CN108303323A - 三维相似模型试验台架及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维相似模型试验台架，包括滚动式多向加载台架和限位滚动器，滚动式多向加载台架包括桶形框架、正面挡板、背面挡板、左侧挡板、右侧挡板、左侧加载单元、右侧加载单元和顶部加载单元；桶形框架包括中空的外表面为圆筒形的壳体，壳体的顶面、正面和背面镂空，桶形框架还包括底面平板，底面平板安装在壳体内的底部，正面挡板安装在壳体的正面，背面挡板安装在壳体的背面，左侧挡板安装在壳体内的左侧，右侧挡板安装在壳体内的右侧，左侧加载单元安装在壳体与左侧挡板之间，右侧加载单元安装在壳体与右侧挡板之间，顶部加载单元用于加载在模型的顶部；限位滚动器用于推动滚动式多向加载台架来回滚动设定角度，并保持在相应的位置上。

Description

三维相似模型试验台架及其试验方法

技术领域

本发明涉及相似模拟试验领域，尤其涉及一种三维相似模型试验台架及其试验方法。

背景技术

相似模拟试验是20世纪30年代由前苏联库兹涅佐夫提出的。并在全苏矿山测量和煤炭研究院等应用。在德国、波兰、日本、澳大利亚、美国等也得到广泛应用。发展至今已成为国外矿业界的一种重要的研究手段。我国1958年率先在中国矿业大学的矿压实验室建立相似模拟试验架,并逐步扩大到煤炭科学研究院、各煤炭高校以及冶金、建筑、水利、工程地质等部门。20世纪五、六十年代相似材料物理模拟技术在国内的应用,主要以利用平面应力相似模拟试验为主,通过平面应力模拟试验架重点从宏观及定性的角度来研究开采过程上覆岩层的活动规律,开采过程同岩层移动之间的相互关系等问题。

对于实际处于三维应力状态的研究对象，采用立体模拟试验较为理想。进入70年代中后期及80年代以后,国内、外相继出现了平面应变相似模拟试验架、立体模拟试验架和平板模拟试验架等多种形式的相似模拟试验装置,俄罗斯、德国、波兰等国均建有立体模型。国内的中国矿业大学、山东科技大学,重庆大学,等单位也都建有平面应变模拟及简易的立体模拟试验装置。

相似模拟实验作为一种研究手段，不仅可以严格控制实验对象的主要参数而不受外界条件和自然条件的限制，做到结果准确；而且，相似模拟实验有利于在复杂的实验过程中突出主要矛盾，便于把握、发现现象的内在联系；其由于模型与原型相比，尺寸一般都是按比例缩小的。故制造加工方便，节省资金、人力和时间；此外，相似模拟实验还能预测尚未建造出来的实物对象或根本不能直接研究的实物对象的性能；当其它各种分析方法不可能采用时，相似模拟实验就成了现象相似性问题唯一的和更为重要的研究手段。目前相似理论和模型实验方法已用于矿业工程领域，并有着广泛的应用前景。

现有的三维相似模拟试验系统，虽在一定程度上加深了地下开挖工程研究的进展，但存在以下不足：

1)模型台架的密封性不好，不适合做固液耦合的相似模型试验；

2)加载方向单一，难以实现三向加载。现有加载方式多是在模型顶部施加荷载，而没有施加侧向荷载；

3)现有的相似模拟实验台大多是针对水平煤层或近水平煤层。对于倾斜煤层的物理相似模拟实验一般是采用行车将实验台一头吊起来模拟煤层的倾角。这些方法存在一些不足之处，一是悬吊一头实验台需要足够的空间，而且带有一定的危险隐患；二是对于不同倾角煤层的物理相似模拟实验，需要耗费更多的人力以及时间；

4)模型台架的四周挡板不易拆卸，给铺设材料和清除材料的过程带来很多不便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种密封性好、三向加载、安全、节省人力、易于拆卸的三维相似模型试验台架及其试验方法。

