CN116046552A - 一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构 - Google Patents

Abstract

一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构，包括水平及竖直向超大型反力框架、超长行程举升锁紧液压缸、五组阵列分布式液压作动器组及一组线列分布式液压作动器组；水平向超大型反力框架采用八段拱形梁拼接的外圆内方并缠绕预应力碳纤维的框架结构，竖直向超大型反力框架采用双梁四柱式预紧力框架结构，五组阵列分布式液压作动器组分布在水平向超大型反力框架四周以及竖直向超大型反力框架顶部，线列分布式液压作动器组位于竖直向超大型反力框架底部中间处；五组阵列分布式液压作动器中心处的单体液压作动器均采用穿心式液压作动器；水平向超大型反力框架圆周均布设有四处开挖孔道，竖直向超大型反力框架的反力顶板中心处设有钻井孔道。

Description

一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构

技术领域

本发明属于岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构。

背景技术

当前，鉴于原位试验监测实施的不安全性以及操作难度大的问题，为实现深部工程灾害孕育过程的模拟与监测，通常使用三维相似材料物理模型试验设备开展相关试验，按比例缩小与工程岩体相似的物理模型试样，通过三维加载结构对物理模型试样施加边界应力，是基于相似理论的解决方案。

三维加载结构作为开展相似材料物理模型试验的基础平台，其加载的稳定性与可靠性直接决定了模拟结果的可信度。目前，现有的三维相似材料物理模型试验设备的模型试样相似比过大，导致地质构造信息失真，无法有效再现深部工程的复杂性，同时工程行为的模拟与在线监测能力受限制，并且存在以下亟待解决的问题。

①、三维反力金属框架结构设计需要突破。现有的三维加载框架刚度普遍偏低，框架抗拉能力不能模拟大尺寸试样的深部地应力条件；框架普遍采用钢结构焊接工艺或结构件螺栓连接工艺，仅适用于刚度要求不高、千吨级总输出荷载的三维物理模型试验机上。为了实现10000m深部岩石复杂应力环境模拟，设计超大尺寸、高刚度三维加载反力框架结构、超大尺寸加载框架制造工艺十分必要，用以实现超大型加载框架的高刚度与高极限抗拉能力。

②、三维相似材料物理模型超大面积超大荷载技术需要突破。现有的模型试验系统通常仅适用2m以下的小尺寸试样，并以平面、静态加载和均匀加载为主，不能实现真三维梯度加载、局部面荷载、线荷载、局部构造应力加载能力。现有的模型试验系统多采用大吨位液压千斤顶或者液压枕等荷载加载技术，仅能够满足2-3MPa的均匀应力。为了模拟深部工程复杂开挖/开采工艺，设计匹配超大面积超大荷载的低摩擦阵列液压伺服作动器应力精准施加技术十分必要，用以实现物理模型试样边界应力有效、精准传递至试样内部的特定位置，使其破裂位置与理论解析解和实际工程开挖的位置相符。

③、三维相似材料物理模型面对面（左右面、前后面、上下面）对中加载技术需要突破。现有的模型试验系统在试样破坏、灾害产生时无法保持对中，特别是以岩爆为典型的动载灾害发生时，试样同步对中加载、超5000小时长时间保载对中是一大技术难点。现有技术中多采用一个端面使用千斤顶加载，另一个端面采用钢板作为被动反力平衡端面，该加载技术在一维加载可以使用，但在三维加载时，会产生较高的端面摩擦力和非对称变形，致使致灾条件与深部工程开挖诱导灾害不符，难以推演灾害机制。为了实现对中加载技术的突破，使加载框架位置跟随试样压缩变形同步调整位置十分必要，用以保证试样几何中心不变。

④、高三维边界荷载稳定可控条件下的复杂硐室/采场群开挖行为模拟技术需要突破。现有的技术中多采用先预制孔模拟工程对象、后加载的方法，导致无法真实模拟深部工程高应力条件下的工程行为，更无法实现深部工程中构造应力与开挖共同作用下工程灾害的模拟。为了实现高三维边界荷载稳定可控条件下的复杂硐室/采场群开挖行为模拟，在超大型物理模型试样上预留开挖通道和作业空间并设计平衡压力开挖技术十分必要，用以保证高三维边界荷载稳定可控。

