一种复杂节理地层中圆形隧洞失稳破裂试验系统及使用方法与流程

1.本发明涉及岩土工程学科相似材料物理模拟实验领域，特别是涉及一种制作含复杂节理地层相似模拟的模型实验装置。


背景技术：

2.节理作为天然岩体的一部分，对岩体的变形及破裂行为影响较大，大量的工程实例表明，岩体的强度劣化和失稳破坏往往与这些节理的活化息息相关。因此深入研究节理岩体的力学特性对认识节理岩体边坡和地下硐室开挖过程岩体破裂过程，对保障岩体工程的安全稳定具有重要的理论价值和实践意义。目前学者主要开展现场原位试验、模型试验及小尺度的室内力学试验及数值模拟为主，模型试验作为研究岩体工程破裂失稳的常用工具，得到了学者们的广泛认可。为了制作模型试样，学者们提出了多种方法。
3.相关制作含节理模具研究现状如下所示：
4.cn 109883785 a公开了一种基于3d打印的层状预制曲线煤岩体试样制备装置及方法，其中直接利用3d打印技术制备复杂层状结构的类岩体模具，并钻取岩芯，但不能使用其他材料反映节理参数，且制取的试样为小尺寸试样。
5.cn 211718278 u公开了一种模拟层状节理岩体的相似材料的试验模型，由胶结材料将球形颗粒粘结而成，通过接触点的不同排列组合形成节理面，但只能模拟平直节理。
6.cn 111175105 b公开了一种层状岩体类岩石试样的制备方法，该模具包括用于成型的试样外部整体结构的外部模具，外部模具内间设置空腔和内部模具，其中，相邻两岩层的一层以内部模具模拟，另一层以内腔模拟，但该模具不能制作含复杂节理的模型，且过程复杂。
7.cn 205262824 u公开了一种层状岩体力学实验制样模具，通过成层插片制作节理，但只能制作平直节理。
8.cn 109049274 a公开了层状异性岩体相似材料的制作方法，将多种水泥砂浆材料沿垂直方向在模具中均匀浇筑成多层，再切割成标准圆柱试样进行三轴试验，但只能制作平直节理。
9.从上述研究现状可以看出，现有的设备较难制作含复杂节理模型试样，且较难开展含复杂节理地层隧道失稳过程的研究，因此本发明提出一种复杂节理地层中圆形隧洞失稳破裂试验系统及其使用方法，模拟含复杂节理地层中隧道失稳过程。


