CN102175517B - 大型自由组合榀式高地应力地下工程模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型自由组合榀式高地应力地下工程模型试验装置，包括若干榀拼装式反力台架装置，整个试验装置在整体成上窄下宽，侧面为斜面，所述每榀反力台架装置均包括顶梁、侧梁、底梁，顶梁与侧梁之间以及侧梁与底梁之间均通过法兰及高强螺栓相连接；每榀反力台架装置均可互连或与前后反力梁连接，前后反力梁上部和左右由拉杆连接，下部与设置于底梁上的模型升降平移托车系统相连；在顶梁和侧梁上设有液压加载系统；装置底板设置自动液压模型升降平移拖车系统，可方便平稳的将试验模型移入移出。本发明组装灵活、操作简单、加载与观测方便、带有模型升降平移拖车系统，可应用于高地应力条件下岩土工程的平面和三维地质力学模型试验。

Description

大型自由组合榀式高地应力地下工程模型试验装置

技术领域

本发明涉及一种岩土工程模型试验装置，尤其是一种大型自由组合榀式高地应力地下工程模型试验装置。

背景技术

目前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、武汉大学、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，并取得一大批研究成果。

（1）《武汉水力电力大学学报》1992年第5期介绍了武汉水力电力大学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压加载。

（3）《水利学报》2002第5期介绍了清华大学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压加载。

（4）《岩石力学与工程学报》2004年第22期介绍了总参工程兵科研三所一种YD-A 型岩土工程多功能模拟试验装置。该装置为平面模型试验台，模型尺寸为160 cm×140 cm×40 cm，具有双向旋转功能，但该试验台无法实现改变模型尺寸和三维模拟。

（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，同时无法模拟高压加载过程。

（6）《地下空间》2004第4期介绍了重庆交通科研设计院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压加载。

（7）《土木工程学报》2005年第12期，以及申请号为200510045291. 7的中国发明介绍了山东大学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压加载过程。

（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 Ф200mm × 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，但无法模拟岩体试件的真三轴加载，且试样尺寸较小。

（9）山东大学专利200820023048.4公布了一种高压加载结构模型试验系统，该装置采用六面加载，最大模型尺寸1000mm×1000mm×1000mm，可模拟比例尺为1:100，开挖洞室尺寸较小，不能开展大比例尺的模型试验。

（10）山东大学专利200810138978.9介绍了一种高地应力准三维可视化模型试验台架装置，包括反力墙装置，侧向外围设有门式反力框架，在门式反力框架和模型体之间设有液压加载装置，反力墙装置上洞室所在位置周围设有若干观察窗。但该装置系统反力装置结构简单，前后反力墙拉杆穿过模型体，影响模型内部应力场和实验精度。刚性加载不利于模型表面应力加载精度。空间不可调，只能做平面模型试验，不能做三维模型试验。

（11）山东大学专利200810138981.0介绍了一种带滑动墙的自平衡式真三维加载模型试验台架，但该装置模型制作繁琐，操作复杂，模型体表面距装置外部较远，不方便开挖观测；尺寸不可调整，只能做平面模型试验。

（12）山东大学专利200810016641.0介绍了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六个面内为模型体六个侧面加载。该装置结构简单，不能自由组装；液压加载系统不是数字智能控制，采用千斤顶加载，不是双向油缸；模型表面距装置外部较远，不方便开挖观测。

但综合分析上述单位的模型试验台架装置系统，还存在以下不足之处：

1.模型装置尺寸一般不可调整，可调的操作也比较繁琐，还没有榀式自由组合的模型装置。

2.现有模型试验装置受刚度、强度限制以及模型空间尺寸限制，难以实现大埋深高地应力条件下的平面或三维地下洞室大比尺模型试验研究。

3.试验过程中不能方便直观地观察到围岩的破裂现象和发展过程。

4.加载完成后不能方便完整地将模型转移出模型架，不能方便地进行模型解剖，不利于观察模型加载破坏后的内部形态。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种组装灵活、操作简单、加载与观测方便、带有模型推车的大型自由组合榀式高地应力地下工程模型试验装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种大型自由组合榀式高地应力地下工程模型试验装置，包括若干榀拼装式反力台架装置，整个试验装置在整体成上窄下宽，侧面为斜面，所述每榀反力台架装置均包括顶梁、侧梁、底梁，顶梁与侧梁之间以及侧梁与底梁之间均通过法兰及高强螺栓相连接；每榀反力台架装置均可互连或与前后反力梁连接，前后反力梁上部和左右由拉杆连接，下部与设置于底梁上的模型升降平移托车系统相连；在顶梁和侧梁上设有液压加载系统；模型升降平移拖车系统可方便的将试验模型移入移出。