⑤、超大超重三维物理模型试样精准安装与拆卸技术需要突破。现有的模型试验系统中，试样多采用在三维物理模型试验机原位进行堆砌、浇筑、振捣等方法实现，较少采用异地精确制作含复杂地质构造等特征的三维物理模型试样。为了实现超大超重三维物理模型试样精准安装与拆卸，在不损伤试样质量的前提下实现试样的安装与拆卸十分必要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构，具备超大型加载框架的高刚度与高极限抗拉能力，具备超大面积超大荷载的应力精准施加能力，具备三维相似材料物理模型面对面的对中加载能力，具备真三轴应力的独立加载、同步加载、对称加载、局部动态扰动加载、应力梯度加载及非对称应力加载能力，能够真实模拟构造应力、扰动应力、多种工程活动等共同诱导的深部典型地质灾害。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构，包括水平向超大型反力框架、竖直向超大型反力框架、第一阵列分布式液压作动器组、第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组、第五阵列分布式液压作动器组、线列分布式液压作动器组及超长行程举升锁紧液压缸；所述竖直向超大型反力框架包括反力顶板、支撑立柱及反力底座；所述水平向超大型反力框架采用外圆内方的环形结构，水平向超大型反力框架固定安装在大型混凝土基坑安装槽内，水平向超大型反力框架的上表面与地面相平齐；所述竖直向超大型反力框架位于水平向超大型反力框架的内侧；所述反力底座位于反力顶板正下方，反力底座与反力顶板之间通过均布的四根支撑立柱固定连接；所述支撑立柱为空心结构，支撑立柱内部穿装有预应力拉杆，反力顶板、支撑立柱及反力底座之间通过预应力拉杆并由高强螺母提供预紧力实现三者的紧固连接；所述超长行程举升锁紧液压缸数量为四根，四根超长行程举升锁紧液压缸均布设置在水平向超大型反力框架与反力顶板之间；所述超长行程举升锁紧液压缸的缸筒内嵌固定在水平向超大型反力框架内部，超长行程举升锁紧液压缸的活塞杆朝上与反力顶板固定连接；所述第一阵列分布式液压作动器组布设在反力顶板下表面；所述第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组及第五阵列分布式液压作动器组分别布设在水平向超大型反力框架的内方表面，第二阵列分布式液压作动器组与第四阵列分布式液压作动器组正对分布，第三阵列分布式液压作动器组与第五阵列分布式液压作动器组正对分布；所述线列分布式液压作动器组内嵌在反力底座上表面中部，线列分布式液压作动器组的加载面与反力底座上表面相平齐。

所述水平向超大型反力框架采用八段拱形梁拼接而成，在水平向超大型反力框架的外圆周表面缠绕有预应力碳纤维，预应力碳纤维的缠绕预紧力不小于水平向超大型反力框架工作载荷的1.5倍。

所述第一阵列分布式液压作动器组、第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组及第五阵列分布式液压作动器组中心处的单体液压作动器均采用穿心式液压作动器，且穿心式液压作动器的活塞杆采用双出杆空心结构。

在所述水平向超大型反力框架的圆周均布开设有四处开挖孔道，四处开挖孔道分别与第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组及第五阵列分布式液压作动器组中心处的穿心式液压作动器同轴分布。

在所述反力顶板的中心处开设有钻井孔道，钻井孔道与第一阵列分布式液压作动器组中心处的穿心式液压作动器同轴分布。

所述超长行程举升锁紧液压缸还作为竖直向超大型反力框架的随动对中液压作动器使用；在所述支撑立柱与水平向超大型反力框架之间设置有减摩滑套；所述超长行程举升锁紧液压缸配置有蓄能器和电子压力阀，电子压力阀用于动态调整蓄能器内的压力，使蓄能器内的压力与竖直向超大型反力框架的自重力始终保持动态平衡。

所述水平向超大型反力框架所在的大型混凝土基坑安装槽的侧方地面上配置有试样转运机构；所述试样转运机构包括RGV轨道平车、平车导轨、试样承载滑台、滑台导轨、滑台顶升油缸及滑台推拉装置；所述平车导轨固定铺设在地面上，所述RGV轨道平车设置在平车导轨上，RGV轨道平车上表面与水平向超大型反力框架上表面相平齐；所述试样承载滑台放置在RGV轨道平车上表面，在试样承载滑台下表面均布设有四处凹槽，每个凹槽内均竖直安装有一台滑台顶升油缸，滑台顶升油缸的活塞杆完全回缩时，滑台顶升油缸整体完全隐藏在凹槽内；所述滑台导轨为临时铺设结构，滑台导轨临时铺设在RGV轨道平车上表面与水平向超大型反力框架上表面之间，所述试样承载滑台与滑台导轨配合使用；所述滑台推拉装置设置在试样承载滑台与地面之间。

所述线列分布式液压作动器组内包含的所有单体液压作动器均采用动态液压作动器，且动态液压作动器的最大扰动频率为5Hz，动态液压作动器的外部支架包含有四根抗侧向力的导向杆，动态液压作动器采用双出杆对称结构，在动态液压作动器的缸筒外部设有大流量集成阀块，大流量集成阀块上设有双伺服阀。

