本發(fā)明涉及試驗設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種高地應(yīng)力開挖模擬系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

高地應(yīng)力測試是一種工程領(lǐng)域非常重要的試驗，在隧道開挖工程中尤其重要，而試驗結(jié)果的可靠性直接關(guān)系到工程質(zhì)量和安全性?，F(xiàn)有的高地應(yīng)力測試可以通過室內(nèi)驗證設(shè)備來進行模擬試驗，這樣就可以在室內(nèi)對高地應(yīng)力進行試驗?，F(xiàn)有的高地應(yīng)力試驗設(shè)備多種多樣，但是都存在著測試結(jié)果不夠準(zhǔn)確的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的高地應(yīng)力開挖模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致最終試驗結(jié)果不夠準(zhǔn)確的問題，本發(fā)明實施例要解決的技術(shù)問題是提出一種結(jié)構(gòu)合理且試驗結(jié)果更為精確地高地應(yīng)力開挖模擬系統(tǒng)及方法。

為了解決上述問題，本發(fā)明實施例提出了一種高地應(yīng)力開挖模擬系統(tǒng)，包括機架、支架、加壓裝置；其中試件被固定在支架上；并通過加壓裝置對試件進行加壓；其中加壓裝置包括副油缸、主油缸；其中副油缸的動力輸出活塞桿通過力傳感器連接沖擊桿，且沖擊桿遠端設(shè)有用于連接試件的試件加載板；主油缸的動力輸出活塞桿通過力傳感器連接用于連接試件的試件加載板；其中支架包括至少三條相互平行的支撐桿以及支撐桿端部的與支撐桿可拆卸固定的固定頭；然后啟動加壓裝置，通過副油缸、主油缸對試件加載板施加力以擠壓試件，通過試件加載板和固定頭一起對試件進行加壓。

其中，機架上設(shè)有軌道，其中固定頭底部設(shè)有輪以使固定頭能夠沿著軌道移動；其中加壓裝置底部設(shè)有輪以使加壓裝置能夠沿所述軌道移動。

其中，主油缸為空心結(jié)構(gòu)，且副油缸套接在副油缸的空心結(jié)構(gòu)內(nèi)；主油缸和副油缸的動力輸出活塞同軸，主油缸的動力輸出活塞環(huán)繞在副油缸的動力輸出活塞外。

其中，還包括支護裝置；其中支護裝置整體通過線性導(dǎo)軌與機架相互連接，線性導(dǎo)軌承受開挖時的推進反力；支護裝置包括開挖機構(gòu)、錨桿支護機構(gòu)、噴漿機構(gòu)、工作臺、砂漿泵；其中開挖機構(gòu)安裝在工作臺上，包括微型盾構(gòu)、用于驅(qū)動所述微型盾構(gòu)前進的推進機構(gòu)、推進電機和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機，該微型盾構(gòu)固定在推進機構(gòu)上，推進電機的動力輸出軸連接推進機構(gòu)以帶動所述推進機構(gòu)和微型盾構(gòu)前進/后退，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機連接所述微型盾構(gòu)以驅(qū)動所述微型盾構(gòu)旋轉(zhuǎn)以模擬開挖；其中所述推進機構(gòu)底部設(shè)有轉(zhuǎn)角油缸以控制所述微型盾構(gòu)的進給角度；還包括噴漿機構(gòu)和錨桿支護機構(gòu)，所述噴漿機構(gòu)和錨桿支護機構(gòu)設(shè)置于所述微型盾構(gòu)兩側(cè)。

其中，噴漿機構(gòu)、錨桿支護機構(gòu)、微型盾構(gòu)都連接轉(zhuǎn)角油缸以保證三個機構(gòu)切換時的位置和角度均相等以控制微型盾構(gòu)的前進角度。

其中，其中錨桿支護機構(gòu)還包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機、摩擦輪推進機構(gòu)；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機驅(qū)動摩擦輪推進機構(gòu)轉(zhuǎn)動以帶動錨桿支護機構(gòu)前進/后退。

其中，還包括傳動軸、錐齒輪、轉(zhuǎn)軸、軸承、錨桿支護機構(gòu)；其中傳動軸通過錐齒輪連接轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸能夠相對于軸承轉(zhuǎn)動以驅(qū)動錨桿支護機構(gòu)前進。

