CN108375665A - 一种大型深部洞室群三维物理模型试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种大型深部洞室群三维物理模型试验系统及方法，系统包括底座、防变形预应力加载框架组件、载荷施加组件、模型试样制备与运送组件及多功能液压加载系统组件；防变形预应力加载框架组件及模型试样制备与运送组件均设置在底座上，载荷施加组件设置在防变形预应力加载框架组件上，载荷施加组件与多功能液压加载系统组件相连，通过载荷施加组件与多功能液压加载系统组件配合，对模型试样进行多面多点协同控制下的长时间保载、动力扰动及位移控制超载。本发明的框架可有效控制加载变形，首次配备人工模型试样制备及运送机构，满足人工模型试样在制备阶段的精度检测；首次具备多面多点协同控制下的长时间保载、模拟外部动力扰动及位移控制超载能力。

Description

一种大型深部洞室群三维物理模型试验系统及方法

技术领域

本发明属于大型三维物理模型试验技术领域，特别是涉及一种大型深部洞室群三维物理模型试验系统及方法。

背景技术

大型三维物理模型试验以相似理论为基础，通过配置与工程岩体性质相似的人工模型材料，开展不同边界加载条件下的开凿及监测试验，可有效揭示岩体在人类工程活动影响下的变形破裂演化机理。

目前，大型三维物理模型试验已得到较为广泛的应用，但是，随着地下工程建设与资源开采不断向深部进军，深部洞室群的体量和复杂程度也在不断提高，在科学研究和工程应用中，对大型三维物理模型试验的技术要求也越来越高。

随着人工模型尺寸和试验机加载吨位的不断提高，特别是人工模型材料强度的不断提高，现有的三维物理模型试验机的反力框架结构，已经无法有效地控制加载过程中试验机自身的变形。由于人工模型的制备和加载是在同一个箱体中开展的，导致人工模型的制备精度无法检测。现有的三维物理模型试验机尚不具备长时间保载能力，导致无法开展多应力梯度下的人工模型时效破裂方面的研究。现有的三维物理模型试验机尚不具备高精度位移控制加载能力，进而限制了对人工模型峰后力学行为进行研究的能力，也就无法获得加载全过程的载荷-位移曲线。现有的三维物理模型试验机尚不具备模拟外部动力扰动的能力，导致无法完整地模拟深部工程岩体受开凿卸荷、爆破及机械振动等动力扰动综合作用的过程。

因此，研发一套能够面向深部工程岩体力学问题的大型深部洞室群三维物理模型试验系统及方法已势在必行。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种大型深部洞室群三维物理模型试验系统及方法，采用了全新设计的预应力框架结构，能够有效控制加载过程中试验设备的自身变形，提高试验数据可信度；首次配备了人工模型试样的制备及运送机构，将人工模型试样的制备区域和加载区域有效分离，满足人工模型试样在制备阶段的精度检测，避免人工模型试样因制备精度不足导致对试验数据的影响；首次具备了多面多点协同控制下的长时间保载能力、模拟外部动力扰动的能力及位移控制超载能力。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种大型深部洞室群三维物理模型试验系统，包括底座、防变形预应力加载框架组件、载荷施加组件、模型试样制备与运送组件及多功能液压加载系统组件；所述防变形预应力加载框架组件及模型试样制备与运送组件均设置在底座上，所述载荷施加组件设置在防变形预应力加载框架组件上，所述载荷施加组件与多功能液压加载系统组件相连，通过载荷施加组件与多功能液压加载系统组件配合，对模型试样进行多面多点协同控制下的长时间保载、动力扰动或位移控制超载。

所述防变形预应力加载框架组件包括中间框架、前端框架及后端框架，所述中间框架位于前端框架与后端框架之间；

所述中间框架采用多榀式口字型结构，每一榀的中间框架均由顶横梁、左立柱、右立柱及底横梁组成，且任意相邻的两榀中间框架均采用可拆装结构相连；在所述底横梁下表面安装有中间框架滑块，在所述底座上表面安装有框架导轨，通过中间框架滑块使中间框架在框架导轨上具有直线移动自由度；所述中间框架的口字型内腔为模型试样加载腔；

所述前端框架包括左反力竖梁、右反力竖梁、反力横梁及反力横梁支座；所述左反力竖梁和右反力竖梁对称固装在反力横梁上，所述反力横梁支座固连在反力横梁下表面，在反力横梁支座下表面安装有前端框架滑块，通过前端框架滑块使前端框架在框架导轨上具有直线移动自由度；在所述反力横梁的中部梁体上开设有一个通孔，该通孔作为模型试样开凿孔，且模型试样开凿孔与模型试样加载腔正对；在所述左反力竖梁及右反力竖梁底端与底座之间均连接有前端框架驱动液压缸，且前端框架驱动液压缸与框架导轨相平行；

所述后端框架包括左支撑竖梁、右支撑竖梁、支撑横梁及支撑横梁支座；所述左支撑竖梁和右支撑竖梁对称固装在支撑横梁上，所述支撑横梁支座固连在支撑横梁下表面，在支撑横梁支座下表面安装有后端框架滑块，通过后端框架滑块使后端框架在框架导轨上具有直线移动自由度；在所述左支撑竖梁及右支撑竖梁底端与中间框架底横梁之间均连接有中后端框架驱动液压缸，且中后端框架驱动液压缸与框架导轨相平行；

在所述左反力竖梁与左支撑竖梁之间、在右反力竖梁与右支撑竖梁之间、反力横梁与支撑横梁之间均通过预应力拉杆相连，在所述顶横梁、左立柱、右立柱及底横梁上均开设有拉杆通过孔；通过对预应力拉杆施加预紧力，实现中间框架、前端框架及后端框架之间的预应力锁紧。

所述载荷施加组件包括第一水平作动器组、第二水平作动器组、第三水平作动器组及竖直作动器组；所述第一水平作动器组设置在中间框架的左立柱内侧面，所述第二水平作动器组设置在中间框架的右立柱内侧面，所述第三水平作动器组设置在后端框架的支撑横梁内侧面，所述竖直作动器组设置在中间框架的顶横梁下表面；所述第一水平作动器组、第二水平作动器组、第三水平作动器组及竖直作动器组内均包含有若干均布设置且结构相同的单体作动器；所述单体作动器包括反力液压缸、矩形加载板及磁致伸缩位移传感器；所述反力液压缸通过缸筒固连在框架上，所述矩形加载板垂直固装在反力液压缸的活塞杆顶端，在矩形加载板上开设有声发射探头布设孔；所述磁致伸缩位移传感器连接在反力液压缸缸筒与矩形加载板之间。