所述反力梁包括由长梁组成的前、后反力梁，前、后反力梁的侧面与侧梁连接，前、后反力梁之间通过拉杆相连接，前反力梁和后反力梁设有开挖观测窗。

所述开挖观测窗为钢化玻璃，其上贴有防爆膜，开挖窗口设有封堵装置。

所述液压加载系统通过法兰与顶梁和侧梁连接，液压加载系统包括安装在顶梁上的竖向加载系统和安装在侧梁上的横向加载系统。

所述模型升降平移托车系统包括底板拖车，所述底板拖车下部设有至少一个水平推送油缸、若干竖向起降油缸和若干滚轮，水平推送油缸和竖向起降油缸分别与液压自动控制系统连接。

所述底板拖车由若干平板通过连接件并列连接组成。

所述连接件为连接板条和高强螺栓。

所述水平推送油缸设置于底板拖车下部，两端分别固定在底板反力座和模型拖车反力座上。

本发明的包括成榀拼装式反力台架装置（包括顶梁、侧梁、底梁）、前、后反力梁、开挖观测窗、模型底板推车、液压加载系统及法兰、拉杆和高强螺栓。该实验架可进行的模型尺寸最大为2.4m×2.4m×2.0m（宽×高×厚），模型表面最大荷载集度可达3.5MPa，开挖孔及观测窗尺寸可调，最大开挖洞室跨度为500mm。通过本装置可以进行隧道、地铁、地下厂房、矿山、人防工程、水电站洞室群等地下工程稳定性的高地应力三维地质力学模型试验研究。

本发明中的液压自动控制系统连接为现有设备，其设置于本发明一侧，在此不再赘述。

本发明具有以下优点：

1.模型装置采用高强度合金钢材料，强度、刚度、抗冲击韧性好，耐腐蚀能力强，可长期使用；同时通过高强螺栓、法兰将顶梁、侧梁和底梁连接在一起；前、后反力梁由长梁组成并连接于侧梁上，底部与模型推车连接，上部和左右由拉杆将前后反力梁连接，整个模型装置结构整体上窄下宽，侧面斜面设计，受力明确、结构合理、造型美观，保证了整体大刚度和高强度，提高了试验精度。

2.可方便实现均布或分级加载，真实模拟地下洞室所处的三维地质力学初始条件，先加载后开挖，真实模拟开挖过程、支护过程及失稳破坏等动态过程。

3.可采用大比例尺制作试验模型，开挖洞室尺寸大，最大隧洞跨度可达500mm，在试验过程中可方便地进行人工分层开挖和注浆设锚、安装收敛测点、预紧锚索等操作。

4.试验台架由四榀独立框架组合而成，每榀框架厚0.5m，均可配合前后反力梁及液压加载装置单独进行试验，适应不同模型尺寸的要求。单榀可进行平面应力和平面应变条件下的模型试验；多榀组合可进行大型三维模型试验。

5.前后反力梁中间有可拆卸的开挖观测窗，可根据开挖尺寸大小更换。开挖观测窗安装高强钢化玻璃，并贴防爆膜，开挖窗口设有封堵装置。实现在试验过程中可实时观察洞周的变形和破裂发展情况，而且具有高强度和大刚度，不影响模型试验的加载效果。

6.模型放在底部带升降轮和平移油缸的模型推车上，操纵升降平移系统，可实现升降轮的升降，轮子降落后将模型推车升高，可以方便地将模型转移出入模型加载空间，试验后可推出并剖分模型以观察模型内部形态。当需要将试验完成的模型移出时，启动液压自动控制系统，首先竖向起降油缸升起，将底板拖车顶升，然后底板托车与模型装置底梁接触，整个模型和模型底板的自重由竖向千斤顶下部的滚轮承担，试验开始前或完成后，竖向起降油缸伸长带动滚动轮下降，使底板托车与模型装置底梁离开，承受模型自重，然后水平推送油缸工作，由于水平推送油缸一端与试验装置底板连接，相对固定，另一端与模型拖车反力座连接，推动其缓慢移出模型试验装置，最终将其上的试验模型移出试验框架，最大推送行程由油缸行程决定，方便试验制作和剖视观测。

本发明的模型升降平移托车系统采用液压自动控制系统，模型水平推移距离最大为2m，在顶升状态下模型推车可承受最大荷载可达60t，非顶升状态可承受最大荷载为1200t。可广泛应用于各种地质力学模型试验中。

模型升降平移托车系统具有以下特点：1).构造简单，组装灵活,自动化程度高，操作简单方便。2).采用拼装式结构，有多种组合方式，满足不同模型试验尺寸的要求。3).起降推送能力强，可满足最大60t的起降和推送要求。4).整体强度、刚度高，稳定性好，升降和推送动作平稳，可保证模型在转移过程中的完整性。

附图说明

图1为本发明正视图；

图2为图1侧视图;