同時，本發(fā)明實施例還提出了一種利用如前任一項所述的高地應(yīng)力開挖模擬系統(tǒng)進行高地應(yīng)力試驗的方法，包括：

將試件放入支撐桿之間，并通過固定頭固定；控制副油缸、主油缸工作以對試件施壓進行測試。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：上述技術(shù)方案提出了一種高地應(yīng)力開挖模擬系統(tǒng)，能夠首先對試件進行壓力測試以找到合適的試件，然后再通過開挖系統(tǒng)進行開挖測試和噴漿測試，從而在室內(nèi)實現(xiàn)高地應(yīng)力測試。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的高地應(yīng)力開挖模擬系統(tǒng)的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的高地應(yīng)力開挖模擬系統(tǒng)的加壓裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例的高地應(yīng)力開挖模擬系統(tǒng)的支護裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為圖4的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例的高地應(yīng)力開挖模擬系統(tǒng)的支護裝置在傾斜角度下挖掘的示意圖；

圖7為圖6中挖掘部分的縱向剖視圖；

圖8為錨桿支護機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為錨桿支護機構(gòu)的動力部分的局部剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實施例進行詳細描述。

高地應(yīng)力測試系統(tǒng)室內(nèi)驗證設(shè)備，主要包括加載系統(tǒng)、開挖系統(tǒng)和支護系統(tǒng)，其中受壓試件邊長為0.5m的正方體，加載方式為真三軸加載且每個方向獨立控制，每個方向最大靜力加載能力為800噸。設(shè)備除具有靜力加載要求外，每個方向還要求進行獨立動力加載以模擬爆破沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波，最大動力加載能力100噸，最大頻率15hz；對于加載完成的試件可以進行開挖操作模擬實際隧道開挖，因此需要在設(shè)備外框架中預(yù)留開挖孔，利用開挖系統(tǒng)開挖直徑為0.1m的小隧道(也可利用鉆機鉆直徑為0.15m的鉆孔)，每開挖一小段利用支護系統(tǒng)跟進進行打錨釘和噴砂漿的支護操作。

如圖1、圖2、圖3所示的，本發(fā)明實施例的高地應(yīng)力開挖模擬系統(tǒng)包括機架1、支架3、加壓裝置4；其中試件5被固定在支架3上；并通過加壓裝置4對試件5進行加壓。如圖3所示的，其中加壓裝置4包括副油缸41、主油缸46；其中副油缸41的動力輸出活塞桿42通過力傳感器43連接沖擊桿44，且沖擊桿44遠端設(shè)有用于連接試件的試件加載板45；主油缸46的動力輸出活塞桿47通過力傳感器48連接用于連接試件的試件加載板45。如圖1、圖2所示的，其中支架3包括至少三條相互平行的支撐桿31以及支撐桿31端部的與支撐桿31可拆卸固定的固定頭32。在工作時將固定頭32拆除，然后將試件放入支架3的多條支撐桿31的中心，并然后將固定頭32固定在支撐桿31的端部。然后啟動加壓裝置4，通過副油缸41、主油缸46對試件加載板45施加力以擠壓試件，通過試件加載板45和固定頭32一起對試件進行加壓。如圖1、圖2所示的，該支架3包括四條相互平行且均勻設(shè)置的支撐桿31。其中，加壓裝置4、支架3同軸設(shè)置。

如圖1、圖2所示的，該機架1上還設(shè)有軌道2，其中固定頭32底部設(shè)有輪以使固定頭32能夠沿著軌道2移動。其中加壓裝置4底部設(shè)有輪以使加壓裝置4能夠沿所述軌道2移動。這樣在使用時就可以將固定頭32或是將加壓裝置4沿著軌道2移動以騰出足夠大的空間，以將試件放入支架3內(nèi)。

其中，主油缸46為空心結(jié)構(gòu)，且副油缸41套接在副油缸46的空心結(jié)構(gòu)內(nèi)；主油缸46和副油缸41的動力輸出活塞同軸，主油缸46的動力輸出活塞環(huán)繞在副油缸41的動力輸出活塞外。

