CN108124460B - 智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统 - Google Patents

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Abstract

一种智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，包括组合式台架反力装置，超高压真三维非均匀加卸载装置，智能液压加卸载与稳压数控系统、模型位移自动测试系统和高清多探头窥视系统；超高压真三维非均匀加卸载装置设置于组合式台架反力装置内对试验模型进行超高压真三维加卸载，智能液压加卸载与稳压数控系统通过高压油管与所述超高压真三维非均匀加卸载装置连接；通过智能液压加卸载与稳压数控系统的输入指令数字伺服控制所述的超高压真三维非均匀加卸载装置进行超高压真三维梯度非均匀加卸载与稳压控制；模型位移自动测试系统自动采集模型内部任意部位的位移；所述的高清多探头窥视系统实时动态观测洞室开挖变形破坏过程。

Description

智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统
技术领域
本发明涉及一种在水电、交通、能源、矿山和国防等深部地下洞室工程领域使用的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统。
背景技术
随着全球经济的迅速发展，地球浅部矿物资源逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部，同时人类生存发展需求和对未知世界的探索也不断拓展着地下活动空间。目前中国许多在建和即将新建的地下工程不断进入深部，如，交通隧洞、矿山巷道、水电洞室、油气储库等都逐渐向千米和数千米深度发展。随着地下工程开挖深度的不断增加，深部洞室围岩的地质赋存环境越来越复杂，在高地应力、高渗透压力、高地温和开挖扰动的“三高一扰”条件下，深部洞室出现与浅埋洞室显著不同的非线性变形破坏现象，如：大变形、分区破裂、岩爆、突水突泥、煤与瓦斯突出等灾害事故，常常造成重大人员伤亡与经济损失和恶劣的社会影响。浅部岩体的传统理论、方法和技术已无法解决深部岩体的非线性破坏问题，亟需对深部洞室围岩的非线性变形特征与破坏机理进行深入研究。然而，面对深部洞室复杂的非线性变形破坏现象，传统理论方法难以胜任，数值模拟困难重重，现场原位试验条件受限且费用昂贵，相比之下，地质力学模型试验以其形象、直观、真实的特性成为研究深部洞室非线性变形破坏规律的重要手段。与MTS只能研究小尺寸岩芯试件的力学特性不同，地质力学模型试验是根据相似原理采用缩尺地质模型来研究工程施工与变形破坏过程的一种物理模拟方法。地质力学模型试验能为数值模拟提供补充和验证，可以精细模拟地下洞室开挖非线性变形破坏过程和洞群体系的整体安全度，对于发现新现象、揭示新机理、探索新规律和验证新理论，具有不可替代的重要作用。要开展地下工程模型试验，就必须拥有地质力学模型试验系统，目前有关地质力学模型试验系统的研究现状如下：
(1)《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》2007年44期介绍了一种模拟矿山开采的三维模型试验系统，但无法实施真三维非均匀加卸载。
(2)《Tunnelling and Underground Space Technology》2008年23期介绍了一种模拟砂土管棚施工的地质力学模型试验系统，该系统只能实施自重应力加载，无法实现真三维非均匀加卸载。
(3)《International Journal of Engineering Geology》2011年121期介绍了一种PFESA(Physically Finite Elemental Slab Assemblage)模型试验系统，该系统只能进行平面应力均匀加载，无法实现真三维非均匀加卸载。
(4)《International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences》2011年48期介绍了一种准三维地质力学模型试验系统，系统单面最大工作压力为300KN，可模拟平面应变状态，但无法实现真三维非均匀加卸载。
(5)《Tunnelling and Underground Space Technology》2015年第50期介绍了一种平面应力试验装置，装置只能竖向自重加载，无法实现真三维非均匀加卸载。
(6)《International Journal of Engineering Geology》2015年197期介绍了一种模型试验系统，系统通过模型体中内置的气囊施加气压，模型体周围采用被动约束，无法实现真三维非均匀加卸载。
