CN114323980A - 三轴模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三轴模型试验装置及试验方法，装置包括：用于向模型加载载荷的模型加载反力装置，模型加载反力装置包括分别设置在顶部、底部、前方、后方、左侧和右侧的可拆卸连接的梁结构，每一梁结构设置有一个或多个向模型加载反力装置内部施加载荷且可拆卸的加载装置，在模型与至少一梁结构之间或者在至少一梁结构上设置有开挖窗口装置，开挖窗口装置在预设开挖位置设置有开挖窗口或者可拆卸件。本发明通过设置在梁结构的加载装置向模型三轴方向施加载荷，并留出开挖窗口和可拆卸件，方便进行十字开挖。同时，本发明能进行不同高度十字交叉开挖，实现模拟不同地质条件、不同应力条件、不同高度十字交叉开挖隧道的变形破坏特征和岩层运动规律。

Description

三轴模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程相关技术领域，特别是一种三轴模型试验装置及试验方法。

背景技术

随着国家的快速发展，煤炭等资源的开采不断向深部发展，以及近年来，我国为了全面发展，公路、铁路开始大规模向山区延伸，隧道在线路中占的比例越来越高。岩体处于复杂的应力状态，洞室开挖后的围岩稳定问题一直是研究的重点问题。

对岩体的应力加载、开挖和开采会导致其产生不同程度破坏、失稳，由此带来一系列的安全和环境问题。但传统的理论分析方法难以处理这复杂的非线性变形破坏问题，地质力学模型试验有利于在复杂的试验过程中突出关键性问题。

国内外专家已做了大量的研究，取得了丰硕的成果。但由于地质条件的复杂性，如何准确的模拟煤层开采或隧道开挖是解决这类问题的关键点。

目前，针对地质力学模型试验，已开展了大量的研究工作，研制了一系列模拟试验装置，研究现状如下：

(1)一种超大型岩土工程三维模型试验系统，包括超大型模型试验装置、分别与大型模型试验装置相连的液压加载系统和应变位移测试系统。然而其应力无法实现三维加载，且十字开挖方式有局限性。

(2)另一种平面应力试验装置及加载系统，其试验装置是净空为150cm×140cm封闭平面刚性加力架，加载系统由压力盒，气压泵、管路、压力表组成，试验时由气泵控制压力逐级加载或卸载。该系统为平面加载，无法实现三维加载。

(3)再一种带滑动墙的自平衡式真三轴加载模型试验台架，但该装置操作复杂，装置本身也太复杂，不利于开挖试验的观察。

因此，现有的模型试验台架装置系统，存在以下不足之处：

1.上述试验装置均难以实现真三轴加载，即使可以实现真三轴加载，操作也过于复杂，很难实现；

2.上述模型试验装置试验过程中操作复杂，即使可以实现十字开挖，开挖方式也存在局限性，且操作不够方便。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术无法很好地实现三轴加载并能方便地进行十字开挖的技术问题，提供一种三轴模型试验装置及试验方法。

本发明提供一种三轴模型试验装置，包括：用于向模型加载载荷的模型加载反力装置，所述模型加载反力装置包括分别设置在顶部、底部、前方、后方、左侧和右侧的可拆卸连接的梁结构，每一梁结构设置有一个或多个向模型加载反力装置内部施加载荷且可拆卸的加载装置，在模型与至少一所述梁结构之间设置有开挖窗口装置，所述开挖窗口装置在预设开挖位置设置有开挖窗口或者可拆卸件。

进一步地，所述开挖窗口装置为设置有开挖窗口的第一开挖窗口装置、以及设置有可拆卸件的第二开挖窗口装置。

更进一步地，所述第一开挖窗口装置，包括：多个反力梁，多个反力梁组成开挖窗口反力框架，在其中一反力梁上设置有放置所述加载装置的凹槽，在所述开挖窗口反力框架内填充垫块，并在所述开挖窗口反力框架内的预设开挖位置设置开挖窗口。