本发明提供一种三维相似模型试验台架，包括滚动式多向加载台架和限位滚动器，

所述滚动式多向加载台架包括桶形框架、正面挡板、背面挡板、左侧挡板、右侧挡板、左侧加载单元、右侧加载单元和顶部加载单元；

所述桶形框架包括中空的外表面为圆筒形的壳体，所述壳体的顶面、正面和背面镂空，所述桶形框架还包括底面平板，所述底面平板安装在所述壳体内的底部，所述正面挡板安装在所述壳体的正面，所述背面挡板安装在所述壳体的背面，所述左侧挡板安装在所述壳体内的左侧，所述右侧挡板安装在所述壳体内的右侧，所述左侧加载单元安装在所述壳体与所述左侧挡板之间，所述右侧加载单元安装在所述壳体与所述右侧挡板之间，所述顶部加载单元用于加载在模型的顶部；

所述限位滚动器用于推动所述滚动式多向加载台架来回滚动设定角度，并保持在相应的位置上。

进一步地，所述壳体内沿竖直方向设有四根柱腿，每根所述柱腿上开设有两条沿竖直方向的侧槽，所述侧槽用于插入所述正面挡板、背面挡板、左侧挡板和右侧挡板的侧边。

进一步地，相邻的两根所述柱腿之间的所述底面平板上设有四个底槽，分别用于插入所述正面挡板、背面挡板、左侧挡板和右侧挡板的底边。

进一步地，所述正面挡板为整块的钢化玻璃。

进一步地，所述左侧挡板和所述右侧挡板均包括多条沿横向延伸的硬质橡胶挡板，每条所述硬质橡胶挡板的下边为第一凸条，上边为第一凹槽，上层的所述硬质橡胶挡板的所述第一凸条插入到下层的所述硬质橡胶挡板的所述第一凹槽中，最下层的所述硬质橡胶挡板的所述第一凸条插入到所述底槽中，所述硬质橡胶挡板的侧边插入到所述侧槽中。

进一步地，所述背面挡板包括多条沿横向延伸的钢铁挡板，所述钢铁挡板的下边为第二凸条，所述钢铁挡板的上边为第二凹槽，上层的所述钢铁挡板的所述第二凸条插入到下层的所述钢铁挡板的所述第二凹槽中，最下层的所述钢铁挡板的所述第二凸条插入到所述底槽中，所述钢铁挡板的侧边插入到所述侧槽中。

进一步地，所述背面挡板包括第一背面挡板和第二背面挡板，所述第一背面挡板上开设有用于线路穿过的条形切口，所述第二背面挡板上无切口。

进一步地，所述左侧加载单元和所述右侧加载单元均包括加载油缸和施压板，所述加载油缸的一端安装在所述壳体的内壁上，另一端连接所述施压板，所述施压板将所述加载油缸的侧向载荷传递给所述左侧挡板和所述右侧挡板。

进一步地，所述顶部加载单元包括多块配重铅块，所述配重铅块包括矩形铅板和柱形提手，所述柱形提手位于所述矩形铅板的顶面中心，所述矩形铅板的底面开设有柱形凹槽，所述柱形凹槽用于收容下层的所述配重铅块的所述柱形提手，所述柱形提手的中部开设有圆孔。

进一步地，限位滚动器有两组，分别位于所述滚动式多向加载台架的左右侧，每组所述限位滚动器进一步包括推拉千斤顶、连杆、两个弧形推块，所述连杆连接所述推拉千斤顶和两个所述弧形推块，所述弧形推块的弧面朝向所述滚动式多向加载台架。

进一步地，所述三维相似模型试验台架还包括台架滚动池，所述滚动式多向加载台架放置在所述台架滚动池中，所述台架滚动池的深度等于所述底面平板距离地面的高度，所述台架滚动池的底面上设有多条滑轨，所述弧形推块的底部设有多个滑块，所述滑块嵌入到所述滑轨中，所述推拉千斤顶的自由端顶在所述台架滚动池的左右内侧壁上。

