新型三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗臺架的研制

1地質(zhì)力學(xué)模型試驗裝置21世紀(jì)是中國土木工程快速發(fā)展的時代。在新世紀(jì)，水保護、水電保護、能源、運輸和其他大型工程的開發(fā)已成為中國經(jīng)濟發(fā)展的重點。隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，我國迎來了大規(guī)模工程建設(shè)的高峰期，如三峽、龍灘、溪落渡、南水北調(diào)等大型水利水電工程；西氣東輸、西電東送等大型能源工程；青藏鐵路、滬蓉高速公路等大型交通工程以及城市大型地下空間開發(fā)與地鐵工程建設(shè)等，正以前所未有的速度在全國進行。與此同時，石油和天然氣儲存、核廢料處置、CO武漢大學(xué)研制出了平面應(yīng)力試驗和立式平面應(yīng)變試驗裝置。平面應(yīng)力試驗裝置主要由型鋼鋼板焊接成框架結(jié)構(gòu)；立式平面應(yīng)變試驗裝置由中部固定框架和沿厚度方向的2個前、后井格式約束鋼架組成，前、后兩約束架用螺栓同中部框架連成整體，保證了模型受載后在縱向不產(chǎn)生位移，從而達到平面應(yīng)變的要求。該裝置已在部分水電站地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定與支護試驗中得到應(yīng)用清華大學(xué)李仲奎等總參工程兵科研三所研制有巖土工程多功能模擬試驗裝置此外，中國礦業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)、長江科學(xué)研究院等單位也研制有一些地質(zhì)力學(xué)模型試驗裝置上述試驗臺架裝置存在的普遍問題是：(1)試驗臺架裝置尺寸固定，不能根據(jù)模型試驗范圍進行有效調(diào)整；(2)試驗臺架裝置多用型鋼焊接而成，結(jié)構(gòu)多以板梁式或框梁式結(jié)構(gòu)為主，在側(cè)向壓力作用下，臺架側(cè)向撓度變形通常較大，易造成試驗邊界條件的改變。為克服這些缺點，本文設(shè)計開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)新穎、剛度大、整體穩(wěn)定性好、組裝靈活方便、尺寸可任意調(diào)整并能滿足不同規(guī)模模型試驗要求的組合式三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗臺架裝置。2鋼臺架結(jié)構(gòu)及長設(shè)計組合式三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗臺架裝置主要由鋼臺架體和鋼臺架底盤兩部分組成，其中鋼臺架體由盒式鑄鋼構(gòu)件通過高強度螺栓連接組合而成，而盒式鑄鋼構(gòu)件采用25Mn材料在鑄造鋼廠一次制模整體鑄造而成。根據(jù)盒式鑄鋼構(gòu)件尺寸的不同分別有一元盒式鑄鋼構(gòu)件(長250mm、寬250mm、高250mm)、二元盒式鑄鋼構(gòu)件(長500mm、寬250mm、高250mm)、三元盒式鑄鋼構(gòu)件(長750mm、寬250mm、高250mm)、四元盒式鑄鋼構(gòu)件(長1000mm、寬250mm、高250mm)和六元盒式鑄鋼構(gòu)件(長1500mm、寬250mm、高250mm)。盒式鑄鋼構(gòu)件壁厚25mm，在構(gòu)件連接側(cè)開有φ30mm的螺栓連接孔，在構(gòu)件緊貼模型的側(cè)面正中開有φ30mm的引線孔和材料透氣孔。鋼臺架底盤由8塊長250cm、寬50cm、厚8cm，其上帶有螺栓槽的型鋼鋼板并列拼接而成，拼接后整個底盤長4m、寬2.5m、厚8cm。通過底盤高強連接螺栓可將盒式鋼臺架體與鋼底盤在所要求的螺栓槽位固定，形成組合式三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗臺架裝置(見圖1,2)。