高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗裝置，包括加載自反力框架裝置，所述加載自反力框架裝置中設(shè)置有隧道模型裝置，隧道模型裝置中設(shè)置柔性橡膠囊和傳感器，隧道模型上部設(shè)有加載裝置，柔性橡膠囊和加載裝置均與加載控制系統(tǒng)相連，傳感器與設(shè)置于隧道模型外的動態(tài)信號分析儀相連。本實用新型的裝置模型尺寸較小，能在短時間內(nèi)制作完成，對于需要大量試驗來完成的深部洞室瞬間卸載開挖試驗是有利的。利用該裝置通過柔性橡膠囊內(nèi)液壓油的瞬間卸油，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
【專利說明】高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種礦山、能源、水電、交通、國防等深部巖土工程技術(shù)，尤其是一種高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]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)域研究的熱點問題。盡管深部與淺埋洞室圍巖工程響應(yīng)相比明顯不同，但是在深部高地應(yīng)力巷道瞬間卸載開挖過程中會不會出現(xiàn)分區(qū)破裂、大變形、沖擊破壞等一系列新的破壞特征尚不清楚，因此為了研究深部高地應(yīng)力巷道瞬間卸載開挖過程中，圍巖的變形破壞響應(yīng)特征研制和提出了本試驗裝置及方法。
[0003]目前有關(guān)深部高地應(yīng)力模型試驗系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀如下:
[0004](I)《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)無法模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0005](2)山東大學(xué)專利200820023048.4公布了一種高壓加載結(jié)構(gòu)模型試驗系統(tǒng)，該裝置采用六面高壓加載，可模擬巖體試件的真三軸加載，且加載自動化程度和加載精度高，加載功能多，實現(xiàn)洞室軸向加載開洞，加載系統(tǒng)剛度高、操作簡單方便等優(yōu)點，但該系統(tǒng)無法模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0006](3)山東大學(xué)專利200810138978.9介紹了一種高地應(yīng)力準(zhǔn)三維可視化模型試驗臺架裝置，包括反力墻裝置，側(cè)向外圍設(shè)有門式反力框架，在門式反力框架和模型體之間設(shè)有液壓加載裝置，反力墻裝置上硐室所在位置周圍設(shè)有若干觀察窗。該裝置無法模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0007](4)山東大學(xué)專利200810138981.0介紹了一種帶滑動墻的自平衡式真三維加載模型試驗臺架，但該裝置模型制作繁瑣，操作復(fù)雜，模型體表面距裝置外部較遠(yuǎn)，不方便開挖觀測，且無法模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0008](5)山東大學(xué)專利200810016641.0介紹了一種高地應(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)六個面內(nèi)，為模型體六個側(cè)面加載。該系統(tǒng)無法模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0009](6)山東大學(xué)專利201110039078.0介紹了一種大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置，包括若干榀拼裝式反力臺架裝置，所述每榀反力臺架裝置均包括頂梁、側(cè)梁、底梁，頂梁與側(cè)梁之間以及側(cè)梁與底梁之間均通過法蘭及高強螺栓相連接，每榀反力臺架裝置均可互連或與前后反力梁連接，在頂梁和側(cè)梁上設(shè)有液壓加載系統(tǒng)，本實用新型組裝靈活、操作簡單、加載與觀測方便、帶有模型升降平移托車系統(tǒng)，但該裝置無法模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0010](7)山東大學(xué)專利201110038852.6介紹了一種大型組合式動靜多功能巖土工程模擬試驗裝置，該裝置由若干榀反力臺架裝置、前可視反力梁、后加載反力梁、拱形動態(tài)反力架、液壓加載系統(tǒng)、伺服動態(tài)加載系統(tǒng)、模型升降平移托車系統(tǒng)等組成。本實用新型結(jié)構(gòu)緊湊合理，整體上窄下寬，組裝靈活、操作簡單、加載與觀測方便，可應(yīng)用于基坑、邊坡及高地應(yīng)力條件下巖土工程的平面和三維地質(zhì)力學(xué)靜態(tài)和動態(tài)模型試驗。但該裝置無法模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0011]綜合分析上述單位的模型試驗臺架裝置系統(tǒng)，還存在以下不足之處:
