專利名稱：高地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在水電、交通、能源、礦山和國防深部地下洞室工程領(lǐng)域使用的一種高 地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
19世紀(jì)是橋的世紀(jì)，20世紀(jì)是高層建筑的世紀(jì)，21世紀(jì)是人類開發(fā)利用地下空間的世 紀(jì)，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,許多在建和即將新建的地下工程不斷走向深部。無論是礦 產(chǎn)資源開采的地下巷道、還是交通建設(shè)的地下隧洞以及水電開發(fā)的地下洞室等都逐漸向逾千 米或數(shù)千米的深部方向發(fā)展。隨著埋藏深度的增加，深部洞室?guī)r體在高地應(yīng)力條件下，洞室 圍巖的結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性和工程響應(yīng)出現(xiàn)了分區(qū)破裂、大變形、沖擊破壞等一系列新的特征科 學(xué)現(xiàn)象，這些特征科學(xué)現(xiàn)象與淺埋洞室圍巖工程響應(yīng)相比顯著不同，因而深部巖體工程問題 引起了國際上巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的極大關(guān)注，成為近幾年該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。 針對深部洞室工程巖體復(fù)雜的力學(xué)變形特性， 一方面要借助理論研究，另一方面，更多地要 借助模型試驗方法進(jìn)行研究。但要進(jìn)行深部洞室模型試驗，就必須有相應(yīng)的高地應(yīng)力加載模 型試驗系統(tǒng)，目前有關(guān)模型試驗系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀如下
(1) 《武漢水力電力大學(xué)學(xué)報》1992年第5期介紹了一種平面應(yīng)力試驗裝置及加載系統(tǒng)， 其試驗裝置是凈空為150cmX140cm封閉平面剛性加力架，加載系統(tǒng)由壓力盒，氣壓泵、管路、 壓力表組成，試驗時由氣泵控制壓力逐級加載或卸載。該系統(tǒng)為平面加載，無法實(shí)現(xiàn)三維加 載。
(2) 《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》2004年第3期介紹了一種巖土工程多功能模擬實(shí)驗裝置， 該裝置主體加載支承結(jié)構(gòu)是由上、下蓋板、三角形分配塊和3套互相垂直正交的拉桿系統(tǒng)組 成。試驗時模型平放在上、下蓋板之間，在模型相對兩邊分別施加垂直和水平地應(yīng)力。該系 統(tǒng)加載試件尺寸較小且無法實(shí)現(xiàn)高地應(yīng)力加載。
(3) 《水利學(xué)報》2002第5期介紹了一種離散化三維多主應(yīng)力面加載試驗系統(tǒng)，試驗裝 置主要由垂直立柱、封閉式鋼結(jié)構(gòu)環(huán)梁、支撐鋼架組成，加載系統(tǒng)主要由高壓氣囊、反推力 板、限位千斤頂和空氣壓縮機(jī)組成。其試驗架尺寸較大，并實(shí)現(xiàn)了按主應(yīng)力方向進(jìn)行加載， 但試驗架側(cè)向撓度變形大，加載系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)高地應(yīng)力加載。
(4) 《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》2004年第21期介紹了一種平面應(yīng)變巷道模型試驗臺，模 型尺寸為l niXl mX0.2 m，立式布置，該試驗臺無法實(shí)現(xiàn)高地應(yīng)力真三維加載。
(5) 《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》2005年第16期介紹了一種三軸軟巖非線性力學(xué)試驗系統(tǒng)， 該系統(tǒng)能進(jìn)行三軸拉壓、拉剪等多種組合試驗和對不同加卸載過程進(jìn)行模擬，系統(tǒng)最大壓力 450kN，最大拉力75kN,試件最大尺寸為450 mmX 150 ,X 150 mm。該系統(tǒng)模型試件尺寸較小，同時無法模擬高地應(yīng)力真三維加載過程。
