CN111521499B - 深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置及方法，该非对称应力加载的装置包括加载架和加载器，加载架的横截面呈直角三角形，位于物理模型实验系统中，用于传递加载器所施加的非对称应力，加载架的第一直角边和第二直角边上分别设置有加载器，加载器用于向所述加载架施加非对称应力；本发明解决了工程实验人员在大型物理模型实验过程中非对称应力施加的问题，通过三角形钢结构支架给模拟板岩提供足够的非对称应力，通过设计三角形施加非对称应力支架，用于模拟地下工程中由于冲击岩爆、爆破等引起冲击波的等效载荷，本发明通过滑轮可以安装在物理模型实验系统中的不同位置，便于实现不同位置偏应力的加载。

Description

深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置及方法
技术领域
本发明属于物理模型实验研究技术领域，具体涉及一种深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置及方法。
背景技术
由于地下工程赋存环境复杂，各种不确定性因素严重威胁着深地工程建设的安全与稳定。这就要求在工程建设前，我们要能够尽可能多的掌握各种不可预见工况的产生。为了探索深地不可预见工况的种类和强度，各种室内实验、现场探测、理论研究、数值模拟等方法应运而生。其中，基于相似比原理的地下工程物理模型实验因其能够更加真实的反应深地地质环境特征、工程结构特征、力学场、位移场、环境场的各种强度扰动都能够近似于真实的施加在物理模型结构上，因此已经成为目前研究的热点课题。通过物理模型实验得到的结论，能够为地下工程的设计、施工、运营全生命周期的工作提供理论和实践依据。
目前，相似物理模型实验系统目前可以分为二维和三维两大类。为了尽可能真实的反应地下工程赋存环境，需要通过垂直和水平两个方向或者X、Y、Z三个方向进行预压、加载。由于技术水平限制，目前的加载均属于正交加载，即三个方向或者两个方向的加载路径垂直，所施加的应力场对于地下工程结构来说，均以对称为主，无法实现非对称加载的目的，这样对于一些断层、爆破等影响作用下产生的偏应力，无法真正施加到地下工程构筑物上，无法真实反应地下工程赋存的环境。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置及方法，以便实现不同位置偏应力的加载问题，该加载架可以使用液压加载器对模拟地下工程岩板施加所设计的偏应力载荷，本发明装置便于携带和使用，极大的方便了工程实验荷载的施加。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置，所述非对称应力加载的装置包括加载架，所述加载架的横截面呈直角三角形，位于物理模型实验系统中，用于传递加载器所施加的非对称应力；加载器，所述加载架的第一直角边和第二直角边上分别设置有加载器，所述加载器用于向所述加载架施加非对称应力。
依据上述的深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置，作为优选方案，所述加载架的内部设置有加劲肋板，用于增加所述加载架的承载能力。
依据上述的深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置，作为优选方案，所述加载架的第一直角边和第二直角边上分别对应设置有第一加载器和第二加载器；
所述加载架的第一直角边与所述第一加载器之间通过连接锁扣连接；
所述加载架的第二直角边上设置有多个钢轮，所述钢轮上设置有所述第二加载器，所述第二加载器通过所述钢轮向所述加载架的第二直角边施加应力，所述加载架可通过所述钢轮移动至物理模型实验系统中的不同位置。
依据上述的深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置，作为优选方案，多个所述钢轮与所述第二加载器之间设置有承压板，确保多个所述钢轮均匀承载应力。
依据上述的深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置，作为优选方案，所述连接锁扣的横截面为U形，所述连接锁扣的一侧与所述加载架的第一直角边连接，另一侧与所述第一加载器的底部连接，用于固定所述第一加载器。
依据上述的深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置，作为优选方案，所述加载器为液压加载器，用于向所述加载架上均匀施加应力。
依据上述的深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置，作为优选方案，所述第一加载器与物理模型实验系统中横梁连接，用于向所述加载架施加竖向应力；
所述第二加载器与物理模型实验系统中的钢柱连接，用于向所述加载架施加水平应力。