所述第一阵列分布式液压作动器组、第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组及第五阵列分布式液压作动器组内包含的单体液压作动器结构相同，单体液压作动器缸筒内部的活塞与缸筒底板之间设置有磁致伸缩位移传感器，在单体液压作动器的缸筒外部设置有伺服阀和蓄能器，在单体液压作动器的活塞端部设置有负荷传感器。

所述水平向超大型反力框架所在的大型混凝土基坑安装槽的侧方地面之下设有集群式大流量高压液压泵站，在所述集群式大流量高压液压泵站内布设有液压油源系统，液压油源系统采用分布式液压站设计方案，总计包括八台液压站，其中的前五台液压站分别与第一阵列分布式液压作动器组、第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组及第五阵列分布式液压作动器组连接，第六台液压站与线列分布式液压作动器组相连，第七台液压站与超长行程举升锁紧液压缸相连，第八台液压站作为备用液压站。

本发明的有益效果：

1、可实现超大型加载框架的高刚度与高极限抗拉能力

本发明的水平向超大型反力框架采用外圆内方结构，以八段拱形梁拼接而成，外圆表面缠绕预应力碳纤维，竖直向超大型反力框架采用双梁四柱式预紧力框架结构，该反力框架结构有效解决了现有超大型加载框架刚度与极限抗拉能力不足的问题，可以模拟真三轴应力条件下动力扰动5米级尺度的物理相似模型，可为超大型物理模型试样提供6MPa的真三轴应力，应力稳定保载时间可达5000h，可实现（1:40）～（1:100）应力相似比范围内的最大10000m深部岩石应力环境，以及50000 ～12550000m³工程范围相似比的模拟。

2、可实现三维相似材料物理模型超大面积超大荷载加载能力

本发明在三维边界应力加载的基础上，可实现真三轴应力的独立加载、同步加载、对称加载、局部动态扰动加载、应力梯度加载及非对称应力加载，实现深部工程环境中构造应力的模拟。

3、可实现三维相似材料物理模型面对面（左右面、前后面、上下面）对中加载能力

本发明基于平衡液压缸竖直框架随动对中技术，既实现了竖直方向的对中加载又减轻了竖直向超大型反力框架的自重，进一步实现了模型破坏、灾害产生时保持对中，特别是岩爆动载灾害的时试样对中加载以及超5000小时长时间保载对中。

4、可实现复杂硐室群开挖界面荷载稳定控制能力

本发明通过相对布置的平衡压力穿心式液压作动器组，实现了复杂硐室群开挖界面荷载稳定控制技术，实现了超大型物理模型试样在三维应力环境下深部采场开挖、深埋隧道开挖、深层油气钻井等工程活动的模拟。

5、可实现超大超重模型试样精准安装与拆卸能力

本发明通过由RGV轨道平车、平车导轨、试样承载滑台、滑台导轨、滑台顶升油缸及滑台推拉装置构成的试样转运机构，可在不损伤试样的前提下实现超大超重模型试样的精准安装与拆卸。

附图说明

图1为本发明的一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构（第二至第四阵列分布式液压作动器组未示出）的示意图（状态一）；

图2为本发明的一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构（第二至第四阵列分布式液压作动器组未示出）的示意图（状态二）；

图3为本发明的一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构的示意图（状态三）；

图4为本发明的阵列分布式液压作动器组与线列分布式液压作动器组的加载状态下的空间分布示意图；

图5为本发明的水平向超大型反力框架的结构示意图；

图6为本发明的竖直向超大型反力框架的结构示意图；

图中，1—水平向超大型反力框架，2—第一阵列分布式液压作动器组，3—第二阵列分布式液压作动器组，4—第三阵列分布式液压作动器组，5—第四阵列分布式液压作动器组，6—第五阵列分布式液压作动器组，7—线列分布式液压作动器组，8—超长行程举升锁紧液压缸，9—反力顶板，10—支撑立柱，11—反力底座，12—预应力碳纤维，13—穿心式液压作动器，14—开挖孔道，15—钻井孔道，16—RGV轨道平车，17—平车导轨，18—试样承载滑台，19—滑台导轨，20—滑台推拉装置，21—超大型物理模型试样。

