CN100432651C

CN100432651C - 三维地质力学模型试验系统

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Publication number: CN100432651C
Application number: CNB2005100452917A
Authority: CN
Inventors: 李术才; 张强勇; 朱维申; 尤春安; 郭小红; 马国良; 陈继光; 王汉鹏; 李勇
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: CN1793828A

Abstract

本发明涉及一种三维地质力学模型试验系统，由盒式试验装置和液压加载控制系统组合而成，盒式试验装置由盒式铸钢构件、角件和底盘通过高强螺栓连接组成；液压加载控制系统由带薄千斤顶的变荷加载板、液压加载控制台和分油器组成；变荷加载板通过薄千斤顶连接在盒式试验装置的左右内侧壁上，液压加载控制台通过分油器和油管与薄千斤顶连接。本发明具有规模大、功能多、组装灵活、尺寸可调、自动非均匀加载和保压稳定等优点。

Description

三维地质力学模型试验系统

技术领域

本发明涉及一种在水利、交通、能源和矿山工程领域使用的地质力学模型试验系统，具体地说是一种三维地质力学模型试验系统。

背景技术

从本世纪初，西欧一些国家就开始进行结构模型试验，并逐渐建立了相似理论。60年代，以E.Fumagalli为首的专家在意大利结构模型试验所开创了工程地质力学模型试验技术，试验研究范围从弹性到塑性直至最终破坏阶段。随后，葡萄牙、前苏联、法国、德国、英国和日本等国也开展了这方面的研究。在国内，从70年代开始，武汉水利电力大学、清华大学、总参工程兵科研三所、西南交通大学、中国矿业大学等单位，先后对国内许多大型水电、交通和矿山工程问题进行了地质力学模型试验研究，并取得了一大批研究成果。要进行地质力学模型试验，就必须有相应的模型试验系统，目前有关地质力学模型试验系统的研究现状如下：

(1)1992年第5期《武汉水力电力大学学报》介绍了一种平面应力试验装置及加载系统，其试验装置是净空为150cm×140cm封闭平面刚性加力架，加载系统由压力盒，气压泵、管路、压力表组成，试验时由气泵控制压力逐级加载或卸载。其存在的主要问题是：模型架尺寸固定，无法进行非均匀加载。

(2)2002第2期《实验技术与管理》介绍了一种离散化三维多主应力面加载试验系统，试验装置主要由垂直立柱、封闭式钢结构环梁、支撑钢架组成，加载系统主要由高压气囊、反推力板、限位千斤顶和空气压缩机组成。其试验架尺寸较大，并实现了按主应力方向进行加载，但试验架侧向挠度变形大，加载系统无法进行非均匀加载。

(3)2004年第22期《岩石力学与工程学报》介绍了一种平面应变三向加载地质力学模型试验装置系统。该装置由主体加载支承结构、油压加载系统、基础和量测系统组成，主体加载支承结构是由上、下盖板、三角形分配块和3套互相垂直正交的拉杆系统组成。该试验装置规模较小，且加荷是均匀分布的。

(4)2004年第4期《地下空间》介绍了一种框梁式模型试验台架系统，该系统可进行准平面应变试验，但台架侧向挠度变形较大，易造成试验边界条件的改变。同时，试验加载以均匀分布的千斤顶加载为主，在模拟地应力场非均匀加载方面存在一定的缺陷。

上述模型试验系统存在如下一些缺点：

1)试验装置尺寸固定，不能根据模型试验范围进行调整。

2)试验装置多用型钢焊接而成，结构多为板梁式或框梁式，在侧向压力作用下，试验装置侧向挠度变较大，易造成试验边界条件的改变。

3)试验加载多以均匀分布的千斤顶加载为主，在模拟地应力场非均匀加载方面存在缺陷。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种尺寸可调、组装灵活方便、能够实施同

步非均匀加载的三维地质力学模型试验系统。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：一种三维地质力学模型试验系统，由盒式试验装置、带薄千斤顶的变荷加载板、液压加载控制台和分油器组成，变荷加载板通过薄千斤顶连接在盒式试验装置的左右内侧壁上，液压加载控制台通过分油器和油管与薄千斤顶连接。

所述的盒式试验装置主要由盒式铸钢构件、角件和底盘通过高强螺栓连接而成。根据不同的需要，可以通过盒式铸钢构件与角件组成不同形状的盒式装置。盒式铸钢构件是中空的、正面开口的方形盒体，侧面上设有高强螺栓连接孔，背面正中设有引线和材料透气用的引线透气孔。盒式构件采用25Mn材料在铸造钢厂一次制模整体铸造而成。根据盒式构件尺寸的不同分别有一元盒体构件、二元盒体构件、三元盒体构件、四元盒体构件和六元盒体构件。角件为中空的相邻两侧面设有开口的盒体，其余面上设有高强螺栓连接孔。底盘由带有螺栓槽的型钢钢板并列拼接而成。通过高强连接螺栓可将盒式台架体与底盘在所要求的螺栓槽位固定，形成盒式试验装置。

