CN102012337B - 适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置，包括液压油缸推力器，液压油缸推力器上端通过球铰与液压油缸相连，液压油缸推力器底部设有柔性传力垫层。该加载装置可通过液压油缸的前置法兰或后置法兰与反力架连接，可施加的最大荷载为50t，模型表面的最大荷载集度为最大为4.5MPa，荷载集度偏差≤5%，模型表面应力不均匀深度小于100mm。本发明可实现对模型表面的柔性均布压力加载；结构简单、组装灵活，操作方便，单个加载单元尺寸合理，液压油缸配合液压站和液压自动控制系统可实现加载和卸载；同时多个加载装置可进行不同排列方式组合，实现梯度加载。本发明将液压油缸、球铰、推力器、柔性传力垫层有机的融合在一起，均布加载效果更好。

Description

适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置

技术领域

本发明涉及一种加载装置，尤其是一种适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置。

背景技术

地质力学模型试验有利于在复杂的试验过程中突出主要矛盾，便于把握、发现现象的内在联系。在国外，以弗曼格林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。随后，美国、德国、法国、英国和日本等国也开展了大量模型试验研究。在国内，清华大学、总参工程兵科研三所、山东大学等众多科研院所，先后对国内许多大型工程项目进行了地质力学模型试验研究。

模型边界加载技术是地质力学模型试验中的一项关健技术，因为它直接关系到模型边界加载效果和精度，对模型试验加载地应力能否真实模拟工程实际受力状态起着至关重要的作用，也直接影响模型体内所形成的应力（应变）场的均匀程度和实验结果的真实性。为保证试验结果准确性，真实模拟原始地应力的试验加载条件尤为重要，因此，保证模型中产生均匀应力场，尽量减小模型表面不均匀应力场的范围和深度对模型试验结果十分重要。

从现有模型加载技术看，模型表面荷载的施加主要有三种方式：

（1）液压油缸通过刚性推力器加载，刚性推力器可为三角形分布块或梯形分布块。该方法具有加载荷载大、行程大、容易操控等特点，但加载压力均匀性偏差较大，导致模型内应变场均匀性很差，很难如实反映工程受力状态。特别由于模型中间洞室的开挖，导致模型边界变形必然不均匀，该方法加载使得边界荷载的不均匀性更加明显，同时也不利于解决加载压头与边界横向变形的同步，所以模型边界加载精度低。

（2）采用传统的液压橡胶囊加载，可实现对模型表面的柔性均匀加载，特别是当模型表面产生不均匀变形时仍能进行均匀加载。但由于加载荷载强度偏低，行程小，无法满足模型较大变形和较高强度的要求，达不到深部开采试验的高应力加载要求；再者，其制作麻烦，使用寿命短，一般只能满足一次试验需要。

（3）以上两种方式在试验精度要求不高的情况下也能解决一些工程问题。随着工程规模的逐渐扩大，要求精度不断提高，这两种加载方式日益暴露出其存在的弊端。为解决上述问题，总参工程兵科研三所设计了活塞式均布压力加载器（ZL 02213775.0），既可在模型上加均布荷载，又解决了模型试验中柔性传力均匀加载难题。但活塞式均布压力加载器结构比较复杂，加工制造精度要求高，价格也相对偏高。

综合分析上述单位的模型试验加载系统，主要存在以下不足之处：

1．多数加载系统实际上都是液压油缸+推力器的刚性加载系统，荷载偏差较大，容易引起应力集中，不能达到模型表面荷载均匀分布的目的。

2．液压囊加载由于具有行程小、易漏油、耐久性差、只能单向加载、不易在其上穿孔布线等缺点，无法满足大型模型试验的需要。

3．活塞式均布压力加载器结构复杂，价格偏高，也不利于模型内埋设测线的引出。

4．多数油缸加载方式为油缸+推力器的形式，需要预留较大的加载空间，对于加载空间有限的情况适应性差。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种均布加载性能高、组装灵活、操作简单、耐久性好的适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置，包括液压油缸推力器，液压油缸推力器上端通过球铰与液压油缸相连，液压油缸推力器底部设有柔性传力垫层。

所述液压油缸推力器包括上板和下板，上、下板之间通过若干均布的加劲肋连接，加劲肋为梯形；上板上设有球铰卡槽。

所述液压油缸的活塞顶部连接有球铰，球铰卡于上板的球铰卡槽内，液压油缸前端或后端上设有法兰，法兰上设有螺栓孔。

所述液压油缸推力器底部设有柔性传力垫层，柔性传力垫层通过超强黏胶固定在下板上。

所述柔性传力垫层为邵氏硬度20度的柔性聚氨酯橡胶板，柔性聚氨酯橡胶板厚度为50mm，外部包裹一层橡胶约束层，橡胶约束层内设有柔软钢丝经纬网。

本发明的橡胶约束层内包含一层钢丝网，可限制高压条件下柔性橡胶层变形外溢现象。

该加载系统可施加的最大荷载为50t，模型表面可达到的最大荷载集度为4.5MPa，荷载集度偏差≤5%，模型表面应力不均匀深度小于100mm。本发明能给模型表面柔性均匀加载，大大提高加载精度，可广泛应用于各种地质力学模型试验加载。