更进一步地，所述第二开挖窗口装置包括推力板，所述推力板在预设开挖位置设置有开挖窗口，在所述开挖窗口上设置有与所述推力板可拆卸的可拆卸板，所述墙结构上设置有容置所述加载装置的加载装置通孔，所述可拆卸板能从所述加载装置通孔取出。

更进一步地，所述梁结构包括多个凹槽，所述加载装置容置在所述凹槽内，所述梁结构包括设置在顶部的顶梁结构、设置在底部的底梁结构、设置在前方的前梁结构、设置在后方的后梁结构、设置在左侧的左梁结构、以及设置在右方的右梁结构，所述顶梁结构、所述底梁结构、所述左梁结构、所述右梁结构组成门式反力框架，所述前梁结构和所述后梁结构为门式反力墙结构，在模型与所述左梁结构之间设置所述第一开挖窗口装置和/或在模型与所述右梁结构之间设置所述第一开挖窗口装置，在模型与所述前梁结构之间设置所述第二开挖窗口装置和/或在模型与所述后梁结构之间设置所述第二开挖窗口装置。

进一步地，所述加载装置包括液压油缸以及推力装置，所述推力装置一端顶紧所述梁结构和/或所述开挖窗口装置，另一端与所述液压油缸连接。

进一步地，还包括紧靠至少一所述梁结构一侧的加载推进拉出装置。

更进一步地，所述加载推进拉出装置包括推车、以及承托所述推车的装置平台，所述推车顶部设置有用于放置所述加载装置的加载装置卡槽，所述装置平台顶部设置有推车滑槽，所述推车能在所述推车滑槽内滑动。

再进一步地，所述装置平台底部设置有可伸缩支架。

本发明提供一种如前所述的三轴模型试验装置的试验方法，包括：

将模型加载反力装置按要求组装，预留至少一梁结构以便后期加料；

将试验材料分层埋于模型加载反力装置内并压实，然后完成模型加载反力装置组装；

通过加载装置对模型进行加载，观察和记录相关数据；

加载完成后，移除预设开挖位置的加载装置，从开挖窗口实施开挖试验或者拆除可拆卸件后实施开挖实验，观察并记录数据；

试验完毕，取下梁结构，取出模型。

本发明通过设置在梁结构的加载装置向模型三轴方向施加载荷，并留出开挖窗口和可拆卸件，方便进行十字开挖。同时，本发明能进行不同高度十字交叉开挖，实现模拟不同地质条件、不同应力条件、不同高度十字交叉开挖隧道的变形破坏特征和岩层运动规律。

附图说明

图1为本发明一种三轴模型试验装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例中三轴模型试验装置的截面图；

图3为本发明一实施例中去掉梁结构的反力墙后所展示的第一开挖窗口装置的结构示意图；

图4为本发明一实施例中加载推进拉出装置的结构示意图；

图5为本发明一实施例中第二开挖窗口装置的结构示意图；

图6为本发明一种如前所述的三轴模型试验装置的试验方法的工作流程图。

标记说明

1-模型加载反力装置；11-顶梁结构；12-底梁结构；13-前梁结构；131-前梁墙结构；14-后梁结构；15-左梁结构；16-右梁结构；17-凹槽；2-第一开挖窗口装置；21-反力梁；211-侧反力梁；212-短反力梁；213-底部反力梁；22-凹槽；22-垫块；23-开挖窗口；24-窗口垫块；3-第二开挖窗口装置；31-推力板；32-可拆卸板；33-加载装置通孔；4-液压油缸；5-加载推进拉出装置；51-推车；52-加载装置卡槽；53-推车滑槽；54-可伸缩支架；55-装置平台；6-隧道。

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。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例一

如图1所示为本发明一种三轴模型试验装置的结构示意图，包括：用于向模型加载载荷的模型加载反力装置1，所述模型加载反力装置1包括分别设置在顶部、底部、前方、后方、左侧和右侧的可拆卸连接的梁结构，每一梁结构设置有一个或多个向模型加载反力装置1内部施加载荷且可拆卸的加载装置，在模型与至少一所述梁结构之间设置有开挖窗口装置，所述开挖窗口装置在预设开挖位置设置有开挖窗口或者可拆卸件。

