CN106023761B - 一种断层突水突泥模拟设备及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种断层突水突泥模拟设备及试验方法，设备包括壳体，下部设有出口部，出口部上设有具有若干孔洞的挡板；轴向加载系统，用以对断层填充介质进行轴向加载，包括压头；水压加载系统，用以对填充介质施加水压，包括穿过压头的内部并联通至压力室的进水通道；围压加载系统，用以对填充介质施加围压，包括沿环向设于壳体内的环形液压腔，环形液压腔的内壁采用弹性材料制成；断层模具，设于压力室内的弹性环形套体，外壁与环形液压腔的内壁紧密相贴、内部构成用以容纳断层填充介质的空间；增加环形腔体内的储油量使环形腔体的内壁向内膨胀，通过断层模具挤压填充介质进而实现围压的施加。

Description

一种断层突水突泥模拟设备及试验方法

技术领域

本发明属于地下工程、岩土工程试验仪器技术领域，具体涉及一种断层突水突泥模拟设备及试验方法。

背景技术

断层及其破碎带是隧道和地下工程施工中最常见的也是最复杂的不良地质体之一，在隧道和地下工程的修建过程中发生类似的工程地质问题也极为复杂严重，其中包括断层破碎带围岩的失稳塌方、涌水、变形等问题，严重地威胁隧道的施工进度和施工人员的人身安全。因此，研究断层突水的启动条件、整体应力状态及突水突泥机理具有十分重要的意义。

断层突水的发生伴随着复杂的地质应力变化，整个突水过程都存在着多场耦合的问题，多物理量之间的复杂综合问题对突水形成机理有着极为重要的影响，一直受到国内外诸多学者和专家的关注。其中，围岩的应力状态和水压力的共同作用对突水突泥灾害的形成机制、灾害治理的研究具有深远的意义。

断层及其破碎带突水突泥在围岩整体应力状态及水压力作用下的形成和扩展机制，已经成为目前国内隧道与地下工程领域研究的重点和难点，需要进行大量的试验来掌握其形成规律。但是，由于断层破碎带突水突泥的形成过程中力学特性复杂，形成机理分析困难，灾害后果严重，而且介质松散破碎，传统的仪器设备无法满足模型试验的要求。

发明内容

本发明的目的是为克服现有设备对断层突水突泥机理试验技术的不足，提供能将断层及其破碎带作为整体研究，满足不同围压、轴压、水压、断层带宽度及填充物质作用下的一种断层突水突泥模拟设备及试验方法，该设备操作方便、可靠度高，占用空间小，并且可以有效控制试验成本、加快试验进度，缩短试验周期。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种断层突水突泥模拟设备，包括：

设备外壳，内部构成压力室，下部设有用以模拟突水突泥的出口部，所述出口部上设有具有若干孔洞的挡板；

轴向加载系统，用以对所述断层填充介质进行轴向加载，包括用以对所述断层填充介质施加轴压的压头；

水压加载系统，用以对所述断层填充介质施加水压，包括穿过所述压头的内部并联通至所述压力室的进水通道；

围压加载系统，用以对所述断层填充介质施加围压，包括沿环向设于所述设备外壳内的环形液压腔，所述环形液压腔的顶端高于所述压头的底部，所述环形液压腔的内径与所述压头的直径相同、内壁采用弹性材料制成；

断层模具，设于所述压力室内的弹性环形套体，所述弹性环形套体的高度低于所述压力室的高度、外壁与所述环形液压腔的内壁紧密相贴、内部构成用以容纳所述断层填充介质的空间，通过配置具有不同截面形状和内壁尺寸的所述弹性环形套体，实现对不同宽度断层带的模拟；

增加所述环形液压腔内的储油量使所述环形液压腔的内壁向内膨胀，通过所述断层模具挤压所述断层填充介质进而实现围压的施加。

由于压头与压力室的内壁密封接触，利用压头的内部作为进水通道，一方面可以实现承压水的模拟，另一方面水压自上而下，模拟的承压水和上层富水腔体水力路径一致，能更好的模拟断层突水突泥的现象。

