CN102621001B - 用于地质力学模型试验的真三维滑动式变尺寸加载箱装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于地质力学模型试验的真三维滑动式变尺寸加载箱装置，包括真三维加载箱与千斤顶，其特征在于：所述的真三维加载箱由六块承压板组成，每块承压板具有内表面、外表面以及四个侧面，在所述的每块承压板的外表面上设置有所述的千斤顶，每块承压板的第一侧面和第二侧面均分别位于相邻两承压板的内表面，所述的第一侧面和第二侧面相邻。本发明专利可广泛应用于水电、交通、能源、资源、国防等领域地质力学模型试验研究，可有效指导和优化地下工程的设计和施工。有效保证了三维地质力学模型实验的高质量进行。

Description

用于地质力学模型试验的真三维滑动式变尺寸加载箱装置

技术领域

本发明涉及一种用于地质力学模型试验真三维滑动式变尺寸加载装置。

背景技术

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，许多在建和规划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道以及水电开发的地下洞室等都逐渐向数千米的深部方向发展。随着埋深的加大和工程规模的提高，深部工程地质和水文地质条件也日益复杂，针对深部地下工程岩体复杂的力学变形特性，势必需要通过开展模型试验进行研究。要进行深部地质力学模型试验，就必须研究解决模型试验的三维加载问题，目前有关模型试验系统的研究现状如下：

（1）《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、限位千斤顶加荷器和空气压缩机组成。其试验架尺寸较大，并实现了按主应力方向进行加载。但试验架侧向挠度过大，无法进行高应力下地下工程模型的三维加载。

（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均匀分布的垂直和水平地应力，该系统模型尺寸较小，无法实施完全真三维加载，且无法实现变尺寸模型加载。

（3）《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1 m×1 m×0.2 m，立式布置，该试验台无法实施遍布模型的真三维加载，且无法实现变尺寸模型加载。

（4）《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，采用油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。无法实施完全真三维加载，且无法实现变尺寸模型加载。

（5）《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，该系统具有尺寸可调、规模大、组装灵活的优点，该系统在相邻加载方向上采用预留压缩量的方式，导致模型边角处出现应力集中，无法实施完全真三维加载，且无法实现变尺寸模型加载。

（6）《岩石力学与工程学报》2010年第1期，以及公开号为200820187743的专利介绍了一种新研制大型真三轴加载地质力学模型试验系统，该系统主要由三维钢结构台架装置和液压加载控制系统组成，可实现全三轴应力状态下在侧向施加梯级荷载。该系统在相邻加载方向上采用预留压缩量的方式，导致模型边角处出现应力集中，无法实施遍布模型的完全真三维加载，且无法实现变尺寸模型加载。

（7）《岩土工程学报》2010年第10期，以及授权号为ZL200820023048.4的中国专利公开了一种高地应力真三维加载模型试验系统，其包括智能液压控制系统、高压加载系统和反力装置系统。该装置采用导向框结构预留压缩量来解决相邻承压板互相妨碍的问题，模型压缩量超过导向框宽度时将互相妨碍，无法实现遍布模型的完全真三维加载，且无法实现变尺寸模型加载。

（8）《煤炭学报》2011年第2期，以及授权号为200910020538.8的中国专利，公开了一种真三维梯度加载系统，包括梯度非均匀加载装置、加载反力装置和数控加压系统梯度非均匀加载装置，该装置采用导向框结构预留压缩量来解决相邻承压板互相妨碍的问题，模型压缩量超过导向框宽度时将互相妨碍，无法实现遍布模型的完全真三维加载，且无法实现变尺寸模型加载。

（9）专利号为200910014636.0的专利公布了一种地质力学模型试验三维加载导向框装置.导向框设置在试验模型外部，承压板部分嵌入导向框内，承压板与试验模型接触面以及承压板和导向框框架柱，预留压缩量来解决相邻承压板互相妨碍的问题，但允许的最大变形有限。当模型压缩量大于导向框宽度时，相邻承压板将会打架。无法实现遍布模型的完全真三维加载，且无法实现变尺寸模型加载。

（10）申请号为201110038876.1的专利公布了一种大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置,该装置由若干榀反力台架装置、前可视反力梁、后加载反力梁、拱形动态反力架、液压加载系统、伺服动态加载系统、模型升降平移托车系统等组成。该装置在相邻加载方向上采用预留压缩量的方式，导致模型边角处出现应力集中，无法实施遍布模型的完全真三维加载，且无法实现变尺寸模型加载。