具体来说，为了更好地研究和模拟不同地质条件、不同岩层倾角、不同模型尺寸岩层的破坏形式，本发明提供一种一种三轴模型试验装置，以便更好的研究。本发明的三轴模型试验装置为可实现不同高度十字交叉开挖的真三轴加载模型装置系统。

本发明的三轴模型试验装置包括：模型加载反力装置1以及开挖窗口装置。开挖窗口装置具体包括前后开挖窗口装置和左右开挖窗口装置。模型加载反力装置1由多个梁结构组成，所述梁结构包括设置在顶部的顶梁结构11、设置在底部的底梁结构12、设置在前方的前梁结构13、设置在后方的后梁结构14、设置在左侧的左梁结构15、以及设置在右方的右梁结构16。通过在六个面的梁结构设置加载装置，从而实现在三个维度方向施加载荷，实现模型均匀六面受压，实现真三轴加载。

在加载完成后，将开挖位置的加载装置拆除，并通过开挖窗口或者拆除可拆卸件，进行十字开挖，得到如图2所示的十字交叉开挖隧道6。其中隧道6可以为包括左右方向和前后方向的十字交叉隧道，或者包括左右方向和上下方向的十字交叉隧道、或者包括前后方向和上下方向的十字交叉隧道、或者包括左右方向、前后方向和上下方向的三维十字交叉隧道。

本发明通过设置在梁结构的加载装置向模型三轴方向施加载荷，并留出开挖窗口和可拆卸件，方便进行十字开挖。同时，本发明能进行不同高度十字交叉开挖，实现模拟不同地质条件、不同应力条件、不同高度十字交叉开挖隧道的变形破坏特征和岩层运动规律。

实施例二

如图1至图5所示，本发明一实施例一种三轴模型试验装置，包括：用于向模型加载载荷的模型加载反力装置1、以及加载推进拉出装置5，所述模型加载反力装置1包括分别设置在顶部、底部、前方、后方、左侧和右侧的可拆卸连接的梁结构，每一梁结构设置有一个或多个向模型加载反力装置1内部施加载荷且可拆卸的加载装置，在模型与至少一所述梁结构之间设置有开挖窗口装置，所述开挖窗口装置在预设开挖位置设置有开挖窗口或者可拆卸件；

所述开挖窗口装置为设置有开挖窗口的第一开挖窗口装置2、以及设置有可拆卸件的第二开挖窗口装置3；

所述第一开挖窗口装置2，包括：多个反力梁21，多个反力梁21组成开挖窗口反力框架，在其中一反力梁21上设置有放置所述加载装置的凹槽，在所述开挖窗口反力框架内填充垫块22，并在所述开挖窗口反力框架内的预设开挖位置设置开挖窗口23；

所述第二开挖窗口装置3包括推力板31，所述推力板31在预设开挖位置设置有开挖窗口，在所述开挖窗口上设置有与所述推力板31可拆卸的可拆卸板32，所述墙结构上设置有容置所述加载装置的加载装置通孔33，所述可拆卸板32能从所述加载装置通孔33取出。

所述加载装置包括液压油缸4以及推力装置，所述推力装置一端顶紧所述梁结构和/或所述开挖窗口装置，另一端与所述液压油缸4连接；

所述加载推进拉出装置5紧靠至少一所述梁结构一侧，所述加载推进拉出装置5包括推车51、以及承托所述推车51的装置平台55，所述推车51顶部设置有用于放置所述加载装置的加载装置卡槽52，所述装置平台55顶部设置有推车滑槽53，所述推车51能在所述推车滑槽53内滑动，所述装置平台55底部设置有可伸缩支架54。