(7)《武汉水力电力大学学报》1992年第5期介绍了一种平面应力加载系统，由气泵控制压力逐级加载或卸载，该系统只能进行平面加载，无法实现真三维非均匀加卸载。
(8)《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试验装置，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，该装置加载试件尺寸较小且无法实现高地应力非均匀加卸载。
(9)《水利学报》2002第5期介绍了一种离散化多主应力面加载试验系统，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，加载系统无法实现高地应力真三维非均匀加卸载。
(10)《土木工程学报》2005年第12期介绍了一种岩土地质力学模型试验系统，主要由台架反力装置、变荷加载板、液压加载控制试验台组成，该系统只能进行平面应变加载且加载荷载值有限，无法实施深部洞室真三维加卸载。
总的来看，目前国内外地质力学模型试验系统普遍存在如下问题：
1)模型试验系统的加载反力装置尺寸固定，不能根据试验模型范围任意调整；
2)模型试验系统多以平面、准三维、小尺寸和均匀加载为主，无法实施真三维非均匀加卸载过程；
3)模型试验系统加荷量值小，无法通过超高压加载真实模拟深部岩体的高应力分布状态；
4)模型试验系统无法自动采集模型内部任意部位的位移。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种数字伺服控制、加荷量值大、加载精度高、稳压性能好、装置尺寸大且可调、可模拟超高压非均匀加卸载与稳压过程，并直接观察洞室开挖变形破坏过程的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，包括组合式台架反力装置，超高压真三维非均匀加卸载装置，智能液压加卸载与稳压数控系统、模型位移自动测试系统和高清多探头窥视系统；
所述组合式台架反力装置采用可拆卸的盒式构件连接组合而成，其尺寸可调，该装置用于容纳试验模型并作为试验加载的反力装置，所述超高压真三维非均匀加卸载装置设置于组合式台架反力装置内对试验模型进行超高压真三维加卸载，所述智能液压加卸载与稳压数控系统通过高压油管与所述超高压真三维非均匀加卸载装置连接；通过所述的智能液压加卸载与稳压数控系统的输入指令数字伺服控制所述的超高压真三维非均匀加卸载装置进行超高压真三维梯度非均匀加卸载与稳压控制；所述的模型位移自动测试系统自动采集模型内部任意部位的位移；所述的高清多探头窥视系统实时动态观测洞室开挖变形破坏过程。
进一步的，所述的组合式台架反力装置采用可拆卸的盒式构件连接组合而成，包括盒式底梁、盒式顶梁、盒式左立柱、盒式右立柱、盒式前反力墙构件、盒式后反力墙构件；所述的盒式底梁、盒式顶梁上下分布，通过盒式左、右立柱相连，形成一个矩形框架结构，矩形框架的前后设有盒式前反力墙构件和盒式后反力墙构件，整个组合式台架反力装置通过连接装置组合而成。
进一步的，在所述的盒式前反力墙中部设置了透明开挖窗口，所述的透明开挖窗口主要由高强钢骨架和钢化玻璃面板组成，在钢化玻璃面板中央设置了洞室开挖窗口。
进一步的，所述的超高压真三维非均匀加卸载装置包含多个加载单元，分别固定在组合式台架反力装置的上、下、左、右、后五个面上进行主动真三维加载，模型正面采用位移约束的被动加载方式。
进一步的，所述的加载单元有33个，其被分成8组，其中模型顶部设置的6个加载单元为第1组，模型底部设置的6个加载单元为第2组，模型左右两面分别设置6个加载单元，从上往下被分成3组，每组包含4个加载单元；模型后面设置9个加载单元，从上往下被分成3组，每组包含3个加载单元。
进一步的，8组加载单元分别由智能液压加卸载与稳压数控系统控制的8个油路通道进行独立、同步超高压梯度非均匀加卸载。
进一步的，每个加载单元包含1个液压千斤顶和1个台形传力加载模块；台形传力加载模块的底部紧贴模型表面的加载钢板，台形传力加载模块的顶部采用连接装置与液压千斤顶前端相连，液压千斤顶的后端通过连接装置连接在组合式台架反力装置的内壁上；利用台形传力加载模块和组合式台架反力装置可将液压千斤顶的荷载均匀施加到试验模型体上。
进一步的，紧靠试验模型体外面设置了加载导向框装置，导向框装置由不锈钢方管焊接而成；加载前，模型加载钢板紧贴试验模型表面并嵌入导向框装置内一定深度。
进一步的，所述的智能液压加卸载与稳压数控系统主要由可视化人机交互系统、PLC液压数控系统和超高压执行系统组成；所述的可视化人机交互系统与PLC液压数控系统进行信息传输；所述的PLC液压数控系统和超高压执行系统进行信息传输。
