新型地质力学模型实验系统的研制

2018-03-01张宇菲王昌怀钱俊霖蒋泽琨王梓旭王宇轩吕陈平

中国矿业 2018年2期

张宇菲，王昌怀，钱俊霖，蒋泽琨，王梓旭，王宇轩，吕陈平

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

相似模型实验是研究深部岩土工程问题的一种常用方法，相较于现场实测、数值模拟及工程类比等方法，模型实验直观，可重复性高，实验结果更为真实可靠。近年来各大高校及科研院所纷纷开始建立模型实验系统，围绕系统开发和研制展开探讨。陈安敏等[1]合作研发出一套多功能模型实验装置，由主机及其配套装置组成，可实现二维平面模拟洞室洞群、边坡及基坑工程。姜耀东等[2]设计一种模拟巷道工程的平面模型试验台，通过6个液压加载枕向模型体提供最大10 MPa的柔性荷载。张强勇等[3-4]针对岩体地质力学模型实验特点设计一套组合式模型实验台架装置，台架与底盘通过高强螺栓连接而成，可根据工程实际规模调整台架尺寸。可见，模型实验法已广泛应用到井巷掘进支护[5-8]、水利水电工程[9-10]、隧道矿山[11-13]等领域，能够有效指导并优化工程设计施工。

然而，现存实验系统仍无法规避加载架易变形、加载稳定性差且精度低、尺寸效应影响大等问题。为弥补上述缺陷，中国矿业大学(北京)最新自主研发出一套大型地质力学模型实验系统(图1)，该套系统主要包括四部分，即分体式加载架、液压加载系统、EDC伺服控制系统及数据采集系统，每部分都存在设计亮点。验证性实验结果表明，实验系统加载过程稳定可靠，精度高且整体性好，已达到井巷建设领域实验设施的国内外领先水平，具有很好的科研与工程应用前景，目前该系统已获国家发明专利(专利号：201110252332.5)。

图1 新型相似模拟实验系统示意图

1 新型相似模拟实验系统设计

1.1 系统设计概述

就硬件设备而言，加载方式及边界条件是影响相似模拟实验结果的两大关键性因素[14]，故加载系统与模型结构成为设计重点。地下建(构)筑物主要受垂直方向的上覆岩土层自重应力(σv=γh)作用和水平方向的构造应力(σh=k·γh)作用。若假设上覆岩土层平均容重γ=25 kN/m3，则地下结构埋深h=40 m时，相当于承受1 MPa的自重应力作用。水平构造应力也随埋深呈非线性变化趋势，其经验值由侧压力系数k决定。且地下结构处于半无限岩土体中，受三向不均匀应力作用，且各向边界无穷远。综合考虑模型体受力状态及边界条件，将实验系统有效加载范围定为2 000 mm×2 000 mm×1 200 mm，边界最大荷载集度为5 MPa，相当于模拟最大埋深2 000 m的地下工程结构。为高仿真模拟原岩应力状态，实验系统共配备280个可独立工作的液压作动器，从四个方向、三个维度，对模型体施加主动荷载。伺服加载控制系统以EDC数字控制器为核心，确保加载值精确稳定。在模型结构方面，实验系统创新性地引入分体式加载架，与作动器配合工作，支持二维平面模型实验与三维模型实验。

1.2 液压作动器组

1.2.1 液压加载设计

液压作动器组由280个可独立工作的液压作动器组成，其中水平左、水平右方向各布设60个作动器，模拟侧向土压力；垂直上方向安设60个作动器，模拟上覆岩土体的自重应力；余下100个作动器全部设置在水平后方向。进行二维平面应力模型实验时，水平及垂直方向作动器组向模型体施加荷载，分别模拟水平主应力及上覆岩土自重应力，如图2(a)所示。随地下工程埋深加大，水平构造应力作用显著增加。为真实重现原岩应力环境，新系统引入水平后方向作动器组，为模型体提供真三轴加载。以上四个作动器组均设有各自独立的控制系统，互不干扰。进行三维模型实验时，模型体受三向不均匀应力加载，即，σv≠σh1≠σh2，分别由垂直上方向作动器组，水平左与水平右方向作动器组，以及水平后作动器组施加，由图2(b)所示。