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1～6所示，一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构，包括水平向超大型反力框架1、竖直向超大型反力框架、第一阵列分布式液压作动器组2、第二阵列分布式液压作动器组3、第三阵列分布式液压作动器组4、第四阵列分布式液压作动器组5、第五阵列分布式液压作动器组6、线列分布式液压作动器组7及超长行程举升锁紧液压缸8；所述竖直向超大型反力框架包括反力顶板9、支撑立柱10及反力底座11；所述水平向超大型反力框架1采用外圆内方的环形结构，水平向超大型反力框架1固定安装在大型混凝土基坑安装槽内，水平向超大型反力框架1的上表面与地面相平齐；本实施例中，水平向超大型反力框架7的外圆直径为20m，内方边长为10m，竖直高度为5.5m；所述竖直向超大型反力框架位于水平向超大型反力框架1的内侧；所述反力底座11位于反力顶板9正下方，反力底座11与反力顶板9之间通过均布的四根支撑立柱10固定连接；本实施例中，反力底座11与反力顶板9之间的间距为8.5m；所述支撑立柱10为空心结构，支撑立柱10内部穿装有预应力拉杆，反力顶板9、支撑立柱10及反力底座11之间通过预应力拉杆并由高强螺母提供预紧力实现三者的紧固连接；本实施例中，反力底座11采用分体式铸件组合结构，可承载300t试样并保证提供竖直向15000t静反力支撑，此外为了满足作动器极限加载并出力15000t时整个竖直向超大型反力框架的可靠性，减小框架拉伸变形对实验的影响，提高整体框架稳定性，支撑立柱10内部的预应力拉杆需要始终处于拉伸应力状态，进而使支撑立柱10需始终保持屈服应力状态；所述超长行程举升锁紧液压缸8数量为四根，四根超长行程举升锁紧液压缸8均布设置在水平向超大型反力框架1与反力顶板9之间；所述超长行程举升锁紧液压缸8的缸筒内嵌固定在水平向超大型反力框架1内部，超长行程举升锁紧液压缸8的活塞杆朝上与反力顶板9固定连接；所述第一阵列分布式液压作动器组2布设在反力顶板9下表面；所述第二阵列分布式液压作动器组3、第三阵列分布式液压作动器组4、第四阵列分布式液压作动器组5及第五阵列分布式液压作动器组6分别布设在水平向超大型反力框架7的内方表面，第二阵列分布式液压作动器组3与第四阵列分布式液压作动器组5正对分布，第三阵列分布式液压作动器组4与第五阵列分布式液压作动器组6正对分布；所述线列分布式液压作动器组7内嵌在反力底座11上表面中部，线列分布式液压作动器组7的加载面与反力底座11上表面相平齐；本实施例中，第一阵列分布式液压作动器组2、第二阵列分布式液压作动器组3、第三阵列分布式液压作动器组4、第四阵列分布式液压作动器组5及第五阵列分布式液压作动器组6内均包含25个单体液压作动器，且25个单体液压作动器以5×5阵列方式分布；线列分布式液压作动器组7内包含5个单体液压作动器，且5个单体液压作动器分布在一条直线上。

所述水平向超大型反力框架1采用八段拱形梁拼接而成，在水平向超大型反力框架1的外圆周表面缠绕有预应力碳纤维12，预应力碳纤维12的缠绕预紧力不小于水平向超大型反力框架1工作载荷的1.5倍。本实施例中，八段拱形梁均采用铸造方式独立加工制作，预应力碳纤维12的许用应力为800MPa，预应力碳纤维12的横截面积为6×1.5mm²，预应力碳纤维12的弹性模量为209GPa，预应力碳纤维12的缠绕层数为3667层。

所述第一阵列分布式液压作动器组2、第二阵列分布式液压作动器组3、第三阵列分布式液压作动器组4、第四阵列分布式液压作动器组5及第五阵列分布式液压作动器组6中心处的单体液压作动器均采用穿心式液压作动器13，且穿心式液压作动器13的活塞杆采用双出杆空心结构。本实施例中，第一阵列分布式液压作动器组2中心处的穿心式液压作动器13的活塞杆空心直径为300mm，第二阵列分布式液压作动器组3、第三阵列分布式液压作动器组4、第四阵列分布式液压作动器组5及第五阵列分布式液压作动器组中心处的穿心式液压作动器13的活塞杆空心直径为500mm。

在所述水平向超大型反力框架1的圆周均布开设有四处开挖孔道14，四处开挖孔道14分别与第二阵列分布式液压作动器组3、第三阵列分布式液压作动器组4、第四阵列分布式液压作动器组5及第五阵列分布式液压作动器组6中心处的穿心式液压作动器13同轴分布。本实施例中，四处开挖孔道14的孔径不小于500mm。

在所述反力顶板9的中心处开设有钻井孔道15，钻井孔道15与第一阵列分布式液压作动器组2中心处的穿心式液压作动器13同轴分布。本实施例中，钻井孔道15的数量为两个，钻井孔道15的孔径不小于300mm。