进一步的，所述的可视化人机交互系统包括人机界面HMI，PC监控系统和软件系统；所述的PLC液压数控系统包括中央控制单元、压力输出单元和压力检测单元，所述的超高压执行系统包括液压油路系统和液压千斤顶；所述的软件系统安装在所述的人机界面HMI和PC监控系统上，所述的PC监控系统与所述的中央控制单元、人机界面HMI之间进行信息的传输；人机界面HMI与所述的中央控制单元也进行信息的传输，所述的中央控制单元控制压力输出单元，压力输出单元控制液压油路系统，液压油路系统控制液压千斤顶；所述的压力检测单元检测液压千斤顶的压力信息并反馈给中央控制单元，中央控制单元将检测到的压力信息同步传输给人机界面HMI或PC监控系统，并在人机界面HMI或PC监控系统上显示。
所述的液压油路系统包括步进电机、油泵、步进溢流阀、O型三位四通电磁换向阀、电磁球阀保压阀和同步阀；步进溢流阀用于调节油路压力，O型三位四通电磁换向阀用于控制油路的流向，电磁球阀保压阀用于保压，同步阀用于同步加载。所述的步进电机启动油泵，将液压油泵入油路，后进入步进溢流阀，PLC液压数控系统根据压力检测单元实时检测的压力反馈信息，控制步进电机调节步进溢流阀的阀芯前进或者后退，实现油路压力的减小或者增大，从而完成加卸载过程；当液压油路系统的压力发生变化时，PLC液压数控系统便会伺服控制步进溢流阀进行增压或者降压，实现瞬时补压，并通过电磁球阀保压阀使加载系统保持稳压状态。另外，通过步进溢流阀的变频调试，结合步进电机的无极调速，可以将液压油路系统的启动压力降低到0MPa，实现加压零起步。
具体的，当对模型进行加卸载时，操作人员通过可视化人机交互系统的人机界面HMI或PC监控系统输入加卸载荷载值，可视化人机交互系统将加卸载指令下达到PLC液压数控系统；PLC液压数控系统将数字压力信号转换为电信号传输给超高压执行系统，超高压执行系统接收电信号，并控制步进电机调节步进溢流阀的阀芯前进或者后退，实现油路压力的减小或者增大，从而完成加卸载过程。通过步进溢流阀驱动系统的变频调试可以将加载压力降低到0MPa，实现加压零起步。压力检测单元实时动态检测液压千斤顶的压力变化，并将压力变化信息及时反馈给PLC液压数控系统的中央控制单元，中央控制单元将处理后的数字压力信息同步传输给人机界面HMI或PC监控系统，并在人机界面HMI或PC监控系统上显示。油路压力变化历史由人机交互系统自动储存。
进一步的，所述的模型位移自动测试系统主要由位移传递装置、位移测量装置、信号转换装置、数据处理装置和计算机系统组成；所述的位移传递装置检测试验模型的位移，并通过位移测量装置将位移信息传给信号转换装置，所述的信号转换装置与数据处理装置进行信息的传输，所述的数据处理装置与计算机进行信息传输。
进一步的，当模型体产生位移时，位移传递装置通过柔性测杆将模型测点位移传递给位移测量装置，位移测量装置通过其光栅尺传感器将模型测点位移转化为莫尔条纹位移；信号转换装置通过其光电转换元件将莫尔条纹位移转换为电脉冲信号，并传输给数据处理装置；数据处理装置接收电脉冲信号并将电脉冲信号转化为数字信号，从而计算出模型位移，并在计算机界面上实时存储和显示，同时自动生成模型位移时程曲线，供试验人员动态观察和监控模型位移，实现模型位移自动量测的数字化、可视化和智能化。
进一步的，所述的高清多探头窥视系统主要由微型高清探头、高速摄像控制面板、数据存储箱及液晶显示器组成；所述的微型高清探头有多个，多个微型高清探头布置在模型洞室内、外任意部位；所采集到的录像一方面在自带液晶显示器上实时显示，另一方面自动存储在数据存储器中。
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)本发明加荷量值大(系统额定出力63MPa、最大加载45 000kN)，可进行超高压真三维非均匀加卸载与稳压控制，可精细模拟埋深千米以上深部岩体的高地应力非均匀分布状况和深部洞室开挖的非线性变形破坏过程，解决了现有地质力学模型试验系统低压、均匀加载的技术难题。
(2)本发明加载精度高(1.5‰F.S.)，稳压时间长(超过300天)。通过步进溢流阀驱动系统的变频调试实现加压零起步；通过智能液压加卸载与稳压数控系统可进行任意加卸载循环模型试验，解决了现有地质力学模型试验系统加载精度低、稳压时间短、不能零起步加压，无法进行加卸载循环试验的技术难题。
(3)本发明加荷范围广，加卸载自动化程度高，可以进行63MPa以下的任意加卸载，既可以模拟超深埋高地应力环境下的洞室破坏，也可以模拟浅埋低地应力环境下的洞室破坏。
(4)本发明台架反力装置采用模块化组合结构，试验装置规模大且尺寸可调，能根据模型试验范围任意调整反力装置的尺寸，以满足不同规模模型试验的要求，解决了现有地质力学模型系统的反力装置尺寸固定不可调的技术难题。
