CN110987630A - 先进地质力学模型试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了先进地质力学模型试验系统，包括模型试验台架装置系统、液压加载系统、应变位移测试系统，所述模型试验台架装置系统包括底板，所述底板的底部均匀设置有多个底板横梁，多个所述底板横梁的底部均匀设置有多个底板横梁连接板，所述底板的侧壁设置有底板夹板，所述底板的顶部靠近四角处均匀设置有四个立柱，所述立柱的顶部通过固定连接有横梁立柱连接板；本发明能有效的完成隧（坑）道、地下工程洞室等地下岩土工程的开挖过程稳定性模拟，可模拟锚杆（索）支护，分析隧洞围岩内的应力和位移，研究隧洞围岩破裂，优化加固措施。

Description

先进地质力学模型试验系统
技术领域
本发明涉及一种地质力学模型试验系统，具体是先进地质力学模型试验系统。
背景技术
从20世纪初，西欧一些国家就开始进行结构模型试验，并逐渐建立了相似理论。60年代，以E.Fumagalli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，试验研究范围从弹性到塑性直至最终破坏阶段。随后，葡萄牙、前苏联、法国、德国、英国和日本等国也开展了这方面的研究。在国内，从70年代开始，武汉水利电力大学、清华大学、总参工程兵科研三所、西南交通大学、中国矿业大学等单位，先后对国内许多大型水电、交通和矿山工程问题进行了地质力学模型试验研究，并取得了一大批研究成果。要进行地质力学模型试验，就必须有相应的模型试验系统。
然而目前模拟地下岩土隧洞的地质力学模型试验系统尺寸多为固定式，适用范围小，同时扩展性差，无法在现有模型基础上增设其他加载装置。
发明内容
本发明的目的在于提供先进地质力学模型试验系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
先进地质力学模型试验系统，包括模型试验台架装置系统、液压加载系统、应变位移测试系统，所述模型试验台架装置系统包括底板，所述底板的底部均匀设置有多个底板横梁，多个所述底板横梁的底部均匀设置有多个底板横梁连接板，所述底板的侧壁设置有底板夹板，所述底板的顶部靠近四角处均匀设置有四个立柱，所述立柱的顶部通过固定连接有横梁立柱连接板，所述横梁立柱连接板共同固定连接有多个横梁，所述底板的顶部设置有多个反应墙块，多个反应墙块堆砌形成洞室，所述洞室的外壁设置有洞室透视窗口。
作为本发明进一步的方案：所述液压加载系统包括液压泵站、高压油管、分油器、液压千斤顶，所述液压千斤顶的与横梁8的底部固定连接，所述液压千斤顶的活塞杆端固定连接有球铰，所述球铰的底部设置有传压垫块。
作为本发明进一步的方案：所述液压千斤顶的数量为30个，所述液压千斤顶的进油口与出油口均通过高压油管与分油器连接。
作为本发明进一步的方案：所述应变位移测试系统包括电阻应变采集分析测试系统、光纤光栅应变测试系统、微型多点位移采集分析系统与数字照相位移测试系统。
作为本发明再进一步的方案：所述数字照相位移测试系统包括单反相机、三脚架和数字照相分析软件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明能有效的完成隧（坑）道、地下工程洞室等地下岩土工程的开挖过程稳定性模拟，可模拟锚杆（索）支护，分析隧洞围岩内的应力和位移，研究隧洞围岩破裂，优化加固措施。
2、模型试验台架装置可根据模型尺寸自由拼装，强度高、刚度大；结构紧凑，既能进行三维试验，又能进行平面试验。
3、液压加载控制系统能实现自动伺服加载控制，升压平稳，精度高，可实现梯形加载，能实现地下坑道开挖过程模拟；液压千斤顶行程大、吨位高；可实现地下坑道过载破坏过程模拟。
4、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。