所述模型试样制备与运送组件包括模型试样制备箱、模型试样承载台、模型试样运送架、运送架驱动液压缸及承载台驱动液压缸；在所述底座上表面安装有运送架导轨，运送架导轨与框架导轨相垂直，运送架导轨的安装高度大于框架导轨，且与框架导轨交汇处的运送架导轨采用拼接式可拆装结构；在所述模型试样运送架下表面安装有运送架滑块，通过运送架滑块使模型试样运送架在运送架导轨上具有直线移动自由度；所述模型试样承载台设置在模型试样运送架上，在模型试样运送架上表面安装有承载台导轨，在模型试样承载台下表面安装有承载台滚轮，通过承载台滚轮使模型试样承载台在承载台导轨上具有直线移动自由度；在所述中间框架的模型试样加载腔内的底横梁上表面安装有承载台转接导轨，通过承载台滚轮使模型试样承载台在承载台导轨上具有直线移动自由度；所述运送架驱动液压缸连接在底座与模型试样运送架之间，运送架驱动液压缸与运送架导轨相平行；所述承载台驱动液压缸连接在模型试样运送架与模型试样承载台之间，承载台驱动液压缸与承载台导轨及承载台转接导轨相平行，在承载台驱动液压缸的活塞杆与模型试样承载台之间通过锁具相连；所述模型试样制备箱位于模型试样承载台上表面。

所述多功能液压加载系统组件包括计算机、控制器、静态加载油源、动态加载油源、静态加载分油器、动态加载分油器、静态加载油路及动态加载油路；所述计算机与控制器相连，控制器分别与静态加载油源和动态加载油源相连，静态加载油源通过静态加载分油器与至少一路静态加载油路相连，所述动态加载油源通过动态加载分油器与至少一路动态加载油路相连；

所述静态加载油路包括第一电液伺服阀、第一电磁截止阀及第二电磁截止阀；所述第一电液伺服阀的第一进油口与静态加载分油器相连，在第一电液伺服阀的第一出油口与第二进油口之间至少并联一个单体作动器，第一电液伺服阀的第二出油口与静态加载油源相连；所述第一电磁截止阀安装在第一电液伺服阀的第一出油口与单体作动器之间的管路上，所述第二电磁截止阀安装在第一电液伺服阀的第二进油口与单体作动器之间的管路上；在所述第一电磁截止阀与单体作动器之间的管路上并列连接有静载稳压油路和静压保载油路；所述静载稳压油路包括第一蓄能器及第三电磁截止阀，第一蓄能器通过第三电磁截止阀与单体作动器相连，在第三电磁截止阀与单体作动器之间的管路上安装有第一压力传感器；所述静压保载油路包括保载气源、气液增压泵、第四电磁截止阀及单向阀，保载气源与气液增压泵相连，气液增压泵通过第四电磁截止阀与单向阀的进液端相连，单向阀的出液端与单体作动器相连；在所述第二电磁截止阀与单体作动器之间的管路上安装有第二压力传感器；

所述动态加载油路包括第二电液伺服阀、第五电磁截止阀、第六电磁截止阀及第七电磁截止阀；所述第二电液伺服阀的第一进油口与动态加载分油器相连，在第二电液伺服阀的第一出油口与第二进油口之间至少并联一个单体作动器，第一电液伺服阀的第二出油口与动态加载油源相连；所述第五电磁截止阀安装在第二电液伺服阀的第一出油口与单体作动器之间的管路上，所述第六电磁截止阀安装在第二电液伺服阀的第二进油口与单体作动器之间的管路上；所述第七电磁截止阀单独连接在单体作动器与动态加载油源之间；在所述第五电磁截止阀与单体作动器之间的管路上连接有动载稳压油路；所述动载稳压油路包括第二蓄能器及第八电磁截止阀，第二蓄能器通过第八电磁截止阀与单体作动器相连，在第八电磁截止阀与单体作动器之间的管路上安装有第三压力传感器；在所述第六电磁截止阀与单体作动器之间的管路上安装有第四压力传感器。

一种大型深部洞室群三维物理模型试验方法，采用了所述的大型深部洞室群三维物理模型试验系统，包括如下步骤：

步骤一：根据试验要求选取相似材料，在模型试样制备箱中利用相似材料进行模型试样的制备，且模型试样中预埋监测用传感器；

步骤二：待模型试样达到初始强度后，对模型试样进行脱模，同时检测模型试样的平整度、垂直度和密实度，确保模型试样的所有指标合格；

步骤三：先将模型试样运送架移动到模型试样加载腔正前方，然后将模型试样承载台移动到模型试样加载腔内，此时模型试样随着模型试样承载台进入模型试样加载腔中，再解除模型试样承载台与模型试样运送架之间的锁定，最后将模型试样运送架移动回初始位置；

步骤四：将防变形预应力加载框架组件从开启状态调整到封闭状态，以使中间框架、前端框架及后端框架形成一个整体；

步骤五：分别控制第一水平作动器组、第二水平作动器组、第三水平作动器组及竖直作动器组动作，直到完成模型试样的精确对中夹紧；

步骤六：采用多面多点协同位移控制方式控制第一水平作动器组、第二水平作动器组、第三水平作动器组及竖直作动器组对模型试样进行真三轴静力加载，然后在设定的静力加载水平下对模型试样实施开凿，同时观测模型试样的变形破裂演化情况；

步骤七：开凿完成后，根据试验需要，可将加载状态切换至长时间保载状态、超载状态或动力扰动状态，在长时间保载状态下观测模型试样的失效破裂演化情况，在超载状态或动力扰动状态下观测模型试样的变形破裂演化情况；

步骤八：分别控制第一水平作动器组、第二水平作动器组、第三水平作动器组及竖直作动器组动作，完成模型试样的卸载；

步骤九：先将模型试样运送架移动到模型试样加载腔正前方，然后将模型试样承载台与模型试样运送架进行锁定，再将模型试样承载台从模型试样加载腔内以到模型试样运送架上，最后将模型试样运送架移动回初始位置，并对取出的模型试样做进一步的分析研究。