如圖1、圖2所示的，其中該機架1為口字形，由四根大梁采用整體鑄鋼件，加工完成后采用螺栓連接拼接而成，結(jié)構(gòu)緊湊；且四根橫梁采用分體式結(jié)構(gòu)便于安裝與運輸，主體部分尺寸為2477x2477x910mm，重量約26噸。機架在水平加載8000kn載荷時，軸向螺栓受剪變形，造成機架整體向外平移，機架向外側(cè)彎曲，水平向彎曲變形量為0.2469+0.2224＝0.4693mm，為了加快計算速度，圖中分析時簡化了螺栓連接零件的受力狀態(tài)分析，本設(shè)計中每個面采用52顆8.8級的m36高強度螺栓連接，有效保證載荷達2548噸，單個螺栓的應(yīng)力面積為815mm²，長度為350mm，則機架在承受8000kn載荷時，單個剪切變形量δx為

機架的水平綜合剛度為8000000/(0.4693+0.086)＝144066627≈14.4mn/mm。

機架在加載8000kn載荷時，軸向螺栓拉長，機架向外側(cè)彎曲，垂直向彎曲變形量為0.2262+0.2507＝0.4769mm，本設(shè)計中每個面采用52顆8.8級的m36高強度螺栓連接，單個螺栓的應(yīng)力面積為815mm2，長度為350mm，則機架在承受8000kn載荷時，單個拉長量δl為

機架的垂直向綜合剛度為8000000/(0.4769+0.32)＝10038300≈10mn/mm

而軌道采用四立柱結(jié)構(gòu)形式，可用于物理模型真三軸試驗時的水平y(tǒng)向加載，最大加載能力8000kn，重量約11噸。機架承受8000kn載荷時受力分析，最大應(yīng)力約為171mpa。

其中，副油缸41采用1000kn動態(tài)伺服油缸，而主油缸46采用8000kn伺服油缸。其中8000kn伺服油缸采用空心結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空心孔用于1000kn動態(tài)伺服油缸安裝通過。這樣8000kn伺服油缸與1000kn動態(tài)伺服油缸均可以安裝在機架上，加載時互不干擾。伺服油缸與伺服閥、傳感器和控制器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，可采用力閉環(huán)、位移閉環(huán)等控制方式。

油缸額定工作壓力25mpa，8000kn伺服油缸內(nèi)徑700mm，有效面積331584mm²；1000kn油缸內(nèi)徑220mm，有效面積37994mm²；其結(jié)構(gòu)如圖3所示的。

如圖4所示的，該系統(tǒng)還包括支護裝置；其中支護裝置整體通過線性導(dǎo)軌與機架相互連接，線性導(dǎo)軌承受開挖時的推進反力。支護裝置包括開挖機構(gòu)、錨桿支護機構(gòu)90、噴漿機構(gòu)83、工作臺84、砂漿泵；其中開挖機構(gòu)安裝在工作臺84上，包括微型盾構(gòu)81、用于驅(qū)動所述微型盾構(gòu)前進的推進機構(gòu)85、推進電機86和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機87，該微型盾構(gòu)固定在推進機構(gòu)85上，推進電機86的動力輸出軸連接推進機構(gòu)85以帶動所述推進機構(gòu)85和微型盾構(gòu)81前進/后退，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機87連接所述微型盾構(gòu)81以驅(qū)動所述微型盾構(gòu)81旋轉(zhuǎn)以模擬開挖。其中所述推進機構(gòu)85底部設(shè)有轉(zhuǎn)角油缸91以控制所述微型盾構(gòu)81的進給角度。還包括噴漿機構(gòu)83和錨桿支護機構(gòu)90，如圖5所示的，所述噴漿機構(gòu)83和錨桿支護機構(gòu)90設(shè)置于所述微型盾構(gòu)兩側(cè)。如圖4、圖6、圖7所示的，其中噴漿機構(gòu)83、錨桿支護機構(gòu)90、微型盾構(gòu)81都連接轉(zhuǎn)角油缸91以保證三個機構(gòu)切換時的位置和角度均相等。這樣可以控制微型盾構(gòu)的前進角度。