(6) 《地下空間》2004第4期介紹了一種公路隧道結(jié)構(gòu)與圍巖綜合實(shí)驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)基 于"先加載、后挖洞"的原理，采用液壓千斤頂在模型試件外部加載以模擬上覆巖土層自重 應(yīng)力，用內(nèi)置千斤頂及位移計模擬開挖體應(yīng)力響應(yīng)及位移變化。該系統(tǒng)無法模擬深部洞室高 地應(yīng)力真三維加載。
(7) 《土木工程學(xué)報》2005年第12期，以及申請?zhí)枮?00510045291.7的中國專利介紹了 一種新型巖土地質(zhì)力學(xué)模型試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由盒式臺架裝置、帶扁千斤頂?shù)淖兒杉虞d 板、液壓加載控制試驗臺組成。該系統(tǒng)具有規(guī)模大、組裝靈活、尺寸可調(diào)、能進(jìn)行同步非均 勻加載的優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)只能進(jìn)行平面加載且加載荷載值有限，無法模擬深部洞室高地應(yīng)力真 三維加載過程。
(8) 《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》2008年第1期介紹了一種伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗 機(jī)，該試驗機(jī)可進(jìn)行高溫高壓條件下的巖石假三軸試驗，試樣尺寸為小200瞧X400mm。該試 驗機(jī)主要用于高溫條件下的加載，雖然加載壓力較高，但無法實(shí)現(xiàn)巖體試件的真三軸加載， 且試樣尺寸較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種智能化的、可模擬大尺寸巖體試件高地應(yīng) 力同步、獨(dú)立加載的真三維加載模型試驗系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 一種高地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)，包 括智能液壓控制系統(tǒng)、高壓加載系統(tǒng)和反力裝置系統(tǒng)，高壓加載系統(tǒng)設(shè)置于反力裝置系統(tǒng)內(nèi)， 智能液壓控制系統(tǒng)的智能液壓控制試驗臺通過高壓油管與高壓加載系統(tǒng)連接，高壓加載系統(tǒng) 包括千斤頂和加載板，千斤頂?shù)囊欢伺c加載板連接，另一端與反力裝置系統(tǒng)連接，與千斤頂 相連的六塊加載板分別緊貼在試驗?zāi)Ｐ偷那啊⒑?、左、右、上、下六個側(cè)面上。
所述的反力裝置系統(tǒng)包括模型反力裝置、法蘭盤和反力傳遞板，模型反力裝置由盒式鑄 鋼構(gòu)件和角鋼構(gòu)件通過高強(qiáng)連接螺栓連接組成；反力傳遞板一側(cè)面緊靠模型反力裝置的內(nèi)壁， 法蘭盤通過內(nèi)六角螺栓固定在反力傳遞板的另一相對側(cè)面上，高壓加載系統(tǒng)的千斤頂通過內(nèi) 六角螺栓固定在法蘭盤上。
所述的千斤頂與加載板通過內(nèi)六角螺栓連接。
所述的智能液壓控制系統(tǒng)由智能液壓控制試驗臺和高壓油管組成，高壓油管連接智能液 壓控制試驗臺和千斤頂。
所述的六塊加載板中的前后相對應(yīng)的兩塊加載板上通過螺栓連接有可進(jìn)行洞室軸向加載 開挖的導(dǎo)洞盤。
所述的加載板上設(shè)有引線孔。
本發(fā)明與國內(nèi)外同類型的模型試驗系統(tǒng)相比具有如下顯著的技術(shù)優(yōu)勢-(1)系統(tǒng)能自動控制模型前后、左右、上下三對方向的同歩加載，但每對方向又可獨(dú)立加載，有效實(shí)現(xiàn)模型系統(tǒng)的真三維加載。
(2) 三維試驗?zāi)Ｐ统叽巛^大，最大可為1000腿X1000mmX1000mm，這是目前國內(nèi)外真三 維高壓加載最大的模型試驗尺寸。
(3) 模型系統(tǒng)加載荷載值大，泵站工作壓力為32.5MPa，模型每側(cè)能夠施加的最大荷載為 2000KN，考慮l: 100的模型相似比，該系統(tǒng)可模擬的地下洞室最大埋深為2萬米，可有效反映 深部洞室?guī)r體在高地應(yīng)力狀態(tài)下的變形破壞過程與破壞機(jī)理。
(4) 模型系統(tǒng)加載自動化程度和加載精度高，通過智能液壓控制試驗臺，自動實(shí)現(xiàn)模型 各側(cè)的同步、獨(dú)立、高地應(yīng)力加載，模型分級加載精度為1%。