本发明还提供一种用于前述任一项的所述三维相似模型试验台架的试验方法，包括以下步骤：

将所述正面挡板安装到所述壳体的正面；

所述限位滚动器推动所述滚动式多向加载台架转动设定角度，并保持在倾斜位置；

逐层安装所述左侧挡板、所述右侧挡板和所述背面挡板，并逐层水平铺设所述模型、传感器和开挖装置；

所述限位滚动器再反向推动所述滚动式多向加载台架转回到初始位置，初始位置时所述底面平板处于水平位置；

在所述模型的顶部铺设所述顶部加载单元，同时启动所述左侧加载单元和所述右侧加载单元，对所述模型施加三向载荷；

对所述模型进行开挖模拟，并监测试验结果和数据。

进一步地，所述背面挡板包括第一背面挡板和第二背面挡板，所述第一背面挡板上开设有用于线路穿过的条形切口，所述第二背面挡板上无切口；

所述逐层安装所述左侧挡板、所述右侧挡板和所述背面挡板，并逐层水平铺设模型、传感器和开挖装置的步骤，进一步包括：

从最底层开始铺设所述第二背面挡板；

在所述传感器和所述开挖装置的线路引出的高度，铺设一块所述第一背面挡板，将所述传感器和所述开挖装置的所述线路从所述条形切口中引出；

所述模型铺设完成后，将所述条形切口使用橡胶塞或密封胶密封。

进一步地，进一步包括以下步骤：

试验结束后，关闭所述左侧加载单元和所述右侧加载单元；

拆除所述顶部加载单元；

逐层拆除所述左侧挡板、所述右侧挡板和所述背面挡板，同时清除所述模型。

进一步地，所述将所述正面挡板安装到所述壳体的正面的步骤，进一步包括：

通过密封胶密封所述正面挡板与周边的缝隙。

进一步地，所述逐层安装所述左侧挡板、所述右侧挡板和所述背面挡板的步骤，进一步包括：

通过密封胶密封每块所述左侧挡板、所述右侧挡板和所述背面挡板与周边的缝隙。

采用上述技术方案后，具有如下有益效果：

本发明的一实施例中通过正面挡板、左侧挡板、右侧挡板和背面挡板与周边的密封，提高了三维相似模型试验台架了密封性能，能够适用于固液耦合的相似模型试验。

本发明的一实施例中通过左侧加载单元、右侧加载单元和顶部加载单元实现对模型的三向加载。

本发明的一实施例中通过限位滚动器来推动滚动式多向加载台架转动并保持，安全可靠，并且节省人力。

本发明的一实施例中左侧挡板、右侧挡板和背面挡板通过多条档条逐层叠加，易于拆卸。

附图说明

参见附图，本发明的公开内容将变得更易理解。应当理解：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是本发明实施例一中三维相似模型试验台架的立体图；