所述超长行程举升锁紧液压缸8还作为竖直向超大型反力框架的随动对中液压作动器使用；为了保证竖直向超大型反力框架的竖直浮动精度，在所述支撑立柱10与水平向超大型反力框架1之间设置有减摩滑套；所述超长行程举升锁紧液压缸8配置有蓄能器和电子压力阀，电子压力阀用于动态调整蓄能器内的压力，使蓄能器内的压力与竖直向超大型反力框架的自重力始终保持动态平衡。

所述水平向超大型反力框架1所在的大型混凝土基坑安装槽的侧方地面上配置有试样转运机构；所述试样转运机构包括RGV轨道平车16、平车导轨17、试样承载滑台18、滑台导轨19、滑台顶升油缸及滑台推拉装置20；所述平车导轨17固定铺设在地面上，所述RGV轨道平车16设置在平车导轨17上，RGV轨道平车16上表面与水平向超大型反力框架1上表面相平齐；所述试样承载滑台18放置在RGV轨道平车16上表面，在试样承载滑台18下表面均布设有四处凹槽，每个凹槽内均竖直安装有一台滑台顶升油缸，滑台顶升油缸的活塞杆完全回缩时，滑台顶升油缸整体完全隐藏在凹槽内；所述滑台导轨19为临时铺设结构，滑台导轨19临时铺设在RGV轨道平车16上表面与水平向超大型反力框架1上表面之间，所述试样承载滑台18与滑台导轨19配合使用；所述滑台推拉装置20设置在试样承载滑台18与地面之间。

所述线列分布式液压作动器组7内包含的所有单体液压作动器均采用动态液压作动器，且动态液压作动器的最大扰动频率为5Hz，动态液压作动器的外部支架包含有四根抗侧向力的导向杆，动态液压作动器采用双出杆对称结构，在动态液压作动器的缸筒外部设有大流量集成阀块，大流量集成阀块上设有双伺服阀。

所述第一阵列分布式液压作动器组2、第二阵列分布式液压作动器组3、第三阵列分布式液压作动器组4、第四阵列分布式液压作动器组5及第五阵列分布式液压作动器组6内包含的单体液压作动器结构相同，单体液压作动器缸筒内部的活塞与缸筒底板之间设置有磁致伸缩位移传感器，在单体液压作动器的缸筒外部设置有伺服阀和蓄能器，在单体液压作动器的活塞端部设置有负荷传感器。

所述水平向超大型反力框架1所在的大型混凝土基坑安装槽的侧方地面之下设有集群式大流量高压液压泵站，在所述集群式大流量高压液压泵站内布设有液压油源系统，液压油源系统采用分布式液压站设计方案，总计包括八台液压站，其中的前五台液压站分别与第一阵列分布式液压作动器组2、第二阵列分布式液压作动器组2、第三阵列分布式液压作动器组4、第四阵列分布式液压作动器组5及第五阵列分布式液压作动器组6连接，第六台液压站与线列分布式液压作动器组7相连，第七台液压站与超长行程举升锁紧液压缸8相连，第八台液压站作为备用液压站；本实施例中，液压站的最大流量为4000L/min，液压站的额定工作压力为21MPa；地面之上还配置有分布式主控制中心，分布式主控制中心采用全数字控制器，分布式主控制中心内安装有数据采集与控制软件，采用闭环伺服PID冗余控制模式，每个全数字控制器由5个控制通道组成5套电液伺服系统，每套电液伺服系统有电液伺服阀、液压作动器、位移传感器、负荷传感器等组成，实现每个液压作动器的独立负荷控制、位移控制及试验过程中的无冲击转换控制。

以断裂型岩爆模拟为例，当超大型深部工程灾害物理模拟设施采用本发明的三维加载结构后，通过超大型深部工程灾害物理模拟设施开展试验，包括如下步骤：

步骤一：制备超大型物理模型试样

利用模型试样3D打印系统在试样转运机构的试样承载滑台18上表面原位打印制作超大型物理模型试样21，超大型物理模型试样21的尺寸为5m×5m×5m，内含倾角45度、长度为3.5 m、宽度为1 m的结构面；在超大型物理模型试样21打印过程中，在超大型物理模型试样的内部预埋入应力-应变-振动-声发射-超声一体化传感器、光纤光栅高敏精细温度-压力-应力一体化监测传感器、声发射传感器；