(5) 系統(tǒng)能保證模型試驗的長期穩(wěn)壓。當(dāng)加壓到設(shè)定壓力值后，系統(tǒng)通過智能液壓控制 系統(tǒng)自動切斷油泵供油，并保持油壓穩(wěn)定，試驗過程中，當(dāng)油壓下降時，系統(tǒng)通過智能液壓 控制系統(tǒng)能自動開啟油泵重新供油以保證試驗壓力穩(wěn)定。
(6) 系統(tǒng)加載功能多，通過分壓控制實(shí)現(xiàn)模型的一維、二維和三維加載。
(7) 系統(tǒng)通過導(dǎo)洞盤實(shí)現(xiàn)深部洞室軸向加載狀態(tài)下的開挖與支護(hù)，克服了目前國內(nèi)外關(guān) 于地下洞室模型試驗軸向加載開洞的難題。
(8) 系統(tǒng)采用雙缸回油卸壓方式，可模擬大尺寸三維模型的加載與卸載過程。
(9) 模型系統(tǒng)剛度高、整體穩(wěn)定性好、操作簡單方便。
(10) 高地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于水電、交通、能源、礦山、國防 等工程領(lǐng)域的深部地下洞室模型試驗研究，應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益顯著。


圖l是本發(fā)明系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是千斤頂加載裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為反力傳遞板結(jié)構(gòu)示意其中l(wèi).智能液壓控制試驗臺，2.千斤頂，3.加載板，4.法蘭盤，5.反力傳遞板，6模型 反力裝置，7.試驗?zāi)Ｐ停?.高壓油管，9.洞室軸向開挖導(dǎo)洞盤，10.角鋼構(gòu)件，11.高強(qiáng)連 接螺栓，12.引線孔，13.內(nèi)六角螺栓。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1-圖3中，高壓加載系統(tǒng)設(shè)置于反力裝置系統(tǒng)內(nèi)，智能液壓控制試驗臺1通過高壓油 管8與高壓加載系統(tǒng)連接，高壓加載系統(tǒng)包括千斤頂2和加載板3，千斤頂2的一端通過內(nèi) 六角螺栓13與加載板3的一個側(cè)面連接，另一端與反力裝置系統(tǒng)連接，加載板3上設(shè)有引線 孔12，六個加載板3與千斤頂2連接相對的另一側(cè)面分別緊靠在試驗?zāi)Ｐ?的六個側(cè)面上。
反力裝置系統(tǒng)包括模型反力裝置6、法蘭盤4和反力傳遞板5，模型反力裝置6由盒式鑄 鋼構(gòu)件和角鋼構(gòu)件10通過高強(qiáng)連接螺栓11連接組成，盒式鑄鋼構(gòu)件上設(shè)有引線孔12。反力 傳遞板5 —側(cè)面緊靠模型反力裝置6的內(nèi)壁，法蘭盤4通過內(nèi)六角螺栓13固定在反力傳遞板5的另一相對側(cè)面上，高壓加載系統(tǒng)的千斤頂2通過內(nèi)六角螺栓13固定在法蘭盤4上。反力 裝置系統(tǒng)用于承擔(dān)試驗?zāi)Ｐ?加載傳來的反力。智能液壓控制系統(tǒng)主要用于模型試驗的自動加載與穩(wěn)壓控制，該系統(tǒng)主要由智能液壓控 制試驗臺1和高壓油管8組成。高壓油管8連接智能液壓控制試驗臺1和千斤頂2。智能液壓控制 試驗臺l內(nèi)設(shè)油箱、高壓油泵、電機(jī)、智能傳感器、電磁溢流閥、電磁換向閥、濾油器、單向 閥、分配閥，在控制臺面上設(shè)有智能數(shù)顯壓力表、電源開關(guān)、指示燈和控制按鈕。智能液壓 控制系統(tǒng)主要用于試驗?zāi)Ｐ?前后、左右、上下三對方向的同歩、獨(dú)立、高地應(yīng)力加載，當(dāng)系 統(tǒng)加壓到系統(tǒng)設(shè)定的壓力值后，系統(tǒng)能自動切斷油泵供油，并保持油壓長期穩(wěn)定。試驗過程 中，即使由于液壓的部分回油或少量漏油，系統(tǒng)也能迅速地補(bǔ)償油路損失來恒定所需壓力值。高壓加載系統(tǒng)主要用于給試驗?zāi)Ｐ?施加高地應(yīng)力，該系統(tǒng)主要由二十四個大噸位液壓 千斤頂2、尺寸可調(diào)的六塊加載板3組成。單個千斤頂2的設(shè)計推力為500KN,每塊加載板3 與四個千斤頂2通過內(nèi)六角螺栓13連接，每塊加載板3施加給試驗?zāi)Ｐ?的最大荷載為 2000KN。如圖1所示，帶千斤頂2的前后加載板3通過智能液壓控制試驗臺1控制試驗?zāi)Ｐ?的 前后同步加載；帶千斤頂2的左右加載板3通過智能液壓控制試驗臺1控制試驗?zāi)Ｐ?的左 右同步加載；帶千斤頂2的上下加載板3通過智能液壓控制試驗臺1控制試驗?zāi)Ｐ?