(5)本发明模型位移测试通过柔性传递技术和光电转换技术，能自动测试模型内部任意部位的位移，位移测量精度达0.001mm，具有测试性能稳定，不受外界电磁场干扰等优点，解决了现有地质力学模型试验不能有效测试模型体内任意部位位移的技术难题。
(6)本发明配备形状与尺寸可变的可拆卸透明开挖视窗和高清多探头窥视系统，可实时动态观测洞室开挖变形破坏过程。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的整体结构平面设计图；
图2为本发明的组合式台架反力装置三维设计图；
图3为本发明的组合式台架反力装置正视平面图；
图4为本发明的组合式台架反力装置侧视平面图；
图5为本发明的组合式台架反力装置俯视平面图；
图6为本发明的组合式台架反力装置内部三维设计图；
图7为本发明的超高压真三维非均匀加卸载装置三维设计图；
图8为本发明的传力加载单元平面设计图；
图9为本发明的开挖视窗平面设计图；
图10为本发明的系统油路设计图；
图11为本发明的系统电路设计图；
图12为本发明的加压控制流程图；
图13为本发明的模型位移自动测试系统的工作流程图；
图14为本发明的模型位移自动测试系统的光电转换原理图；
图15为本发明的位移传递装置与位移测量装置连接图；
图16为深埋碳酸盐岩油藏古溶洞成型垮塌破坏模型试验全景照片；
图17为深埋碳酸盐岩油藏古溶洞成型垮塌破坏近景照片；
图18为古溶洞成型垮塌后模型洞周位移分布图；
图19为古溶洞成型垮塌后模型洞周径向应力分布图。
其中：1.组合式台架反力装置，2.超高压真三维非均匀加卸载装置，3.智能液压加卸载与稳压数控系统，4.模型位移自动测试系统，5.高清多探头窥视系统，6.盒式顶梁，7.盒式底梁，8.盒式左右立柱，9.盒式前反力墙，10.盒式后反力墙，11.液压千斤顶，12.超高压传力加载模块，13.三维加载导向框装置，14.模型加载钢板，15.高压油管，16.高强螺栓，17.钢角件，18.试验模型，19.模型洞室，20.拉筋，21.千斤顶法兰盘，22.传力加载模块顶板，23.传力加载模块底板，24.传力加筋肋板，25.洞室开挖视窗，26.隔板，27.钢骨架，28.钢化玻璃面板，29.PC监控系统，30.PLC液压数控系统，31.超高压执行系统，32.网线，33.电缆，34.油箱，35.滤油器，36.步进电机，37.油泵，38.步进溢流阀，39.压力传感器，40.O型三位四通电磁换向阀，41.电磁球阀保压阀，42.同步阀，43.集流阀，44.可编程控制器，45.人机界面HMI，46.传感器系统，47.变频油泵驱动系统，48步进溢流阀驱动系统，49.电磁阀驱动系统，50.位移测点，51.PVC套管，52.柔性细钢丝绳，53.减摩定位盘，54.光栅尺传感器，55.位移传递滑轮，56.自平衡吊锤，57.位移测试基准架,58.溶洞成型垮塌破坏模式。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中所述的“超高压”是指该系统的加载压力可达到63MPa。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统包括组合式台架反力装置1，超高压真三维非均匀加卸载装置2，智能液压加卸载与稳压数控系统3、模型位移自动测试系统4和高清多探头窥视系统5。超高压真三维非均匀加卸载装置2设置于组合式台架反力装置1内，智能液压加卸载与稳压数控系统3通过高压油管15与超高压真三维非均匀加卸载装置2连接。整套模型试验系统通过智能液压加卸载与稳压数控系统3输入的加卸载指令数字伺服控制真三维加载装置2进行超高压真三维梯度非均匀加卸载与稳压控制。模型试验过程中通过模型位移自动测试系统4自动采集模型内部任意部位的位移，通过高清多探头窥视系统5实时动态观测模型洞室19开挖变形破坏状况。
如图1至图6所示，组合式台架反力装置1采用可拆卸的盒式构件连接组合而成，其尺寸可调，主要用于容纳试验模型18并作为试验加载的反力装置。组合式台架反力装置1的尺寸可以根据模型试验范围任意调整，包括盒式顶梁6、盒式底梁7、盒式左右立柱8、盒式前反力墙9，盒式后反力墙10等部件，各部件均采用厚度25mm的高强度钢板加工制作，并通过高强螺栓16、钢角件17和拉筋20连接组合而成。组合式台架反力装置1长5.05m、高4.85m、厚3.6m，试验模型18的净尺寸为长2.5m、高2.5m、厚2.0m。
为控制组合式台架反力装置1的变形，组合式台架反力装置1的盒式前反力墙9和盒式后反力墙10的上、下部位通过8根拉筋20予以拉紧加强。组合式台架反力装置1采用模块化组合结构型式，其尺寸可变，能根据试验模型18的大小任意调整，克服了目前大部分模型试验反力装置尺寸固定、不能够根据模型试验范围进行灵活调整的缺陷。