5、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为先进地质力学模型试验系统的结构示意图。
图2为设计整体效果和实际安装图。
图3为设计整体效果和实际安装正视图。
图4为模型试验平台系统组成示意图。
图5为模型试验装置的正视图。
图6为模型试验装置的左视图。
图7为模型试验装置的俯视图。
图8为液压千斤顶加载区域划分图。
图9为液压泵站实物图。
图10为触摸式液压自动控制系统实物图。
图11为触摸式液压自动控制系统图。
图12为千斤顶及推力器的实物图。
图13为电阻应变测试系统。
图14为光纤光栅应变测试系统。
图15为光栅式微型多点位移计及采集分析系统。
图16为数字照相位移测试系统。
图17为模型试验平台示意图。
图18为液压加载控制系统指标图。
图19为测试系统指标图。
其中，1、底板；2、底板横梁；3、底板横梁连接板；4、底板夹板；5、反力墙块；6、立柱；7、横梁立柱连接板；8、横梁；9、液压千斤顶；10、球铰；11、传压垫块；12、洞室透视窗口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中，先进地质力学模型试验系统，包括模型试验台架装置系统、液压加载系统、应变位移测试系统，模型试验台架装置系统包括底板1，底板1的底部均匀设置有多个底板横梁2，多个底板横梁2的底部均匀设置有多个底板横梁连接板3，底板2的侧壁设置有底板夹板4，底板4的顶部靠近四角处均匀设置有四个立柱6，立柱6的顶部通过固定连接有横梁立柱连接板7，横梁立柱连接板7共同固定连接有多个横梁8，底板1的顶部设置有多个反应墙块5，多个反应墙块5堆砌形成洞室，洞室的外壁设置有洞室透视窗口12。
液压加载系统包括液压泵站、高压油管、分油器、液压千斤顶9，液压千斤顶9的与横梁8的底部固定连接，液压千斤顶的活塞杆端固定连接有球铰10，球铰10的底部设置有传压垫块11。
液压千斤顶9的数量为30个，液压千斤顶9的进油口与出油口均通过高压油管与分油器连接。
应变位移测试系统包括电阻应变采集分析测试系统、光纤光栅应变测试系统、微型多点位移采集分析系统与数字照相位移测试系统。
数字照相位移测试系统包括单反相机、三脚架和数字照相分析软件。
大型模型试验系统是专门为模拟地下岩土隧洞（坑道）试验开发的先进地质力学模型试验系统。由模型试验台架装置系统、加载控制系统和开挖测试系统组成。模型试验台架装置系统规模大，可以实现顶部加载、四面开挖隧洞，模拟岩体应力条件，测试系统采用光纤等先进测试手段，具有全自动实时采集分析功能。整套试验系统自动化程度高，具有很强的扩展能力。图2为设计整体效果和实际安装图。
模型试验系统组成
模型试验系统模型试验装置系统、液压加载控制系统和开挖位移、应变测试系统组成。如图4所示。
模型试验台架
经论证，建立图5-7所示的模型试验台架，即：能垂直加载，暂没有水平加载功能的立体模型试验平台。若后期有需求，则在现有基础上增设水平加载系统改造为立体模型试验平台。
外围自平衡反力架的主要作用是给垂直加载系统提供反力，共4榀，横梁由日字型箱形钢构件焊接而成，可在一定范围内调节高度，以适应规模大小不同的试验。立柱由工字型断面钢结构焊接而成。
模型约束板由盒式铸钢构件通过高强螺栓连接拼装而成。
模型垂直加载系统
模型试验采用液压加载系统进行垂直加载。液压加载系统由液压泵站、触摸式液压自动控制系统、高压油管、分油器、液压千斤顶、传压垫块等组成。
泵站、液压自动控制系统应能够带动24个液压千斤顶同时工作。
触摸式液压自动控制系统能同时控制和显示12路不同的系统压力，通过高压油管和分油器连接各个液压千斤顶，实现对液压千斤顶出力的控制。
每个千斤顶各有一个进油口和一个出油口，可实现拉伸和压缩控制，最大压力可达30吨，最大行程可达200mm。