图2 液压作动器组布置图

1.2.2 作动器工作原理

已有实验系统加载装置大多为千斤顶、加载囊及加载枕，加载精度低且稳定性较差。新系统采用液压作动器为加载装置，在原有的液压油缸外侧加装高强钢制外壳，将油缸圆形加载压头转变为方形。原有油缸在紧密排布时，相邻圆形加载头间存在较大间隙，加载时易形成不均匀应力区。进行改装后，方形加载头排布紧密，实现均布应力加载。每个作动器规格尺寸统一，为200 mm×200 mm×420 mm的长方体，外部结构如图3(a)所示。图3(b)为作动器内部结构，液压油缸与高强度钢制外壳将作动器内部分割成互不连通的A、B两腔室，通过油管进出液压油，1号油管与A腔室连通，2号油管与B连通。当进行加载操作时，液压油经2号油管进入B腔室，加载压头向下移动，接触模型体表面。内部油缸向上移动，迫使A腔中多余液压油经1号油管返回油箱，A腔室体积减小。相反地，当进行卸载操作时，液压油经1号油管进入A腔室，增大A腔室体积，使得油缸向下移动挤压B腔体积，B腔中多余的液压油经2号油管返回油箱。

1.3 分体式加载架

1.3.1 分体式加载架

分体式加载架主要由反力墙、门式主框架及后加载架组成，见图1。其中，反力墙可沿实心钢轨导轨前后移动，根据实验要求，形成敞开式二维平面结构或封闭式三维立体结构。门式主框架位于中部，其内部为中空结构，用于模型体的建立。除去边界150 mm的不均匀加载应力区后，新系统有效加载范围为2 000 mm×2 000 mm×1 200 mm，能有效减小尺寸效应对实验结果的影响。垂直上、水平左与水平右方向的作动器组也安装在主框架上，直接接触模型体表面完成加载操作，负责提供第三向加载的液压作动器被布设在后加载架上。

特别地，在进行三维模型实验时，事先需对反力墙进行固定操作，即通过全长4 000 mm钢制丝杠及特质螺母将分体式加载架组合形成箱式结构，包围内部模型体，便于进行真三轴加载。为贯穿丝杠，架体上预留有空孔，丝杠与架体用特制钢螺母固定。

1.3.2 加载架稳定性验算

为验证新系统加载架能否承受5 MPa的均布压力，文章采用迈达斯有限元软件(Midas civil)对加载架在极限应力作用下的受力特性及变性特征进行分析计算。迈达斯主要用于工程施工阶段的受力分析、弹塑性分析、支座沉降分析、以及大位移分析，是强有力的土木工程优化设计软件。

依照加载架实际结构建模，数值模型尺寸：2 935 mm×500 mm×2 415mm(长×宽×高)，架体共分为四部分，依次为上梁、中梁、洞口梁与下梁，通过设置刚性连接，模拟梁间连接方式，见图4。

图3 液压作动器结构示意图

图4 加载架实际与数值计算模型

架体材料为Q420钢材，计算参数依照国家钢结构设计规范(GB 50017—2003)，弹性模量为2.06×102kN/mm2，泊松比为0.3，线膨胀系数为1.20×10-51/[C]，容重7.698×10-8kN/mm3。由于加载架边界使用特质钢螺母固定，计算时将模型上、下、左及右边界处理为固定边界，背部采用载荷边界，施加面载荷5 MPa，板面内部节点采用刚性连接。

1.3.3 位移结果分析

数值模型整体沿X轴、Y轴及Z轴方向的最大位移依次为11 mm、21 mm及2 mm，最大位移区间位于洞口梁周边区域，整体变形量小。沿X轴方向两侧竖向板块发生一定弯曲变形，沿Y轴方向中梁、洞口梁及下梁呈现一定的张拉变形，沿Z轴正方向模型架水平板呈上凸变形、沿Z轴负方向呈下凹变形特征，见图5。

对模型施加5 MPa载荷时，加载架具有一定弯曲变形，最大位移为21 mm，变形程度较低，最大剪应力小于钢板屈服极限，具有良好承载能力。数值分析结果表明，加载架具有较好的抵抗屈服变形能力，稳定性高，满足实验加载需求。

图5 加载架位移

1.3.4 剪应力结果分析

计算结果显示，加载架承受最大剪应力为0.142 kN/mm2，小于架体材料抗剪屈服强度，表明加载架具有比较好的承载力。加载架界面由上至下，最大剪应力逐渐降低，依次为0.116 kN/mm2、0.078 kN/mm2、0.013 kN/mm2；从俯视图分析，剪力由端部向中部逐渐降低，墙体前端与后端剪力高于中部区域(图6)。

1.4 EDC伺服控制系统

新系统引入以EDC数字控制器为核心的伺服加载系统，实时监测液压值，维持稳定加载。该系统主要包含自主研发的计算机控制软件、EDC数控器[15]、伺服液压阀及液压传感器。