如图1、图6和图7所示，超高压真三维非均匀加卸载装置2设置于组合式台架反力装置1内，由33个独立加载单元组成，分别固定在组合式台架反力装置1的上、下、左、右、后五个面上进行主动真三维加载，模型正面为方便洞室开挖采用位移约束的被动加载方式。
在模型上、下、左、右每个面上各分布6个加载单元，盒式后反力墙10上分布9个加载单元。33个加载单元被分为8组，模型顶部6个加载单元为1组，模型底部6个加载单元为1组，模型左、右侧面加载单元从上往下被分成三个梯度加载层，每层4个加载单元为1组，共3组；模型后面加载单元从上往下被分成3个梯度加载层，每层3个加载单元为1组，共3组。8组加载单元分别由智能液压加卸载与稳压数控系统3控制的8个油路通道进行独立、同步超高压梯度非均匀加卸载。
如图7、图8所示，每个加载单元分布1个液压千斤顶11和1个台形传力加载模块12，液压千斤顶11的额定出力为5000KN、油缸直径280mm、行程100mm。台形传力加载模块12由顶板22(长200mm、宽200mm、厚30mm)、底板23(长500mm、宽500mm、厚30mm)和8块厚度为25mm的传力加筋肋板24焊接而成，传力加筋肋板24彼此呈45°夹角均匀分布于间距为110mm的顶板22和底板23之间。液压千斤顶11的后端通过法兰盘21与组合式台架反力装置1连接，液压千斤顶11的前端通过高强螺栓与台形传力加载模块12的顶板22连接。台形传力加载模块12的底板23紧贴试验模型18的加载钢板14，从而将每个加载单元的出力有效传递到试验模型18表面。利用台形传力加载模块12和组合式台架反力装置1可将液压千斤顶11的荷载均匀施加到试验模型18上。
如图1、图6、图7所示，为保证试验模型在真三维加载过程中不受相邻加载的干扰，紧靠试验模型体18外面设置了三维加载导向框13，三维加载导向框13设置在试验模型18的相邻加载面交界处，由12根横截面尺寸为100mm×100mm的不锈钢方管焊接而成。模型加载钢板14紧贴试验模型18的表面并嵌入三维加载导向框13内一定深度，从而保证试验模型在各自加载方向不受相邻加载面的干扰。模型加载钢板14在预定位置设有测试电缆引线孔。
如图2、图3、图9所示，在组合式台架反力装置1的盒式前反力墙9的中部设置了洞室开挖视窗25，其通过高强螺栓与组合式台架反力装置1的盒式前反力墙9连接，洞室开挖视窗25长750mm、宽750mm、厚500mm。洞室开挖视窗25主要由隔板26、钢骨架27、钢化玻璃面板28和在钢化玻璃面板28上切割的模型洞室开挖口19组成。通过拆卸更换包含不同形状尺寸洞室19的钢化玻璃面板28，可方便进行模型洞室19的开挖及观察洞周变形破坏现象。
如图10所示，智能液压加卸载与稳压数控系统3由PC监控系统29、PLC液压数控系统30、超高压执行系统31组成。PC监控系统29和PLC液压数控系统30通过网线32连接，PLC液压数控系统30和超高压执行系统31通过电缆33连接，形成对压力的全闭环控制。油路中的液压油由油箱34经滤油器35、油泵37、步进溢流阀38、O型三位四通电磁换向阀40、电磁球阀保压阀41、同步阀42进入液压千斤顶11，之后经过集流阀43进入O型三位四通电磁换向阀40形成回流。步进溢流阀38用于调节油路压力；O型三位四通电磁换向阀40用于控制油路流向；电磁球阀保压阀41起保压作用；同步阀42的作用是保证同一路的不同液压千斤顶11实现同步加载。步进溢流阀38的调压过程是由步进电机36驱动步进溢流阀38的阀芯前进或者后退，当步进电机36驱使阀芯前进时，油路压力减小，反之油路压力增大。通过步进溢流阀驱动系统48的变频调试，结合步进电机36的无极调速，可以将系统启动压力降低到0MPa，实现加压零起步。PLC液压数控系统30可调整步进溢流阀38的压力变化速率，实现系统的循环加卸载。当液压千斤顶11的油压发生变化时，PLC液压数控系统30便会伺服控制步进溢流阀38进行增压或者降压，实现瞬时补压，使加载系统保持稳压状态。
超高压执行系统31被分成相互独立且并联的8个油路通道，每个油路通道单独控制超高压真三维非均匀加卸载装置2的1组加载单元，每个油路通道独立运行且互不干扰。试验过程中8个独立油路通道各自按实际地应力进行加载，其中顶部油路按σ顶＝γh顶进行加载，h顶为模型顶部地层实际埋深，底部油路按σ底＝γh底进行加载，h底为模型底部地层实际埋深，模型侧面和后面的三个梯度加载层则分别按σ梯1＝kγh梯1，σ梯2＝kγh梯2，σ梯3＝kγh梯3进行加载，其中γ为岩体容重，k为地应力侧压系数，h梯为各梯度加载层处地层实际埋深，从而实现随深度变化的真三维梯度非均匀加载。