本发明还提供一种深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置的使用方法，所述非对称应力加载的装置的使用方法包括以下步骤：
步骤S1，将加载架设置在物理模型实验系统中；
步骤S2，通过加载器向加载架施加非对称应力；
步骤S3，向加载架水平施加水平力，待施加水平围压稳定后，再竖向向加载架施加竖向力；
步骤S4，观察施加非对称应力后的加载架的受力情况。
依据上述的深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置的使用方法，作为优选方案，所述步骤S3具体为，通过第二加载器向加载架施加水平应力，待水平应力围压稳定后，再通过第一加载器向加载架施加竖向应力。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
本发明提供一种深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置及方法，解决了工程实验人员在大型物理模型实验过程中非对称应力施加的问题，通过三角形钢结构支架给模拟板岩提供足够的非对称应力，通过设计三角形施加非对称应力支架，用于模拟地下工程中由于冲击岩爆、爆破等引起冲击波的等效载荷，本发明通过滑轮可以安装在物理模型实验系统中的不同位置，便于实现不同位置偏应力的加载，本发明中的加载架可以使用液压加载器对模拟地下工程岩板施加所设计的偏应力载荷，便于携带和使用，极大的方便了工程实验荷载的施加。
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发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明实施例中的非对称应力加载架结构示意图；
图2为本发明实施例中的物理模型实验系统结构示意图；
图3为本发明实施例中的加载架上的非对称应力分析图。
图中：1、加载架；101、加劲肋板；2、第一直角边；3、第二直角边；4、第一加载器；5、第二加载器；6、钢轮；7、承压板；8、连接锁扣；9、横梁；10、钢柱。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，本发明提供一种深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置，非对称应力加载的装置包括加载架1和加载器，加载架1的横截面呈直角三角形，位于物理模型实验系统中，用于传递加载器所施加的非对称应力，采用三角形的加载架1是根据三角形稳定性最强的原理，能够承载足够大的应力载荷，本发明实施例中的加载架1优选钢结构制作而成，这种加载架利用了钢结构强度高、韧性好的优点，同时质地均匀，工作可靠性也比较高等特点；加载架1的第一直角边2和第二直角边3上分别设置有加载器，加载器用于向加载架1施加非对称应力。
进一步，为保证加载架1工作时，具有可靠的结构性能和稳定的负载能力，本发明实施例中加载架的内部设置有加劲肋板101，加载架1的内部通过横向和纵向安装加劲肋钢板，使其形成一个整体，增加加载架1的承载能力。
进一步，加载架1的第一直角边2和第二直角边3上分别对应设置有第一加载器4和第二加载器5，加载架1的第一直角边2与第一加载器4之间通过连接锁扣8连接，本发明实施例中的连接锁扣8的横截面为U形，U形连接锁扣的一侧与加载架1的第一直角边2连接，另一侧与第一加载器4的底部连接，用于固定第一加载器4，第一加载器4通过液压加载装置加载，具体而言，加载架1的第一直角边2的顶端每侧通过7个U形连接锁扣与横梁9上的第一加载器4的底部连接，防止第一加载器4滑落；加载架1的第二直角边3上设置有多个钢轮6，钢轮6上设置有第二加载器5，第二加载器5通过钢轮6向加载架1的第二直角边3施加应力，具体来说，为保证第二加载器5向加载架1的第二直角边3上均匀施加载荷，本发明实施例中，第二直角边3上等距离分布有六个圆形钢轮6，保证每个钢轮6所承受的应力是相同的，六个圆形钢轮6与第二加载器5之间安装有一定厚度的承压板7，承压板7通过钢丝绳悬吊在物理模型实验系统的横梁9上，承压板7的具体厚度可根据实验过程中需要加载的载荷进行具体选择，确保向多个钢轮6上均匀承载第二加载器所5施加的应力。六个圆形钢轮6通过承压板7连接到第二加载器5上，将第二加载器5传来的非对称应力传递到物理模拟板岩和圆形钢轮6上，同时，加载架1还可以通过钢轮6安装在物理模拟实验系统的不同位置，便于实现不同位置偏应力的加载。
进一步，为了保证方便控制施加应力，本发明实施例中的加载器优选为液压加载器，液压加载器能够对物理模拟实验进行连续加载以及非连续加载应力，并且能够对水平加载和垂直加载分别控制，能够适用于本物理模型实验系统的液压加载器均可。