长时间保载的控制步骤为：

步骤1：在计算机中设定模型试样上各个加载面的静载荷值，且每个加载面内各个单体作动器输出的静载荷值均相同或不全相同；

步骤2：开启静态加载油路中的第一电磁截止阀及第二电磁截止阀，开启静载稳压油路中的第三电磁截止阀，关闭静压保载油路中的第四电磁截止阀；

步骤3：启动静态加载油源，按照设定的静载荷值对模型试样进行静力加载，当静态加载油路内的瞬时压力增大时，压力能会以压缩能的形式存储于第一蓄能器内，当静态加载油路内的瞬时压力降低时，第一蓄能器内的压缩能会补充到静态加载油路中，保证静态加载油路的压力平稳；

步骤4：当静力加载达到设定值后，关闭静态加载油路中的第一电磁截止阀及第二电磁截止阀，关闭静载稳压油路中的第三电磁截止阀，开启静压保载油路中的第四电磁截止阀；

步骤5：关闭静态加载油源，保压模式启动，随着加载时间的增加，当静态加载油路中的压力下降到设定值以下时，静压保载油路中的气液增压泵启动，通过气液增压泵向静态加载油路中补充损失的油压，直到压力恢复到设定值，此时关闭气液增压泵。

动力扰动的控制步骤为：

步骤1：在计算机中设定模型试样上各个加载面的静载荷值，且每个加载面内各个单体作动器输出的静载荷值均相同或不全相同；

步骤2：开启静态加载油路中的第一电磁截止阀及第二电磁截止阀，开启静载稳压油路中的第三电磁截止阀，关闭静压保载油路中的第四电磁截止阀；

步骤3：启动静态加载油源，按照设定的静载荷值对模型试样进行静力加载，当静态加载油路内的瞬时压力增大时，压力能会以压缩能的形式存储于第一蓄能器内，当静态加载油路内的瞬时压力降低时，第一蓄能器内的压缩能会补充到静态加载油路中，保证静态加载油路的压力平稳；

步骤4：选择一个或多个加载面作为动力扰动面，并在计算机中设定动态载荷的幅值和频率，且动力扰动面内各个单体作动器输出的动态载荷的幅值和频率均相同或不全相同；

步骤5：开启动态加载油路中的第五电磁截止阀、第六电磁截止阀及第七电磁截止阀，开启动载稳压油路中的第八电磁截止阀；

步骤6：启动动态加载油源，启动动态加载油路中的第二电液伺服阀，使第二电液伺服阀的阀芯进行高频往复运动，进而使单体作动器中的反力液压缸完成高频供油和回油，从而按照设定的动态载荷对模型试样进行动力扰动；在动力扰动过程中，当动态加载油路中出现压力波动时，通过第二蓄能器进行压力的存储和释放，保证动态加载油路的压力平稳。

多面多点协同位移控制步骤为：

步骤1：在计算机中设定模型试样上每个加载面内各个单体作动器的位移加载速率，且各个单体作动器的位移加载速率均相同或不全相同；

步骤2：开启静态加载油路中的第一电磁截止阀及第二电磁截止阀，开启静载稳压油路中的第三电磁截止阀，关闭静压保载油路中的第四电磁截止阀；

步骤3：启动静态加载油源，按照设定的静载荷值对模型试样进行静力加载，当静态加载油路内的瞬时压力增大时，压力能会以压缩能的形式存储于第一蓄能器内，当静态加载油路内的瞬时压力降低时，第一蓄能器内的压缩能会补充到静态加载油路中，保证静态加载油路的压力平稳；

步骤4：在静力加载过程中，通过磁致伸缩位移传感器实时监测单体作动器中反力液压缸活塞杆的位移数据，该位移数据首先反馈到控制器中，再通过控制器向第一电液伺服阀发出供油信号，进而通过第一电液伺服阀实时动态调整反力液压缸的供油量，最终使实际位移加载速率满足设定值；

步骤5：在多面多点协同位移控制方式下，完成模型试样的超载试验。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，采用了全新设计的预应力框架结构，能够有效控制加载过程中试验设备的自身变形，提高试验数据可信度；首次配备了人工模型试样的制备及运送机构，将人工模型试样的制备区域和加载区域有效分离，满足人工模型试样在制备阶段的精度检测，避免人工模型试样因制备精度不足导致对试验数据的影响；首次具备了多面多点协同控制下的长时间保载能力、模拟外部动力扰动的能力及位移控制超载能力。

