[发明专利]水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置，包括模拟岩体、加载系统、渗流场控制系统、数据采集系统、总控制器。所述总控制器分别与加载系统、渗流场控制系统、数据采集系统连接。本发明对模拟岩体施加水平加载力、竖向加载力、混凝土井壁轴向加载力和渗流水压，通过监测元件监测试验过程中各物理场的时空演化规律，并获取混凝土井壁、帷幕注浆体、顶板隔水层、含水层和底板隔水层的物理力学特性和地层应力条件等一系列现场和试验室参数，通过进行水力耦合作用下混凝土井壁极限承载力和流变断裂的相似模拟试验研究，获得水‑力耦合作用下混凝土井壁极限承载力的时效衰减规律。

技术领域

本发明涉及土木工程领域，特别涉及一种水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置及方法。

背景技术

随着我国建筑行业的发展，越来越多的大型深部矿井巷道和长大深埋隧道工程修建在地质条件复杂的地方，特别是处于水力耦合作用下的基岩段。处于水力耦合作用下的大型深部矿井巷道和长大深埋隧道工程，可能发生流变断裂灾害，造成人员的伤亡和经济的损失，还可能对整个工程造成不可弥补的巨大损失。

由于水力耦合作用给深部矿井巷道和深埋隧道工程带来极大的隐患，为了研究水力耦合作用下混凝土井壁极限承载力和流变断裂，所以需要对地下工程现场情况进行模拟，通过相应的模拟试验，了解灾害是否发生，从而得到安全可靠的施工方案，来避免人员的伤亡和减少经济的损失。为解决上述问题，相应的大型物理模型试验应运而生。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、安全可靠的水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置，并提供一种水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置，包括模拟岩体、加载系统、渗流场控制系统、数据采集系统和总控制器，所述模拟岩体中心为混凝土井壁，混凝土井壁内侧为预制井筒，混凝土井壁外侧从下到上按顺序依次填筑底板隔水层、含水层和顶板隔水层，含水层外侧的环形区域填充帷幕注浆体；所述加载系统、渗流场控制系统设置在模拟岩体外部，渗流场控制系统的渗流场管道埋设在含水层中；所述数据采集系统包括埋设在模拟岩体混凝土井壁内表面、混凝土井壁外表面、帷幕注浆体、顶板隔水层、含水层和底板隔水层内的监测元件；所述总控制器分别与加载系统、渗流场控制系统、数据采集系统连接。

上述水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置，所述总控制器包括电脑、数据线、水平加载数据线、竖向加载数据线、井壁轴向加载数据线、监测元件数据线，电脑通过水平加载数据线、竖向加载数据线、井壁轴向加载数据线与液压加载系统相连，电脑通过数据线与渗流场控制系统相连，电脑通过监测元件数据线与采集数据系统相连。

上述水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置，所述加载系统包括模型反力架、反力架盖、水平加载轴、竖向加载轴、井壁轴向加载轴、钢板，所述模拟岩体放置在模型反力架中，模型反力架和反力架盖用螺栓Ⅰ相连，模拟岩体左面、右面、前面、后面均设置水平加载轴；模拟岩体上面和下面均设置竖向加载轴；模拟岩体的混凝土井壁上部设置井壁轴向加载轴，水平加载轴、竖向加载轴和井壁轴向加载轴底部用螺栓Ⅱ固定在模型反力架上，水平加载轴、竖向加载轴和井壁轴向加载轴顶部与模拟岩体相接触，水平加载轴、竖向加载轴和井壁轴向加载轴与模拟岩体相接触位置处均设有钢板，水平加载轴通过水平加载数据线连接电脑，竖向加载轴通过竖向加载数据线连接电脑，井壁轴向加载轴通过井壁轴向加载数据线连接电脑；通过电脑控制水平加载轴对模拟岩体左面、右面、前面、后面进行水平加载，控制竖向加载轴对模拟岩体上面、下面进行竖向加载，控制井壁轴向加载轴对模拟岩体的混凝土井壁进行轴向加载。