[发明专利]一种多功能地层结构模型试验系统及试验方法

说明书

本发明提供一种多功能地层结构模型试验系统及试验方法，该系统包括试件试验装置平台，其由水密的扇形封闭腔体、流固耦合加载和反弧形反力架等系统组成；耦合加载系统区包括向孔隙裂隙试件进行水压(液体)加载和多向的试件骨架加载，二者既可各自独立也可相互联合；扇形封闭腔体通过反力架系统固定，且在扇形的圆心区设为地下工作面施作区，另两平侧面设可设为针对围岩的理化改良施作区。试件加工平台基于未来3D打印发展，制作模板选择与试件性能一致的无机材料如钢化玻璃来制作，可脱也可不脱模，但试件外表面光滑满足密封要求。试验方法与数值模型同步，以“足尺度、严科学”的方针进行各行各种各类的复杂地下工程模型试验及相关理论研究。

技术领域

本发明涉及地层结构模型试验研究技术领域，特别是指一种多功能地层结构模型试验系统及试验方法。

背景技术

随着城市地下空间和深部资源的开发，复杂地质条件下的地下工程设计、施工、技术难度不断加大。地下工程结构力学性能试验受理论和技术条件的制约，长期沿用地面建筑结构的“载荷+结构”试验模式，加载方式是的简单机械千斤顶单方向直接加载，然而实际上，地下工程结构是有别于地面建筑结构的，其主要特征是：

1)围岩的存在既是外部载荷，也是承载结构的一部分；

2)地下工程结构经常处于复杂的多场耦合作用情况下，如应力场、温度场、渗流场等；

3)地下工程埋深超过一百米时，地面建筑常用混凝土构件的抗渗等级往往不能不能满足地下工程结构的要求。

目前现有国内外地下工程结构模拟试验装置的现状是：

1)功能性较单一，重复利用率低；部分专门用于围岩处理，如注浆、冻结等，部分专门用于地下结构受力特征和强度检测，部分专门服务于矿山井筒或交通隧道等领域，已有的模型试验设备拓展性试验能力较差。

2)模型缩小比例过大，导致地下结构及材料特性失真；在进行模拟试验分析时，受装置空间、加载能力等诸多因素限制，大多试验的几何缩比太大，致使地下工程的结构特点和材料特性失真、监测传感器的选择和布置困难等问题。

3)加载结构过于简单，试验装置仍需完善；目前国内外能实现地下水压载荷、岩土固体载荷、地质构造载荷等混合加载功能的试验装置较少，装置密封和加载系统的共同设计是重点。

4)由于岩体整体性强，不易切割和搬运，因此针对采用真正岩体围岩的模型试验就极少；而岩体仿真材料试件的整体模型试验也较少。

5)室内模型试验设计工作量大，制作及试验周期长，很难进行多因素多水平的模型试验研究，单一功能的模型试验费用也过于昂贵。

随着现代地下工程发展，急需研发出能真实反映围岩与结构共同作用、体现多场耦合环境，特别是地下水与含水围岩耦合作用的模型试验平台。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多功能地层结构模型试验系统及实验方法，以至少部分解决目前地下工程模型试验的“结构庞大，功能单一，系统低效”等不足等问题，确保“足尺度、严科学”地进行地下工程结构模拟试验。本发明的多功能地层结构模型试验系统具备科学性、普适性和多功能性，可突破地下工程问题的行业性差异，可通过与现代智能监测技术，图像信息处理技术，3D模型打印技术，新型材料研发技术等结合，为各科研和工程单位提供标准化的试验研究装备，为地下工程发展提供更强的试验研究平台。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种地层结构模型试验系统，其包括试件试验装置平台，所述试件试验装置平台包括：水密的扇形封闭腔体、流固耦合加载系统和反弧形反力架系统；其中，

所述扇形封闭腔体中设置有透水型加载板，所述透水型加载板将所述扇形封闭腔体分隔为试件安装区和耦合加载区；其中，所述试件安装区用于安装预设类型的模型试验的试件，所述耦合加载区用于安装所述流固耦合加载系统；