CN102175533B - 超大型岩土工程三维模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超大型岩土工程三维模型试验系统，包括超大型模型试验装置、分别与大型模型试验装置相连的液压加载系统和应变位移测试系统，所述超大型模型试验装置包括门式框架，门式框架下端设置于底板装置上，底板装置上设有位于门式框架下部的模型反力墙。本发明具有如下的优点：1）整体结构紧凑，强度高，刚度大，可承受千吨的反力。2）可满足不同高度试验的要求。3）底板为组装型并设计了T型滑槽，反力墙块可前后或左右扩大或缩小固定，满足不同模型尺寸。4）模型试验装置安装拆分方便，可完成不同的平面试验。5）应变位移测试系统实现对试验结果的实时自动化高精度采集分析，操作方便。6）可完成十字交叉型隧洞的大型三维模型试验。

Description

超大型岩土工程三维模型试验系统

技术领域

本发明涉及一种超大型岩土工程三维模型试验系统，主要为地下岩土工程模型试验提供试验装置和加载及测试系统。

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、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。

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.现有模型装置结构简单，尺寸一般不可调整，可调的操作也比较繁琐，不方便试验。

2.现有模型装置试验空间较小，难以实现大型十字交叉地下隧洞的大比尺模型试验研究。

3.装置功能单一，仅能进行平面或三维模型试验，不能根据试验模型尺寸自由调整。

4.现有模型试验装置不可拆分为两台试验装置各自进行试验。

5.液压加载系统和测试系统相对落后，数字化自动化程度不高，试验加载及测试结果精度较低。

6.反力台架装置尺寸较小，刚度和强度较小，不能提供较高的反力，无法实现高应力加载。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种整体结构紧凑、安全可靠、易于安装拆分、尺寸可调、高精度加载和自动化测试的超大型岩土工程三维模型试验系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种超大型岩土工程三维模型试验系统，包括超大型模型试验装置、分别与大型模型试验装置相连的液压加载系统和应变位移测试系统，所述超大型模型试验装置包括门式框架，门式框架下端设置于底板装置上，底板装置上设有位于门式框架下部的模型反力墙；

所述门式框架包括左右对称设置的两对立柱，位于同侧的两根立柱内外侧之间通过两块横梁立柱连接板相连，所述位于同侧的两根立柱内外侧之间的两块横梁立柱连接板之间设有两道连接抄手；所述两对立柱上均设有若干能使横梁立柱连接板上下移动时相连接的螺栓孔；左右对称设置的两对立柱内侧的两块横梁立柱连接板之间连接有四根横梁；

所述底板装置包括底板，所述底板上设有T型滑槽，T型滑槽内设有连接所述模型反力墙的螺栓，通过移动螺栓，使模型反力墙前后或左右扩大或缩小；模型反力墙前后左右四面中心均安装透视开挖窗口；所述底板相对两侧设有底板夹板，底板下部设有底板横梁，底板横梁下部设有底板横梁连接板；所述底板由可拆装的独立的两组组成，或者由四块底板通过底板夹板、底板横梁和底板横梁连接板拼装连接为一个整体。

所述应变位移测试系统包括微型多点位移计、数字照相位移测试系统、静态电阻应变仪测试系统、光纤应变测试系统，所述微型多点位移计测量内部位移，数字照相位移测试系统测量表面位移，静态电阻应变仪测试系统和光纤应变测试系统测量应变；所述微型多点位移计测点、静态电阻应变仪测试系统和光纤应变测试系统安装在模型隧洞周围，通过测丝或导线将信号传输到各自测试系统，实现对内部位移和应变的测试；所述数字照相位移测试系统包括高精度像素数码单反相机和系统分析处理系统，高精度像素数码相机安装固定在模型隧洞前方，在模型隧洞内所测位置安设十字固定标志，通过遥控装置控制连续固定焦距拍照，然后利用系统分析处理系统处理照片，计算出围岩的变形。

所述液压加载系统包括安装在横梁上的若干个液压油缸，液压油缸下部是球铰，球铰与传力垫块连接，传力垫块与模型反力墙顶部连接；所述液压油缸通过液压油管与液压自动控制系统连接，液压自动控制系统与液压泵站连接。

本发明中的液压自动控制系统为现有触屏式数字智能自动控制技术，在此不再赘述。

本发明的模型试验装置底板可拆装，可分为独立的两组模型装置，也可通过6底板夹板和10底板横梁连接板连接为一个整体。四根立柱与四块底板连接，四根横梁通过立柱横梁连接板与立柱连接，该链接方式方便安装，且整个装置结构紧凑，强度高，刚度大，其空间尺度为：长×宽×高＝6.76m×4.16m×6.60m。