断层填充介质为破碎松散体，其中包括粒径大小不同的碎石。因此，对这种介质，无法使用传统的水压方式来实现围压的模拟。突水突泥模拟设备在设备外壳的内侧布设环形液压腔，环形液压腔的顶端高于压头的底部，避免由于环形液压腔内壁的弹性膨胀阻挡压头的行驶路径，使压头的加压得以顺利进行；腔体的内径与压头的直径相同，使环形液压腔的弹性侧壁直接作为压力室的内壁，并且保证压头与压力室内壁在接触部位的密封性，为承压水的模拟提供可能；采用环形液压腔的布置方式可以使围压的加载更加均匀。

断层模具采用弹性材料，克服了传统模具采用刚性材料的惯性思维模式，既能对断层填充介质传递围压、又能通过采用不同截面形状和厚度的模具形成具有不同形状和尺寸的内部空间，进而实现对不同宽度断层带的模拟。此外，由于断层填充介质内含有碎石，在巨大的围压作用下，碎石的棱角容易刺破压力室的弹性内壁。在压力室内布设弹性环形套体，可以避免碎石对压力室弹性内壁的直接作用，有效的保护压力室的弹性内壁免收破坏，提高设备的使用寿命。断层模具的高度低于压力室的高度，可以为压头的行程提供空间；其外壁与环形液压腔的内壁贴合，可以起到更好的传力作用。

所述断层模具的顶端具有从外向内的一个坡度，可以减少断层顶部断层填充介质的水平压力分量，避免该处位于侧壁附近的碎石在巨大的围压作用下破坏压力室的弹性内壁。

突水突泥模拟设备还包括数据采集与控制系统，所述数据采集与控制系统与所述轴向加载系统、所述水压加载系统和所述围压加载系统电路连接，用于实时采集轴压、水压和围压数据，并实时控制加载过程中的轴压、水压和围压，以测试断层机器破碎带在不同轴压-围压-水压力作用下的突水突泥形成机理。

所述预制的断层模具均为可拆卸。

所述突水突泥板均为可拆卸，各个规格的突水突泥板的出水孔孔径大小不一。

所述压力室的底部具有从边缘向中心弯曲延伸的向下的坡度，并在中心处形成所述出口部，以增加位于出口部断层填充介质向下的分力，便于断层填充介质对突水突泥的模拟。

各个所述轴压、围压、水压使用相互独立的轴压伺服控制系统、围压伺服控制系统和水压控制系统。

所述轴压、围压加压系统设有轴向压力传感器、围压压力传感器、位移传感器中的一种或几种。

各所述传感器均和所述数据采集与控制系统通过电路连接。

所述加载盖上部设有用以测量所述试样轴向位移的千分表，所述千分表与所述数据采集与控制系统通过电路连接。

一种断层突水突泥模拟设备的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：打开设备顶盖及加载盖；

步骤2：向压力室放置需要宽度的预制断层模具并填充破碎带介质；

步骤3；关闭设备顶盖及加载盖；

步骤4：通过围压、轴压伺服控制系统，调节不同压力梯度并达到设定值；

步骤5：通过水压加载系统，调节不同水压力和流量并达到设定值；

步骤6：在突水突泥板下方收集流出的泥水，实时监测突水量与突泥量的变化。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

突水突泥模拟设备结构简单、操作方便、成本低廉、设备占用空间较小。由于围压采用环形液压腔的形式进行加压，既可以有效避免漏油问题，又可以增加压力的稳定性。试样尺寸可以根据情况进行调整，可以实现多尺寸效应应力模型试验，而且水力路径与突水的水力路径一致。由于设备结构紧凑，施加应力均匀，不易出现故障。

可以将断层及其破碎带作为整体地质灾害体，综合研究围压轴压和水压作用下，不同宽度不同填充介质的断层突水突泥机理以及力学性能。

本设备可以进行多组不同围压-轴压-水压综合条件下的断层及其破碎带突水突泥试验，适用于不同宽度断层带、不同充填介质的断层突水突泥机理及力学性能研究。

试验过程中可以实时控制试样的应力场。

占用空间小、可靠性高、精度高，且可缩短试验周期，节省试验成本。

附图说明

图1为一种断层突水突泥模拟设备结构示意图；

图2a为A型突水突泥板的结构示意图；

图2b为B型突水突泥板的结构示意图；

图2c为C型突水突泥板的结构示意图；

图3为断层模具的俯视图。

其中:1——加载盖；2——千分表；3——设备顶盖；4——轴压储油腔；5——设备外壳；6——弹性胶套；7——围压储油腔；8——断层模具；9——复合压力室；10——破碎带充填介质；11——突水突泥板；12——泥水收集器；13——设备固定台座；14——储水稳压连通器；15——水压控制系统；16——水压加载泵；17a——轴压加载系统；17b——围压加载系统；18a——轴压伺服电机；18b——围压伺服电机；19a——轴压加载泵；19b——围压加载泵；20——数据采集与控制系统；21——轴向压力传感器；22——围压应力传感器。