的上下 同步加載。試驗?zāi)Ｐ?各側(cè)面緊靠的加載板3的厚度為3mm、加載板3的長度和高度可根據(jù)試驗?zāi)?型7的尺寸任意進(jìn)行調(diào)整，加載板3通過內(nèi)六角螺栓13連接4個千斤頂2，千斤頂2的設(shè)計 推力500KN,加載板的最大加載荷載為2000KN，考慮1: 100的模型相似比，該系統(tǒng)可模擬最 大埋深為2萬米的深部洞室開挖的非線性變形破壞過程。洞室軸向開挖導(dǎo)洞盤9通過可拆卸螺栓連接在前后兩塊相對應(yīng)的加載板3上，試驗?zāi)Ｐ?7三維加載后，拆下導(dǎo)洞盤9可實(shí)現(xiàn)模型洞室軸向加載開挖與支護(hù)。如圖2、圖3所示，千斤頂2的后端通過內(nèi)六角螺栓13與加載鋼板3連接，加載板3將 荷載直接施加于試驗?zāi)Ｐ?上；千斤頂2的前端首先通過內(nèi)六角螺栓13與法蘭盤4相連，然 后再通過內(nèi)六角螺栓13將法蘭盤4與反力傳遞板5相連，最后將反力傳遞板5與模型反力裝 置6緊靠在一起。
權(quán)利要求
1. 一種高地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)，包括智能液壓控制系統(tǒng)、高壓加載系統(tǒng)和反力裝置系統(tǒng)，高壓加載系統(tǒng)設(shè)置于反力裝置系統(tǒng)內(nèi)，智能液壓控制系統(tǒng)的智能液壓控制試驗臺通過高壓油管與高壓加載系統(tǒng)連接，其特征在于高壓加載系統(tǒng)包括千斤頂和加載板，千斤頂?shù)囊欢伺c加載板連接，另一端與反力裝置系統(tǒng)連接，與千斤頂相連的六塊加載板分別緊貼在試驗?zāi)Ｐ偷那?、后、左、右、上、下六個側(cè)面上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)，其特征在于所述的反力 裝置系統(tǒng)包括模型反力裝置、法蘭盤和反力傳遞板，模型反力裝置由盒式鑄鋼構(gòu)件和角鋼構(gòu) 件通過高強(qiáng)連接螺栓連接組成反力傳遞板一側(cè)面緊靠模型反力裝置的內(nèi)壁，法蘭盤通過內(nèi) 六角螺栓固定在反力傳遞板的另一相對側(cè)面上，高壓加載系統(tǒng)的千斤頂通過內(nèi)六角螺栓固定 在法蘭盤上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)，其特征在于所述的千斤 頂與加載板通過內(nèi)六角螺栓連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)，其特征在于所述的智能 液壓控制系統(tǒng)由智能液壓控制試驗臺和高壓油管組成，高壓油管連接智能液壓控制試驗臺和 千斤頂。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)，其特征在于所述的六塊 加載板中的前后相對應(yīng)的兩塊加載板上通過螺栓連接有可進(jìn)行洞室軸向加載開挖的導(dǎo)洞盤。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)，其特征在于所述的加載 板上設(shè)有引線孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)，包括智能液壓控制系統(tǒng)、高壓加載系統(tǒng)和反力裝置系統(tǒng)，高壓加載系統(tǒng)設(shè)置于反力裝置系統(tǒng)內(nèi)，智能液壓控制系統(tǒng)的智能液壓控制試驗臺通過高壓油管與高壓加載系統(tǒng)連接，高壓加載系統(tǒng)包括千斤頂和加載板，千斤頂?shù)囊欢伺c加載板連接，另一端與反力裝置系統(tǒng)連接，與千斤頂相連的六塊加載板分別緊貼在試驗?zāi)Ｐ偷那?、后、左、右、上、下六個側(cè)面上。本發(fā)明具有同步、獨(dú)立、高地應(yīng)力加載，加載自動化程度和加載精度高，加載功能多，實(shí)現(xiàn)洞室軸向加載開洞，加載系統(tǒng)剛度高、整體穩(wěn)定性好、操作簡單方便等優(yōu)點(diǎn)。該發(fā)明可廣泛應(yīng)用于水電、交通、能源、礦山、國防等工程領(lǐng)域的深部地下洞室模型試驗研究。
文檔編號G01N33/00GK101285808SQ20081001664
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月29日
發(fā)明者文 向, 張強(qiáng)勇, 李術(shù)才, 波 林, 王保群, 陳旭光, 馬國梁 申請人:山東大學(xué)