图2是本发明实施例一中滚动式多向加载台架的主视图；

图3是本发明实施例一中滚动式多向加载台架的俯视图；

图4是本发明实施例一中滚动式多向加载台架的左视图；

图5是本发明实施例一中桶形框架的主视图；

图6是本发明实施例一中桶形框架的俯视图；

图7是本发明实施例一中桶形框架的左视图；

图8是本发明实施例一中硬质橡胶挡板的主视图；

图9是本发明实施例一中硬质橡胶挡板的侧视图；

图10是本发明实施例一中背面挡板的主视图；

图11是本发明实施例一中背面挡板的侧视图；

图12是本发明实施例一中左侧加载单元和右侧加载单元的主视图；

图13是本发明实施例一中左侧加载单元和右侧加载单元的侧视图；

图14是本发明实施例一中顶部加载单元的主视图；

图15是本发明实施例一中顶部加载单元的俯视图；

图16是本发明实施例一中限位滚动器的主视图；

图17是本发明实施例一中限位滚动器的侧视图；

图18是本发明实施例一中限位滚动器的俯视图；

图19是本发明实施例一中台架滚动池的俯视图；

图20是本发明实施例一中台架滚动池的侧视图；

图21是本发明实施例二中试验方法的流程图。

附图标记对照表：

1-滚动式多向加载台架 2-限位滚动器 3-台架滚动池

11-桶形框架 12-正面挡板 13-背面挡板

13a-第一背面挡板 13b-第二背面挡板 13a1-条形切口

14-左侧挡板 15-右侧挡板 16-左侧加载单元

17-右侧加载单元 18-顶部加载单元 19-柱腿

21-推拉千斤顶 22-连杆 23-弧形推块

31-滑轨 45-硬质橡胶挡板 67-加载油缸

68-施压板 111-壳体 112-底面平板

112a-底槽 131-第二凸条 132-第二凹槽

133-第二插接处 181-配重铅块 181a-矩形铅板

181b-柱形提手 181a1-柱形凹槽 181b1-圆孔

191-侧槽 231-滑块 451-第一凸条

452-第一凹槽 453-第一插接处

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或视为对发明技术方案的限定或限制。

在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。

实施例一：

参见图1-20，图1-20为本发明实施例一的结构示意图。其中，左右侧沿指图1中的X方向，正面、背面位于图1中的Y方向，顶面和底面位于图1中的Z方向。

如图1-4所示，三维相似模型试验台架，包括滚动式多向加载台架1和限位滚动器2，

滚动式多向加载台架1包括桶形框架11、正面挡板12、背面挡板13、左侧挡板14、右侧挡板15、左侧加载单元16、右侧加载单元17和顶部加载单元18；

桶形框架11包括中空圆筒形的壳体111，壳体111的顶面、正面和背面镂空，桶形框架11还包括底面平板112，底面平板112安装在壳体111内的底部，正面挡板12安装在壳体111的正面，背面挡板13安装在壳体111的背面，左侧挡板14安装在壳体111内的左侧，右侧挡板15安装在壳体111内的右侧，左侧加载单元16安装在壳体111与左侧挡板14之间，右侧加载单元17安装在壳体111与右侧挡板15之间，顶部加载单元18用于加载在模型的顶部；

限位滚动器2用于推动滚动式多向加载台架1来回滚动设定角度，并保持在相应的位置上。

其中，壳体111为中空结构，其外表面为圆筒形，壳体111的正面开设有矩形开口，背面开设有矩形开口，顶面也开设有矩形开口。正面挡板12用于密封正面的矩形开口，背面挡板13用于密封背面的矩形开口，顶面的矩形开口始终敞开，不需要密封。

壳体111的内壁为矩形立方结构，底面平板112安装在壳体111的底部，左侧挡板14安装在壳体111的左侧，右侧挡板15安装在壳体111的右侧，底面平板112、左侧挡板14和右侧挡板15组成一个上方缺口的矩形桶体。加上正面挡板12和背面挡板13，组成一个上方缺口的矩形槽。该矩形槽用于收容模型、传感器和开挖装置。

由于壳体111的外表面为圆筒形，因此整个滚动式多向加载台架1可以左右滚动。

其中，限位滚动器2则是分别施加在滚动式多向加载台架1的左右侧，对滚动式多向加载台架1起到了推动和限位的作用。限位滚动器2能够使滚动式多向加载台架1左右滚动一定的设定角度，并保持在滚动后的位置上。

进一步地，如图5-7所示，壳体111内沿竖直方向设有四根柱腿19，每根柱腿19上开设有两条沿竖直方向的侧槽191，侧槽191用于插入正面挡板12、背面挡板13、左侧挡板14和右侧挡板15的侧边。

具体为，柱腿19的横截面为矩形，其中两个侧面与壳体111的内壁焊接，另外两个侧面上开设有侧槽191，柱腿19的高度与各挡板的高度相同。正面挡板12、背面挡板13、左侧挡板14和右侧挡板15安装时，从上往下插入到侧槽191中。每块挡板对应两个柱腿19。

进一步地，如图6-7所示，相邻的两根柱腿19之间的底面平板112上设有四个底槽112a，分别用于插入正面挡板12、背面挡板13、左侧挡板14和右侧挡板15的底边。

具体为，用于安装同一挡板的底槽112a与侧槽191在同一竖直平面上，底槽112a用于插入各挡板的底边，侧槽191用于插入各挡板的侧边。

各挡板插入到底槽112a和侧槽191后，一方面起到固定安装各挡板的作用，另一方面有一定的密封连接的作用。使得矩形槽中可以容纳固液耦合的模型材料。

较佳地，正面挡板12为整块的钢化玻璃。

正面挡板12厚度略小于底槽112a和侧槽191的宽度，高度与柱腿19高度一致，宽度略小于两侧的侧槽191之间的间距。其作用是从正面密封相似模型材料，并且钢化玻璃有较好的通透性，在开挖实验后，能从正面观察到相似模拟内部的变形破坏。可选地，正面挡板12还可以是有机玻璃制成。