如图11所示，PLC液压数控系统30包括人机界面(HMI)45、可编程控制器44、传感器系统46、变频油泵驱动系统47、步进溢流阀驱动系统48、电磁阀驱动系统49。首先，操作人员通过人机界面(HMI)45输入加卸载指令，可编程控制器44作为中央处理器，将输入的加卸载指令转换成电信号分别传输给变频油泵驱动系统47、步进溢流阀驱动系统48和电磁阀驱动系统49；然后，变频油泵驱动系统47控制油泵37将液压油泵入油路，步进溢流阀驱动系统48控制步进电机36推动步进溢流阀38的阀芯前进或者后退,实现油路压力的减小或增大。电磁阀驱动系统49控制O型三位四通电磁换向阀40、电磁球阀保压阀41的开启或关闭，实现油路的分流与保压；最后，传感器系统46将检测到的油路压力信息及时反馈到可编程控制器44以处理成数字压力信号，从而在人机界面HMI45上实时动态显示。
如图12所示，智能液压加卸载与稳压数控系统的加压控制流程为：操作人员通过可视化人机交互系统的人机界面HMI45或者PC监控系统29输入加卸载指令，可视化人机交互系统将加卸载指令转化成数字压力信号传递给PLC液压数控系统30。PLC液压数控系统30接收数字压力信号，并由PLC液压数控系统的中央控制单元将数字压力信号转换成电信号，然后通过压力输出单元传输到超高压执行系统31，超高压执行系统31接收电信号从而控制步进电机的开启、关闭以及步进溢流阀阀芯的前进、后退以及各种电器元件的操作，实现液压千斤顶的加载、卸载和保压功能。PLC液压数控系统30的压力检测单元实时动态对油路压力值进行检测，并将压力变化信息及时反馈到中央控制单元以处理成数字信号，从而在可视化人机交互系统上实时动态显示，并将加卸压历史存储在PC监控系统29内。
如图13所示，模型位移自动测试系统4主要由位移传递装置、位移测量装置、信号转换装置、数据处理装置和计算机系统组成。模型位移自动测试系统4的基本工作流程是：当模型体产生位移时，位移传递装置首先通过其柔性测杆将模型测点位移传递给位移测量装置，位移测量装置通过其光栅尺传感器将模型测点位移转化为莫尔条纹位移；然后，信号转换装置通过其光电转换元件将莫尔条纹位移转换为电脉冲信号，并传输给数据处理装置；最后，数据处理装置接收电脉冲信号，并将电收脉冲信号转化为数字信号，从而计算出模型位移，并在计算机上实时存储和显示，同时自动生成模型位移时程曲线，供试验人员动态观察和监控模型位移，实现了模型位移自动量测的数字化、可视化和智能化。
位移测量装置为光栅尺传感器54，它是利用莫尔条纹移动来测量模型测点位移的高精度光学测试元件，由指示光栅和标尺光栅组成；信号转换装置由光电转换元件组成，它的作用是将莫尔条纹移动的光学信号转换为电脉冲信号；数据处理装置采用可编程序控制器，它将预先编制好的程序存储在中央控制单元的内存中，负责接收信号转换装置输出的电脉冲信号，并将电收脉冲信号转化为数字信号，从而计算出模型位移，并在计算机上实时存储和显示，并自动生成模型位移时程变化曲线。
如图14所示，模型位移自动测试系统4通过光电转换技术实现模型位移的自动检测，位移测试的光电转换原理是：试验模型体18变形带动预埋测点位移，测点位移通过位移传递装置的柔性测杆传递给位移测量装置的光栅尺传感器，从而引起光栅尺传感器的指示光栅与标尺光栅相对移动，当指示光栅与标尺光栅产生相对位移时，在光源照射下，指示光栅与标尺光栅的线纹重叠将会产生黑白相间的莫尔条纹，莫尔条纹的移动量与指示光栅和标尺光栅之间的相对位移相对应。对于莫尔条纹的移动量可以通过光电转换元件将光信号转换为电脉冲信号，并通过数据处理装置将电脉冲信号转化为数字位移，最终在工控计算机中自动存储和同步实时显示
如图15所示，位移传递装置包括位移测点50、PVC套管51、柔性细钢丝绳52、减摩定位盘53、位移传递滑轮55和自平衡吊锤56。位移测点50为锰钢材料制作的体积较小的齿轮状预埋物。位移测杆由PVC套管51、柔性细钢丝绳52和减摩定位盘53组成。位移测杆采用轴向无变形、可随意弯曲的柔性细钢丝绳52制作，钢丝绳直径为0.5mm，由49股细钢丝绞合而成，细钢丝绳外部套内径4mm、外径6mm的透明PVC套管51作保护。位移测杆的制作方法是：采用AB胶将柔性细钢丝绳52与位移测点50固定，将柔性细钢丝绳52穿过减摩定位盘53的定位孔(定位孔用来隔离柔性细钢丝测绳52，使其在固定通道中能沿轴向运动而不互相接触、也不与PVC套管51接触，这可保证柔性细钢丝测绳52以很高的精度传递测点位移)，并将穿过有柔性细钢丝绳52的减摩定位盘53固定在透明PVC套管51内，由此便制成位移测杆。试验时，位移测点50预埋在模型体18内部，位移测杆的柔性细钢丝绳52一端连接位移测点50，另一端从模型组合式台架反力装置1的预留电缆孔中引出穿过位移传递滑轮55与位移测量装置的光栅尺传感器54相连，柔性细钢丝绳52末端采用自平衡吊锤56将钢丝测绳52拉紧。