3基于隧道分岔隧道模型試驗的大型三維地質(zhì)分岔模型試驗研究本文將組合式三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗臺架裝置應(yīng)用于滬蓉西高速公路八字嶺分岔隧道大型三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究，藉以反映分岔隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形情況，以此優(yōu)化工程的設(shè)計和施工。3.1地下模型試驗研究八字嶺分岔隧道位于宜昌市長陽縣及恩施土家族苗族自治州巴東縣境內(nèi)，隧道進口位于宜昌市長陽縣榔坪鎮(zhèn)八字嶺村，出口位于恩施土家族苗族自治州巴東縣野三關(guān)鎮(zhèn)栗子園村四渡河?xùn)|岸。由于地形條件的限制，設(shè)計為分岔式隧道，進口為分離式，與八字嶺特大橋西橋臺相連；出口為聯(lián)拱式，與四渡河特大橋東橋臺間距僅20～30m。該隧道在出口處由2條隧道逐漸靠近，經(jīng)過小間距段和連拱段合并成大拱段，最終成為1條隧道。試驗主要對靠近隧道出口的分岔段進行三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究。由于分岔隧道埋深不大，試驗僅考慮自重應(yīng)力，不考慮側(cè)向構(gòu)造應(yīng)力。3.2到分岔隧道模型地質(zhì)力學(xué)模型試驗的幾何相似比尺取為50，根據(jù)相似理論換算得到分岔隧道模型的試驗尺寸為：長(垂直隧道軸線方向)3.2m、高(沿高程方向)2.75m、厚(平行隧道軸線方向)1.7m。圖3為分岔隧道三維模型試驗布置示意圖。3.3材料相似材料模型相似材料采用作者最新研制成的容重高、力學(xué)參數(shù)變化范圍廣、性能穩(wěn)定、價格低廉、無毒無害且可重復(fù)使用的鐵晶砂膠結(jié)巖土相似材料。該材料主要由鐵礦粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液按規(guī)定的配比混合拌勻并經(jīng)一定的壓力壓實而成。其中鐵礦粉、重晶石粉、石英砂作為主骨料，松香酒精溶液作為膠結(jié)劑，石膏粉作為調(diào)節(jié)劑。材料試件的力學(xué)參數(shù)測試表明：該材料的力學(xué)參數(shù)變化范圍較廣，可模擬從軟巖到中硬巖的大部分巖體材料。相似材料容重變化范圍為24～29kN/m3.4材料壓實和測試元件鋪設(shè)三維模型采用夯實填筑法制作，其基本流程如下：按照材料配比大規(guī)模配制材料→用攪拌機均勻攪拌材料→在試驗臺架內(nèi)由下往上分層攤鋪材料→用小型振動夯實機逐層遍布地碾壓材料→測試碾壓后的材料密度→按設(shè)計高程在洞周部位分層埋設(shè)測試元件→用人工夯實測試元件周圍的材料→測試元件埋設(shè)區(qū)以外材料仍用振動夯實機逐層遍布地碾壓，直至模型頂部。模型制作工藝過程具體包括材料稱重、配料拌合、攤鋪碾壓、放線定位、埋設(shè)測試儀器、引線調(diào)試等過程，圖4為試驗?zāi)Ｐ偷暮粚嵦钪掌?，圖5為制作完成的分岔隧道三維試驗?zāi)Ｐ驼掌?.5隧道軸向循環(huán)開挖試驗對原分岔隧道開挖設(shè)計進行了一定的優(yōu)化，即隧道大拱段采用上下臺階法開挖，共分2步，即從I→II(見圖6(a))，沿隧道軸向循環(huán)開挖進尺為8cm(相當(dāng)于原型4m)；分岔隧道連拱段左右主洞采用上下臺階法交替進行開挖，共分4步，即從I→II→III→IV(見圖6(b))，沿隧道軸向循環(huán)開挖進尺為8cm(相當(dāng)于原型4m)。由于模型材料強度較低，因此隧道采用人工鉆鑿方式進行開挖，并配備內(nèi)窺可視攝像系統(tǒng)實時監(jiān)控模型開挖。圖7為分岔隧道模型開挖及開挖后洞內(nèi)照片。3.6靜態(tài)應(yīng)變儀測量隧道模型開挖后，洞內(nèi)測試系統(tǒng)包括圍巖應(yīng)變測試、拱頂沉降測試和洞內(nèi)收斂測試。