附图说明

图1为本发明的一种大型深部洞室群三维物理模型试验系统(开启状态)结构示意图；

图2为本发明的一种大型深部洞室群三维物理模型试验系统(封闭状态)结构示意图；

图3为本发明的防变形预应力加载框架组件的中间框架结构示意图；

图4为本发明的防变形预应力加载框架组件的前端框架结构示意图；

图5为本发明的防变形预应力加载框架组件的后端框架结构示意图；

图6为本发明的载荷施加组件的单体作动器结构示意图；

图7为本发明的模型试样制备与运送组件结构示意图；

图8为图1中I部放大图；

图9为本发明的多功能液压加载系统组件的原理图；

图中，1—底座，2—防变形预应力加载框架组件，3—载荷施加组件，4—模型试样制备与运送组件，5—顶横梁，6—左立柱，7—右立柱，8—底横梁，9—中间框架滑块，10—框架导轨，11—模型试样加载腔，12—左反力竖梁，13—右反力竖梁，14—反力横梁，15—反力横梁支座，16—前端框架滑块，17—模型试样开凿孔，18—左支撑竖梁，19—右支撑竖梁，20—支撑横梁，21—支撑横梁支座，22—后端框架滑块，23—第一水平作动器组，24—第二水平作动器组，25—第三水平作动器组，26—竖直作动器组，27—反力液压缸，28—矩形加载板，29—磁致伸缩位移传感器，30—声发射探头布设孔，31—模型试样制备箱，32—模型试样承载台，33—模型试样运送架，34—运送架驱动液压缸，35—承载台驱动液压缸，36—运送架导轨，37—运送架滑块，38—承载台导轨，39—承载台滚轮，40—承载台转接导轨，41—锁具，42—前端框架驱动液压缸，43—中后端框架驱动液压缸，44—预应力拉杆，45—拉杆通过孔，46—计算机，47—控制器，48—静态加载油源，49—动态加载油源，50—静态加载分油器，51—动态加载分油器，52—第一电液伺服阀，53—第一电磁截止阀，54—第二电磁截止阀，55—单体作动器，56—第一蓄能器，57—第三电磁截止阀，58—第一压力传感器，59—保载气源，60—气液增压泵，61—第四电磁截止阀，62—单向阀，63—第二压力传感器，64—第二电液伺服阀，65—第五电磁截止阀，66—第六电磁截止阀，67—第七电磁截止阀，68—第二蓄能器，69—第八电磁截止阀，70—第三压力传感器，71—第四压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～9所示，一种大型深部洞室群三维物理模型试验系统，包括底座1、防变形预应力加载框架组件2、载荷施加组件3、模型试样制备与运送组件4及多功能液压加载系统组件；所述防变形预应力加载框架组件2及模型试样制备与运送组件4均设置在底座1上，所述载荷施加组件3设置在防变形预应力加载框架组件2上，所述载荷施加组件3与多功能液压加载系统组件相连，通过载荷施加组件3与多功能液压加载系统组件配合，对模型试样进行多面多点协同控制下的长时间保载、动力扰动或位移控制超载。

所述防变形预应力加载框架组件2包括中间框架、前端框架及后端框架，所述中间框架位于前端框架与后端框架之间；

所述中间框架采用多榀式口字型结构，每一榀的中间框架均由顶横梁5、左立柱6、右立柱7及底横梁8组成，且任意相邻的两榀中间框架均采用可拆装结构相连；在所述底横梁8下表面安装有中间框架滑块9，在所述底座1上表面安装有框架导轨10，通过中间框架滑块9使中间框架在框架导轨10上具有直线移动自由度；所述中间框架的口字型内腔为模型试样加载腔11；

所述前端框架包括左反力竖梁12、右反力竖梁13、反力横梁14及反力横梁支座15；所述左反力竖梁12和右反力竖梁13对称固装在反力横梁14上，所述反力横梁支座15固连在反力横梁14下表面，在反力横梁支座15下表面安装有前端框架滑块16，通过前端框架滑块16使前端框架在框架导轨10上具有直线移动自由度；在所述反力横梁14的中部梁体上开设有一个通孔，该通孔作为模型试样开凿孔17，且模型试样开凿孔17与模型试样加载腔11正对；在所述左反力竖梁12及右反力竖梁13底端与底座1之间均连接有前端框架驱动液压缸42，且前端框架驱动液压缸42与框架导轨10相平行；

所述后端框架包括左支撑竖梁18、右支撑竖梁19、支撑横梁20及支撑横梁支座21；所述左支撑竖梁18和右支撑竖梁19对称固装在支撑横梁20上，所述支撑横梁支座21固连在支撑横梁20下表面，在支撑横梁支座21下表面安装有后端框架滑块22，通过后端框架滑块22使后端框架在框架导轨10上具有直线移动自由度；在所述左支撑竖梁18及右支撑竖梁19底端与中间框架底横梁8之间均连接有中后端框架驱动液压缸43，且中后端框架驱动液压缸43与框架导轨10相平行；

在所述左反力竖梁12与左支撑竖梁18之间、在右反力竖梁13与右支撑竖梁19之间、反力横梁14与支撑横梁20之间均通过预应力拉杆44相连，在所述顶横梁5、左立柱6、右立柱7及底横梁8上均开设有拉杆通过孔45；通过对预应力拉杆44施加预紧力，实现中间框架、前端框架及后端框架之间的预应力锁紧。

所述载荷施加组件3包括第一水平作动器组23、第二水平作动器组24、第三水平作动器组25及竖直作动器组26；所述第一水平作动器组23设置在中间框架的左立柱6内侧面，所述第二水平作动器组24设置在中间框架的右立柱7内侧面，所述第三水平作动器组25设置在后端框架的支撑横梁20内侧面，所述竖直作动器组26设置在中间框架的顶横梁5下表面；所述第一水平作动器组23、第二水平作动器组24、第三水平作动器组25及竖直作动器组26内均包含有若干均布设置且结构相同的单体作动器；所述单体作动器包括反力液压缸27、矩形加载板28及磁致伸缩位移传感器29；所述反力液压缸27通过缸筒固连在框架上，所述矩形加载板28垂直固装在反力液压缸27的活塞杆顶端，在矩形加载板28上开设有声发射探头布设孔30；所述磁致伸缩位移传感器29连接在反力液压缸27缸筒与矩形加载板28之间。

所述模型试样制备与运送组件4包括模型试样制备箱31、模型试样承载台32、模型试样运送架33、运送架驱动液压缸34及承载台驱动液压缸35；在所述底座1上表面安装有运送架导轨36，运送架导轨36与框架导轨10相垂直，运送架导轨36的安装高度大于框架导轨10，且与框架导轨10交汇处的运送架导轨36采用拼接式可拆装结构；在所述模型试样运送架33下表面安装有运送架滑块37，通过运送架滑块37使模型试样运送架33在运送架导轨36上具有直线移动自由度；所述模型试样承载台32设置在模型试样运送架33上，在模型试样运送架33上表面安装有承载台导轨38，在模型试样承载台32下表面安装有承载台滚轮39，通过承载台滚轮39使模型试样承载台32在承载台导轨38上具有直线移动自由度；在所述中间框架的模型试样加载腔11内的底横梁8上表面安装有承载台转接导轨40，通过承载台滚轮39使模型试样承载台32在承载台导轨38上具有直线移动自由度；所述运送架驱动液压缸34连接在底座1与模型试样运送架33之间，运送架驱动液压缸34与运送架导轨36相平行；所述承载台驱动液压缸35连接在模型试样运送架33与模型试样承载台32之间，承载台驱动液压缸35与承载台导轨38及承载台转接导轨40相平行，在承载台驱动液压缸35的活塞杆与模型试样承载台32之间通过锁具41相连；所述模型试样制备箱31位于模型试样承载台32上表面。