所述的变荷加载板由两端等间距并列固定在角钢上的多根槽钢组合而成，薄千斤顶自上而下由疏至密非均匀地固定在槽钢上。

在液压加载控制台内设有油箱、柱塞泵、电机、压力传感器和阀门，在控制台面上设有智能数显压力表和控制开关，电机连接柱塞泵，液压油由油箱经滤油器、柱塞泵、节流阀、分油器和调节阀进入薄千斤顶，在柱塞泵和节流阀之间分别设有油路以使液压油经卸荷阀流回油箱和经溢流阀流回油箱。在节流阀和分油器之间设有连接智能数显压力表的油路。

所述的柱塞泵是一台能单独工作的液压动力源，其泵体为两级轴阀柱塞式阀配流定量油泵，泵站在油箱盖上设有由单向阀、安全阀、卸载阀和减功阀组成的综合阀。

本发明采用盒式试验装置，其作用，一是容纳整个模型并提供边界条件，二是作为加载的反力装置；本发明采用液压加载控制系统，其作用主要是给模型自动施加试验荷载，达到实际情况下的载荷需求。

本发明与国内外同类型的模型试验系统相比具有如下显著的技术优势：

(1)系统装置规模大，可进行大比例尺的地质力学模型试验。

(2)系统装置尺寸可任意调整，能满足不同规模模型试验的要求，克服了国内外大部分试验装置尺寸固定，不能按照试验范围进行灵活调整的缺陷。

(3)系统装置刚度高、整体稳定性好，克服了大多数试验装置因刚度不够而造成挠度过大的缺陷。

(4)系统具有多种功能，既能进行三维试验，又能进行平面试验。

(5)系统操作简单，组装灵活方便。

(6)系统能按照实际地应力场分布进行非均匀加载，且具有压力高、升压快速、持荷稳定的优点，克服了大多数模型试验系统采用均匀加载来模拟地应力场分布的缺陷。

(7)系统能自动控制模型加载与稳压。当加压到设定压力值后，系统自动切断油泵供油，并保持油压稳定，试验过程中，当油压下降时，系统自动开启油泵重新供油以保证试验压力稳定。

(8)系统可广泛应用于水利、交通、能源、矿山等工程领域的岩土地质力学模型试验研究，应用前景广阔，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的盒式试验装置结构示意图；

图3为本发明的变荷加载板结构示意图；

图4为本发明的一元盒式铸钢构件结构示意图；

图5为本发明的二元盒式铸钢构件结构示意图；

图6为本发明的三元盒式铸钢构件结构示意图；

图7为本发明的四元盒式铸钢构件结构示意图；

图8为本发明的六元盒式铸钢构件结构示意图；

图9为本发明的盒式铸钢构件侧剖面示意图；

图10为本发明的角件结构示意图；

图11为本发明的底盘结构示意图；

图12为本发明的液压加载控制系统原理图；

图13为本发明的液压加载控制系统电路图。

图中1.盒式试验装置，2.液压加载控制台，3.变荷加载板，4.薄千斤顶，5分油器，6.油管，7.底盘，8.螺栓槽，9.高强螺栓连接孔，10.引线透气孔，11.盒式铸钢构件，12角件，13.槽钢，14.角钢，15.油箱，16.柱塞泵，17.电机，18.数显压力表，19.调节阀，20.热继电器，21.节流阀，22.卸荷阀，23.溢流阀，24滤油器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例：结构如图1和图2所示，本发明由盒式试验装置1和液压加载控制系统组合而成。盒式试验装置1由盒式铸钢构件11、角件12和底盘7通过高强螺栓连接组成；液压加载控制系统由带薄千斤顶4的变荷加载板3、液压加载控制台2、分油器5和油管6组成，其中变荷加载板3通过薄千斤顶4连接在盒式试验装置1的左右内侧壁上，而液压加载控制台2通过分油器5和油管6与薄千斤顶4连接。

如图2所示，盒式台架体由壁厚25mm的盒式铸钢构件11和角件12通过高强螺栓连接而成。根据不同的需要，可以通过盒式铸钢构件11与角件12组成不同形状的盒式试验装置。如图4、5、6、7、8、9所示，盒式铸钢构件11为中空且正面开口的盒体构件，侧面上设有φ30的高强螺栓连接孔9，与正面相对的面正中设有φ30的引线透气孔10。盒式铸钢构件由单元盒体构件和多元盒体构件组成，单元盒体构件长250mm、宽250mm、高250mm，多元盒体构件根据尺寸不同分别有长500mm、宽250mm、高250mm的二元盒体构件、长750mm、宽250mm、高250mm的三元盒体构件、长1000mm、宽250mm、高250mm的四元盒体构件和长1500mm、宽250mm、高250mm的六元盒体构件。盒式铸钢构件11和角件12采用25Mn材料一次制模整体铸造而成。