具体实施方式

一种断层突水突泥模拟设备，设备内部设有一个复合压力室，其中复合压力室由弹性胶套，加载盖，预制的断层模具，试样，突水突泥口组成；将加工好的断层模具放在圆形的复合压力室内，断层模具与弹性胶套之间通过涂抹凡士林密切相贴，在断层模具中间填充破碎带介质，复合压力室内根据试验工况不同，利用不同宽度的预制断层模具制造不同宽度带的断层；复合压力室的下部设有孔径不同的突水突泥板，复合压力室的顶部为进水口和加载盖；断层模具的高度低于复合压力室的高度，在其上部覆盖破碎带介质；

轴压伺服控制系统由轴压储油腔，轴向压力传感器，数据采集与控制系统，轴压伺服加载系统，轴压伺服电机、轴压加载泵组成；轴压储油腔通过油管与轴向压力传感器相接，轴向压力传感器通过油管与轴压加载系统相接，轴压加载系统通过电缆与伺服电机连接，伺服电机通过油管与油压加载泵连接。

围压伺服控制系统由围压传感器，数据采集与控制系统，围压伺服加载系统，围压伺服电机、围压加载泵组成；围压储油腔通过油管与围压传感器相接，围压传感器通过油管与轴压加载系统相接，围压加载系统通过电缆与伺服电机连接，伺服电机通过油管与油压加载泵连接。

水压控制系统由储水稳压连通器，水压控制系统、水压加载泵组成、数据采集与控制系统组成；复合压力室通过储水稳压连通器与水压加载系统利用水管连接，水压加载系统通过电缆与水压加载泵连接。

轴压伺服控制系统、围压伺服控制系统、数据采集与控制系统通过电路连接，数据采集与控制系统实时控制试样的应力场，以测量试样在不同的轴压-围压-水压力复合条件下的变形及突水突泥。

复合压力室使用相互独立的轴压、围压、水压控制系统，可以独立控制各个变量，各个变量自由组合，分析复杂地应力条件下，断层及其破碎带的破坏机理，可以克服单独变量测试及局部灾害地层测试带来的局限性，提高模型试验的准确性，接近施工现场的工程地质概况，节约试验的成本，缩短整体试验的周期。

轴压与围压压力室设有轴压、围压传感器、水压力传感器中的一种或几种。

各传感器均和数据采集与控制系统通过电路连接。

压力室压头上设有用以测量断层及其破碎带轴向位移的千分表，千分表和数据采集与控制系统通过电路连接。

围压应力传感器设于设备外部，与围压控制系统连接。

轴压应力传感器设于设备外部，与轴压控制系统连接。

开展断层及破碎带突水突泥试验，试验的轴压和围压可以相同也可以不同，水压力可以与围压轴压同时施加也可以不同时施加。试验过程中分别记录轴向应力-时间曲线，围压-时间曲线，水压-时间曲线，并实时记录突水量、出泥量及突水速度。

实施例1：

一种断层突水突泥模拟设备，如图1所示。本测试仪器包括：复合压力室9(由弹性胶套6，加载盖1，预制的断层模具8，试样10，突水突泥板11组成)、轴压伺服控制系统(由轴向压力传感器21，数据采集与控制系统20，轴压伺服加载系统17a，轴压伺服电机18a、轴压加载泵19a组成)、围压伺服控制系统(由围压应力传感器22，数据采集与控制系统20，围压伺服加载系统17b，围压伺服电机18b、围压加载泵19b组成)、水压控制系统(由储水稳压连通器14，水压控制系统15、水压加载泵16组成、数据采集与控制系统20)、泥水收集器12等部分构成，该仪器连接关系为：