应用本发明对埋深近6000m的某碳酸盐岩深埋油藏古溶洞的成型垮塌破坏过程进行了三维地质力学模型试验，图16为深埋碳酸盐岩油藏古溶洞成型垮塌破坏模型试验全景照片，图17为深埋碳酸盐岩油藏古溶洞成型垮塌破坏近景照片，图18为古溶洞成型垮塌后模型洞周位移分布图，图19为古溶洞成型垮塌后模型洞周径向应力分布图。
由图16、图17分析知：由于洞区垂直应力大于水平构造应力，因此，油藏古溶洞成型垮塌破坏模式58基本上以张剪破坏为主，溶洞边墙破裂面近似平行于竖向最大主压应力方向，最终产生V型张剪破坏面。
由图18分析知：洞室顶部位移相对较大且比较均匀，表明成洞过程中溶洞顶板整体向下移动。洞室左、右边墙位移随离洞壁距离的增大而逐渐减小，其中靠近洞壁测点的位移相对最大，表明在高地应力深埋条件下靠近洞壁部位为洞室破坏最严重的区域。随着向洞外延伸，距离洞壁2.3倍洞跨处测点的位移衰减为0，说明该部位已在洞室破坏影响范围之外，溶洞垮塌破坏的最大影响范围为2.3倍洞跨。
由图19分析知：越靠近洞壁，洞周径向应力释放越严重，在距离洞壁2.3倍洞跨处测点的径向应力基本没有变化，说明该部位已在洞室破坏影响范围之外，溶洞垮塌破坏最大影响范围为2.3倍洞跨。
工程应用表明：本发明全景再现出了深埋碳酸盐岩油藏古溶洞的成型垮塌破坏过程，获得了古溶洞成型垮塌破坏围岩的非线性变形特征与应力变化规律，揭示了油藏古溶洞的成型垮塌破坏模式58，为优化碳酸盐岩油藏古溶洞石油开采工艺提供了重要试验依据，通过实际工程应用有力验证了本发明的可靠性。本发明在模拟能源、交通、水电和矿山等深埋地下洞室的非线性变形破坏机理方面具有重要应用前景。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (14)

1.一种智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，包括组合式台架反力装置，超高压真三维非均匀加卸载装置，智能液压加卸载与稳压数控系统、模型位移自动测试系统和高清多探头窥视系统；其特征在于，
所述超高压真三维非均匀加卸载装置设置于组合式台架反力装置内对试验模型进行超高压真三维加卸载，所述智能液压加卸载与稳压数控系统通过高压油管与所述超高压真三维非均匀加卸载装置连接；通过所述的智能液压加卸载与稳压数控系统输入的加卸载指令数字伺服控制所述的超高压真三维非均匀加卸载装置进行超高压真三维梯度非均匀加卸载与稳压控制；所述的模型位移自动测试系统自动采集模型内部任意部位的位移；所述的高清多探头窥视系统实时动态观测洞室开挖变形破坏过程。
2.如权利要求1所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，所述的组合式台架反力装置采用可拆卸的盒式构件连接组合而成，其尺寸可调，主要用于容纳试验模型并作为试验加载的反力装置；所述的组合式台架反力装置包括盒式底梁、盒式顶梁、盒式左立柱、盒式右立柱、盒式前反力墙构件、盒式后反力墙构件；所述的盒式底梁、盒式顶梁上下分布，通过盒式左、右立柱相连，形成一个矩形框架结构，矩形框架的前后设有盒式前反力墙构件和盒式后反力墙构件，整个组合式台架反力装置通过盒式构件连接组合而成。
3.如权利要求2所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，在所述的盒式前反力墙构件中部设置了透明开挖窗口，所述的透明开挖窗口包括高强钢骨架和钢化玻璃面板，在钢化玻璃面板中央设置了洞室开挖窗口。
4.如权利要求1所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，所述的超高压真三维非均匀加卸载装置包含多个加载单元，分别固定在组合式台架反力装置的上、下、左、右、后五个面上进行主动真三维加载，模型正面采用位移约束的被动加载方式。
5.如权利要求4所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，所述的加载单元有33个，其被分成8组，其中模型顶部设置的6个加载单元为第1组，模型底部设置的6个加载单元为第2组，模型左右两面分别设置6个加载单元，从上往下被分成3组，每组包含4个加载单元；模型后面设置9个加载单元，从上往下被分成3组，每组包含3个加载单元。
6.如权利要求5所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，8组加载单元分别由智能液压加卸载与稳压数控系统控制的8个油路通道进行独立、同步非均匀加卸载与稳压控制。