在其中一个实施例中，所述梁结构包括多个凹槽，所述加载装置容置在所述凹槽内，所述梁结构包括设置在顶部的顶梁结构11、设置在底部的底梁结构12、设置在前方的前梁结构13、设置在后方的后梁结构14、设置在左侧的左梁结构15、以及设置在右方的右梁结构16，所述顶梁结构11、所述底梁结构12、所述左梁结构15、所述右梁结构组成门式反力框架，所述前梁结构13和所述后梁结构为门式反力墙结构，在模型与所述左梁结构15之间设置所述第一开挖窗口装置2和/或在模型与所述右梁结构16之间设置所述第一开挖窗口装置2，在模型与所述前梁结构13之间设置所述第二开挖窗口装置3和/或在模型与所述后梁结构14之间设置所述第二开挖窗口装置3

具体来说，本发明三轴模型试验装置，包括：模型加载反力装置1、第一开挖窗口装置2、第二开挖窗口装置3、以及加载推进拉出装置5。优选地，第一开挖窗口装置2为左右开挖窗口装置，第二开挖窗口装置3为前后开挖窗口装置，加载推进拉出装置5为油缸推进拉出装置。

所述模型加载反力装置1前后均为5榀独立加载反力装置，左右均为3榀独立加载反力装置，每榀厚度为500mm。加载装置包括液压油缸4以及推力装置。

第一开挖窗口装置2设置在模型加载反力装置1的侧面，例如模型加载反力装置的中部，开挖窗口为可移动式，同时配有可升降式的加载推进拉出装置5作为油缸拆卸拉出装置，用于实现模型加载完成后拆除油缸及不同高度的开挖。

第二开挖窗口装置3设置在模型加载反力装置1的前方或者后方，中部液压油缸4及推力板可以拆卸，并加大了油缸活塞通过孔的直径，加载稳压后可实现该油缸的卸压拆除及推力板的拆除，用于实现模型加载反力完成后隧道的开挖。

试验开始前，将模型架开挖窗口按要求高度进行组装，确保可以完成加载完成后的十字交叉开挖试验。

所述第二开挖窗口装置3在加载期间仍有油缸进行加载，加载完成后进行油缸及加载板的拆除并预留窗口开挖，所述第一开挖窗口装置2以及第二开挖窗口装置3可以设置在模型加载反力装置1与模型之间，例如设置在各梁结构的反力墙与模型之间。

所述梁结构包括多个凹槽17，所述加载装置容置在所述凹槽内，所述梁结构包括设置在顶部的顶梁结构11、设置在底部的底梁结构12、设置在前方的前梁结构13、设置在后方的后梁结构14、设置在左侧的左梁结构15、以及设置在右方的右梁结构16，所述顶梁结构11、所述底梁结构12、所述左梁结构15、所述右梁结构组成门式反力框架，所述前梁结构13和所述后梁结构14为门式反力墙结构。

构件通过法兰、螺栓等辅助构件连接成一个整体，模型侧向为榀式结构，可根据实验模型尺寸独立或组合成不同大小，满足试验尺寸调整；门式反力框架与门式反力墙结构组成模型加载反力装置1。所述液压油缸采用内嵌式设计，固定在顶梁结构11、底梁结构12、左梁结构15、右梁结构16、前梁结构13和后梁结构14的凹槽内。在所述门式反力框架的左右两侧、顶部、底部和后反力梁分别设置若干推力器，所述推力器一端固定在门式反力框架上、另一端与液压油缸连接，用于实现应力的加载。

各部分均由高强螺栓连接，模型加载反力装置1是实现模型均匀受压，得到不同应力状态下的模型；第二开挖窗口装置3位于模型加载反力装置1的正面是实现模型加载反力完成后的隧道开挖，第一开挖窗口装置2位于模型加载反力装置1的左右两侧是实现模型加载反力完成后的侧面隧道开挖工作，加载推进拉出装置5紧靠第一开挖窗口装置2，用于实现模型加载时的油缸推进和加载完成后的油缸推出。