加载盖1与设备顶盖3通过圆形接口连接，其作用是封闭设备，同时封闭轴压储油腔4；

复合压力室9与突水口11连通，其作用是形成通畅的突水突泥通道；

设备整体与底部固定台座13连接，其作用是固定设备：

弹性胶套6与设备外壳5中间为围压储油腔7，其作用是形成封闭能够施压的腔体。

预制的断层模具8采用弹性材料，如橡胶制成。其外侧与压力室的内壁贴合，预制的断层模具8与弹性胶套6之间涂抹凡士林，其作用是使试样整体与围压加载系统密切连接。断层模具内表面的形状可以根据模拟试验的相关要求确定，可以将内截面形状设置为不同长宽比例和不同尺寸的矩形，如图3所示，断层模具8的内壁为破碎带充填介质10，以实现对不同宽度断层带的模拟；也可以将内截面设置为圆形。

试验前断层模具8可根据试验方案设定的断层带宽度制造，试验时根据相应宽度带要求放入复合压力9。

复合压力室9，其作用是存放预制的断层模具8及其破碎带充填介质10；复合压力室9与预制的断层模具8相贴，其作用是提供不同宽度的预制的断层模具及其破碎带试样安装空间，并确保轴压、围压、水压的施加。

突水突泥板11，可制作不同突水口尺寸的突水板，即突水突泥板11中其孔洞尺寸可以调节，如图2a、2b、2c所示，根据试验的破碎带填充介质粒径大小选择合适的突水突泥板。突水突泥板11的下方设有泥水收集器12。

轴压储油腔4与油管相接，轴向压力传感器21与轴压加载系统17a通过油管连接，伺服电机18a与轴压伺服加载系统17a通过电缆连接，伺服电机18a通过油管与油压加载泵19a连接，其作用是提供稳定的轴压。

围压储油腔7与油管相接，围压传感器22与围压加载系统17b通过油管连接，伺服电机18b与轴压伺服加载系统17b通过电缆连接，伺服电机18b通过油管与油压加载泵19b连接，其作用是提供稳定的围压。

复合压力室9通过储水稳压连通器14与水压加载系统15通过水管连接，水压加载系统15通过电缆与水压加载泵16连接，其作用是提供稳定的水压保证充足的水源。

轴压伺服控制系统和数据采集与控制系统20通过电缆相连，其作用是实时记录和控制试验过程中的轴向应力。

围压伺服控制系统和数据采集与控制系统20通过电缆相连，其作用是实时记录和控制试验过程中的围压。

一种断层突水突泥模拟设备的试验方法，包括以下步骤:

步骤1：打开设备顶盖及加载盖；

步骤2：向复合压力室内放置需要宽度的预制断层模具并填充破碎带介质；

步骤3；关闭设备顶盖及加载盖；

步骤4：通过围压、轴压伺服控制系统，调节不同压力梯度并达到设定值；

步骤5：通过水压加载系统，调节不同水压力和流量并达到设定值；

步骤6：在突水突泥板下方收集流出的泥水，实时监测突水量与突泥量的变化。

水压控制系统15，其作用是实时记录和控制试验过程中的水压；

千分表2与设备顶盖3相连，其作用是测量试验过程中的轴向位移；

千分表2与数据采集与控制系统20通过电缆相连，其作用是实时记录轴向变形过程中试样的轴向位移；

复合压力室：大小根据试样尺寸要求进行设计，国内试验机厂可产生；

控制器：德国EDC220系列

计算机：Dell

轴向压力传感器：HBM Load Cell Z6

加载盖1：国内试验机厂可产生

设备顶盖3：国内试验机厂可产生

设备外壳5：国内试验机厂可产生

弹性胶套6：国内试验机厂可产生

预制的断层模具8：可自行制造

泥水收集器12：国内试验机厂可产生

设备固定台座13：国内试验机厂可产生

储水稳压连通器14：国内试验机厂可产生

水压加载泵16：国内试验机厂可产生

轴压加载泵19a：国内试验机厂可产生

围压加载泵19b：国内试验机厂可产生

轴向伺服加载系统：国内试验机厂可产生

围压、孔压伺服加载系统：国内试验机厂可产生

轴向伺服电机：MSMD082P1系列

围压伺服电机：MSMD082P1系列

以上主要部件都可自制、从市场采购或者加工。

根据图1所示，将试验样本放入复合压力室9内，通过控数据采集与控制系统20对试样(由预制的断层模具8、破碎带填充物10组成)施加一定的轴压、围压，通过水压加载系统添加一定的水压，应用千分表2、轴向压力传感器21、围压压力传感器22，采集试验过程中的应变及应力等相关信息。