进一步地，如图8-9所示，左侧挡板14和右侧挡板15均包括多条沿横向延伸的硬质橡胶挡板45，每条硬质橡胶挡板45的下边为第一凸条451，上边为第一凹槽452，上层的硬质橡胶挡板45的第一凸条451插入到下层的硬质橡胶挡板45的第一凹槽452中，最下层的硬质橡胶挡板45的第一凸条451插入到底槽112a中，硬质橡胶挡板45的侧边插入到侧槽191中。

每块左侧挡板14或右侧挡板15的硬质橡胶挡板45有至少两块，从下往上依次叠加组成左侧挡板14或右侧挡板15。第一凸条451的尺寸略小于第一凹槽452和底槽112a的尺寸，以保证每块硬质橡胶挡板45之间及其与底槽112a之间能很好的咬合，同时保持较好的完整性和密闭性。硬质橡胶挡板45由硬橡胶材质做成，材质保证既有一定的强度又有一定的柔韧性，使得侧向加载单元(左侧加载单元16和右侧加载单元17)作用在侧向挡板(左侧挡板14和右侧挡板15)上时，侧向挡板能有一定的变形，进而将荷载传递至模型材料上。其作用是从侧面密封相似模型材料，并保证实验过程中侧向加载系统施加的荷载能均匀传递至模型材料上。

进一步地，如图10-11所示，背面挡板13包括多条沿横向延伸的钢铁挡板，钢铁挡板的下边为第二凸条131，钢铁挡板的上边为第二凹槽132，上层的钢铁挡板的第二凸条131插入到下层的钢铁挡板的第二凹槽132中，最下层的钢铁挡板的第二凸条131插入到底槽112a中，钢铁挡板的侧边插入到侧槽191中。

其中，第二凸条131的尺寸略小于第二凹槽132和底槽112a的尺寸，以保证每块钢铁挡板之间及其与底槽112a之间能很好的咬合，同时保持较好的完整性和密闭性。钢铁挡板由强度足够的钢材做成，其作用是从背面密封相似模型材料。

进一步地，如图10-11所示，背面挡板13包括第一背面挡板13a和第二背面挡板13b，第一背面挡板13a上开设有用于线路穿过的条形切口13a1，第二背面挡板13b上无切口。

第一背面挡板13a和第二背面挡板13b的尺寸及材质完全一样，只是第一背面挡板13a中部设置一个条形切口13a1，用于传感器和开挖装置的线路引出。

进一步地，如图12-13所示，左侧加载单元16和右侧加载单元17均包括加载油缸67和施压板68，加载油缸67的一端安装在壳体111的内壁上，另一端连接施压板68，施压板68将加载油缸67的侧向载荷传递给左侧挡板14和右侧挡板15。

加载油缸67与壳体111的左、右两侧弧形实心侧壁的内表面通过焊接或可拆卸的方式形成整体。其作用是通过施压板68将加载油缸67产生的荷载传递至可适当变形的硬质橡胶挡板45，进而在模型侧面施加侧向荷载。由于每个油缸可以单独控制，所以可以实现侧向应力的非均布逐级加载。

进一步地，如图14-15所示，顶部加载单元18包括多块配重铅块181，配重铅块181包括矩形铅板181a和柱形提手181b，柱形提手181b位于矩形铅板181a的顶面中心，矩形铅板181a的底面开设有柱形凹槽181a1，柱形凹槽181a1用于收容下层的配重铅块181的柱形提手181b，柱形提手181b的中部开设有圆孔181b1。

柱形提手181b中部设有圆孔181b1，便于拿放；矩形铅板181a的底面中间设有柱形凹槽181a1，其尺寸略大于柱形提手181b的尺寸，便于两块矩形铅板181a的垂直叠加。其作用是模型搭设好，通过在模型顶部铺设配重铅块181，达到对模型施加垂直荷载的作用，荷载的大小可以通过改变垂直方向上的叠加块数来调整，进而实现垂直应力的非均布加载。

进一步地，如图16-18所示，限位滚动器2有两组，分别位于滚动式多向加载台架1的左右侧，每组限位滚动器2进一步包括推拉千斤顶21、连杆22、两个弧形推块23，连杆22连接推拉千斤顶21和两个弧形推块23，弧形推块23的弧面朝向滚动式多向加载台架1。

