[发明专利]一种模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置及方法

说明书

本发明涉及一种模拟不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置及方法。它由反力系统，加载系统，制备系统，压实系统组成。反力装置由六面反力架通过高强螺栓连接而成，为加载系统提供反力，加载系统通过液压千斤顶模拟地应力为模型材料进行加载，制备系统用于盛放并制备整个试验的倾斜岩层，压实系统通过加载系统的液压千斤顶对制备系统中的每层相似材料进行均匀压实。本发明既可以进行水平岩层物理模型试验，还能够满足不同倾斜角度的倾斜岩层物理模型试验，减少了人工摊料压实对试验结果的影响，实现倾斜分层压实制备倾斜岩层，且不受试验位置影响，可满足不同现场需要，能够用于大型三维物理模型试验。

技术领域

本发明涉及一种倾斜岩层物理模型试验装置及方法，尤其是一种用于地下工程中不同倾角倾斜岩层物理模型试验装置及方法。

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，因此如何进行精准制备倾斜岩层就成为模型试验能否取得成功的关键，目前国内外有关倾斜岩层物理模型试验装置及方法研究现状如下：

《岩土力学》2009年第7期介绍了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。

《岩石力学与工程学报》2013年第8期介绍了一种75°倾角正断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验装置，通过箱底施加强制位移，模拟断层的错动，实现隧道在断层影响下的受力和变形研究，但只能模拟单一断层，且不能实现三维加载。

《煤炭学报》2013年第7期介绍了一种特厚急倾斜煤层开采岩层移动模拟试验，制备了不同厚度的倾斜煤层，揭示了50°倾角特厚煤层分层开采时岩层变形破坏的特征和机理，但是该实验装置没有进行倾斜煤层分层压实，没有实现真三维加载。

《岩土力学》2016年第10期介绍了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。

《岩土工程学报》2017年第12期介绍了一种层状围岩与盾构管片衬砌相互作用关系的相似模型试验，试验中通过将模型围岩沿不同的层理方向锯切出2.0mm的间隙来模拟层状围岩的层理面，实现了不同层理倾角下管片衬砌壁后围岩变性破坏分析研究，但锯切节理面无法精准控制方向与开度，且该实验只能实现平面应变加载。

申请号为201510011652.X的发明专利介绍了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

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可模拟不同倾角倾斜岩层的物理模型试验装置及方法，该装置可精确制备物理模型试验中中不同倾角的倾斜岩层，实现倾角，厚度，材料用量的精确控制，且该装置造价较低，构造简单，操作便捷，安全性好，且能用于大型三维物理模型试验。