CN101285808A - 高地应力真三维加载模型试验系统 - Google Patents

高地应力真三维加载模型试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高地应力真三维加载模型试验系统，包括智能液压控制系统、高压加载系统和反力装置系统，高压加载系统设置于反力装置系统内，智能液压控制系统的智能液压控制试验台通过高压油管与高压加载系统连接，高压加载系统包括千斤顶和加载板，千斤顶的一端与加载板连接，另一端与反力装置系统连接，与千斤顶相连的六块加载板分别紧贴在试验模型的前、后、左、右、上、下六个侧面上。本发明具有同步、独立、高地应力加载，加载自动化程度和加载精度高，加载功能多，实现洞室轴向加载开洞，加载系统刚度高、整体稳定性好、操作简单方便等优点。该发明可广泛应用于水电、交通、能源、矿山、国防等工程领域的深部地下洞室模型试验研究。

Description

高地应力真三维加载模型试验系统
技术领域
本发明涉及一种在水电、交通、能源、矿山和国防深部地下洞室工程领域使用的一种高地应力真三维加载模型试验系统。
背景技术
19世纪是桥的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，21世纪是人类开发利用地下空间的世纪，随着我国国民经济的快速发展，许多在建和即将新建的地下工程不断走向深部。无论是矿产资源开采的地下巷道、还是交通建设的地下隧洞以及水电开发的地下洞室等都逐渐向逾千米或数千米的深部方向发展。随着埋藏深度的增加，深部洞室岩体在高地应力条件下，洞室围岩的结构、力学特性和工程响应出现了分区破裂、大变形、冲击破坏等一系列新的特征科学现象，这些特征科学现象与浅埋洞室围岩工程响应相比显著不同，因而深部岩体工程问题引起了国际上岩石力学与工程领域专家学者的极大关注，成为近几年该领域研究的热点问题。针对深部洞室工程岩体复杂的力学变形特性，一方面要借助理论研究，另一方面，更多地要借助模型试验方法进行研究。但要进行深部洞室模型试验，就必须有相应的高地应力加载模型试验系统，目前有关模型试验系统的研究现状如下：
(1)《武汉水力电力大学学报》1992年第5期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。该系统为平面加载，无法实现三维加载。
(2)《岩石力学与工程学报》2004年第3期介绍了一种岩土工程多功能模拟实验装置，该装置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。试验时模型平放在上、下盖板之间，在模型相对两边分别施加垂直和水平地应力。该系统加载试件尺寸较小且无法实现高地应力加载。
(3)《水利学报》2002第5期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，加载系统无法实现高地应力加载。
(4)《岩石力学与工程学报》2004年第21期介绍了一种平面应变巷道模型试验台，模型尺寸为1m×1m×0.2m，立式布置，该试验台无法实现高地应力真三维加载。
(5)《岩石力学与工程学报》2005年第16期介绍了一种三轴软岩非线性力学试验系统，该系统能进行三轴拉压、拉剪等多种组合试验和对不同加卸载过程进行模拟，系统最大压力450kN，最大拉力75kN，试件最大尺寸为450mm×150mm×150mm。该系统模型试件尺寸较小，同时无法模拟高地应力真三维加载过程。
(6)《地下空间》2004第4期介绍了一种公路隧道结构与围岩综合实验系统，该系统基于“先加载、后挖洞”的原理，采用液压千斤顶在模型试件外部加载以模拟上覆岩土层自重应力，用内置千斤顶及位移计模拟开挖体应力响应及位移变化。该系统无法模拟深部洞室高地应力真三维加载。
(7)《土木工程学报》2005年第12期，以及申请号为200510045291.7的中国专利介绍了一种新型岩土地质力学模型试验系统，该系统主要由盒式台架装置、带扁千斤顶的变荷加载板、液压加载控制试验台组成。该系统具有规模大、组装灵活、尺寸可调、能进行同步非均匀加载的优点，但系统只能进行平面加载且加载荷载值有限，无法模拟深部洞室高地应力真三维加载过程。
(8)《岩石力学与工程学报》2008年第1期介绍了一种伺服控制高温高压岩体三轴试验机，该试验机可进行高温高压条件下的岩石假三轴试验，试样尺寸为φ200mm×400mm。该试验机主要用于高温条件下的加载，虽然加载压力较高，但无法实现岩体试件的真三轴加载，且试样尺寸较小。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种智能化的、可模拟大尺寸岩体试件高地应力同步、独立加载的真三维加载模型试验系统。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：一种高地应力真三维加载模型试验系统，包括智能液压控制系统、高压加载系统和反力装置系统，高压加载系统设置于反力装置系统内，智能液压控制系统的智能液压控制试验台通过高压油管与高压加载系统连接，高压加载系统包括千斤顶和加载板，千斤顶的一端与加载板连接，另一端与反力装置系统连接，与千斤顶相连的六块加载板分别紧贴在试验模型的前、后、左、右、上、下六个侧面上。
所述的反力装置系统包括模型反力装置、法兰盘和反力传递板，模型反力装置由盒式铸钢构件和角钢构件通过高强连接螺栓连接组成；反力传递板一侧面紧靠模型反力装置的内壁，法兰盘通过内六角螺栓固定在反力传递板的另一相对侧面上，高压加载系统的千斤顶通过内六角螺栓固定在法兰盘上。