作为最优实施例，如图1所示，不同高度十字交叉开挖的真三轴模型试验装置系统的模型加载反力装置1，由液压油缸4、顶梁结构11、底梁结构12、左梁结构15、右梁结构16、采用后反力梁的后梁结构14和采用前反力梁的前梁结构13组成，其顶梁结构11、底梁结构12、左梁结构15、右梁结构16组成门式反力框架，液压油缸4放在反力梁的的凹槽17内，包括施加水平方向荷载的水平油缸(左右两侧共6个)和施加竖直方向荷载的竖向油缸(上下共6个)，前后反力梁包括反力边梁(固定在顶、底梁上)和中间反力梁(固定在侧梁上)。

如图3所示，第一开挖窗口装置2包括：多个反力梁21，其中反力梁21包括：侧反力梁211为横向的条状，短反力梁212为两个短的条状横向反力梁，底部反力梁213为带有凹槽的横向反力梁，与窗口垫块24组成条状横向反力梁，并与其他垫块22共同拼装成门式前反力框架。窗口垫块24上开设开挖窗口23。推力器一端固定在门式前反力框架，另一端与液压油缸4连接，实现将液压油缸的力转化为推力作用在模型上。各反力梁可根据不同开挖高度自由组装，且各部分之间均由高强螺栓连接固定。

后梁结构14的后反力梁为规则的横向条状，组成后反力框架，推力器一端固定在后反力梁内侧，另一端与液压油缸4连接，实现将液压油缸的力转化为推力作用在模型上，且各部分之间均由高强螺栓连接固定。

如图4所示，加载推进拉出装置5，包括，推车51、加载装置卡槽52、推车滑槽53、可伸缩支架54、以及装置平台55。推车滑槽53设置在装置平台55顶部，装置平台55底部设置可伸缩支架54。加载装置卡槽52作为油缸卡槽根据油缸尺寸设计，防止油缸滚动，可伸缩支架54可以根据开挖口的高低调节，实现油缸的推进和拉出。

如图5所示，第二开挖窗口装置3，包括推力板31，可拆卸板32。在墙结构上，例如前梁结构13的前梁墙结构，预留了直径440mm的加载装置通孔33。加载装置通孔33即油缸活塞通过孔。液压油缸4的活塞通过加载装置通孔33向第二开挖窗口装置3施加载荷。在施加载荷完毕后，从加载装置通孔33中取出可拆卸板32，就可实施模拟开挖过程，然后将加载装置通孔33视作开挖孔，实施开挖过程。

本实施例的加载系统可实现模型均匀六面受压，实现真三轴加载。本实施例的开挖窗口装置既可实现加载期间的均匀加载，又可实现加载完成后油缸及推力板的拆除进而进行开挖试验。最后本实施例的加载推进拉出装置可调整高度，实现不同高度的开挖且能实现油缸的推进和拉出。

实施例三

如图6所示为本发明一种如前所述的三轴模型试验装置的试验方法的工作流程图，包括：

步骤S601，将模型加载反力装置按要求组装，预留至少一梁结构以便后期加料；

步骤S602，将试验材料分层埋于模型加载反力装置内并压实，然后完成模型加载反力装置组装；

步骤S603，通过加载装置对模型进行加载，观察和记录相关数据；

步骤S604，加载完成后，移除预设开挖位置的加载装置，从开挖窗口实施开挖试验或者拆除可拆卸件后实施开挖实验，观察并记录数据；

步骤S605，试验完毕，取下梁结构，取出模型。

具体试验步骤如下：

1)将模型加载反力装置按要求组装，预留上部反力梁以便后期加料；

2)将试验材料分层埋于模型加载反力装置内并压实；然后完成试验模型装置组装；

3)对模型进行加载，观察和记录相关数据；

4)加载完成后，移除侧面预留窗口的油缸以及推力板，实施开挖试验，观察并记录数据；

5)试验完毕，取下前反力梁，取出模型。

本发明通过设置在梁结构的加载装置向模型三轴方向施加载荷，并留出开挖窗口和可拆卸件，方便进行十字开挖。同时，本发明能进行不同高度十字交叉开挖，实现模拟不同地质条件、不同应力条件、不同高度十字交叉开挖隧道的变形破坏特征和岩层运动规律。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种三轴模型试验装置，其特征在于，包括：用于向模型加载载荷的模型加载反力装置(1)，所述模型加载反力装置(1)包括分别设置在顶部、底部、前方、后方、左侧和右侧的可拆卸连接的梁结构，每一梁结构设置有一个或多个向模型加载反力装置(1)内部施加载荷且可拆卸的加载装置，在模型与至少一所述梁结构之间设置有开挖窗口装置，所述开挖窗口装置在预设开挖位置设置有开挖窗口或者可拆卸件。