其中微型盾構(gòu)裝置采用大型盾構(gòu)機原理，前端布置魚尾刀、超前刀和平面刮刀，最大限度模擬實際工況；推進裝置采用絲桿螺母機構(gòu)安裝在推進桿一端，采用伺服電機驅(qū)動進給速度和力度。其中噴漿機構(gòu)還連接噴漿泵。

如圖8所示的，其中錨桿支護機構(gòu)采用齒輪傳動方式，每次可將1根錨桿壓入到試件內(nèi)部；通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機帶動推進桿旋轉(zhuǎn)一定角度。摩擦輪推進機構(gòu)99確定錨桿支護機構(gòu)90的位置，驅(qū)動電機均采用步進電機，可精確控制所需錨桿的位置、數(shù)量，根據(jù)需要對試件內(nèi)壁進行錨桿支護模擬操作。最大推進距離1500mm。具體的，如圖9所示，包括傳動軸91、錐齒輪92、轉(zhuǎn)軸93、軸承94、錨桿支護機構(gòu)90；其中傳動軸91通過錐齒輪92連接轉(zhuǎn)軸93，轉(zhuǎn)軸93能夠相對于軸承94轉(zhuǎn)動以驅(qū)動錨桿支護機構(gòu)90前進。

噴層噴射裝置的推進機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與錨桿支護裝置相同，尾部通過軟管與砂漿泵相互連接，推進行程也是1500mm。

3只8000kn伺服油缸同時加載時，當(dāng)活塞以速度v＝20mm/min的速度加載時，油缸每分鐘所需流量為

q1＝3*s*v

＝3*331584*20

＝19835040mm3/min

＝19.9l/min

所需功率為

p＝q1*p/60

＝19.9*25/60

＝8.3kw

3只1000kn伺服油缸同時加載時，當(dāng)活塞以頻率f＝15hz，振幅m＝±0.5mm的工況運行時，活塞的平均速度為v＝15mm/s，油缸每分鐘所需流量為

q1＝3*s*v*60

＝3*37994*15*60

＝102583800mm3/min

＝102.6l/min

所需功率為

p＝q1*p/60

＝102.6*25/60

＝42.7kw

靜態(tài)油缸與動態(tài)油缸采各自的油泵單獨提供動力，工作時互不干擾，考慮到工作效率，8000kn油源電機功率選配11kw，8000kn油源電機功率選配55kw。

測量控制系統(tǒng)

測量控制系統(tǒng)由全數(shù)字多通道閉環(huán)控制器、液壓傳感器、負荷傳感器、位移傳感器等組成：

1、控制器

a.全數(shù)字多通道閉環(huán)控制器

全數(shù)字應(yīng)力、應(yīng)變、位移閉環(huán)控制，采用先進的自適應(yīng)的模糊的pid控制算法，可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的控制量在線精密的閉環(huán)控制，實現(xiàn)等速加卸荷、恒力、恒位移等功能。同時，提供用戶系統(tǒng)參數(shù)的控制接口，用戶可以對系統(tǒng)控制參數(shù)進行設(shè)置以適應(yīng)不同的控制環(huán)境，有著具有很好的靈活性。

b.多通道控制輸出接口

控制系統(tǒng)有獨立的電液伺服閥控制通道，在試驗過程中各種控制速率及控制功能均可互相切換，每個作動器能根據(jù)試驗要求同時或分別閉環(huán)控制伺服閥工作，保證了整個加載系統(tǒng)的同步或異步控制，大大提高試驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

c.高精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有多路路高精度24位a/d轉(zhuǎn)換壓力、位移、變形采集通道，可以達到示值精確度：±0.1％以內(nèi)。數(shù)據(jù)的采樣速度達到了10khz，可以快速地采集當(dāng)前的傳感器信號，以便閉環(huán)控制模塊更好的進行實時閉環(huán)控制。

d.維修和升級方便

全數(shù)字多通道閉環(huán)測控儀能夠根據(jù)用戶提出的要求進行儀表升級。當(dāng)儀表出現(xiàn)故障時，能夠及時方便地進行維修處理。

2、傳感器

傳感器對試驗機精度影響較大，通過多年實踐，位移采用磁致式位移傳感器或拉線編碼器(見下圖)，其特點是：高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性，抗干擾能力極強，功耗低，是目前位移最佳測試傳感器。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。