步骤二：转运超大型物理模型试样

当超大型物理模型试样21完成打印制作并完成养护后，先利用试样转运机构的RGV轨道平车16沿着平车导轨17移动，并将超大型物理模型试样21移动到水平向超大型反力框架1的旁边，之后控制试样承载滑台18下方的四组滑台顶升油缸的活塞杆向下伸出凹槽，在滑台顶升油缸的反向顶撑力作用下，试样承载滑台18被从RGV轨道平车16上表面顶起；当试样承载滑台18顶起设定高度后，将事先准备好的滑台导轨19从试样承载滑台18与RGV轨道平车16上表面之间的夹缝中穿过，滑台导轨19另一端需要准确搭接在水平向超大型反力框架1上表面以及反力底座11上表面，之后控制滑台顶升油缸的活塞杆回缩到初始位置，直到滑台顶升油缸重新隐藏回凹槽内，此时试样承载滑台18也下落至滑台导轨19上；当试样承载滑台18完全落到滑台导轨19上后，将滑台推拉装置20与试样承载滑台18连接在一起，随后通过滑台推拉装置20对试样承载滑台18施加推力，使试样承载滑台18沿着滑台导轨19移动到反力底座11正上方；当试样承载滑台18移动到位后，解除滑台推拉装置20与试样承载滑台18的连接，之后再次由滑台顶升油缸将试样承载滑台18顶起，使试样承载滑台18与滑台导轨19脱离接触，然后将滑台导轨19移除，最后控制滑台顶升油缸重新回缩隐藏到凹槽内，最终使试样承载滑台18落在反力底座27上表面，此时超大型物理模型试样21的转运工作结束；之后将超大型物理模型试样21内部预埋的应力-应变-振动-声发射-超声一体化传感器、光纤光栅高敏精细温度-压力-应力一体化监测传感器、声发射传感器的引线与分布式主控制中心电连接在一起，并在试验前对各个传感器进行检测，确保所有传感器均能够正常工作；

步骤三：安装超大型物理模型试样

控制超长行程举升锁紧液压缸8执行回缩动作，在超长行程举升锁紧液压缸8的带动下，使竖直向超大型反力框架整体下移，直到竖直向超大型反力框架内的超大型物理模型试样准确进入水平向超大型反力框架1内部；

步骤四：预夹紧超大型物理模型试样

采用位移控制方式，先由第二阵列分布式液压作动器组3与第四阵列分布式液压作动器组5对超大型物理模型试样21进行预夹紧，再由第三阵列分布式液压作动器组4与第五阵列分布式液压作动器组6对超大型物理模型试样21进行预夹紧；

步骤五：预应力加载

采用负荷控制方式，先由第二阵列分布式液压作动器组3与第四阵列分布式液压作动器组5对超大型物理模型试样21进行预应力加载，且预应力加载至0.01MPa；再由第三阵列分布式液压作动器组4与第五阵列分布式液压作动器组6对超大型物理模型试样21进行预应力加载，且预应力加载至0.01MPa；之后，采用位移控制方式，由第一阵列分布式液压作动器组2对超大型物理模型试样21进行预压紧，再变换为负荷控制方式，由第一阵列分布式液压作动器组2对超大型物理模型试样21进行预应力加载，且预应力加载至0.01MPa；其中，预应力加载时的负荷控制速率为2kN/s；

步骤六：主应力加载

采用负荷控制方式，先由第三阵列分布式液压作动器组4与第五阵列分布式液压作动器组6对超大型物理模型试样21进行主应力加载，且主应力加载至1MPa；再由第二阵列分布式液压作动器组3与第四阵列分布式液压作动器组5对超大型物理模型试样21进行主应力加载，且主应力加载至2MPa；之后，由第一阵列分布式液压作动器组2对超大型物理模型试样21进行主应力加载，且主应力加载至5MPa；其中，主应力加载时的负荷控制速率为2kN/s；同时，在主应力加载过程中，通过磁致伸缩位移传感器、负荷传感器、应力-应变-振动-声发射-超声一体化传感器、光纤光栅高敏精细温度-压力-应力一体化监测传感器及声发射传感器进行数据的同步监测；其中，在主应力加载过程中，通过超长行程举升锁紧液压缸8动态调整竖直向超大型反力框架的竖直方向浮动位置，保证超大型物理模型试样21的几何中心不变；

步骤七：机器人开挖

利用机器人开挖与监测系统在第二阵列分布式液压作动器组3中心处的穿心式液压作动器13中心孔道进行开挖，开挖孔洞的直径为0.5m，开挖孔洞的深度为4m；

步骤八：应力保载

对开挖后的超大型物理模型试样21进行应力保载，保载时间为5000h，此阶段可能出现强度较小的断裂型岩爆；

步骤九：构造应力模拟

当超大型物理模型试样21完成5000h的应力保载后，采用负荷控制方式，增大第二阵列分布式液压作动器组3与第四阵列分布式液压作动器组5的上层两排单体作动器加载的主应力，且加载的主应力增至4MPa，用以在物理模型试样结构面位置形成局部高应力，诱导较大强度的断裂型岩爆；其中，应力加载时的负荷控制速率为2kN/s；同时，在加载过程中，观察开挖孔洞的破裂情况，并通过磁致伸缩位移传感器、负荷传感器、应力-应变-振动-声发射-超声一体化传感器、光纤光栅高敏精细温度-压力-应力一体化监测传感器、声发射传感器进行数据的同步监测；