7.如权利要求5所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，每个加载单元包含1个液压千斤顶和1个台形传力加载模块；台形传力加载模块的底部紧贴模型表面的加载钢板，台形传力加载模块的顶部采用连接装置与液压千斤顶前端相连，液压千斤顶的后端通过连接装置连接在组合式台架反力装置的内壁上；利用台形传力加载模块和组合式台架反力装置可将液压千斤顶的荷载均匀施加到试验模型上。
8.如权利要求1所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，紧靠试验模型外面设置了三维加载导向框装置，三维加载导向框装置由不锈钢方管焊接而成；加载前，模型加载钢板紧贴试验模型表面并嵌入导向框装置内一定深度。
9.如权利要求1所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，所述的智能液压加卸载与稳压数控系统包括可视化人机交互系统、PLC液压数控系统和超高压执行系统；所述的可视化人机交互系统与PLC液压数控系统进行信息传输；所述的PLC液压数控系统和超高压执行系统进行信息传输。
10.如权利要求9所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，所述的可视化人机交互系统包括人机界面HMI，PC监控系统和软件系统；所述的PLC液压数控系统包括中央控制单元、压力输出单元和压力检测单元，所述的超高压执行系统包括液压油路系统和液压千斤顶；所述的软件系统安装在所述的人机界面HMI和PC监控系统上，所述的PC监控系统与所述的中央控制单元、人机界面HMI之间进行信息的传输；人机界面HMI与所述的中央控制单元也进行信息的传输，所述的中央控制单元控制压力输出单元，压力输出单元控制液压油路系统，液压油路系统控制液压千斤顶；所述的压力检测单元实时动态检测液压千斤顶的压力变化，并将压力变化信息及时反馈给中央控制单元，中央控制单元将处理后的数字压力信息同步传输给人机界面HMI或PC监控系统，并在人机界面HMI或PC监控系统上显示。
11.如权利要求10所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，所述的液压油路系统包括步进电机、油泵、步进溢流阀、O型三位四通电磁换向阀、电磁球阀保压阀和同步阀；步进溢流阀用于调节油路压力，O型三位四通电磁换向阀用于控制油路的流向，电磁球阀保压阀用于系统保压，同步阀用于同步加载；所述的步进电机启动油泵，将液压油泵入油路，后进入步进溢流阀，PLC液压数控系统根据压力检测单元实时检测的压力反馈信息控制步进电机调节步进溢流阀的阀芯前进或者后退，实现油路压力的减小或者增大，从而完成加卸载过程；当液压油路系统的压力发生变化时，PLC液压数控系统便会伺服控制步进溢流阀进行增压或者降压，实现瞬时补压，并通过电磁球阀保压阀使加载系统保持稳压状态；通过步进溢流阀的变频调试，结合步进电机的无极调速，可以将液压油路系统的启动压力降低到0MPa，实现加压零起步。
12.如权利要求1所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，所述的模型位移自动测试系统包括位移传递装置、位移测量装置、信号转换装置、数据处理装置和计算机系统；所述的位移传递装置检测试验模型的位移，并通过位移测量装置将位移信息传递给信号转换装置，所述的信号转换装置与数据处理装置进行信息的传输，所述的数据处理装置与计算机进行信息传输。
13.如权利要求12所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，当模型体产生位移时，位移传递装置通过柔性测杆将模型测点位移传递给位移测量装置，位移测量装置通过其光栅尺传感器将模型测点位移转化为莫尔条纹位移；信号转换装置通过其光电转换元件将莫尔条纹位移转换为电脉冲信号，并传输给数据处理装置；数据处理装置接收电脉冲信号并将电收脉冲信号转化为数字信号，从而计算出模型位移，并在计算机系统上实时存储和显示，同时自动生成模型位移时程曲线，供试验人员动态观察和监控模型位移，实现模型位移自动量测的数字化、可视化和智能化。
14.如权利要求1所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，所述的高清多探头窥视系统包括微型高清探头、高速摄像控制面板、数据存储箱及液晶显示器；所述的微型高清探头包括多个，多个微型高清探头布置在模型洞室内、外任意部位；所采集到的录像一方面在自带液晶显示器上实时显示，另一方面自动存储在数据存储器中。
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