所述多功能液压加载系统组件包括计算机46、控制器47、静态加载油源48、动态加载油源49、静态加载分油器50、动态加载分油器51、静态加载油路及动态加载油路；所述计算机46与控制器47相连，控制器47分别与静态加载油源48和动态加载油源49相连，静态加载油源48通过静态加载分油器50与至少一路静态加载油路相连，所述动态加载油源49通过动态加载分油器51与至少一路动态加载油路相连；

所述静态加载油路包括第一电液伺服阀52、第一电磁截止阀53及第二电磁截止阀54；所述第一电液伺服阀52的第一进油口与静态加载分油器50相连，在第一电液伺服阀52的第一出油口与第二进油口之间至少并联一个单体作动器55，第一电液伺服阀52的第二出油口与静态加载油源48相连；所述第一电磁截止阀53安装在第一电液伺服阀52的第一出油口与单体作动器55之间的管路上，所述第二电磁截止阀54安装在第一电液伺服阀52的第二进油口与单体作动器55之间的管路上；在所述第一电磁截止阀53与单体作动器55之间的管路上并列连接有静载稳压油路和静压保载油路；所述静载稳压油路包括第一蓄能器56及第三电磁截止阀57，第一蓄能器56通过第三电磁截止阀57与单体作动器55相连，在第三电磁截止阀57与单体作动器55之间的管路上安装有第一压力传感器58；所述静压保载油路包括保载气源59、气液增压泵60、第四电磁截止阀61及单向阀62，保载气源59与气液增压泵60相连，气液增压泵60通过第四电磁截止阀61与单向阀62的进液端相连，单向阀62的出液端与单体作动器55相连；在所述第二电磁截止阀54与单体作动器55之间的管路上安装有第二压力传感器63；

所述动态加载油路包括第二电液伺服阀64、第五电磁截止阀65、第六电磁截止阀66及第七电磁截止阀67；所述第二电液伺服阀64的第一进油口与动态加载分油器51相连，在第二电液伺服阀64的第一出油口与第二进油口之间至少并联一个单体作动器55，第一电液伺服阀52的第二出油口与动态加载油源49相连；所述第五电磁截止阀65安装在第二电液伺服阀64的第一出油口与单体作动器55之间的管路上，所述第六电磁截止阀66安装在第二电液伺服阀64的第二进油口与单体作动器55之间的管路上；所述第七电磁截止阀67单独连接在单体作动器55与动态加载油源49之间；在所述第五电磁截止阀65与单体作动器55之间的管路上连接有动载稳压油路；所述动载稳压油路包括第二蓄能器68及第八电磁截止阀69，第二蓄能器68通过第八电磁截止阀69与单体作动器55相连，在第八电磁截止阀69与单体作动器55之间的管路上安装有第三压力传感器70；在所述第六电磁截止阀66与单体作动器55之间的管路上安装有第四压力传感器71。

本实施例中，系统采用CPCI总线技术，并通过PLC实现逻辑控制，系统共设置了12个独立的控制通道，其中，第一水平作动器组23、第二水平作动器组24及竖直作动器组26内均包含12个单体作动器55，共分为4层，每层有3个；第三水平作动器组25内包含16个单体作动器55，共分为4层，每层有4个；由于第一水平作动器组23与第二水平作动器组24对称分布，设定两个作动器组内位于同层的共6个单体作动器55共用一个控制通道，则该两个作动器组共分配4个控制通道；竖直作动器组26每层3个单体作动器55分配一个控制通道，共计分配4个控制通道；第三水平作动器组25每层4个单体作动器55分配一个控制通道，共计分配4个控制通道。

本实施例中，模型试样制备箱31采用精加工的小部件分层分片拼装而成，各个零部件的尺寸偏差要小于1mm，模型试样制备箱31在高度方向上共分为8层，每层高250mm，总高为2000mm；宽度方向上包含3片小部件，可分别拼装成尺寸为2000×2000mm×500mm、2000×2000mm×1000mm及2000mm×2000mm×1500mm的模型试样制备箱31，进而可制备相应尺寸的模型试样。模型试样制备箱31采用了高刚度侧向约束，可以保证在模型试样的自重作用下，模型试样制备箱31的自身变形得到有效控制。模型试样制备箱31的箱体侧向预留有监测用传感器的出线口，在箱体内表面设置有减摩层。模型试样承载台32采用厚度不小于300mm的高刚度钢板制成，可有效控制在模型试样自重作用下的变形。

一种大型深部洞室群三维物理模型试验方法，采用了所述的大型深部洞室群三维物理模型试验系统，包括如下步骤：

步骤一：根据试验要求选取相似材料，在模型试样制备箱31中利用相似材料进行模型试样的制备，且模型试样中预埋监测用传感器；

步骤二：待模型试样达到初始强度后，对模型试样进行脱模，同时检测模型试样的平整度、垂直度和密实度，确保模型试样的所有指标合格；

步骤三：先将模型试样运送架33移动到模型试样加载腔11正前方，然后将模型试样承载台32移动到模型试样加载腔11内，此时模型试样随着模型试样承载台32进入模型试样加载腔11中，再解除模型试样承载台32与模型试样运送架33之间的锁定，最后将模型试样运送架33移动回初始位置；

步骤四：将防变形预应力加载框架组件2从开启状态调整到封闭状态，以使中间框架、前端框架及后端框架形成一个整体；

步骤五：分别控制第一水平作动器组23、第二水平作动器组24、第三水平作动器组25及竖直作动器组26动作，直到完成模型试样的精确对中夹紧；

步骤六：采用多面多点协同位移控制方式控制第一水平作动器组23、第二水平作动器组24、第三水平作动器组25及竖直作动器组26对模型试样进行真三轴静力加载，然后在设定的静力加载水平下对模型试样实施开凿，同时观测模型试样的变形破裂演化情况；

步骤七：开凿完成后，根据试验需要，可将加载状态切换至长时间保载状态、超载状态或动力扰动状态，在长时间保载状态下观测模型试样的失效破裂演化情况，在超载状态或动力扰动状态下观测模型试样的变形破裂演化情况；

步骤八：分别控制第一水平作动器组23、第二水平作动器组24、第三水平作动器组25及竖直作动器组26动作，完成模型试样的卸载；

步骤九：先将模型试样运送架33移动到模型试样加载腔11正前方，然后将模型试样承载台32与模型试样运送架33进行锁定，再将模型试样承载台32从模型试样加载腔11内以到模型试样运送架33上，最后将模型试样运送架33移动回初始位置，并对取出的模型试样做进一步的分析研究。