如图3所示，变荷加载板3由两端等间距并列固定在角钢14上的多根槽钢13组合而成，薄千斤顶4自上而下由疏至密非均匀地固定在槽钢13上。

如图10所示，角件是中空的相邻两面设有开口的盒体，其余面上设有高强螺栓连接孔

如图11所示，底盘7由8块厚80mm、长2.5m、宽50cm其上带有螺栓槽8的型钢钢板并列拼接而成，拼接后整个底盘长4m、宽2.5m、厚80mm。

如图12、13所示，在液压加载控制台内设有油箱15、柱塞泵16、电机17、压力传感器和阀门，在控制台面上设有智能数显压力表18和控制开关，热继电器20连接电机17，电机17连接柱塞泵16，液压油由油箱15经滤油器24、柱塞泵16、节流阀21、分油器5和调节阀19进入薄千斤顶4，在柱塞泵16和节流阀21之间分别设有油路以使液压油经卸荷阀22流回油箱和经溢流阀23流回油箱，在节流阀21和分油器5之间设有连接智能数显压力表18的油路。柱塞泵16是一台能单独工作的液压动力源，其泵体为两级轴阀柱塞式阀配流定量油泵，泵站在油箱盖上设有由单向阀、安全阀、卸载阀和减功阀组成的综合阀。液压加载控制系统由控制电路控制整个流程。

液压加载控制系统的主要技术参数如下：

泵站额定压力：50MPa 系统额定压力：31.5MPa

系统额定总荷载：400(吨) 千斤顶缸径：45(mm)

千斤顶行程：30(mm) 油缸存油量：＞60L

电机功率：1.5KW 电机转速：1440r/min

液压加载控制系统的技术特点：

(1)通过液压加载控制台和带薄千斤顶的变荷加载板实现对模型的同步非均匀加载，并具有压力高、升压快速、持荷稳定的优点。

(2)系统泵站是一台能单独工作的液压动力源，具有结构简单、体积小、压力高等特点。其泵体为两级轴阀柱塞式阀配流定量油泵，低压时能获得大的流量，高压时可获得大的压力吨位，此时低压油经减功阀自动回油，可减少功率损失和油液发热。该泵站在油箱盖上设置综合阀，它由单向阀、安全阀、卸载阀和减功阀组成，高压安全阀调整压力为50MPa，低压安全阀调整压力为7MPa，减功阀调整压力为7～11MPa。

(3)实现自动加载与稳压。当加压到设定压力值后，系统自动切断油泵供油，并保持油压稳定。试验过程中，当油压下降时，系统自动开启油泵重新供油以保证试验压力稳定。

Claims

1.一种三维地质力学模型试验系统，由盒式试验装置和液压加载控制系统组合而成，其特征在于：所述的盒式试验装置由盒式铸钢构件、角件和底盘通过高强螺栓连接组成；液压加载控制系统由带薄千斤顶的变荷加载板、液压加载控制台和分油器组成；变荷加载板通过薄千斤顶连接在盒式试验装置的左右内侧壁上，液压加载控制台通过分油器和油管与薄千斤顶连接。

2.根据权利要求1所述的三维地质力学模型试验系统，其特征在于：所述的盒式铸钢构件由单元盒体构件和多元盒体构件组成。

3.根据权利要求1所述的三维地质力学模型试验系统，其特征在于：所述的变荷加载板由两端等间距并列固定在角钢上的多根槽钢组合而成，薄千斤顶自上而下由疏至密非均匀地固定在槽钢上。

4.根据权利要求1所述的三维地质力学模型试验系统，其特征在于：在液压加载控制台内设有油箱、柱塞泵、电机、压力传感器和阀门，在控制台面上设有智能数显压力表和控制开关，电机连接柱塞泵，液压油由油箱经滤油器、柱塞泵、节流阀、分油器和调节阀进入薄千斤顶，在柱塞泵和节流阀之间分别设有油路以使液压油经卸荷阀流回油箱和经溢流阀流回油箱，在节流阀和分油器之间设有连接智能数显压力表的油路。

5.根据权利要求4所述的三维地质力学模型试验系统，其特征在于：所述的柱塞泵是一台能单独工作的液压动力源，其泵体为两级轴阀柱塞式阀配流定量油泵，泵站在油箱盖上设有由单向阀、安全阀、卸载阀和减功阀组成的综合阀。