液压千斤顶与模型上表面之间设两级传力垫块，并在千斤顶和传力垫块之间增设球铰，可实现力的调整和匀均加载。
模型顶部加载面上共设24个液压千斤顶，将整个加载面积划分为30个小区域（图8所示），使得每个液压千斤顶的输出压力比较适中（约20t），5个纵向小区域（图3中划斜线部分）可单独拿出来进行平面应力或平面应变模型试验，增加实验设备的使用率。
应变位移测试系统
测试应变系统采用高速静态应变仪和光栅光纤应变测试系统，内部位移测量系统采用光栅式微型多点位移计，表面位移测量系统采用数字照相监测系统。研制和配置的试验测量仪器系统具有电脑程序控制、自动采集、可视化等特点。
主要技术指标和参数
模型试验装置空间尺度
模型试验装置占用的空间尺度为：长×宽×高＝6.76m×4.16m×6.601m。
试验模型体的最大体积为：长×宽×高＝3.6m×3.6m×4.5m。
模型装置的反力墙块可任意拼装，通过增加或减少反力墙块可达到前后或左右两侧扩大或缩小，模型体尺寸每次最小可移动30cm。
通过上下移动横梁和立柱横梁连接板，可实现满足不同高度试验模型的要求。可调高度为3.0m—6.2m。
今后可通过改造，在四条横梁下方增加垂直横梁的垫块，通过垫块使四条横梁一致受力，可做大吨位反力架使用。
液压加载控制系统
液压站系统压力最大可达30MPa。
液压控制系统采用触摸屏式自动控制，可实现自动/手动液压控制设定和现实系统压力，设定试验所需压力的上下限阀值，可实现自动加载伺服控制，控制压力精度小于±0.2MPa，可长时间保压10天以上。
液压千斤顶内径125mm，最大行程200mm，最大压力可达30吨。
选用液压千斤顶加载，配备输出压力为30t的液压千斤顶30个（备用6个），油泵一台。供压系统应能够带动24个液压千斤顶同时工作。
为实现匀均加载，液压千斤顶与模型上表面之间设两级传力垫块，并在液压千斤顶与传力垫块之间增加球铰。
应变位移测试系统
模型应变和位移测量仪器全部实现自动化测量，精度高，可靠性高。
测量应变采用：电阻应变采集分析测试系统、光纤光栅应变测试系统；
模型内部位移测量采用微型多点位移采集分析系统；
模型表面位移测量采用数字照相位移测试系统。
详细技术指标和参数
液压加载控制系统
液压站
液压站如图9所示。液压泵站技术参数如下：
A）型号：DBS12L
B）电机功率：2.2KW/4级
C）输入电压：380V
D）电磁换向阀输入电压220V
E）额定压力：25MPa
F）额定流量：3.5L/min
G）外形尺寸（长宽高）：1050×650×950mm
H）将设计6路增加为12路。
液压自动控制系统
液压控制系统按照12路输出控制，为彩色触摸屏式自动控制系统，具有自动和手动功能。10英寸触摸控制屏具有设定、控制和液压数字显示等功能。（参照图10、图11）
液压油缸
30个30T液压千斤顶的加工按照《液压千斤顶的检定规程JJG－621－2005》执行，且每个液压千斤顶都必须经过专业的标定，误差控制规范允许范围内。
千斤顶技术参数：
A）型号：CL125×80/200
B）缸径：Φ125mm
C）杆径：80mm
D）行程：200mm
E）最大推力：30T
（1）每个液压千斤顶有一个进油管和一个出油管，工作时千斤顶底部安放于反力架上，顶部作用于加载单元传力垫块上，实现对模型进行加载。
（2）液压千斤顶的最大行程为200mm，必须要有足够的出力精度，其出力误差对6-30吨的范围内不得超过荷载量的3%；
（3）液压千斤顶顶部增加了球铰，保证千斤顶作用在模型表面的力均匀。千斤顶按照30吨推力设计，头部增加了球绞，保证千斤顶作用在模型表面的力均匀。
（4）每个分油器由1路可分为4路，保证油压相同。
测试系统性能
测试应变系统采用高速静态应变仪和光栅光纤应变测试系统，内部位移测量系统采用光栅式微型多点位移计，表面位移测量系统采用数字照相监测系统。研制和配置的试验测量仪器系统具有自动采集、电脑控制、可视化等特点。测试系统指标如表2所示。