进一步，物理模型实验系统由实验平台、液压控制系统以及液压加载系统组成，能够对模型进行连续加载以及非连续加载，如图2所示，本发明实施例中的第一加载器4与物理模型实验系统中的横梁9连接，用于向加载架1施加竖向应力，第二加载器5与物理模型实验系统中的钢柱10连接，第二加载器5与钢柱10之间固定连接在一起，第二加载器5通过液压加载装置对加载架1加载，用于向加载架1施加水平应力，如图3所示，本发明基于来自工程扰动的力F(或等效力F)的合成与分解原理，将物理模型实验加载系统中与横梁连接的第一加载器施加应力F1与钢柱连接的第二加载器施加应力F2合成作用在板岩上的应力F3，F3所产生的力就是作用在板岩上的非对称应力。
本发明还一种深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置的使用方法，非对称应力加载的装置的使用方法包括以下步骤：
步骤S1，将加载架1放置在物理模型实验系统中。
步骤S2，通过第一加载器4和第二加载器5分别向加载1架施加应力。
步骤S3，向加载架1水平施加水平力，待施加水平围压稳定后，再竖向向加载架1施加竖向力，具体为，通过第二加载器5向加载架1施加水平应力，待水平应力围压稳定后，再通过第一加载器4向加载架1施加竖向应力。
步骤S4，观察施加非对称应力后的加载架1的受力情况。
综上所述，本发明提供一种深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置及方法，本发明解决了工程实验人员在大型物理模型实验过程中非对称应力施加的问题，通过三角形钢结构支架给模拟板岩提供足够的非对称应力，通过设计三角形施加非对称应力支架，用于模拟地下工程中由于冲击岩爆、爆破等引起冲击波的等效载荷，本发明通过滑轮可以安装在物理模型实验装置中的不同位置，便于实现不同位置偏应力的加载。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置，其特征在于，所述非对称应力加载的装置包括：
加载架，所述加载架的横截面呈直角三角形，位于物理模型实验系统中，用于传递加载器所施加的非对称应力；
加载器，所述加载架的第一直角边和第二直角边上分别设置有加载器，所述加载器用于向所述加载架施加非对称应力；
所述加载架的内部设置有加劲肋板，用于增加所述加载架的承载能力；
所述加载架的第一直角边和第二直角边上分别对应设置有第一加载器和第二加载器；
所述加载架的第一直角边与所述第一加载器之间通过连接锁扣连接；
所述加载架的第二直角边上设置有多个钢轮，所述钢轮上设置有所述第二加载器，所述第二加载器通过所述钢轮向所述加载架的第二直角边施加应力，所述加载架可通过所述钢轮移动至物理模型实验系统中的不同位置。
2.根据权利要求1所述的深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置，其特征在于，多个所述钢轮与所述第二加载器之间设置有承压板，确保多个所述钢轮均匀承载应力。
3.根据权利要求1所述的深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置，其特征在于，所述连接锁扣的横截面为U形，所述连接锁扣的一侧与所述加载架的第一直角边连接，另一侧与所述第一加载器的底部连接，用于固定所述第一加载器。
4.根据权利要求1所述的深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置，其特征在于，所述加载器为液压加载器，用于向所述加载架上均匀施加应力。
5.根据权利要求1所述深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置，其特征在于，所述第一加载器与物理模型实验系统中横梁连接，用于向所述加载架施加竖向应力；
所述第二加载器与物理模型实验系统中的钢柱连接，用于向所述加载架施加水平应力。
6.一种深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置的使用方法，该使用方法使用的是如权利要求1-5任一项所述深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置，其特征在于，所述非对称应力加载的装置的使用方法包括以下步骤：
步骤S1，将加载架设置在物理模型实验系统中；
步骤S2，通过加载器向加载架施加非对称应力；
步骤S3，向加载架水平施加水平力，待施加水平围压稳定后，再竖向向加载架施加竖向力；
步骤S4，观察施加非对称应力后的加载架的受力情况。
7.根据权利要求6所述的深地工程相似物理模拟实验非对称应力加载的装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S3具体为，通过第二加载器向加载架施加水平应力，待水平应力围压稳定后，再通过第一加载器向加载架施加竖向应力。
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