技术实现要素：

10.本发明的目的是提供一种复杂节理地层中圆形隧洞失稳破裂试验系统及使用方法，用于模拟复杂节理地层中隧道失稳破坏过程，解决现有技术不能制作复杂节理的难题。
11.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
12.一种复杂节理地层中圆形隧洞失稳破裂试验系统，包括四套相互独立的加载系统、四套可拆卸挡板、两块盖板、3d打印节理模具、隧道模具，其中：四套可拆卸挡板和两块
盖板围合形成一个内部为空腔的长方体，四套可拆卸挡板分别作为该长方体的上下左右四个面，两块盖板分别作为该长方体的前后两面，3d打印节理模具、隧道模具位于该长方体内部的空腔中，用于形成含有3d打印节理和隧道的模具；四套相互独立的加载系统分别位于四套可拆卸挡板外侧，并能够给可拆卸挡板施加压力。
13.进一步的，所述的四套相互独立的加载系统中，每套加载系统包括若干组独立的液压千斤顶和后端钢板，液压千斤顶通过后端钢板固定并提供反力；每个液压千斤顶处均设置有位移传感器。
14.进一步的，所述的四套相互独立的加载系统中，下侧及左右侧的加载系统固定，上侧的加载系统可移动。
15.进一步的，所述的四套可拆卸挡板中，每套可拆卸挡板为若干节，分别与其对应的加载系统中的若干液压千斤顶一一对应，每套可拆卸挡板的两端分别设置有一个可拆卸小块，可拆卸挡板和可拆卸小块的一面均设置有插槽，通过一块钢板插入该插槽，将若干节可拆卸挡板和可拆卸小块连接为一个整体。
16.进一步的，所述的四套可拆卸挡板中，上端的可拆卸挡板中的可拆卸小块拆卸后作为出线孔。
17.进一步的，所述的盖板为钢板，盖板与后端钢板固定。
18.进一步的，所述的盖板上开设有小窗，该小窗能够打开或关闭。
19.一种所述的复杂节理地层中圆形隧洞失稳破裂试验系统的使用方法，包括以下步骤：
20.(1)打印节理模具：根据地层中节理分布情况，进行简化，并建立三维模型，其后使用3d打印技术打印建立的节理模型，得到3d打印节理模具；
21.(2)模具组装：将可拆卸挡板拼接，形成长方体模具，并将步骤得到的3d打印节理模具放置在长方体模具中；
22.(3)模型浇筑：配置类岩石材料，并浇筑在长方体模具中，浇筑过程中保持3d打印节理模具位置不变，浇筑完成，待类岩石材料凝固后，拔出3d打印节理模具，并在原有位置灌注云母粉；
23.(4)模型安装：将浇筑完成的模型试样及长方体模具吊装，竖直放置在加载系统中，可拆卸挡板的位置与液压千斤顶的位置对应，抽出可拆卸挡板的插槽内的钢板，拆除可拆卸块引出传感器引线，并安装上侧的加载系统；
24.(5)加载：将传感器引线连接到数据采集系统，小窗打开后，按照设定的路径进行加载。
25.本发明的有益效果是：本发明将模型制作及加载装置相结合，利用3d打印技术再现地层中节理的分布情况，可实现复杂地层中隧道失稳破坏机理的研究，尽可能的反映了地层节理分布特征，减少了试验难度及误差。
附图说明
26.图1为本发明的结构示意图；
27.图2为本发明复杂节理与可拆卸挡板之间的关系；
28.图3为本发明可拆卸挡板与钢板之间的位置关系；
29.图4为本发明的可拆卸挡板、加载系统及位移传感器的位置关系；
30.图5为本发明的3d打印节理模具示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明做进一步说明。
32.如图1所示，本发明的一种复杂节理地层中圆形隧洞失稳破裂试验系统，包括四套相互独立的加载系统1、四套可拆卸挡板4、两块盖板6、3d打印节理模具7、隧道模具8，其中：四套可拆卸挡板4和两块盖板6围合形成一个内部为空腔的长方体，四套可拆卸挡板4分别作为该长方体的上下左右四个面，两块盖板6分别作为该长方体的前后两面，3d打印节理模具7、隧道模具8位于该长方体内部的空腔中，用于形成含有3d打印节理7和隧道的模具；四套相互独立的加载系统1分别位于四套可拆卸挡板4外侧，并能够给可拆卸挡板4施加压力。
33.四套相互独立的加载系统1中，每套加载系统1包括若干组独立的液压千斤顶2和后端钢板3，液压千斤顶2通过后端钢板3固定并提供反力；每个液压千斤顶2处均设置有位移传感器11。
34.四套相互独立的加载系统1中，下侧及左右侧的加载系统1固定，上侧的加载系统1可移动。
35.四套可拆卸挡板4中，每套可拆卸挡板4为若干节，分别与其对应的加载系统1中的若干液压千斤顶2一一对应，每套可拆卸挡板4的两端分别设置有一个可拆卸小块5，可拆卸挡板4和可拆卸小块5的一面均设置有插槽11，通过一块钢板10插入该插槽11，将若干节可拆卸挡板4和可拆卸小块5连接为一个整体。上端的可拆卸挡板4中的可拆卸小块5拆卸后作为出线孔。
36.盖板6为钢板，盖板6与后端钢板3固定。盖板6上开设有小窗9，该小窗9能够打开或关闭，方便破裂过程观测。
37.一种复杂节理地层中圆形隧洞失稳破裂试验系统的使用方法，包括以下步骤：
38.(1)打印节理模具：根据地层中节理分布情况，进行简化，并建立三维模型，其后使用3d打印技术打印建立的节理模型，得到3d打印节理模具7；
39.(2)模具组装：将可拆卸挡板4拼接，形成长方体模具，并将步骤(1)得到的3d打印节理模具7放置在长方体模具中；
40.(3)模型浇筑：配置类岩石材料，并浇筑在长方体模具中，浇筑过程中保持3d打印节理模具7位置不变，浇筑完成，待类岩石材料凝固后，拔出3d打印节理模具7，并在原有位置灌注云母粉；
41.(4)模型安装：将浇筑完成的模型试样及长方体模具吊装，竖直放置在加载系统1中，可拆卸挡板4的位置与液压千斤顶2的位置对应，抽出可拆卸挡板4的插槽内的钢板10，拆除可拆卸块5引出传感器引线，并安装上侧的加载系统；
42.(5)加载：将传感器引线连接到数据采集系统，小窗9打开后，按照设定的路径进行加载。
43.下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
44.本实施例的步骤为：打印节理模具：根据地层中节理分布情况，进行简化，并建立三维模型，模型尺寸为40cm
×
100cm
×
100cm；其后使用3d打印技术将建立的节理模型打印。
模具组装：将可拆卸挡板通过其后的钢板拼接，形成长方体模具(30cm
×
100cm
×
100cm)，并将3d打印节理模具放置在拼装好的长方体模具中，节理模具厚度较长方体模具大，方便节理模具拆除。模型浇筑：按照设定的比例配置类岩石材料(水泥砂浆材料，配合比为：水泥、河沙与水的质量之比为1:1.8:0.3)，并浇筑在长方体模具中，浇筑过程中保持3d打印节理模具位置不变。浇筑完成待类岩石材料凝固后，拔出3d打印节理模具，并在原有位置灌注云母粉。模型安装：将浇筑完成的模型试样及长方体模具吊装，竖直放置在加载系统中，可拆卸挡板的位置与液压千斤顶的位置对应，抽出可拆卸挡板后的钢板，拆除可拆卸块引出传感器引线，并安装独立加载系统的上侧。加载：传感器连接完成，小窗口打开后，按照设定的路径进行加载。