīng)模型試驗研究情況。李家峽水電站是我國近期修建的大型水電站之一。邊坡設(shè)計高度75m，坡面上分3個坡段、2條馬道。邊坡內(nèi)有一個雙滑面楔體，設(shè)計中采用1000和3000kN的2種錨索對其加固。筆者受電力部西北勘測設(shè)計研究院的委托，對群錨加固效應(yīng)進行了地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究。試驗?zāi)Ｐ陀?塊，一塊為有錨索加固的模型，另一塊為無錨索加固的模型。模型尺寸及錨索布置情況見圖7。該模型是由1400多個小塊體組合而成，小塊體是以重晶石粉為主要材料制作的。塊體與塊體之間用橡膠粉充填。這樣做的目的是為了滿足模型材料應(yīng)具有高容量、低強度、低彈模的相似要求。試驗是在準平面應(yīng)變條件下進行的，較好地模擬了邊坡的開挖與錨固過程。試驗中較好地利用了主體裝置的雙向旋轉(zhuǎn)功能，為模型施加了自重應(yīng)力，并研究了坡角變化對邊坡體穩(wěn)定性的影響。通過試驗取得了如下研究成果：(1)給出了2種邊坡模型的合成位移時程曲線；(2)給出了錨索張力的變化特征；(3)給出了錨索體內(nèi)的軸力分布特征；(4)對錨索的受力特點和破壞特征進行了分析；(5)給出了錨固邊坡的安全度及錨索的綜合加固效應(yīng)分析；(6)為錨固邊坡的設(shè)計提出了重要建議。除了上述工程應(yīng)用之外，目前本裝置已被國內(nèi)部分高等院校所引進，用于巖土工程和地質(zhì)邊坡災(zāi)害等方面的科研和教學(xué)工作中。6模擬試驗研究本文介紹了巖土工程多功能模