申请/专利权人：湖南科技大学

申请日：2019-08-30

公开（公告）日：2024-06-07

公开（公告）号：CN110441159B

主分类号：G01N3/12

分类号：G01N3/12

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.07#授权;2019.12.06#实质审查的生效;2019.11.12#公开

摘要：本发明公开了一种水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置，包括模拟岩体、加载系统、渗流场控制系统、数据采集系统、总控制器。所述总控制器分别与加载系统、渗流场控制系统、数据采集系统连接。本发明对模拟岩体施加水平加载力、竖向加载力、混凝土井壁轴向加载力和渗流水压，通过监测元件监测试验过程中各物理场的时空演化规律，并获取混凝土井壁、帷幕注浆体、顶板隔水层、含水层和底板隔水层的物理力学特性和地层应力条件等一系列现场和试验室参数，通过进行水力耦合作用下混凝土井壁极限承载力和流变断裂的相似模拟试验研究，获得水‑力耦合作用下混凝土井壁极限承载力的时效衰减规律。

主权项：1.一种水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验方法，是基于水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置实现的，其特征在于：水力耦合作用下井壁承载特性的模拟试验装置包括模拟岩体、加载系统、渗流场控制系统、数据采集系统和总控制器，所述模拟岩体中心为混凝土井壁，混凝土井壁内侧为预制井筒，混凝土井壁外侧从下到上按顺序依次填筑底板隔水层、含水层和顶板隔水层，含水层外侧的环形区域填充帷幕注浆体；所述加载系统、渗流场控制系统设置在模拟岩体外部，渗流场控制系统的渗流场管道埋设在含水层中；所述数据采集系统包括埋设在模拟岩体混凝土井壁内表面、混凝土井壁外表面、帷幕注浆体、顶板隔水层、含水层和底板隔水层内的监测元件；所述总控制器分别与加载系统、渗流场控制系统、数据采集系统连接；所述总控制器包括电脑、数据线、水平加载数据线、竖向加载数据线、井壁轴向加载数据线、监测元件数据线，电脑通过水平加载数据线、竖向加载数据线、井壁轴向加载数据线与液压加载系统相连，电脑通过数据线与渗流场控制系统相连，电脑通过监测元件数据线与采集数据系统相连；所述加载系统包括模型反力架、反力架盖、水平加载轴、竖向加载轴、井壁轴向加载轴、钢板，所述模拟岩体放置在模型反力架中，模型反力架和反力架盖用螺栓Ⅰ相连，模拟岩体左面、右面、前面、后面均设置水平加载轴；模拟岩体上面和下面均设置竖向加载轴；模拟岩体的混凝土井壁上部设置井壁轴向加载轴，水平加载轴、竖向加载轴和井壁轴向加载轴底部用螺栓Ⅱ固定在模型反力架上，水平加载轴、竖向加载轴和井壁轴向加载轴顶部与模拟岩体相接触，水平加载轴、竖向加载轴和井壁轴向加载轴与模拟岩体相接触位置处均设有钢板，水平加载轴通过水平加载数据线连接电脑，竖向加载轴通过竖向加载数据线连接电脑，井壁轴向加载轴通过井壁轴向加载数据线连接电脑；通过电脑控制水平加载轴对模拟岩体左面、右面、前面、后面进行水平加载，控制竖向加载轴对模拟岩体上面、下面进行竖向加载，控制井壁轴向加载轴对模拟岩体的混凝土井壁进行轴向加载；所述渗流场控制系统包括渗流场管道、管道接头、测压器Ⅰ、测压器Ⅱ、测速调节阀Ⅰ、测速调节阀Ⅱ、水泵、水箱，渗流场管道由多根平行导水钢管和一根纵向引水钢管组合而成，多根平行导水钢管预埋于含水层的左右两侧边界内，纵向引水钢管的中部分别连接多根平