以上技术方案实现了断层及其破碎带在不同轴压—围压—水压力下突水突泥发生，用简单的设备实现了对散体结构复杂应力路径的实现，测试成本低，可控性好，试验精度高，具有广泛的工程应用前景。

本实施例中列举了一个宽度的预制断层模具的情况，当断层带宽度呈梯度变化时，断层带模拟突水的形成原理与此实施例相同，都在本申请的保护范围内。

本实例中列举了一个尺寸的突水突泥板(如图2)的情况，当破碎带的试样粒径呈一定的梯度变化时，突水突泥板的更换原理与此实施例相同，都在本申请的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种断层突水突泥模拟设备，其特征在于，包括：

设备外壳，其内部构成压力室，所述设备外壳的下部设有用以模拟突水突泥的出口部，所述出口部上设有具有若干孔洞的挡板；

轴向加载系统，用以对所述断层填充介质进行轴向加载，包括用以对所述断层填充介质施加轴压的压头；

水压加载系统，用以对所述断层填充介质施加水压，包括穿过所述压头的内部并联通至所述压力室的进水通道；

围压加载系统，用以对所述断层填充介质施加围压，包括沿环向设于所述设备外壳内的环形液压腔，所述环形液压腔的顶端高于所述压头的底部，所述环形液压腔的内径与所述压头的直径相同、内壁采用弹性材料制成；

断层模具，其为设于所述压力室内的弹性环形套体，所述弹性环形套体的高度低于所述压力室的高度、外壁与所述环形液压腔的内壁紧密相贴、内部构成用以容纳所述断层填充介质的空间，通过配置具有不同内截面形状和内壁尺寸的所述弹性环形套体，实现对不同宽度断层带的模拟；

所述压力室用以提供不同宽度的预制的所述断层模具及所述断层填充介质的安装空间，并确保轴压、围压、水压的施加，增加所述环形液压腔内的储油量使所述环形液压腔的内壁向内膨胀，通过所述断层模具挤压所述断层填充介质进而实现围压的施加。

2.根据权利要求1所述的一种断层突水突泥模拟设备，其特征在于：还包括数据采集与控制系统，所述数据采集与控制系统与所述轴向加载系统、所述水压加载系统和所述围压加载系统电路连接，用于实时采集轴压、水压和围压数据，并实时控制加载过程中的轴压、水压和围压，以测试所述断层填充介质在不同轴压-围压-水压力作用下的突水突泥形成机理。

3.根据权利要求1所述的一种断层突水突泥模拟设备，其特征在于：所述断层模具的顶端具有从外向内的一个坡度。

4.根据权利要求1或3所述的一种断层突水突泥模拟设备，其特征在于：所述断层模具与所述环形液压腔的内壁之间涂有凡士林。

5.根据权利要求1所述的一种断层突水突泥模拟设备，其特征在于：所述挡板可拆卸，不同挡板的所述孔洞的孔径大小不一。

6.根据权利要求1所述的一种断层突水突泥模拟设备，其特征在于：所述轴向加载系统、水压加载系统和围压加载系统使用相互独立的伺服控制系统。

7.根据权利要求1所述的一种断层突水突泥模拟设备，其特征在于：所述压力室的底部具有从边缘向中心弯曲延伸的向下的坡度，并在中心处形成所述出口部。

8.根据权利要求2所述的一种断层突水突泥模拟设备，其特征在于：所述数据采集与控制系统包括用于采集轴压和/或围压的压力传感器，和用于采集轴向和/或径向的位移传感器。

9.根据权利要求2所述的一种断层突水突泥模拟设备，其特征在于：所述压力室压头上设有用以测量所述断层填充介质轴向位移的千分表，所述千分表和所述数据采集与控制系统通过电路连接。

10.根据权利要求1所述的断层突水突泥模拟设备的试验方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤1：打开设备顶盖及加载盖；

步骤2：向压力室放置需要宽度的预制断层模具并填充破碎带介质；

步骤3；关闭设备顶盖及加载盖；

步骤4：通过围压、轴压伺服控制系统，调节不同压力梯度并达到设定值；

步骤5：通过水压加载系统，调节不同水压力和流量并达到设定值；

步骤6：在突水突泥板下方收集流出的泥水，实时监测突水量与突泥量的变化。