步骤十：动态扰动应力加载

由线列分布式液压作动器组7在静应力的基础上对超大型物理模型试样21进行局部动力扰动，施加频率为5Hz，振幅为1MPa，扰动载荷时间为30分钟，诱导较大强度的断裂型岩爆；同时，在局部动力扰动过程中，观察开挖孔洞的破裂情况，并通过磁致伸缩位移传感器、负荷传感器、应力-应变-振动-声发射-超声一体化传感器、光纤光栅高敏精细温度-压力-应力一体化监测传感器、声发射传感器进行数据的同步监测；

步骤十一：卸载

采用位移控制方式，先将线列分布式液压作动器组7卸载至0MPa，再将第一阵列分布式液压作动器组2卸载至4MPa，然后将第一阵列分布式液压作动器组2和第二阵列分布式液压作动器组3与第四阵列分布式液压作动器组5的上层两排单体作动器同步卸载至2MPa，之后将第一阵列分布式液压作动器组2、第二阵列分布式液压作动器组3及与第四阵列分布式液压作动器组5同步卸载至1MPa，最后将第一阵列分布式液压作动器组2、第二阵列分布式液压作动器组3、第三阵列分布式液压作动器组4、第四阵列分布式液压作动器组5及第五阵列分布式液压作动器组6同步卸载至0MPa；其中，位移控制速率为10mm/min；

步骤十二：拆样

将应力-应变-振动-声发射-超声一体化传感器、光纤光栅高敏精细温度-压力-应力一体化监测传感器、声发射传感器的引线与分布式主控制中心断开连接，然后控制超长行程举升锁紧液压缸8执行伸长动作，在超长行程举升锁紧液压缸8的带动下，使竖直向超大型反力框架整体上移，直到竖直向超大型反力框架内的超大型物理模型试样21从水平向超大型反力框架17内部完全移除；当超大型物理模型试样21完全升起后，由滑台顶升油缸将试样承载滑台18顶起设定高度，使试样承载滑台18与反力底座27上表面脱离接触，之后将滑台导轨19从试样承载滑台18与反力底座27上表面之间的夹缝中穿过，滑台导轨19另一端需要准确搭接在RGV轨道平车16上表面，之后控制滑台顶升油缸的活塞杆回缩到初始位置，直到滑台顶升油缸重新隐藏回凹槽内，此时试样承载滑台18也下落至滑台导轨19上；当试样承载滑台18完全落到滑台导轨19上后，再次将滑台推拉装置20与试样承载滑台18连接在一起，随后通过滑台推拉装置20对试样承载滑台18施加拉力，使试样承载滑台18沿着滑台导轨19移动到RGV轨道平车16正上方；当试样承载滑台18移动到位后，解除滑台推拉装置20与试样承载滑台18的连接，之后再次由滑台顶升油缸将试样承载滑台18顶起，使试样承载滑台18与滑台导轨19脱离接触，然后将滑台导轨19移除，最后控制滑台顶升油缸重新回缩隐藏到凹槽内，最终使试样承载滑台18落在RGV轨道平车16上表面，此时超大型物理模型试样21的拆样工作结束。

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 (10)

1.一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构，其特征在于：包括水平向超大型反力框架、竖直向超大型反力框架、第一阵列分布式液压作动器组、第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组、第五阵列分布式液压作动器组、线列分布式液压作动器组及超长行程举升锁紧液压缸；所述竖直向超大型反力框架包括反力顶板、支撑立柱及反力底座；所述水平向超大型反力框架采用外圆内方的环形结构，水平向超大型反力框架固定安装在大型混凝土基坑安装槽内，水平向超大型反力框架的上表面与地面相平齐；所述竖直向超大型反力框架位于水平向超大型反力框架的内侧；所述反力底座位于反力顶板正下方，反力底座与反力顶板之间通过均布的四根支撑立柱固定连接；所述支撑立柱为空心结构，支撑立柱内部穿装有预应力拉杆，反力顶板、支撑立柱及反力底座之间通过预应力拉杆并由高强螺母提供预紧力实现三者的紧固连接；所述超长行程举升锁紧液压缸数量为四根，四根超长行程举升锁紧液压缸均布设置在水平向超大型反力框架与反力顶板之间；所述超长行程举升锁紧液压缸的缸筒内嵌固定在水平向超大型反力框架内部，超长行程举升锁紧液压缸的活塞杆朝上与反力顶板固定连接；所述第一阵列分布式液压作动器组布设在反力顶板下表面；所述第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组及第五阵列分布式液压作动器组分别布设在水平向超大型反力框架的内方表面，第二阵列分布式液压作动器组与第四阵列分布式液压作动器组正对分布，第三阵列分布式液压作动器组与第五阵列分布式液压作动器组正对分布；所述线列分布式液压作动器组内嵌在反力底座上表面中部，线列分布式液压作动器组的加载面与反力底座上表面相平齐。