新系统内置两套加载模式，手动加载模式和伺服加载模式，模式间可按需要进行切换。现有系统大都使用手动加载控制，即人为控制加载速率，需对加载停止时刻作出预判。带有主观性的判断会对加载效果产生影响，过冲现象不可避免。伺服加载模式下，将目标加载值与加载速率输入计算机控制软件，EDC数字控制器将加载信息进行综合转换计算，将电信号指令传递给伺服液压阀，控制阀开口方向与大小：正向开口进行加载操作，负向开口进行卸载操作，速率越大则阀开口越大，反之，阀开口越小。液压传感器安装在伺服阀上，实时监测流经阀开口处的油压值，并实时反馈回EDC控制器。EDC将对油压值做出判断：如果油压值与目标加载值相一致，EDC发出维持油压指令；如果不一致，EDC发出液压阀正向开启(加载)或反向开启(卸载)指令，对油压值进行微调，使其尽快与目标加载值一致，图7为EDC伺服液压控制系统工作原理图。

为做到精确控制，新系统为每个方向的作动器组(垂直上、水平左、水平右及水平后)均配备一套控制系统，例如，进行岩土自重应力模拟时，需在软件的“垂直上方向输入区”输入目标加载值，继而，垂直上方向的EDC数控器进行计算，控制上方向的液压阀调整开口方向与大小，对模型体进行加、卸载操作。各个方向的目标加载值根据实验方案进行调整，相互不影响。

图6 加载架剪应力云图

图7 EDC伺服液压控制系统工作原理图

1.5 数据采集系统

为收集传感器数据，系统共配备9台科动KD7024型静态应变采集仪。每台采集仪有24个数据采集通道，9台共216个通道，可支持216个测点的数据收集工作。实验过程中，将应变采集仪的工作状态调整为循环采集，即仪器自动巡检，遍历每个数据采集通道，将数据直显在屏幕上，并同时进行存储。完成全部通道的数据巡检工作需要180 s，如果实验布置测点数量少，时间会相应缩短。另外，考虑到新系统能够进行动力学模型实验，例如模拟岩石井巷钻爆法施工，数据采集系统另设有一台动态应变采集仪，采样频率高，能够捕获模型体在爆炸后瞬间出现的应变变化值。数据采集系统的建立为后期处理数据提供素材，对解决工程问题、优化施工方案起到重要作用。

2 工程实例

2.1 验证性实验设计

为检验新建模型实验系统性能，以赵庄3#煤巷为工程背景，依照相似理论，采用铁晶砂类相似材料进行一组验证性实验。在巷道内部及围岩关键位置埋设压力盒与应变砖，对比分析模型变形特性与现场实测是否一致。

晋城矿业集团赵庄矿3#煤层平均厚度4.5 m，沿底板掘进，煤巷断面尺寸为5.5 m×4.5 m。煤体偏松软，强度低且煤层上下强度不一致，存在部分裂隙。巷道开挖后，煤体两帮受侧向压力作用，极易产生裂隙扩张。由于巷道埋深大，顶板微裂隙多，开挖后易造成岩面风化破碎，最终导致冒顶灾害。据14个地应力测站的测试结果得到，该矿区最大水平主应力方向在N8E～N56W之间，最大水平主应力随深度变化：σh1=0.04H-6.621 MPa；最小水平主应力随深度变化：σh2=0.021H-3.274 MPa；垂直主应力随深度的变化关系近似为：σv=0.025H(注：H代表巷道上覆岩土层厚度)。巷道埋深460 m，经计算得到最大水平主应力为11.78 MPa，最小水平主应力为6.38 MPa，垂直主应力为11.5 MPa。

综合考虑新建系统有效加载区域及边界最大加载集度，将模型实验的几何缩尺σL定为16。为更加真实的模拟原岩应力场，选择大容重铁晶砂类材料作为本次实验的相似模型材料，容重相似比σγ定为1。依照现场实际地层情况，分层铺设模型体，其余原始数据及具体配比结果有另文发表，这里展示部分照片及验证实验结果，见图8和图9。

图8 验证性实验模型体

图9 两帮及顶底板移近量对比图

2.2 实验结果分析

模型体内部在与现场测点对应的位置上埋深应变砖，监测围岩变形数据。模型巷道开挖后，在其内部安装振弦式位移计，收集巷道收敛数据。总体上，实验巷道位移变化趋势和现场实测资料基本一致。据图9所示，实验巷道顶底板和两帮最大收敛量分别为129 mm和142 mm，而实际测量值偏大，分别为158 mm和174 mm。产生差异的原因主要是岩石中的节理、裂隙及断层等结构面没能很好地在模型体中体现，实际巷道开挖时，顶底板与两帮受扰动，致使岩层中的结构面闭合，产生较大变形。模拟原岩应力阶段时，模型巷道仅在顶板出现少量裂纹。实验进入过载阶段后，特别是加载值等效超过600 m的上覆岩土层时，巷道表面局部裂纹张开并有逐渐向内部延伸的趋势。根据现场实测结果得到，巷道开挖后，损伤区主要发生在离工作面2.3 m的位置，这与实验数据相吻合。