所述的千斤顶与加载板通过内六角螺栓连接。
所述的智能液压控制系统由智能液压控制试验台和高压油管组成，高压油管连接智能液压控制试验台和千斤顶。
所述的六块加载板中的前后相对应的两块加载板上通过螺栓连接有可进行洞室轴向加载开挖的导洞盘。
所述的加载板上设有引线孔。
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)系统能自动控制模型前后、左右、上下三对方向的同步加载，但每对方向又可独立加载，有效实现模型系统的真三维加载。
(2)三维试验模型尺寸较大，最大可为1000mm×1000mm×1000mm，这是目前国内外真三维高压加载最大的模型试验尺寸。
(3)模型系统加载荷载值大，泵站工作压力为32.5MPa，模型每侧能够施加的最大荷载为2000KN，考虑1∶100的模型相似比，该系统可模拟的地下洞室最大埋深为2万米，可有效反映深部洞室岩体在高地应力状态下的变形破坏过程与破坏机理。
(4)模型系统加载自动化程度和加载精度高，通过智能液压控制试验台，自动实现模型各侧的同步、独立、高地应力加载，模型分级加载精度为1％。
(5)系统能保证模型试验的长期稳压。当加压到设定压力值后，系统通过智能液压控制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，系统通过智能液压控制系统能自动开启油泵重新供油以保证试验压力稳定。
(6)系统加载功能多，通过分压控制实现模型的一维、二维和三维加载。
(7)系统通过导洞盘实现深部洞室轴向加载状态下的开挖与支护，克服了目前国内外关于地下洞室模型试验轴向加载开洞的难题。
(8)系统采用双缸回油卸压方式，可模拟大尺寸三维模型的加载与卸载过程。
(9)模型系统刚度高、整体稳定性好、操作简单方便。
(10)高地应力真三维加载模型试验系统可广泛应用于水电、交通、能源、矿山、国防等工程领域的深部地下洞室模型试验研究，应用前景广阔，经济效益显著。
附图说明
图1是本发明系统整体结构示意图；
图2是千斤顶加载装置结构示意图；
图3为反力传递板结构示意图；
其中1.智能液压控制试验台，2.千斤顶，3.加载板，4.法兰盘，5.反力传递板，6模型反力装置，7.试验模型，8.高压油管，9.洞室轴向开挖导洞盘，10.角钢构件，11.高强连接螺栓，12.引线孔，13.内六角螺栓。
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。
图1-图3中，高压加载系统设置于反力装置系统内，智能液压控制试验台1通过高压油管8与高压加载系统连接，高压加载系统包括千斤顶2和加载板3，千斤顶2的一端通过内六角螺栓13与加载板3的一个侧面连接，另一端与反力装置系统连接，加载板3上设有引线孔12，六个加载板3与千斤顶2连接相对的另一侧面分别紧靠在试验模型7的六个侧面上。
反力装置系统包括模型反力装置6、法兰盘4和反力传递板5，模型反力装置6由盒式铸钢构件和角钢构件10通过高强连接螺栓11连接组成，盒式铸钢构件上设有引线孔12。反力传递板5一侧面紧靠模型反力装置6的内壁，法兰盘4通过内六角螺栓13固定在反力传递板5的另一相对侧面上，高压加载系统的千斤顶2通过内六角螺栓13固定在法兰盘4上。反力装置系统用于承担试验模型7加载传来的反力。
智能液压控制系统主要用于模型试验的自动加载与稳压控制，该系统主要由智能液压控制试验台1和高压油管8组成。高压油管8连接智能液压控制试验台1和千斤顶2。智能液压控制试验台1内设油箱、高压油泵、电机、智能传感器、电磁溢流阀、电磁换向阀、滤油器、单向阀、分配阀，在控制台面上设有智能数显压力表、电源开关、指示灯和控制按钮。智能液压控制系统主要用于试验模型7前后、左右、上下三对方向的同步、独立、高地应力加载，当系统加压到系统设定的压力值后，系统能自动切断油泵供油，并保持油压长期稳定。试验过程中，即使由于液压的部分回油或少量漏油，系统也能迅速地补偿油路损失来恒定所需压力值。
高压加载系统主要用于给试验模型7施加高地应力，该系统主要由二十四个大吨位液压千斤顶2、尺寸可调的六块加载板3组成。单个千斤顶2的设计推力为500KN，每块加载板3与四个千斤顶2通过内六角螺栓13连接，每块加载板3施加给试验模型7的最大荷载为2000KN。
如图1所示，带千斤顶2的前后加载板3通过智能液压控制试验台1控制试验模型7的前后同步加载；带千斤顶2的左右加载板3通过智能液压控制试验台1控制试验模型7的左右同步加载；带千斤顶2的上下加载板3通过智能液压控制试验台1控制试验模型7的上下同步加载。
试验模型7各侧面紧靠的加载板3的厚度为3mm、加载板3的长度和高度可根据试验模型7的尺寸任意进行调整，加载板3通过内六角螺栓13连接4个千斤顶2，千斤顶2的设计推力500KN，加载板的最大加载荷载为2000KN，考虑1∶100的模型相似比，该系统可模拟最大埋深为2万米的深部洞室开挖的非线性变形破坏过程。
洞室轴向开挖导洞盘9通过可拆卸螺栓连接在前后两块相对应的加载板3上，试验模型7三维加载后，拆下导洞盘9可实现模型洞室轴向加载开挖与支护。
如图2、图3所示，千斤顶2的后端通过内六角螺栓13与加载钢板3连接，加载板3将荷载直接施加于试验模型7上；千斤顶2的前端首先通过内六角螺栓13与法兰盘4相连，然后再通过内六角螺栓13将法兰盘4与反力传递板5相连，最后将反力传递板5与模型反力装置6紧靠在一起。