长时间保载的控制步骤为：

步骤1：在计算机46中设定模型试样上各个加载面的静载荷值，且每个加载面内各个单体作动器55输出的静载荷值均相同或不全相同；

步骤2：开启静态加载油路中的第一电磁截止阀53及第二电磁截止阀54，开启静载稳压油路中的第三电磁截止阀57，关闭静压保载油路中的第四电磁截止阀61；

步骤3：启动静态加载油源48，按照设定的静载荷值对模型试样进行静力加载，当静态加载油路内的瞬时压力增大时，压力能会以压缩能的形式存储于第一蓄能器56内，当静态加载油路内的瞬时压力降低时，第一蓄能器56内的压缩能会补充到静态加载油路中，保证静态加载油路的压力平稳；

步骤4：当静力加载达到设定值后，关闭静态加载油路中的第一电磁截止阀53及第二电磁截止阀54，关闭静载稳压油路中的第三电磁截止阀57，开启静压保载油路中的第四电磁截止阀61；

步骤5：关闭静态加载油源48，保压模式启动，随着加载时间的增加，当静态加载油路中的压力下降到设定值以下时，静压保载油路中的气液增压泵60启动，通过气液增压泵60向静态加载油路中补充损失的油压，直到压力恢复到设定值，此时关闭气液增压泵60。本实施例中要求长时间保载的时间不小于12个月。

动力扰动的控制步骤为：

步骤1：在计算机46中设定模型试样上各个加载面的静载荷值，且每个加载面内各个单体作动器55输出的静载荷值均相同或不全相同；

步骤2：开启静态加载油路中的第一电磁截止阀53及第二电磁截止阀54，开启静载稳压油路中的第三电磁截止阀57，关闭静压保载油路中的第四电磁截止阀61；

步骤3：启动静态加载油源48，按照设定的静载荷值对模型试样进行静力加载，当静态加载油路内的瞬时压力增大时，压力能会以压缩能的形式存储于第一蓄能器56内，当静态加载油路内的瞬时压力降低时，第一蓄能器56内的压缩能会补充到静态加载油路中，保证静态加载油路的压力平稳；

步骤4：选择一个或多个加载面作为动力扰动面，并在计算机46中设定动态载荷的幅值和频率，且动力扰动面内各个单体作动器55输出的动态载荷的幅值和频率均相同或不全相同；

步骤5：开启动态加载油路中的第五电磁截止阀65、第六电磁截止阀66及第七电磁截止阀67，开启动载稳压油路中的第八电磁截止阀69；

步骤6：启动动态加载油源49，启动动态加载油路中的第二电液伺服阀64，使第二电液伺服阀64的阀芯进行高频往复运动，进而使单体作动器55中的反力液压缸27完成高频供油和回油，从而按照设定的动态载荷对模型试样进行动力扰动；在动力扰动过程中，当动态加载油路中出现压力波动时，通过第二蓄能器68进行压力的存储和释放，保证动态加载油路的压力平稳。本实施例中要求动态载荷的最大扰动频率为10Hz，动态载荷的最大幅值不低于1.5MPa，动态加载油源49及静态加载油源48的排量分别占系统总排量的2/3和1/3。

多面多点协同位移控制步骤为：

步骤1：在计算机46中设定模型试样上每个加载面内各个单体作动器55的位移加载速率，且各个单体作动器55的位移加载速率均相同或不全相同；

步骤2：开启静态加载油路中的第一电磁截止阀53及第二电磁截止阀54，开启静载稳压油路中的第三电磁截止阀57，关闭静压保载油路中的第四电磁截止阀61；

步骤3：启动静态加载油源48，按照设定的静载荷值对模型试样进行静力加载，当静态加载油路内的瞬时压力增大时，压力能会以压缩能的形式存储于第一蓄能器56内，当静态加载油路内的瞬时压力降低时，第一蓄能器56内的压缩能会补充到静态加载油路中，保证静态加载油路的压力平稳；

步骤4：在静力加载过程中，通过磁致伸缩位移传感器29实时监测单体作动器55中反力液压缸27活塞杆的位移数据，该位移数据首先反馈到控制器47中，再通过控制器47向第一电液伺服阀52发出供油信号，进而通过第一电液伺服阀52实时动态调整反力液压缸27的供油量，最终使实际位移加载速率满足设定值；

步骤5：在多面多点协同位移控制方式下，完成模型试样的超载试验。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (9)

1.一种大型深部洞室群三维物理模型试验系统，其特征在于：包括底座、防变形预应力加载框架组件、载荷施加组件、模型试样制备与运送组件及多功能液压加载系统组件；所述防变形预应力加载框架组件及模型试样制备与运送组件均设置在底座上，所述载荷施加组件设置在防变形预应力加载框架组件上，所述载荷施加组件与多功能液压加载系统组件相连，通过载荷施加组件与多功能液压加载系统组件配合，对模型试样进行多面多点协同控制下的长时间保载、动力扰动或位移控制超载。

2.根据权利要求1所述的一种大型深部洞室群三维物理模型试验系统，其特征在于：所述防变形预应力加载框架组件包括中间框架、前端框架及后端框架，所述中间框架位于前端框架与后端框架之间；

所述中间框架采用多榀式口字型结构，每一榀的中间框架均由顶横梁、左立柱、右立柱及底横梁组成，且任意相邻的两榀中间框架均采用可拆装结构相连；在所述底横梁下表面安装有中间框架滑块，在所述底座上表面安装有框架导轨，通过中间框架滑块使中间框架在框架导轨上具有直线移动自由度；所述中间框架的口字型内腔为模型试样加载腔；

所述前端框架包括左反力竖梁、右反力竖梁、反力横梁及反力横梁支座；所述左反力竖梁和右反力竖梁对称固装在反力横梁上，所述反力横梁支座固连在反力横梁下表面，在反力横梁支座下表面安装有前端框架滑块，通过前端框架滑块使前端框架在框架导轨上具有直线移动自由度；在所述反力横梁的中部梁体上开设有一个通孔，该通孔作为模型试样开凿孔，且模型试样开凿孔与模型试样加载腔正对；在所述左反力竖梁及右反力竖梁底端与底座之间均连接有前端框架驱动液压缸，且前端框架驱动液压缸与框架导轨相平行；