图3是模型升降平移托车系统俯视图；

图4是模型升降平移托车系统主视图；

图5是模型升降平移托车系统侧视图；

其中，1、顶梁，2、侧梁，3、底梁，4、前后反力梁，4-1、前反力梁，4-2、后反力梁，5、法兰，6、拉杆，7、螺栓，8、开挖观测窗，9、液压加载系统，9-1、竖向加载系统，9-2、横向加载系统，10、模型升降平移托车系统，10-1、竖向起降油缸，10-2、水平推送油缸，10-3、底板拖车，10-4、连接件，10-5、水平推送油缸反力座，10-6、滚轮。 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、2所示，大型自由组合榀式高地应力地下工程模型试验装置，包括成榀拼装式反力台架装置，该装置每榀均由顶梁1、侧梁2和底梁3连接而成；前后反力梁侧面与侧梁2连接，底部与模型升降平移托车系统10连接；在顶梁1和侧梁2上设有液压加载系统9；液压加载系统9与推力器连接；整个试验装置在整体上窄下宽，侧面为斜面。

每榀可配合液压系统和前后反力梁单独完成平面模型试验，多榀连接配合液压系统和前后反力梁可完成大型三维模型试验。

所述顶梁1、侧梁2和底梁3通过螺栓7和法兰5连接。

所述前后反力梁4由长梁组成并连接于侧梁2上，底部与模型升降平移托车系统10连接，前后反力梁4的上部和左右由拉杆6将前后反力梁4连接。

所述前后反力梁4由前反力梁4-1和后反力梁4-2组成，在前反力梁4-1和后反力梁4-2上设有开挖观测窗8。开挖前加载时，开挖观测窗的隧洞形状开挖面是封堵的，能提供反力。

所述开挖观测窗8为钢化玻璃，其上贴有防爆膜。

所述液压加载系统9包括安装在顶梁1上的竖向加载系统9-1和安装在侧梁2上的横向加载系统9-2，它们分别通过螺栓7与侧梁2和顶梁1连接。

如图3-5所示，模型升降平移托车系统10包括底板拖车10-3，所述底板拖车10-3下部设有至少一个水平推送油缸10-2、若干竖向起降油缸10-1和若干滚轮10-6，水平推送油缸10-2和竖向起降油缸10-1分别与液压自动控制系统连接。

所述底板拖车10-3由若干平板通过连接件10-4并列连接组成。

所述连接件10-4为连接板条和高强螺栓。

所述水平推送油缸10-2设置于底板拖车10-3下部，两个水平推送油缸反力座10-5分别固定在底梁3和底板拖车10-3上。

当需要将试验完成的模型移出时，启动液压自动控制系统，首先竖向起降油缸10-1升起，将底板拖车10-3顶升，然后底板托车10-3与模型装置底梁3接触，整个模型和模型底板的自重由竖向千斤顶下部的滚轮10-6承担，试验开始前或完成后，竖向起降油缸10-1下降后底板托车10-3与模型装置底梁3离开，承受模型自重，然后水平推送油缸10-2工作，由于水平推送油缸10-2一端与实验架地板连接，相对固定，另一端与底板拖车10-3连接，推动其缓慢移出模型试验装置，最终将其上的试验模型移出试验框架，最大推送行程由油缸行程决定，方便试验制作和剖视观测。

Claims (6)

1.一种大型自由组合榀式高地应力地下工程模型试验装置，其特征在于：包括若干榀拼装式反力台架装置，整个试验装置在整体成上窄下宽，侧面为斜面，所述每榀反力台架装置均包括顶梁、侧梁、底梁，顶梁与侧梁之间以及侧梁与底梁之间均通过法兰及高强螺栓相连接；每榀反力台架装置均可互连或与前后反力梁连接，前后反力梁上部和左右由拉杆连接，下部与设置于底梁上的模型升降平移托车系统相连；在顶梁和侧梁上设有液压加载系统；模型升降平移托车系统可方便的将试验模型移入移出；

所述反力梁包括由长梁组成的前、后反力梁，前、后反力梁的侧面与侧梁连接，前、后反力梁上部和两侧通过拉杆相连接，前反力梁和后反力梁上均设有开挖观测窗；

所述液压加载系统通过法兰与顶梁和侧梁连接，液压加载系统包括安装在顶梁上的竖向加载系统和安装在侧梁上的横向加载系统。

2.根据权利要求1所述的大型自由组合榀式高地应力地下工程模型试验装置，其特征在于：所述开挖观测窗为钢化玻璃，其上贴有防爆膜，开挖观测窗的窗口设有封堵装置。

3.根据权利要求1所述的大型自由组合榀式高地应力地下工程模型试验装置，其特征在于：所述模型升降平移托车系统包括底板拖车，所述底板拖车下部设有至少一个水平推送油缸、若干竖向起降油缸和若干滚轮，水平推送油缸和竖向起降油缸分别与液压自动控制系统连接。

4.根据权利要求3所述的大型自由组合榀式高地应力地下工程模型试验装置，其特征在于：所述底板拖车由若干平板通过连接件并列连接组成。

5.根据权利要求4所述的大型自由组合榀式高地应力地下工程模型试验装置，其特征在于：所述连接件为连接板条和高强螺栓。

6.根据权利要求3所述的大型自由组合榀式高地应力地下工程模型试验装置，其特征在于：所述水平推送油缸设置于底板拖车下部。

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