综合分析上述三维模型试验系统，可发现普遍存在一个问题：即进行模型试验三维加载时，各个加载面上随着油压千斤顶的加载，当模型体压缩变形量较大的话，两个相邻面上的承压板会相互妨碍，即“打架”或“边角效应”现象，导致无法进一步加载。对于该问题，部分采用预留压缩量的方式，即使相邻两个加载方向的承压板尺寸小于模型体，但该方式使模型体边角处无法受力，导致整个模型体受力不均匀；另一种方式是加设导向框装置，即在模型六个面上开设六个窗口，承压板部分嵌入导向框内，因此预留了框架宽度的压缩余量。但当压缩量过大时仍然产生妨碍现象。对于盐岩、泥岩等软弱材料，蠕变性高、压缩量大，采用预留压缩的方式更易导致打架现象的出现。因此，亟需研究一种可实现遍布模型的完全真三维加载的新型模型试验系统。

且上述模型试验系统，其尺寸固定，容纳的模型体尺寸固定。一套装置只可进行同一尺寸的模型体试验，造成较大资源浪费。亟待研究容纳模型尺寸可调、多功能的三维模型装置。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种地质力学模型试验真三维滑动式变尺寸加载箱装置，其结构简单，操作方便，可使模型体在压缩整个过程保持规整，各个方向变形均匀，遍布模型体的所有部位都能加压至预定荷载值，消除了应力集中现象，真实、有效地实现地下工程模型的三维加载。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种用于地质力学模型试验的真三维滑动式变尺寸加载箱装置，包括真三维加载箱与千斤顶，其特征在于：所述的真三维加载箱由六块承压板组成，每块承压板具有内表面、外表面以及四个侧面，在所述的每块承压板的外表面上设置有所述的千斤顶，每块承压板的第一侧面和第二侧面均分别位于相邻两承压板的内表面，所述的第一侧面和第二侧面相邻。

在每块承压板上的第三侧面上设置有一导向板。

在所述千斤顶前端与承压板外表面之间设置有滚珠轴承。

在所述的承压板的内表面设置有减摩材料层，所述减摩材料层为聚四氟乙烯基复合板。所述真三维滑动式变尺寸加载箱由六块刚性承压板相互交错组成，两两相对的承压板分别负责与其垂直方向的荷载施加；模型体置于真三维滑动式变尺寸加载箱内部，模型体的六个面完全被刚性承压板覆盖住，模型体的任一边线均同时与两块板接触。模型体每个模型面分别与相邻两承压板侧面位于同一水平线，与另一承压板的加载面接触；模型体的上表面与前承压板和左承压板的上缘位于同一水平面上，其下表面与后承压板和右承压板的下缘位于同一水平面上。上承压板置于前承压板和左承压板的上缘，上承压板的两个边缘与后承压板和右承压板相接触。相应地，下承压板与模型体下表面相接触。

所述承压板为5cm厚刚性钢板，六块刚性承压板通过三对正交的导向装置紧密连接。所述导向装置为承压板侧面设置的导向板，可使与其垂直的承压板随模型体收缩变形而滑动。其中前承压板与下承压板连接，后承压板与上承压板连接，导向垂向方向；右承压板与前承压板连接，左承压板与后承压板连接，导向左右方向；上承压板与右承压板连接，下承压板与左承压板连接，导向前后方向。

所述承压板与模型体的接触面及与其他承压板接触的侧面上均粘贴有聚四氟乙烯基复合减摩板，可有效减小承压板与模型体之间，以及承压板之间滑动过程的摩擦力。

所述油压千斤顶布置在滑动式加载箱外侧，千斤顶加载面上设置有滚珠轴承，分别与加载箱六个面相接触。加载时，加载箱随着千斤顶施压而产生位移。

当进行真三维模型试验时，三对承压板同时施加三个方向荷载；当进行平面模型试验时，两对承压板施加两个方向荷载，另外一对承压板则可灵活向外滑动以适应模型体的增量变形。前承压板、左承压板和上承压板，沿垂线方向与后承压板、右承压板和下承压板发生相对位移，则模型体沿垂线方向压缩；上承压板，后承压板和左承压板沿着前后方向与下承压板、前承压板和右承压板产生相对位移，模型体就会在前后方向受压缩；左承压板，下承压板和前承压板沿着左右方向与右承压板、上承压板和后承压板发生相对位移，模型体左右方向受压缩。模型体置于六块滑动式刚性承压板之间，当模型体在独立的三个主应力下产生即使是交大的应变时，模型体也仍保持完整的六面体。

本发明同其他三维模型试验系统相比，具有如下明显优势：

1).解决了相邻两个加载面的互相妨碍的问题； 

2).模型体各边的尺寸可任意变换，适应了多种规模模型体的加载，突破了以往一套加载系统对应一种模型的弊端，实现了加载系统的多用途；

3).遍布模型体各部位完全受力，模型体受力均匀，消除了边角处的零压力现象和加载板端部的应力集中；

4).模型体压缩量无限制，可方便施加任何预定应力，尤其适用于盐岩、泥岩等软弱材料的真三维试验；

5).模型加载过程中主应力方向可任意调换，有利于模拟复杂的深部地应力状态；

6).自由滑动，在试验过程中保持90度，保持了模型体规整；

7).加载功能多，既可进行三维模型试验，也可进行平面应变模型试验；

8).该发明设计巧妙，装置新颖，结构简单，可广泛应用于水电、交通、能源、国防等领域的深部地下工程模型真三维模拟。

附图说明

图1为真三维滑动式变尺寸加载箱装置示意图；

图2为本发明油压千斤顶与滚珠轴承示意图；

图3为本发明承压板结构示意图； 

图4为真三维滑动式变尺寸加载箱装置分离图；

图中，1.上承压板，2.下承压板，3.左承压板，4.右承压板，5.前承压板，6.后承压板，7.模型体，8.油压千斤顶，9.导向板，10.滚珠轴承，11.内表面，12.外表面，13.第一侧面，14.第二侧面，15.第三侧面，16.第四侧面。