Claims (6)

1.一种高地应力真三维加载模型试验系统，包括智能液压控制系统、高压加载系统和反力装置系统，高压加载系统设置于反力装置系统内，智能液压控制系统的智能液压控制试验台通过高压油管与高压加载系统连接，其特征在于：高压加载系统包括千斤顶和加载板，千斤顶的一端与加载板连接，另一端与反力装置系统连接，与千斤顶相连的六块加载板分别紧贴在试验模型的前、后、左、右、上、下六个侧面上。
2.根据权利要求1所述的高地应力真三维加载模型试验系统，其特征在于：所述的反力装置系统包括模型反力装置、法兰盘和反力传递板，模型反力装置由盒式铸钢构件和角钢构件通过高强连接螺栓连接组成；反力传递板一侧面紧靠模型反力装置的内壁，法兰盘通过内六角螺栓固定在反力传递板的另一相对侧面上，高压加载系统的千斤顶通过内六角螺栓固定在法兰盘上。
3.根据权利要求1所述的高地应力真三维加载模型试验系统，其特征在于：所述的千斤顶与加载板通过内六角螺栓连接。
4.根据权利要求1所述的高地应力真三维加载模型试验系统，其特征在于：所述的智能液压控制系统由智能液压控制试验台和高压油管组成，高压油管连接智能液压控制试验台和千斤顶。
5.根据权利要求1所述的高地应力真三维加载模型试验系统，其特征在于：所述的六块加载板中的前后相对应的两块加载板上通过螺栓连接有可进行洞室轴向加载开挖的导洞盘。
6.根据权利要求1所述的高地应力真三维加载模型试验系统，其特征在于：所述的加载板上设有引线孔。
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