行导水钢管的一端，多根平行导水钢管的另一端伸入含水层内，所述水泵的一端经测压器Ⅰ、测速调节阀Ⅰ后与渗流场管道的进水端相连，水泵另一端与水箱相连；渗流场管道的出水端经测压器Ⅱ、测速调节阀Ⅱ后与水箱相连；电脑通过数据线连接测压器Ⅰ、测压器Ⅱ、测速调节阀Ⅰ、测速调节阀Ⅱ，通过测速调节阀Ⅰ和测速调节阀Ⅱ控制渗流场水压，通过测压器Ⅰ、测压器Ⅱ对渗流场水压的进行实时监测；所述顶板隔水层和底板隔水层的材料为质量比为2.8:1的细砂岩：硅酸盐水泥，含水层的材料为质量比为3:11.2:5.8:16的粗砾岩：粗砂岩：细砂岩；硅酸盐水泥，帷幕注浆体的材料为质量比为0.98:1:1.42的水：水泥：水玻璃；所述数据采集系统包括光纤渗压传感器、多点位移计、电阻式应变片和微型压力盒，在混凝土井壁内表面、混凝土井壁外表面均埋设电阻式应变片，帷幕注浆体、含水层、底板隔水层、顶板隔水层内均埋设光纤渗压传感器、多点位移计和微型压力盒，电脑控制器通过监测元件数据线与光纤渗压传感器、多点位移计、电阻式应变片和微型压力盒相连进行数据的采集并将数据存储于电脑控制器；所述模拟岩体的预制井筒底部安装有摄像装置，所述模拟岩体的预制井筒下部设有量筒和电子天平；模拟试验方法包括以下步骤：1）确定试验方案：根据相似比关系，确定施加在模拟岩体上的竖向应力和水平应力的大小、混凝土井壁承受的轴向荷载、进水边界的水压力；2）预制模拟岩体；3）施加渗流场：在由模型反力架、反力架盖和加载装置组成的大尺度真三轴多功能物理模拟系统上沿水平和竖向方向分别施加一个初始水平应力和竖向应力，通过渗流场控制系统，在含水层边界设置渗流场初始水压，通过数据采集系统监测水压加载过程中不同部位的水压、应力和位移的演化规律，监测围岩、帷幕注浆体和混凝土井壁背面的水压力分布和水力坡降分布规律；4）极限承载力的测定：待渗流场稳定后，在模拟岩体顶部采用井壁轴向加载轴对混凝土井壁施加轴向荷载至设计值后，保持其恒定，在物理模拟系统中进一步沿水平和竖向方向按比例逐渐施加水平应力和竖向应力，直至混凝土井壁在环向围岩压力作用下失去承载能力；监测荷载加载过程中混凝土井壁内外表面应变-应力关系，混凝土井壁背面水压的变化规律、混凝土井壁内表面裂纹扩展规律和混凝土井壁周边渗流量及帷幕注浆体和围岩内的水压与应力变化，获得水力耦合作用下混凝土井壁极限承载力；5）极限承载力演化规律的测定：改变渗流场初始水压，获得不同水压条件下混凝土井壁的极限承载力，探讨水力耦合作用下混凝土井壁的极限承载力的演化特性；在获得混凝土井壁极限承载力演化特性的基础上，进一步开展混凝土井壁流变断裂试验，研究混凝土井壁极限承载力的时效衰减特性，步骤如下：a）采用分级加载的方法，在50%~85%的极限承载力的区间内，分别选取5~6分级应力水平，在物理模拟系统中从低到高逐级施加水平应力和竖向应力，当达到设定的围岩应力水平后，保持混凝土井壁承受的围岩压力和轴向荷载不变和渗流场初始水压恒定，开展混凝土井壁流变断裂试验研究，设定每级加载时间为120h；b）监测混凝土井壁流变过程中混凝土井壁内外表面应变-应力关系，混凝土井壁背面水压变化规律、混凝土井壁内表面裂纹扩展规律和混凝土井壁周边渗流量及帷幕注浆体和围岩内的水压与应力变化；c）进一步地，保持混凝土井壁轴力、水平和竖向应力不变，改变渗流场初始水压，研究含水层水压大小对混凝土井壁流变变形和混凝土井壁破裂的贡献；d）结合水力耦合下混凝土井壁的流变试验和混凝土井壁流变断裂的相似模拟试验结果，捕获不同水力耦合条件下混凝土井壁的极限承载力的时效衰减特性。

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