本发明与国内外同类装置相比，具有如下的优点：

（1）通过上下移动横梁和立柱横梁连接板，横梁可调高度范围为3.0m—6.2m，可满足不同高度试验的要求。

（2）在四条横梁下方增加垂直横梁的水平垫板，使四条横梁一致受力，可做1000吨大吨位反力架使用。

（3）模型装置底板为四块底板通过底板夹板、底板横梁和底板横梁连接板拼装而成，模型装置底板整体刚度和强度大，可承受千吨的反力。

（4）模型装置结构紧凑，强度高，刚度大，安装拆分方便，可拆分为两个模型装置，具体是两侧两块底板分别连接立柱、横梁可组成两个小型的模型装置反力架，完成不同的平面试验。

（5）模型装置底板设计了T型滑槽，可通过螺栓连接反力墙块，反力墙块可前后或左右扩大或缩小，每次最小可移动0.3m。反力墙组成的模型体的最大尺寸为3.6m×3.6m×4.5m（长×宽×高），最小为1.8m×0.3m×1.8m。

（6）液压控制系统采用触摸屏式数字智能液压自动控制系统自动/手动液压系统压力，可实现自动加载伺服控制，控制压力精度小于±0.1MPa，可长时间保压15天以上。

（7）测试系统先进。应用光纤光栅、数字照相等国内外先进技术建立模型试验装置的测试系统，实时监测模型试验的主要监测量：应变、内部位移及表面位移。测试过程均为自动采集分析，精度高，可靠性好。测量抗干扰、精度高、可视化程度高；

（8）模型试验系统可完成十字交叉型隧洞的大型三维模型试验，最大开挖洞径0.7m；

（9）模型试验装置的扩展性好。在现有模型试验装置上，便于增设水平加载装置，开展高水平地应力条件下的相关课题研究。

附图说明

图1为本发明的正视图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的侧视图。

其中，1-横梁、2-横梁立柱连接板、3-高强螺栓I、4-超长高强螺栓、5-立柱、6-底板夹板、7-底板、8-底板横梁、9-高强螺栓II、10-底板横梁连接板、11-透视开挖窗口、12-模型反力墙、13-传力垫块、14-液压油缸、15-球铰、16-液压油管、17-液压自动控制系统、18-液压泵站、19-微型多点位移计、20-数字照相位移测试系统、21-静态电阻应变仪测试系统、22-光纤应变测试系统、23- T型滑槽。

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1-3所示，一种超大型岩土工程三维模型试验系统，包括超大型模型试验装置、分别与大型模型试验装置相连的液压加载系统和应变位移测试系统，所述超大型模型试验装置包括门式框架，门式框架下端设置于底板装置上，底板装置上设有位于门式框架下部的模型反力墙12；在模型反力墙12上安装应变位移测试系统。

所述门式框架包括左右对称设置的两对立柱5，位于同侧的两根立柱5内外侧之间通过两块横梁立柱连接板2相连，所述位于同侧的两根立柱5内外侧之间的两块横梁立柱连接板2之间设有两道连接抄手；所述两对立柱5上均设有若干能使横梁立柱连接板2上下移动时相连接的螺栓孔；左右对称设置的两对立柱3内侧的两块横梁立柱连接板4之间连接有四根横梁1；

横梁立柱连接板2为四块，门式框架左右两侧各两块，分别通过高强螺栓固定于前后两立柱5内外两侧，同侧的两块横梁立柱连接板2之间设有两道连接抄手通过螺栓互连。

所述底板装置包括底板7，所述底板7上设有T型滑槽23，T型滑槽23内设有连接所述模型反力墙12的螺栓，通过移动螺栓，可使模型反力墙12前后或左右扩大或缩小；模型反力墙12前后左右四面中心均安装透视开挖窗口11；所述底板7相对两侧设有底板夹板6，底板7下部设有底板横梁8，底板横梁8下部设有底板横梁连接板10；底板夹板6与底板7通过高强螺栓II9连接；所述底板7由可拆装的独立的两组组成，或者由由四块底板7通过底板夹板6、底板横梁8和底板横梁连接板10拼装连接为一个整体。

横梁1通过横梁立柱连接板2和高强螺栓3与超长高强螺栓4安装在立柱5上，立柱5安装在底板7上。由模型反力墙12和位于模型反力墙12上的洞室透视窗口11组合而成的模型空间安装在模型底板上，模型反力墙12由田字形、日字型、口字型中心连接块和四角连接块组成。所述反力墙块12，包括口字型、日字型和田字型三大类，每类包括90°拐角连接墙块和180°连接墙块。根据试验模型的尺寸、大小将它们堆砌，通过螺栓连接成反力墙；在模型反力墙上设有透视开挖窗口11，通过透视开挖窗口11完成模型开挖和围岩变形、破坏的监测。