弧形推块23的弧度半径与桶形框架11的外半径一样；推拉千斤顶21的一端与连接杆22固定连接，以保证推拉千斤顶21的推拉力能施加到两个弧形推块23上，推拉千斤顶21的另一端与台架滚动池3的边墙连接，以保证提供足够的反力。其作用是通过在滚动式多向加载台架1两边各布置一个限位滚动器2，通推拉滚动式多向加载台架1左右滚动，进而实现模型台架倾角的任意调整。

进一步地，如图19-20所示，三维相似模型试验台架还包括台架滚动池3，滚动式多向加载台架1放置在台架滚动池3中，台架滚动池3的深度等于底面平板112距离地面的高度，台架滚动池3的底面上设有多条滑轨31，弧形推块23的底部设有多个滑块231，滑块231嵌入到滑轨31中，推拉千斤顶21的自由端顶在台架滚动池3的左右内侧壁上。

台架滚动池3为长方体池子，长度方向沿图中的左右方向，深度与滚动式多向加载台架1的底面平板112厚度相同，保证初始状态下滚动式多向加载台架1的底面平板112与室内地面在同一水平面内。台架滚动池3底部设置四条滑轨31，其尺寸和间距与限位滚动器2的滑块231相匹配，以保证限位滚动器2在台架滚动池3中顺利左右移动。

通过实施实施例一，具有以下优点：

1、通过正面挡板、左侧挡板、右侧挡板和背面挡板与周边的密封，提高了三维相似模型试验台架了密封性能，能够适用于固液耦合的相似模型试验。

2、通过左侧加载单元、右侧加载单元和顶部加载单元实现对模型的三向加载。

3、通过限位滚动器来推动滚动式多向加载台架转动并保持，可方便的随意模拟倾斜煤岩层，且在铺设过程中达到安全可靠的目的。

4、左侧挡板、右侧挡板和背面挡板通过多条档条逐层叠加，易于拆卸。

5、通过在桶形框架左右两侧内部布置侧向加载系统，可对相似模型进行侧向非均布逐级加载；

6、顶部采用配重铅块的形式对模型施加垂直荷载，这种方式不仅简化了顶部加载系统，同时通过调整配重铅块的垂直叠放块数，也可实现垂直荷载的非均布加载。

实施例二：

如图21所示，三维相似模型试验台架的试验方法，包括以下步骤：

步骤S211：将正面挡板12安装到壳体111的正面；

其中，通过密封胶密封正面挡板12与周边的缝隙。具体为，在正面挡板12插入的底槽112a和侧槽191中涂抹密封胶。

步骤S212：限位滚动器2推动滚动式多向加载台架1转动设定角度，并保持在倾斜位置；

初始位置时，滚动式多向加载台架1的底面平板112处于水平方向。

通过启动限位滚动器2的推拉千斤顶21推拉桶形框架11左右滚动，待底面平板112与水平面的倾角与相似模型试验要求的煤岩层倾角一致时，停止推拉千斤顶21的运移，并保持稳定不动，此时滚动式多向加载台架1处于倾斜位置。

步骤S213：逐层安装左侧挡板14、右侧挡板15和背面挡板13，并逐层水平铺设模型、传感器和开挖装置；

其中，通过密封胶密封每块左侧挡板14、右侧挡板15和背面挡板13与周边的缝隙。具体为，在每层左侧挡板14、右侧挡板15和背面挡板13之间涂抹密封胶，并在左侧挡板14、右侧挡板15和背面挡板13插入的底槽112a和侧槽191中涂抹密封胶。

从最底层开始，安装第一层左侧挡板14、右侧挡板15和背面挡板13后，铺设第一层相应厚度的模型；在安装第二层左侧挡板14、右侧挡板15和背面挡板13后，铺设第二层相应厚度的模型，直到最后一层模型铺设完毕。

步骤S214：限位滚动器2再反向推动滚动式多向加载台架1转回到初始位置，初始位置时底面平板112处于水平位置；

整个模型铺设完成后，再次启动限位滚动器2的推拉千斤顶21，使得桶形框架11滚动回初始位置(即底面平板112与室内地面在同一平面内)，并保持稳定不动。此时，之前水平铺设的煤岩层就满足了本次相似模型试验要求的煤岩层倾角。但整个模型为矩形立方体，模型的顶面在初始位置时为水平面。