静态电阻应变仪
电阻应变采集分析测试系统包括秦皇岛生产的高速静态应变仪（XL2101G,60点数据采集通道，量程20000με，精度1με）5台、方正商祺商用计算机1台。
包含应变仪质量合格证5套，配备数据采集、分析与处理软件、说明书等资料。
光纤光栅应变测试系统
光纤光栅采集分析测试系统包括美国生产的光纤光栅解调仪1台（SM225）、光纤通道扩展仪一台、光纤分路/合路器10个、方正商祺商用计算机1台。该系统能够同时监测120点应变值，量程5000με，精度1με。
数据处理软件一套，包含数据采集、分析与处理程序软件（含安装盘）。
光纤传感器120个，包括光纤光栅100个，温度传感器10个，光纤光栅应变花（每块3个光栅）4块。光纤接头120个。
包含光纤光栅解调仪质量合格证1套，安装使用说明书等资料。
微型多点位移采集分析系统
微型多点位移采集分析测试系统包括贵阳生产的光栅尺30个，量程100mm，精度0.005mm。山东大学设计加工的微型多点位移采集分析系统包含SD-3型数据采集柜1台（包含工控计算机1台，数据采集模块和ABB-PLC控制模块等），位移采集分析程序1套，可将光栅尺的精度划分为0.00125mm。
微型多点位移计包括配重块、微型滑轮、测点、护管和钢丝分离盘等组成。
为完成验收试验，设计加工了独立的测试支架，含4根立柱和若干角钢梁，用于安放固定光栅尺。
配备数据采集、分析与处理软件、光栅尺质量合格证、操作说明书等资料。
数字照相位移测试系统
表面位移测试系统由单反相机、三脚架和数字照相分析软件组成。可进行表面位移的测试，精度可达到0.012mm。
单反相机为佳能EOS450D，镜头18~55mm/3.5-5.6，配备使用手册、充电器、电池、传输线、存储卡、软件光盘等，并配备遥控拍摄控制器一个和50mm、0.45/1.5ft固定焦距镜头。
三脚架为云腾三脚架1台。
数字照相分析软件由PhotoInfor和PostViewer软件组成，可进行全景和散点的位移场分析处理。
系统安装使用说明书和软件使用说明书等资料各一份。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种先进地质力学模型试验系统，包括模型试验台架装置系统、液压加载系统、应变位移测试系统，其特征在于：所述模型试验台架装置系统包括底板（1），所述底板（1）的底部均匀设置有多个底板横梁（2），多个所述底板横梁（2）的底部均匀设置有多个底板横梁连接板（3），所述底板（2）的侧壁设置有底板夹板（4），所述底板（4）的顶部靠近四角处均匀设置有四个立柱（6），所述立柱（6）的顶部通过固定连接有横梁立柱连接板（7），所述横梁立柱连接板（7）共同固定连接有多个横梁（8），所述底板（1）的顶部设置有多个反应墙块（5），多个反应墙块（5）堆砌形成洞室，所述洞室的外壁设置有洞室透视窗口（12）。
2.根据权利要求1所述的先进地质力学模型试验系统，其特征在于：所述液压加载系统包括液压泵站、高压油管、分油器、液压千斤顶（9），所述液压千斤顶（9）的与横梁8的底部固定连接，所述液压千斤顶的活塞杆端固定连接有球铰（10），所述球铰（10）的底部设置有传压垫块（11）。
3.根据权利要求2所述的先进地质力学模型试验系统，其特征在于：所述液压千斤顶（9）的数量为30个，所述液压千斤顶（9）的进油口与出油口均通过高压油管与分油器连接。
4.根据权利要求1所述的先进地质力学模型试验系统，其特征在于：所述应变位移测试系统包括电阻应变采集分析测试系统、光纤光栅应变测试系统、微型多点位移采集分析系统与数字照相位移测试系统。
5.根据权利要求4所述的先进地质力学模型试验系统，其特征在于：所述数字照相位移测试系统包括单反相机、三脚架和数字照相分析软件。
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