本发明具有以下优点：

1．该装置可实现对模型表面的柔性均布压力加载，柔性传力垫层性能优越，施加的荷载集度大，可达4.5MPa，荷载集度偏差低于5%，模型表面应力不均匀深度小于100mm。

2．配合液压站和液压自动控制系统，可较好的模拟工程地质的原始受力条件，实现模型表面应力的精确控制，加载偏差±0.1MPa。

3．该装置组装灵活，操作方便，单个加载单元尺寸合理，可根据需要加工不同尺寸的加载单元；同时可进行不同的排列方式组合，实现梯度加载。

4．将液压油缸、球铰、推力器、柔性传力垫层有机的融合在一起，通过球铰的调整，推力器的加载方向可根据模型表面的倾斜方向调整，均布加载效果更好。

5. 可将加载油缸前法兰固定于反力架上，通过活塞杆穿过钢板出力，压缩了加载空间，节省材料，适应性更强。也可通过后法兰方便的将加载装置安装在模型反力框架上。

6. 整套加载装置结构简单，加工方便，易于维修，容易实现精确控制荷载，且使用寿命长，容易穿孔将模型内的测线引出。

附图说明

图1是本发明剖面结构示意图；

图2是本发明俯视图；

其中：1、柔性橡胶层，2、上板，3、球铰卡槽，4、螺栓孔，5出油口，6、液压油缸，7、进油口，8、橡胶约束层，9、下板，10、加劲肋，11、球铰，12、法兰，13、油缸活塞，14、密封圈，15、液压油缸推力器，16、柔性传力垫层。

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。

如图1、图2所示，本发明为一种适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置，包括液压油缸6、球铰11、液压油缸推力器15和柔性传力垫层16，液压油缸推力器15上端通过球铰11连接液压油缸6，底部设有一层柔性传力垫层16。

推力器15包括上板2和下板9，上、下板之间通过若干均布的梯形加劲肋10连接，上板2上部设有球铰卡槽3，液压油缸推力器15通过球铰卡槽3与液压油缸6的油缸活塞13端部的球铰11相连，这种连接方式保证不加载时液压油缸推力器15与液压油缸活塞13连接在一起，同时又保证在加载时液压油缸推力器15可微调。

柔性传力垫层16通过超强黏胶固定在下板9上，柔性传力垫层16包括设置于液压油缸推力器15底部下板9上的柔性橡胶层1和外部包裹的一层橡胶约束层8，橡胶约束层8内设有一层钢丝经纬网，钢丝经纬网可限制高压条件下柔性橡胶层变形外溢现象。柔性橡胶层1为邵氏硬度20度的柔性聚氨酯橡胶板，柔性聚氨酯橡胶板厚度为50mm，

液压油缸6的活塞杆13与缸体之间设有密封圈14，防止液压油渗漏。缸体的前后端分别设有进油口7和出油口5。液压油缸6的活塞顶部连接有球铰11，球铰11卡于上板2的球铰卡槽3内，液压油缸6前端或后端上设有法兰12，法兰12上设有螺栓孔4。

本发明工作原理：配合液压站和液压自动控制系统，液压自动控制系统控制液压油由进油口7进入图1所示液压油缸底部腔体，随着压力的增大，上部腔体中的液压油由出油孔5排出腔体，油缸活塞13随之向前推进，并通过球铰11和液压油缸推力器15传递到由超柔性橡胶层1和橡胶约束层8组成的柔性传力垫层16上，球铰11可根据模型表面的倾斜程度对加载方向进行微调，最后由柔性传力垫层将作用力传递给加载对象。通过调节进出油的压力来调整加载系统作用在物体上的压力。

该加载系统可施加的最大荷载为50t，模型表面可达到的最大荷载集度为4.5MPa，荷载集度偏差≤5%，模型表面应力不均匀深度小于100mm。本发明可广泛应用于各种地质力学模型试验加载。

Claims (2)

1.一种适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置，其特征在于：包括液压油缸推力器，液压油缸推力器上端通过球铰与液压油缸相连，液压油缸推力器底部设有柔性传力垫层；

所述液压油缸推力器包括上板和下板，上、下板之间通过若干均布的加劲肋连接，加劲肋为梯形；上板上设有球铰卡槽；

所述柔性传力垫层通过超强黏胶固定在下板上；所述柔性传力垫层为邵氏硬度20度的柔性聚氨酯橡胶板，柔性聚氨酯橡胶板厚度为50mm，外部包裹一层橡胶约束层，橡胶约束层内设有柔软钢丝经纬网。

2.根据权利要求1所述的适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置，其特征在于：所述液压油缸的活塞顶部连接有球铰，球铰卡于上板的球铰卡槽内，液压油缸前端或后端上设有法兰，法兰上设有螺栓孔。

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