步骤S215：在模型的顶部铺设顶部加载单元18，同时启动左侧加载单元16和右侧加载单元17，对模型施加三向载荷；

按之前的试验设计方案，连接好传感器线路及开挖装置线路，然后铺设配重铅块181，并启动左侧加载单元16和右侧加载单元17，对模型施加多向荷载。

步骤S216：对模型进行开挖模拟，并监测试验结果和数据。

对模型进行开挖模拟，从正面挡板12观察试验结果并监测试验数据。

步骤S213进一步包括：

从最底层开始铺设第二背面挡板13b；

在传感器和开挖装置的线路引出的高度，铺设一块第一背面挡板13a，将传感器和开挖装置的线路从条形切口13a1中引出；

模型铺设完成后，将条形切口13a1使用橡胶塞或密封胶密封。

先确定好传感器和开挖装置线路引出口的高度，当背面挡板安装到该高度时，要将第二背面挡板13b换成第一背面挡板13a，并将相应的传感器和开挖装置线路从第一背面挡板13a的条形切口13a1中引出。

其中，将条形切口13a1密封的操作可以放在步骤S214之后进行。

步骤S216之后进一步包括以下步骤：

试验结束后，关闭左侧加载单元16和右侧加载单元17；

拆除顶部加载单元18；

逐层拆除左侧挡板14、右侧挡板15和背面挡板13，同时清除模型。

通过实施实施例二具有以下优点：

1、相似模型的四周挡板通过各自的底槽和侧槽与桶形框架相连，并可在底槽和侧槽中涂抹防水密封材料，这就保证了整个相似模型的密封性，进而满足固液耦合相似模型试验的要求；

2、通过限位滚动器推拉“滚动式多向加载实验台架”左右滚动，进而可实现模型台架中煤岩层倾角的任意调整。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种三维相似模型试验台架，其特征在于，包括滚动式多向加载台架和限位滚动器，

所述滚动式多向加载台架包括桶形框架、正面挡板、背面挡板、左侧挡板、右侧挡板、左侧加载单元、右侧加载单元和顶部加载单元；

所述桶形框架包括中空的外表面为圆筒形的壳体，所述壳体的顶面、正面和背面镂空，所述桶形框架还包括底面平板，所述底面平板安装在所述壳体内的底部，所述正面挡板安装在所述壳体的正面，所述背面挡板安装在所述壳体的背面，所述左侧挡板安装在所述壳体内的左侧，所述右侧挡板安装在所述壳体内的右侧，所述左侧加载单元安装在所述壳体与所述左侧挡板之间，所述右侧加载单元安装在所述壳体与所述右侧挡板之间，所述顶部加载单元用于加载在模型的顶部；

所述限位滚动器用于推动所述滚动式多向加载台架来回滚动设定角度，并保持在相应的位置上。

2.根据权利要求1所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述壳体内沿竖直方向设有四根柱腿，每根所述柱腿上开设有两条沿竖直方向的侧槽，所述侧槽用于插入所述正面挡板、背面挡板、左侧挡板和右侧挡板的侧边。

3.根据权利要求2所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，相邻的两根所述柱腿之间的所述底面平板上设有四个底槽，分别用于插入所述正面挡板、背面挡板、左侧挡板和右侧挡板的底边。

4.根据权利要求1所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述正面挡板为整块的钢化玻璃。

5.根据权利要求3所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述左侧挡板和所述右侧挡板均包括多条沿横向延伸的硬质橡胶挡板，每条所述硬质橡胶挡板的下边为第一凸条，上边为第一凹槽，上层的所述硬质橡胶挡板的所述第一凸条插入到下层的所述硬质橡胶挡板的所述第一凹槽中，最下层的所述硬质橡胶挡板的所述第一凸条插入到所述底槽中，所述硬质橡胶挡板的侧边插入到所述侧槽中。