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。

一种地质力学模型试验的真三维滑动式变尺寸加载箱装置，包括滑动式加载箱与油压千斤顶8。模型体7置于滑动式加载箱之内，油压千斤顶与加载箱外部紧密接触，真三维滑动式加载箱由六块承压板组成，每块承压板具有内表面11、外表面12以及第一侧面13、第二侧面14、第三侧面15以及第四侧面16四个侧面，第一侧面13和第二侧面14相邻。在每块承压板的外表面12上连接油压千斤顶8，每块承压板的第一侧面13和第二侧面14均分别位于相邻两承压板的内表面，参照图1，即上承压板1的第一侧面13位于右承压板的内表面，上承压板1的第二侧面14位于后承压板6的内表面。

所述真三维滑动式变尺寸加载箱由六块刚性承压板相互交错组成，两两相对的承压板分别负责与其垂直方向的荷载施加；模型体7置于真三维滑动式变尺寸加载箱内部，模型体7的六个面完全被刚性承压板覆盖住，模型体7的任一边线均同时与两块板接触。模型体每个模型面分别与相邻两承压板侧面位于同一水平线，与另一承压板的加载面接触；模型体的上表面与前承压板5和左承压板3的上缘位于同一水平面上，其下表面与后承压板6和右承压板4的下缘位于同一水平面上。上承压板1置于前承压板5和左承压板3的上缘，上承压板1的两个边缘与后承压板6和右承压板4相接触。相应地，下承压板2与模型体7下表面相接触。

所述承压板为5cm厚刚性钢板，六块刚性承压板通过三对正交的导向装置紧密连接。所述导向装置为承压板侧面设置的导向板9，可使与其垂直的承压板随模型体收缩变形而滑动。其中前承压板5与下承压板2连接，后承压板6与上承压板1连接，导向垂向方向；右承压板4与前承压板5连接，左承压板3与后承压板6连接，导向左右方向；上承压板1与右承压板4连接，下承压板2与左承压板3连接，导向前后方向。

所述承压板与模型体7的接触面及与其他承压板接触的侧面上均粘贴有聚四氟乙烯基复合减摩板，可有效减小承压板与模型体7之间，以及承压板之间滑动过程的摩擦力。

所述油压千斤顶8布置在滑动式加载箱外侧，油压千斤顶加载面上设置有滚珠，分别与加载箱六个面相接触。加载时，加载箱随着油压千斤顶施压而产生位移。

当进行真三维模型试验时，三对承压板同时施加三个方向荷载；当进行平面模型试验时，两对承压板施加两个方向荷载，另外一对承压板则可灵活向外滑动以适应模型体的增量变形。前承压板5、左承压板3和上承压板1，沿垂线方向与后承压板6、右承压板4和下承压板2发生相对位移，则模型体7沿垂线方向压缩；上承压板1，后承压板6和左承压板3沿着前后方向与下承压板2、前承压板2和右承压板4产生相对位移，模型体7就会在前后方向受压缩；左承压板3，下承压板2和前承压板5沿着左右方向与右承压板、上承压板1和后承压板6发生相对位移，模型体左右方向受压缩。模型体7置于六块滑动式刚性承压板之间，当模型体在独立的三个主应力下产生即使是较大的应变时，模型体7也仍保持完整的六面体结构。

Claims (4)

1.一种用于地质力学模型试验的真三维滑动式变尺寸加载箱装置，包括真三维加载箱与千斤顶，所述的真三维加载箱由六块承压板组成，每块承压板具有内表面、外表面以及四个侧面，在所述的每块承压板的外表面上设置有所述的千斤顶，其特征在于：每块承压板的第一侧面和第二侧面均分别位于相邻两承压板的内表面，所述的第一侧面和第二侧面相邻。

2.根据权利要求1所述的真三维滑动式变尺寸加载箱装置，其特征在于：在每块承压板上的第三侧面上设置有一导向板。

3.根据权利要求1或2所述的真三维滑动式变尺寸加载箱，其特征在于：在所述千斤顶前端与承压板外表面之间设置有滚珠轴承。

4.根据权利要求3所述的真三维滑动式变尺寸加载箱，其特征在于：在所述的承压板的内表面设置有减摩材料层，所述减摩材料层为聚四氟乙烯基复合板。

Images