所述后端框架包括左支撑竖梁、右支撑竖梁、支撑横梁及支撑横梁支座；所述左支撑竖梁和右支撑竖梁对称固装在支撑横梁上，所述支撑横梁支座固连在支撑横梁下表面，在支撑横梁支座下表面安装有后端框架滑块，通过后端框架滑块使后端框架在框架导轨上具有直线移动自由度；在所述左支撑竖梁及右支撑竖梁底端与中间框架底横梁之间均连接有中后端框架驱动液压缸，且中后端框架驱动液压缸与框架导轨相平行；

在所述左反力竖梁与左支撑竖梁之间、在右反力竖梁与右支撑竖梁之间、反力横梁与支撑横梁之间均通过预应力拉杆相连，在所述顶横梁、左立柱、右立柱及底横梁上均开设有拉杆通过孔；通过对预应力拉杆施加预紧力，实现中间框架、前端框架及后端框架之间的预应力锁紧。

3.根据权利要求2所述的一种大型深部洞室群三维物理模型试验系统，其特征在于：所述载荷施加组件包括第一水平作动器组、第二水平作动器组、第三水平作动器组及竖直作动器组；所述第一水平作动器组设置在中间框架的左立柱内侧面，所述第二水平作动器组设置在中间框架的右立柱内侧面，所述第三水平作动器组设置在后端框架的支撑横梁内侧面，所述竖直作动器组设置在中间框架的顶横梁下表面；所述第一水平作动器组、第二水平作动器组、第三水平作动器组及竖直作动器组内均包含有若干均布设置且结构相同的单体作动器；所述单体作动器包括反力液压缸、矩形加载板及磁致伸缩位移传感器；所述反力液压缸通过缸筒固连在框架上，所述矩形加载板垂直固装在反力液压缸的活塞杆顶端，在矩形加载板上开设有声发射探头布设孔；所述磁致伸缩位移传感器连接在反力液压缸缸筒与矩形加载板之间。

4.根据权利要求2所述的一种大型深部洞室群三维物理模型试验系统，其特征在于：所述模型试样制备与运送组件包括模型试样制备箱、模型试样承载台、模型试样运送架、运送架驱动液压缸及承载台驱动液压缸；在所述底座上表面安装有运送架导轨，运送架导轨与框架导轨相垂直，运送架导轨的安装高度大于框架导轨，且与框架导轨交汇处的运送架导轨采用拼接式可拆装结构；在所述模型试样运送架下表面安装有运送架滑块，通过运送架滑块使模型试样运送架在运送架导轨上具有直线移动自由度；所述模型试样承载台设置在模型试样运送架上，在模型试样运送架上表面安装有承载台导轨，在模型试样承载台下表面安装有承载台滚轮，通过承载台滚轮使模型试样承载台在承载台导轨上具有直线移动自由度；在所述中间框架的模型试样加载腔内的底横梁上表面安装有承载台转接导轨，通过承载台滚轮使模型试样承载台在承载台导轨上具有直线移动自由度；所述运送架驱动液压缸连接在底座与模型试样运送架之间，运送架驱动液压缸与运送架导轨相平行；所述承载台驱动液压缸连接在模型试样运送架与模型试样承载台之间，承载台驱动液压缸与承载台导轨及承载台转接导轨相平行，在承载台驱动液压缸的活塞杆与模型试样承载台之间通过锁具相连；所述模型试样制备箱位于模型试样承载台上表面。

5.根据权利要求3所述的一种大型深部洞室群三维物理模型试验系统，其特征在于：所述多功能液压加载系统组件包括计算机、控制器、静态加载油源、动态加载油源、静态加载分油器、动态加载分油器、静态加载油路及动态加载油路；所述计算机与控制器相连，控制器分别与静态加载油源和动态加载油源相连，静态加载油源通过静态加载分油器与至少一路静态加载油路相连，所述动态加载油源通过动态加载分油器与至少一路动态加载油路相连；

所述静态加载油路包括第一电液伺服阀、第一电磁截止阀及第二电磁截止阀；所述第一电液伺服阀的第一进油口与静态加载分油器相连，在第一电液伺服阀的第一出油口与第二进油口之间至少并联一个单体作动器，第一电液伺服阀的第二出油口与静态加载油源相连；所述第一电磁截止阀安装在第一电液伺服阀的第一出油口与单体作动器之间的管路上，所述第二电磁截止阀安装在第一电液伺服阀的第二进油口与单体作动器之间的管路上；在所述第一电磁截止阀与单体作动器之间的管路上并列连接有静载稳压油路和静压保载油路；所述静载稳压油路包括第一蓄能器及第三电磁截止阀，第一蓄能器通过第三电磁截止阀与单体作动器相连，在第三电磁截止阀与单体作动器之间的管路上安装有第一压力传感器；所述静压保载油路包括保载气源、气液增压泵、第四电磁截止阀及单向阀，保载气源与气液增压泵相连，气液增压泵通过第四电磁截止阀与单向阀的进液端相连，单向阀的出液端与单体作动器相连；在所述第二电磁截止阀与单体作动器之间的管路上安装有第二压力传感器；

所述动态加载油路包括第二电液伺服阀、第五电磁截止阀、第六电磁截止阀及第七电磁截止阀；所述第二电液伺服阀的第一进油口与动态加载分油器相连，在第二电液伺服阀的第一出油口与第二进油口之间至少并联一个单体作动器，第一电液伺服阀的第二出油口与动态加载油源相连；所述第五电磁截止阀安装在第二电液伺服阀的第一出油口与单体作动器之间的管路上，所述第六电磁截止阀安装在第二电液伺服阀的第二进油口与单体作动器之间的管路上；所述第七电磁截止阀单独连接在单体作动器与动态加载油源之间；在所述第五电磁截止阀与单体作动器之间的管路上连接有动载稳压油路；所述动载稳压油路包括第二蓄能器及第八电磁截止阀，第二蓄能器通过第八电磁截止阀与单体作动器相连，在第八电磁截止阀与单体作动器之间的管路上安装有第三压力传感器；在所述第六电磁截止阀与单体作动器之间的管路上安装有第四压力传感器。