2.根据权利要求1所述的一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构，其特征在于：所述水平向超大型反力框架采用八段拱形梁拼接而成，在水平向超大型反力框架的外圆周表面缠绕有预应力碳纤维，预应力碳纤维的缠绕预紧力不小于水平向超大型反力框架工作载荷的1.5倍。

3.根据权利要求2所述的一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构，其特征在于：所述第一阵列分布式液压作动器组、第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组及第五阵列分布式液压作动器组中心处的单体液压作动器均采用穿心式液压作动器，且穿心式液压作动器的活塞杆采用双出杆空心结构。

4.根据权利要求3所述的一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构，其特征在于：在所述水平向超大型反力框架的圆周均布开设有四处开挖孔道，四处开挖孔道分别与第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组及第五阵列分布式液压作动器组中心处的穿心式液压作动器同轴分布。

5.根据权利要求4所述的一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构，其特征在于：在所述反力顶板的中心处开设有钻井孔道，钻井孔道与第一阵列分布式液压作动器组中心处的穿心式液压作动器同轴分布2。

6.根据权利要求5所述的一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构，其特征在于：所述超长行程举升锁紧液压缸还作为竖直向超大型反力框架的随动对中液压作动器使用；在所述支撑立柱与水平向超大型反力框架之间设置有减摩滑套；所述超长行程举升锁紧液压缸配置有蓄能器和电子压力阀，电子压力阀用于动态调整蓄能器内的压力，使蓄能器内的压力与竖直向超大型反力框架的自重力始终保持动态平衡。

7.根据权利要求6所述的一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构，其特征在于：所述水平向超大型反力框架所在的大型混凝土基坑安装槽的侧方地面上配置有试样转运机构；所述试样转运机构包括RGV轨道平车、平车导轨、试样承载滑台、滑台导轨、滑台顶升油缸及滑台推拉装置；所述平车导轨固定铺设在地面上，所述RGV轨道平车设置在平车导轨上，RGV轨道平车上表面与水平向超大型反力框架上表面相平齐；所述试样承载滑台放置在RGV轨道平车上表面，在试样承载滑台下表面均布设有四处凹槽，每个凹槽内均竖直安装有一台滑台顶升油缸，滑台顶升油缸的活塞杆完全回缩时，滑台顶升油缸整体完全隐藏在凹槽内；所述滑台导轨为临时铺设结构，滑台导轨临时铺设在RGV轨道平车上表面与水平向超大型反力框架上表面之间，所述试样承载滑台与滑台导轨配合使用；所述滑台推拉装置设置在试样承载滑台与地面之间。

8.根据权利要求7所述的一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构，其特征在于：所述线列分布式液压作动器组内包含的所有单体液压作动器均采用动态液压作动器，且动态液压作动器的最大扰动频率为5Hz，动态液压作动器的外部支架包含有四根抗侧向力的导向杆，动态液压作动器采用双出杆对称结构，在动态液压作动器的缸筒外部设有大流量集成阀块，大流量集成阀块上设有双伺服阀。

9.根据权利要求8所述的一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构，其特征在于：所述第一阵列分布式液压作动器组、第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组及第五阵列分布式液压作动器组内包含的单体液压作动器结构相同，单体液压作动器缸筒内部的活塞与缸筒底板之间设置有磁致伸缩位移传感器，在单体液压作动器的缸筒外部设置有伺服阀和蓄能器，在单体液压作动器的活塞端部设置有负荷传感器。

10.根据权利要求9所述的一种超大型深部工程灾害物理模拟设施的三维加载结构，其特征在于：所述水平向超大型反力框架所在的大型混凝土基坑安装槽的侧方地面之下设有集群式大流量高压液压泵站，在所述集群式大流量高压液压泵站内布设有液压油源系统，液压油源系统采用分布式液压站设计方案，总计包括八台液压站，其中的前五台液压站分别与第一阵列分布式液压作动器组、第二阵列分布式液压作动器组、第三阵列分布式液压作动器组、第四阵列分布式液压作动器组及第五阵列分布式液压作动器组连接，第六台液压站与线列分布式液压作动器组相连，第七台液压站与超长行程举升锁紧液压缸相连，第八台液压站作为备用液压站。

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