[0012]1.模型尺寸較大，模型制作周期較長，無法在短期內(nèi)完成模型堆砌，相對于高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗是不利的；
[0013]2.上述裝置系統(tǒng)均不能模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
實用新型內(nèi)容
[0014]本實用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗裝置，其制作簡單，能夠模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0015]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用下述技術(shù)方案:
[0016]一種高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗裝置，包括加載自反力框架裝置，所述加載自反力框架裝置中設(shè)置有隧道模型裝置，隧道模型裝置中設(shè)置柔性橡膠囊和傳感器，隧道模型上部設(shè)有加載裝置，柔性橡膠囊和加載裝置均與加載控制系統(tǒng)相連，傳感器與設(shè)置于隧道模型外的動態(tài)信號分析儀相連。
[0017]所述加載自反力框架裝置包括底梁和頂梁，所述底梁和頂梁之間通過若干立柱連接，并通過鎖定螺母緊固組成一框架結(jié)構(gòu)，為液壓油缸加載提供反力。
[0018]所述隧道模型裝置包括放置于底梁上的厚壁圓筒，厚壁圓筒中設(shè)置隧道模型，隧道模型上部設(shè)有壓板，隧洞模型中間預(yù)留隧洞孔洞，隧洞孔洞內(nèi)放置柔性橡膠囊，柔性橡膠囊頂部設(shè)有加卸載三通，分別連接橡膠囊進油管和橡膠囊卸油管，橡膠囊進油管與加載控制系統(tǒng)相連，橡膠囊卸油管經(jīng)二位二通閥與油箱相通。通過壓板上放置的兩個對稱的油缸對隧洞模型上表面均勻加壓。二位二通閥斷電處于常閉狀態(tài)，當(dāng)通電時瞬間打開時，柔性橡膠囊內(nèi)的液壓油通過二位二通閥流出到油箱中，實現(xiàn)模擬開挖前隧洞預(yù)支撐和開挖瞬間卸載。
[0019]所述柔性橡膠囊包括上部密封環(huán)、壓縮彈簧、橡膠囊和下部密封環(huán)，壓縮彈簧和橡膠囊均位于上部密封環(huán)和下部密封環(huán)之間，上部密封環(huán)和下部密封環(huán)用以密封橡膠囊，壓縮彈簧對橡膠囊起到支撐作用，在其受力時保證橡膠囊均勻變形，不至出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。
[0020]所述加載裝置包括兩個對稱設(shè)置于壓板上部的油缸，油缸缸體固定于頂梁上，油缸活塞桿前端連接于壓板上，油缸的進油口和出油口分別對應(yīng)連接油缸進油管和油缸卸油管，油缸進油管和油缸卸油管分別連通至加載控制系統(tǒng)。通過液壓站及控制系統(tǒng)控制油缸的進油和卸油，實現(xiàn)對隧洞模型的加載和卸載。
[0021]所述加載控制系統(tǒng)包括液壓站和與其相連的控制系統(tǒng)。
[0022]所述傳感器為應(yīng)力或應(yīng)變傳感器。傳感器在制作隧洞模型時預(yù)埋在隧洞模型內(nèi)部，通過導(dǎo)線與動態(tài)信號分析儀相連，在隧洞瞬間卸載時檢測模型應(yīng)力應(yīng)變曲線變化。
[0023]利用高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗裝置的試驗方法，
[0024]I)隧洞模型加載時，啟動液壓站及控制系統(tǒng)，分別設(shè)定并控制隧洞模型軸向和柔性橡膠囊的加載壓力，液壓油分別通過油缸進油管和橡膠囊進油管輸送至油缸和柔性橡膠囊上中；
[0025]2) 二位二通閥斷電時處于常閉狀態(tài)，當(dāng)通電時瞬間打開，柔性橡膠囊內(nèi)的液壓油在加壓后內(nèi)部壓力的作用下通過二位二通閥流出到油箱中，實現(xiàn)對隧洞的瞬間開挖模擬；
[0026]3)隧洞模型靠近隧洞開挖表面的材料內(nèi)埋設(shè)的應(yīng)力或應(yīng)變傳感器采集信號，并通過導(dǎo)線傳輸至動態(tài)信號分析儀，動態(tài)信號分析儀分析深部軸向高地應(yīng)力條件下隧洞的瞬間開挖卸載動態(tài)響應(yīng)特性與規(guī)律，并顯示隧洞瞬間卸載時隧道模型應(yīng)力應(yīng)變曲線變化。
[0027]本實用新型的有益效果是:
[0028]1.本裝置模型尺寸較小，可以在短時間內(nèi)制作完成，對于需要大量試驗來完成的深部洞室瞬間卸載開挖試驗是有利的。