6.一种大型深部洞室群三维物理模型试验方法，采用了权利要求1所述的大型深部洞室群三维物理模型试验系统，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：根据试验要求选取相似材料，在模型试样制备箱中利用相似材料进行模型试样的制备，且模型试样中预埋监测用传感器；

步骤二：待模型试样达到初始强度后，对模型试样进行脱模，同时检测模型试样的平整度、垂直度和密实度，确保模型试样的所有指标合格；

步骤三：先将模型试样运送架移动到模型试样加载腔正前方，然后将模型试样承载台移动到模型试样加载腔内，此时模型试样随着模型试样承载台进入模型试样加载腔中，再解除模型试样承载台与模型试样运送架之间的锁定，最后将模型试样运送架移动回初始位置；

步骤四：将防变形预应力加载框架组件从开启状态调整到封闭状态，以使中间框架、前端框架及后端框架形成一个整体；

步骤五：分别控制第一水平作动器组、第二水平作动器组、第三水平作动器组及竖直作动器组动作，直到完成模型试样的精确对中夹紧；

步骤六：采用多面多点协同位移控制方式控制第一水平作动器组、第二水平作动器组、第三水平作动器组及竖直作动器组对模型试样进行真三轴静力加载，然后在设定的静力加载水平下对模型试样实施开凿，同时观测模型试样的变形破裂演化情况；

步骤七：开凿完成后，根据试验需要，可将加载状态切换至长时间保载状态、超载状态或动力扰动状态，在长时间保载状态下观测模型试样的失效破裂演化情况，在超载状态或动力扰动状态下观测模型试样的变形破裂演化情况；

步骤八：分别控制第一水平作动器组、第二水平作动器组、第三水平作动器组及竖直作动器组动作，完成模型试样的卸载；

步骤九：先将模型试样运送架移动到模型试样加载腔正前方，然后将模型试样承载台与模型试样运送架进行锁定，再将模型试样承载台从模型试样加载腔内以到模型试样运送架上，最后将模型试样运送架移动回初始位置，并对取出的模型试样做进一步的分析研究。

7.根据权利要求6所述的一种大型深部洞室群三维物理模型试验方法，其特征在于：长时间保载的控制步骤为：

步骤1：在计算机中设定模型试样上各个加载面的静载荷值，且每个加载面内各个单体作动器输出的静载荷值均相同或不全相同；

步骤2：开启静态加载油路中的第一电磁截止阀及第二电磁截止阀，开启静载稳压油路中的第三电磁截止阀，关闭静压保载油路中的第四电磁截止阀；

步骤3：启动静态加载油源，按照设定的静载荷值对模型试样进行静力加载，当静态加载油路内的瞬时压力增大时，压力能会以压缩能的形式存储于第一蓄能器内，当静态加载油路内的瞬时压力降低时，第一蓄能器内的压缩能会补充到静态加载油路中，保证静态加载油路的压力平稳；

步骤4：当静力加载达到设定值后，关闭静态加载油路中的第一电磁截止阀及第二电磁截止阀，关闭静载稳压油路中的第三电磁截止阀，开启静压保载油路中的第四电磁截止阀；

步骤5：关闭静态加载油源，保压模式启动，随着加载时间的增加，当静态加载油路中的压力下降到设定值以下时，静压保载油路中的气液增压泵启动，通过气液增压泵向静态加载油路中补充损失的油压，直到压力恢复到设定值，此时关闭气液增压泵。

8.根据权利要求6所述的一种大型深部洞室群三维物理模型试验方法，其特征在于：动力扰动的控制步骤为：

步骤1：在计算机中设定模型试样上各个加载面的静载荷值，且每个加载面内各个单体作动器输出的静载荷值均相同或不全相同；

步骤2：开启静态加载油路中的第一电磁截止阀及第二电磁截止阀，开启静载稳压油路中的第三电磁截止阀，关闭静压保载油路中的第四电磁截止阀；

步骤3：启动静态加载油源，按照设定的静载荷值对模型试样进行静力加载，当静态加载油路内的瞬时压力增大时，压力能会以压缩能的形式存储于第一蓄能器内，当静态加载油路内的瞬时压力降低时，第一蓄能器内的压缩能会补充到静态加载油路中，保证静态加载油路的压力平稳；

步骤4：选择一个或多个加载面作为动力扰动面，并在计算机中设定动态载荷的幅值和频率，且动力扰动面内各个单体作动器输出的动态载荷的幅值和频率均相同或不全相同；

步骤5：开启动态加载油路中的第五电磁截止阀、第六电磁截止阀及第七电磁截止阀，开启动载稳压油路中的第八电磁截止阀；

步骤6：启动动态加载油源，启动动态加载油路中的第二电液伺服阀，使第二电液伺服阀的阀芯进行高频往复运动，进而使单体作动器中的反力液压缸完成高频供油和回油，从而按照设定的动态载荷对模型试样进行动力扰动；在动力扰动过程中，当动态加载油路中出现压力波动时，通过第二蓄能器进行压力的存储和释放，保证动态加载油路的压力平稳。

9.根据权利要求6所述的一种大型深部洞室群三维物理模型试验方法，其特征在于：多面多点协同位移控制步骤为：

步骤1：在计算机中设定模型试样上每个加载面内各个单体作动器的位移加载速率，且各个单体作动器的位移加载速率均相同或不全相同；

步骤2：开启静态加载油路中的第一电磁截止阀及第二电磁截止阀，开启静载稳压油路中的第三电磁截止阀，关闭静压保载油路中的第四电磁截止阀；

步骤3：启动静态加载油源，按照设定的静载荷值对模型试样进行静力加载，当静态加载油路内的瞬时压力增大时，压力能会以压缩能的形式存储于第一蓄能器内，当静态加载油路内的瞬时压力降低时，第一蓄能器内的压缩能会补充到静态加载油路中，保证静态加载油路的压力平稳；

步骤4：在静力加载过程中，通过磁致伸缩位移传感器实时监测单体作动器中反力液压缸活塞杆的位移数据，该位移数据首先反馈到控制器中，再通过控制器向第一电液伺服阀发出供油信号，进而通过第一电液伺服阀实时动态调整反力液压缸的供油量，最终使实际位移加载速率满足设定值；

步骤5：在多面多点协同位移控制方式下，完成模型试样的超载试验。