6.根据权利要求3所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述背面挡板包括多条沿横向延伸的钢铁挡板，所述钢铁挡板的下边为第二凸条，所述钢铁挡板的上边为第二凹槽，上层的所述钢铁挡板的所述第二凸条插入到下层的所述钢铁挡板的所述第二凹槽中，最下层的所述钢铁挡板的所述第二凸条插入到所述底槽中，所述钢铁挡板的侧边插入到所述侧槽中。

7.根据权利要求6所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述背面挡板包括第一背面挡板和第二背面挡板，所述第一背面挡板上开设有用于线路穿过的条形切口，所述第二背面挡板上无切口。

8.根据权利要求1所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述左侧加载单元和所述右侧加载单元均包括加载油缸和施压板，所述加载油缸的一端安装在所述壳体的内壁上，另一端连接所述施压板，所述施压板将所述加载油缸的侧向载荷传递给所述左侧挡板和所述右侧挡板。

9.根据权利要求1所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述顶部加载单元包括多块配重铅块，所述配重铅块包括矩形铅板和柱形提手，所述柱形提手位于所述矩形铅板的顶面中心，所述矩形铅板的底面开设有柱形凹槽，所述柱形凹槽用于收容下层的所述配重铅块的所述柱形提手，所述柱形提手的中部开设有圆孔。

10.根据权利要求1-9任一项所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，限位滚动器有两组，分别位于所述滚动式多向加载台架的左右侧，每组所述限位滚动器进一步包括推拉千斤顶、连杆、两个弧形推块，所述连杆连接所述推拉千斤顶和两个所述弧形推块，所述弧形推块的弧面朝向所述滚动式多向加载台架。

11.根据权利要求10所述的三维相似模型试验台架，其特征在于，所述三维相似模型试验台架还包括台架滚动池，所述滚动式多向加载台架放置在所述台架滚动池中，所述台架滚动池的深度等于所述底面平板距离地面的高度，所述台架滚动池的底面上设有多条滑轨，所述弧形推块的底部设有多个滑块，所述滑块嵌入到所述滑轨中，所述推拉千斤顶的自由端顶在所述台架滚动池的左右内侧壁上。

12.一种用于权利要求1-11任一项的所述三维相似模型试验台架的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述正面挡板安装到所述壳体的正面；

所述限位滚动器推动所述滚动式多向加载台架转动设定角度，并保持在倾斜位置；

逐层安装所述左侧挡板、所述右侧挡板和所述背面挡板，并逐层水平铺设所述模型、传感器和开挖装置；

所述限位滚动器再反向推动所述滚动式多向加载台架转回到初始位置，初始位置时所述底面平板处于水平位置；

在所述模型的顶部铺设所述顶部加载单元，同时启动所述左侧加载单元和所述右侧加载单元，对所述模型施加三向载荷；

对所述模型进行开挖模拟，并监测试验结果和数据。

13.根据权利要求12所述的试验方法，其特征在于，所述背面挡板包括第一背面挡板和第二背面挡板，所述第一背面挡板上开设有用于线路穿过的条形切口，所述第二背面挡板上无切口；

所述逐层安装所述左侧挡板、所述右侧挡板和所述背面挡板，并逐层水平铺设模型、传感器和开挖装置的步骤，进一步包括：

从最底层开始铺设所述第二背面挡板；

在所述传感器和所述开挖装置的线路引出的高度，铺设一块所述第一背面挡板，将所述传感器和所述开挖装置的所述线路从所述条形切口中引出；

所述模型铺设完成后，将所述条形切口使用橡胶塞或密封胶密封。

14.根据权利要求12所述的试验方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

试验结束后，关闭所述左侧加载单元和所述右侧加载单元；

拆除所述顶部加载单元；

逐层拆除所述左侧挡板、所述右侧挡板和所述背面挡板，同时清除所述模型。

15.根据权利要求12所述的试验方法，其特征在于，所述将所述正面挡板安装到所述壳体的正面的步骤，进一步包括：

通过密封胶密封所述正面挡板与周边的缝隙。

16.根据权利要求12所述的试验方法，其特征在于，所述逐层安装所述左侧挡板、所述右侧挡板和所述背面挡板的步骤，进一步包括：

通过密封胶密封每块所述左侧挡板、所述右侧挡板和所述背面挡板与周边的缝隙。