2.根据权利要求1所述的三轴模型试验装置，其特征在于，所述开挖窗口装置为设置有开挖窗口的第一开挖窗口装置(2)、以及设置有可拆卸件的第二开挖窗口装置(3)。

3.根据权利要求2所述的三轴模型试验装置，其特征在于，所述第一开挖窗口装置(2)，包括：多个反力梁(21)，多个反力梁(21)组成开挖窗口反力框架，在所述开挖窗口反力框架内填充垫块(22)，并在所述开挖窗口反力框架内的预设开挖位置设置开挖窗口(23)。

4.根据权利要求2所述的三轴模型试验装置，其特征在于，所述第二开挖窗口装置(3)包括推力板(31)，所述推力板(31)在预设开挖位置设置有开挖窗口，在所述开挖窗口上设置有与所述推力板(31)可拆卸的可拆卸板(32)，所述墙结构上设置有容置所述加载装置的加载装置通孔(33)，所述可拆卸板(32)能从所述加载装置通孔(33)取出。

5.根据权利要求2所述的三轴模型试验装置，其特征在于，所述梁结构包括多个凹槽(17)，所述加载装置容置在所述凹槽(17)内，所述梁结构包括设置在顶部的顶梁结构(11)、设置在底部的底梁结构(12)、设置在前方的前梁结构(13)、设置在后方的后梁结构(14)、设置在左侧的左梁结构(15)、以及设置在右方的右梁结构(16)，所述顶梁结构(11)、所述底梁结构(12)、所述左梁结构(15)、所述右梁结构组成门式反力框架，所述前梁结构(13)和所述后梁结构(14)为门式反力墙结构，在模型与所述左梁结构(15)之间设置所述第一开挖窗口装置(2)和/或在模型与所述右梁结构(16)之间设置所述第一开挖窗口装置(2)，在模型与所述前梁结构(13)之间设置所述第二开挖窗口装置(3)和/或在模型与所述后梁结构(14)之间设置所述第二开挖窗口装置(3)。

6.根据权利要求1所述的三轴模型试验装置，其特征在于，所述加载装置包括液压油缸(4)以及推力装置，所述推力装置一端顶紧所述梁结构和/或所述开挖窗口装置，另一端与所述液压油缸(4)连接。

7.根据权利要求1所述的三轴模型试验装置，其特征在于，还包括紧靠至少一所述梁结构一侧的加载推进拉出装置(5)。

8.根据权利要求7所述的三轴模型试验装置，其特征在于，所述加载推进拉出装置(5)包括推车(51)、以及承托所述推车(51)的装置平台(55)，所述推车(51)顶部设置有用于放置所述加载装置的加载装置卡槽(52)，所述装置平台(55)顶部设置有推车滑槽(53)，所述推车(51)能在所述推车滑槽(53)内滑动。

9.根据权利要求8所述的三轴模型试验装置，其特征在于，所述装置平台(55)底部设置有可伸缩支架(54)。

10.一种如权利要求1至9任一项所述的三轴模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括：

将模型加载反力装置(1)按要求组装，预留至少一梁结构以便后期加料；

将试验材料分层埋于模型加载反力装置(1)内并压实，然后完成模型加载反力装置(1)组装；

通过加载装置对模型进行加载，观察和记录相关数据；

加载完成后，移除预设开挖位置的加载装置，从开挖窗口实施开挖试验或者拆除可拆卸件后实施开挖实验，观察并记录数据；

试验完毕，取下梁结构，取出模型。

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