所述液压加载系统包括安装在横梁1上的若干个液压油缸14，液压油缸14下部是球铰15，球铰15与传力垫块13连接，传力垫块13与模型反力墙12顶部连接；传力垫块13与模型反力墙12组成的空间对应。各液压油缸14通过液压油管16与液压自动控制系统17连接，液压自动控制系统17与液压泵站18连接。

所述应变位移测试系统包括微型多点位移计19、数字照相位移测试系统20、静态电阻应变仪测试系统21、光纤应变测试系统22，所述微型多点位移计19测量模型隧洞内部位移，数字照相位移测试系统20测量表面位移，静态应变仪测试系统21和光纤应变测试系统22测量应变；所述微型多点位移计19、静态电阻应变仪测试系统21（电阻应变传感器）和光纤应变测试系统22（光纤应变传感器）安装在模型隧洞周围，通过测丝或导线将信号传输到各自测试系统，实现对模型隧洞内部位移和应变的测试；所述数字照相位移测试系统20包括高精度像素数码单反相机和系统分析处理系统，高精度像素数码相机安装固定在模型隧洞前方，在模型隧洞内所测位置安设十字固定标志，通过遥控装置控制连续固定焦距拍照，然后利用系统分析处理系统处理照片，计算出围岩的变形。

微型多点位移计19为SD-3型微型多点位移采集分析系统；光纤应变测试系统22为SDGX-2型光纤应变测试系统。

本发明的模型试验装置底板可拆装，可分为独立的两组模型装置，也可通过6底板夹板和10底板横梁连接板连接为一个整体。四根立柱与四块底板连接，四根横梁通过立柱横梁连接板与立柱连接，该链接方式方便安装，且整个装置结构紧凑，强度高，刚度大，其空间尺度为：长×宽×高＝6.76m×4.16m×6.60m。

Claims (3)

1.一种超大型岩土工程三维模型试验系统，其特征在于：包括超大型模型试验装置、分别与超大型模型试验装置相连的液压加载系统和应变位移测试系统，所述超大型模型试验装置包括门式框架，门式框架下端设置于底板装置上，底板装置上设有位于门式框架下部的模型反力墙；

所述门式框架包括左右对称设置的两对立柱，位于同侧的两根立柱内侧之间通过一块横梁立柱连接板相连，外侧之间也通过一块横梁立柱连接板相连，所述位于同侧的两根立柱内外侧之间的两块横梁立柱连接板之间设有两道连接抄手；所述两对立柱上均设有若干能使横梁立柱连接板上下移动时相连接的螺栓孔；左右对称设置的两对立柱内侧的两块横梁立柱连接板之间连接有四根横梁；

所述底板装置包括底板，所述底板上设有T型滑槽，T型滑槽内设有连接所述模型反力墙的螺栓，通过移动螺栓，使模型反力墙前后或左右扩大或缩小；模型反力墙前后左右四面中心均安装透视开挖窗口；所述底板相对两侧设有底板夹板，底板下部设有底板横梁，底板横梁下部设有底板横梁连接板；所述底板由四块板通过底板夹板、底板横梁和底板横梁连接板拼装连接为一个整体。

2.根据权利要求1所述的超大型岩土工程三维模型试验系统，其特征在于：所述应变位移测试系统包括微型多点位移计、数字照相位移测试系统、静态电阻应变仪测试系统、光纤应变测试系统，所述微型多点位移计测量内部位移，数字照相位移测试系统测量表面位移，静态电阻应变仪测试系统和光纤应变测试系统测量应变；所述微型多点位移计、静态电阻应变仪测试系统和光纤应变测试系统安装在模型隧洞周围，通过导线将信号传输到各自测试系统，实现对内部位移和应变的测试；所述数字照相位移测试系统包括高精度像素数码相机和分析处理系统，高精度像素数码相机安装固定在模型隧洞前方，在模型隧洞内所测位置安设十字固定标志，通过遥控装置控制连续固定焦距拍照，然后利用分析处理系统处理照片，计算出围岩的变形。

3. 根据权利要求1所述的超大型岩土工程三维模型试验系统，其特征在于：所述液压加载系统包括安装在横梁上的若干个液压油缸，液压油缸下部是球铰，球铰与传力垫块连接，传力垫块与模型反力墙顶部连接；所述液压油缸通过液压油管与液压自动控制系统连接，液压自动控制系统与液压泵站连接。

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