其中，圍巖應(yīng)變采用XL2101G高速靜態(tài)應(yīng)變儀系統(tǒng)進行測量，該系統(tǒng)由高速靜態(tài)應(yīng)變儀、計算機和分析軟件組成，該儀器具有精度高、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、零點漂移小(±3με/(4h)；±1με/℃)、自動掃描平衡、掃描測試速度快(1200點/s)等優(yōu)點。拱頂沉降采用高精度水準(zhǔn)儀進行測量；隧道收斂采用自制收斂儀和數(shù)字千分表進行測量，圖8為模型應(yīng)變測試分析系統(tǒng)。3.7模型位移值分析(1)圖9為隧道開挖后洞周應(yīng)力變化情況，由圖可知：開挖后，洞周徑向應(yīng)力釋放，切向應(yīng)力增加，應(yīng)力分布主要以壓應(yīng)力為主，巖體內(nèi)部壓應(yīng)力遠小于巖體的抗壓強度，在中隔墻部位出現(xiàn)部分拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力量值不大。(2)隧道開挖后，洞周變形主要以拱頂下沉和底板上抬為主，洞周變形普遍較小，最大變形未超過5mm，模型變形值與隧道現(xiàn)場實際監(jiān)測值較吻合。(3)試驗對原設(shè)計開挖方式進行了優(yōu)化，提高了隧道開挖效率，減少了對圍巖多次開挖的反復(fù)擾動，大大增加了圍巖的開挖穩(wěn)定性。(4)上述試驗結(jié)果有效指導(dǎo)和優(yōu)化了分岔隧道工程的設(shè)計和施工，取得顯著效果。4模型裝置特點組合式三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗臺架裝置的具體應(yīng)用表明：該裝置與國內(nèi)外同類型的試驗裝置相比，具有如下顯著的技術(shù)優(yōu)勢：(1)該裝置規(guī)模較大，可進行大比尺地質(zhì)力學(xué)模型試驗。目前該裝置能夠容納的最大模型尺寸為：長3.2m、寬1.7m、高4.0m，其規(guī)模在國內(nèi)外同類型三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗中是最大的。(2)該裝置具有多種功能，既能進行三維模型試驗，又能進行平面模型試驗。(3)該裝置操作簡單，組裝靈活方便。臺架采用盒式鑄鋼構(gòu)件通過高強螺栓連接組合而成，臺架組裝和拆卸十分靈活方便，真正實現(xiàn)了模型裝置的組合式。(4)該裝置的尺寸可任意調(diào)整，即臺架尺寸可以增大、也可以縮小，能滿足不同規(guī)模模型試驗的要求。由于臺架體是通過底盤連接螺栓固定在底盤上的，因此調(diào)整底盤連接螺栓在螺栓槽內(nèi)的位置就可以改變模型架的長、寬尺寸，同時在高度方向通過增、減盒式構(gòu)件的數(shù)量可任意調(diào)整臺架的高度。這克服了國內(nèi)外大部分模型試驗裝置尺寸固定，不能按照試驗范圍進行靈活調(diào)整的缺陷。(5)該裝置剛度高、整體穩(wěn)定性好。臺架采用強度較大的鑄鋼構(gòu)件通過高強螺栓連接成整體，并在臺架內(nèi)部設(shè)置有高強度鋼拉桿，可保證試驗臺架有足夠的側(cè)向剛度和較好的整體穩(wěn)定性，克服了目前國內(nèi)外大多數(shù)試驗臺架因剛度不夠而造成撓度過大的缺陷。(6)該裝置采用開放式結(jié)構(gòu)，模型制作與臺架安裝可同時進行，為大體積三維模型制作提供了有利的空間操作條件。(7)該裝置具有“封而不閉”的結(jié)構(gòu)特性，即臺架前后、左右是封閉的，在模型容重相似比尺為1的情況下，臺架頂部完全開放，借此可模擬巖土工程的實際地形地貌特征，真正使該臺架裝置制作的試驗?zāi)Ｐ团c原型做到不但在力學(xué)機制方面相似，而且在幾何形態(tài)上也盡可能相似。(8)該裝置易于實現(xiàn)對模型任何部位的開挖，通過拆卸臺架任何部位的構(gòu)件可方便地在模型相應(yīng)部位進行開挖試驗。另外在