[0029]2.通過柔性橡膠囊內(nèi)液壓油的瞬間卸油，能夠模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0030]圖1是本實用新型的試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2是本實用新型柔性橡膠囊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖中，1.鎖定螺母，2.頂梁，3.油缸，4.壓板，5.柔性橡膠囊，6.隧洞模型，7.傳感器，8.厚壁圓筒，9.立柱，10.動態(tài)信號分析儀，11.底梁，12.加卸載三通，13.油缸進油管，14.油缸卸油管，15.橡膠囊進油管，16.橡膠囊卸油管，17.液壓站及控制系統(tǒng)，18.二位二通閥，19.油箱，20.上部密封環(huán)，21.壓縮彈簧，22.橡膠囊，23.下部密封環(huán)。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0034](I)鎖定螺母1、頂梁2、立柱9和底梁11組合成加載自反力框架裝置，為液壓油缸加載提供反力。
[0035](2)柔性橡膠囊5由上部密封環(huán)20、壓縮彈簧21、橡膠囊22和下部密封環(huán)23構(gòu)成，其中上部密封環(huán)20、下部密封環(huán)23用以密封橡膠囊22，壓縮彈簧21對橡膠囊22起到支撐作用，在其受力時保證橡膠囊22均勻變形，不至出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。
[0036](3)在底梁11上放置帶底的厚壁圓筒8，在厚壁圓筒內(nèi)制作隧洞模型6，隧洞模型中間預(yù)留隧洞孔洞，其內(nèi)放置柔性橡膠囊5，柔性橡膠囊5設(shè)有加卸載三通12，分別連接橡膠囊進油管15和橡膠囊卸油管16，用來模擬開挖前隧洞預(yù)支撐和開挖瞬間卸載。隧洞模型上部放置壓板4，壓板4上放置兩個對稱的油缸3，油缸3的進油口和出油口分別連接油缸進油管13和油缸卸油管14，實現(xiàn)對隧洞模型6的加載和卸載。
[0037](4)隧洞模型6加載時，啟動液壓站及控制系統(tǒng)17，分別設(shè)定并控制隧洞模型6軸向和柔性橡膠囊5的加載壓力，然后分別通過油缸進油管13和橡膠囊進油管15連接油缸3和柔性橡膠囊5上的加卸載三通12的其中一個通道，加卸載三通12的另一個通道連接橡膠囊卸油管16，橡膠囊卸油管16與二位二通閥18連接。二位二通閥18斷電處于常閉狀態(tài)，當(dāng)通電時瞬間打開時，柔性橡膠囊5內(nèi)的液壓油通過二位二通閥18流出到油箱19中，實現(xiàn)對隧洞的瞬間開挖模擬。
[0038](5)隧洞模型6靠近隧洞開挖表面的材料內(nèi)埋設(shè)應(yīng)力或應(yīng)變傳感器7，傳感器7通過導(dǎo)線與動態(tài)信號分析儀10連接，采集并分析深部軸向高地應(yīng)力條件下隧洞的瞬間開挖卸載動態(tài)響應(yīng)特性與規(guī)律。
[0039]上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗裝置，其特征是，包括加載自反力框架裝置，所述加載自反力框架裝置中設(shè)置有隧道模型裝置，隧道模型裝置中設(shè)置柔性橡膠囊和傳感器，隧道模型上部設(shè)有加載裝置，柔性橡膠囊和加載裝置均與加載控制系統(tǒng)相連，傳感器與設(shè)置于隧道模型外的動態(tài)信號分析儀相連。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述加載自反力框架裝置包括底梁和頂梁，所述底梁和頂梁之間通過若干立柱連接，并通過鎖定螺母緊固組成一框架結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是，所述隧道模型裝置包括放置于底梁上的圓筒，圓筒中設(shè)置隧道模型，隧道模型上部設(shè)有壓板，隧洞模型中間預(yù)留隧洞孔洞，隧洞孔洞內(nèi)放置柔性橡膠囊，柔性橡膠囊頂部設(shè)有加卸載三通，分別連接橡膠囊進油管和橡膠囊卸油管，橡膠囊進油管與加載控制系統(tǒng)相連，橡膠囊卸油管經(jīng)二位二通閥與油箱相通。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述柔性橡膠囊包括上部密封環(huán)、壓縮彈簧、橡膠囊和下部密封環(huán)，壓縮彈簧和橡膠囊均位于上部密封環(huán)和下部密封環(huán)之間。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是，所述加載裝置包括兩個對稱設(shè)置于壓板上部的油缸，油缸缸體固定于頂梁上，油缸活塞桿前端連接于壓板上，油缸的進油口和出油口分別對應(yīng)連接油缸進油管和油缸卸油管，油缸進油管和油缸卸油管分別連通至加載控制系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述加載控制系統(tǒng)包括液壓站和與其相連的控制系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述傳感器為應(yīng)力或應(yīng)變傳感器。
【文檔編號】G01N3/12GK203414356SQ201320467006
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月1日
【發(fā)明者】李術(shù)才, 王漢鵬, 李建明, 張慶賀, 李海燕, 李清川 申請人:山東大學(xué)