專利名稱：地下工程模型試驗三維加載導向框裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種三維加載導向定位裝置，尤其是一種在水電、交通、能源、資源和國防 工程領域使用的地下工程模型試驗三維加載導向框裝置。
背景技術：
19世紀是橋的世紀，20世紀是高層建筑的世紀，21世紀是人類開發(fā)利用地下空間的世 紀，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,許多在建和即將新建的地下工程不斷走向深部。無論是礦— 產(chǎn)資源開采的地下巷道、還是交通建設的地下隧道以及水電開發(fā)的地下洞室等都逐漸向逾千 米或數(shù)千米的深部方向發(fā)展。隨著埋藏深度的增加，深部洞室?guī)r體在高地應力條件下，洞室 圍巖的結構、力學特性和工程響應出現(xiàn)了分區(qū)破裂、大變形、沖擊破壞等一系列新的特征科 學現(xiàn)象，這些特征科學現(xiàn)象與淺埋洞室圍巖工程響應相比顯著不同，因而深部地下工程問題 引起了國際上巖石力學與工程領域專家學者的極大關注，成為近幾年該領域研究的熱點問題。 針對深部地下工程巖體復雜的力學變形特性， 一方面要借助理論研究，另一方面，更多地要 借助模型試驗方法進行研究。但要進行深部地下工程模型試驗，就必須研究和解決模型試驗 的三維加載問題，目前有關模型試驗系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀如下
(1) 《武漢水力電力大學學報》1992年第5期介紹了一種平面應力試驗裝置及加載系統(tǒng)， 其試驗裝置是凈空為150cmX140cm封閉平面剛性加力架，加載系統(tǒng)由壓力盒，氣壓泵、管路、 壓力表組成，試驗時由氣泵控制壓力逐級加載或卸載。該系統(tǒng)為平面加載，無法進行地下工 程模型的三維加載。
(2) 《水利學報》2002第5期介紹了一種離散化三維多主應力面加載試驗系統(tǒng)，試驗裝 置主要由垂直立柱、封閉式鋼結構環(huán)梁、支撐鋼架組成，加載系統(tǒng)主要由高壓氣囊、反推力 板、限位千斤頂和空氣壓縮機組成。其試驗架尺寸較大，實現(xiàn)了按主應力方向進行加載，但 試驗架側向撓度大，無法進行地下工程模型的三維加載。
(4) 《巖石力學與工程學報》2004年第21期介紹了一種平面應變巷道模型試驗臺，模 型尺寸為l mXl mX0.2 m，立式布置，該試驗臺無法進行地下工程模型的三維加載。
(5) 《地下空間》2004第4期介紹了一種公路隧道結構與圍巖綜合實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)基 于"先加載、后挖洞"的原理，采用液壓千斤頂在模型試件外部加載以模擬上覆巖土層自重 應力，用內置千斤頂及位移計模擬開挖體應力響應及位移變化。該系統(tǒng)無法進行地下工程模 型的三維加載。
(6) 《土木工程學報》2006年第12期，以及申請?zhí)枮?00510045291. 7的中國專利介紹 了一種新型巖土地質力學模型試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有尺寸可調、規(guī)模大、組裝靈活的優(yōu)點，但該系統(tǒng)頂部開放，只能進行平面應變狀態(tài)下的模型試驗，無法進行地下工程模型的三維加 載。
(7) 《巖石力學與工程學報》2008年第1期介紹了一種伺服控制高溫高壓巖體三軸試 驗機，該試驗機可進行高溫高壓條件下的巖石假三軸試驗，試樣尺寸為4)200mmX400mm。該 試驗機主要測試高溫加載條件下巖石的物理力學特性變化，無法進行地下工程模型的三維加 載。
(8) 《巖石力學與工程學報》2005年第16期介紹了一種三軸軟巖非線性力學試驗系統(tǒng)， 該系統(tǒng)能進行三軸拉壓、拉剪等多種組合試驗和對不同加卸載過程進行模擬，系統(tǒng)最大壓力 450kN，最大拉力75kN，試件最大尺寸為150咖X150 mraX150 mm。該系統(tǒng)只能測試多種應 力組合狀態(tài)下小尺寸模型試件的物理力學參數(shù)，無法進行地下工程模型的三維加載。
(9) 申請?zhí)枮?200810016641. 0的中國專利公開了一種高地應力真三維加載模型試驗系 統(tǒng)，其包括智能液壓控制系統(tǒng)、高壓加載系統(tǒng)和反力裝置系統(tǒng)，高壓加載系統(tǒng)設置于反力裝 置系統(tǒng)內，智能液壓控制系統(tǒng)的智能液壓控制試驗臺通過高壓油管與高壓加載系統(tǒng)連接，高 壓加載系統(tǒng)包括千斤頂和加載板，千斤頂?shù)囊欢伺c加載板連接，另一端與由模型反力架、法 蘭盤和反力傳遞板組成的模型反力裝置相連，與千斤頂連接的六塊加載板分別緊貼在試驗模 型的前、后、左、右、上、下六個側面上所述六塊加載板中的前后相對應的兩塊加載板上 通過可拆卸螺栓連接有可進行洞室軸向加載開挖的導洞盤。但是，進行模型試驗三維加載時， 會遇到一個問題，即各個加載面上隨著油壓千斤頂?shù)募虞d，千斤頂活塞桿不斷向外移動，如 果模型體壓縮變形量較大的話，兩個相鄰面上的加載千斤頂會相互妨礙，即"打架"，使得油 壓千斤頂無法進一步加載。因此本申請發(fā)明專利主要通過設置導向框裝置來有效解決模型試 驗的三維加載問題。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種地下工程模型試驗三維加載導向 框裝置，其結構簡單，操作方便，可使模型體在上下，左右，前后面均有預留壓縮量，又使 模型各個受力面與千斤頂加載面有效接觸，使得模型體各個部分都能加壓至預定荷載值，達 到地下工程模型三維加載的目的。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案 一種地下工程模型試驗三維加載導向框裝 置，包括導向框，所述導向框設置在試驗模型外部，加載板部分嵌入導向框內，加載板與試 驗模型接觸面以及加載板和導向框框架柱互相接觸的側壁分別粘貼有一層減摩材料，導向框 由高強螺桿支撐在模型反力架的底板上。
所述導向框由十二根橫截面為正方形的不銹鋼實心框架柱通過可拆卸高強螺栓連接組合成正方體三維框架，導向框尺寸可根據(jù)模型大小進行調整。 所述減摩材料為聚四氟乙烯。
本發(fā)明是在申請?zhí)枮?200810016641. 0的中國專利《高地應力真三維加載模型試驗系統(tǒng)》 的基礎上進行的進一步技術改進，通過設置導向框裝置，使得模型體在上下，左右，前后面 均有預留壓縮量，又使各個模型受力面與千斤頂加載面有效接觸，使得模型體各個部分都能 加壓至預定荷載值，從而真實模擬實際地下工程的受力特征。在加載板與試驗模型接觸的加 載面上以及加載板和導向框框架柱接觸的側壁上分別粘貼有一層聚四氟乙烯減摩材料，可以 減少加載板與試驗模型之間以及加載板與導向框之間的摩擦力。
圖l是本發(fā)明結構示意其中l(wèi).導向框，2.框架柱，3.連接螺栓，4.支撐桿，5.模型反力裝置，6.加載板，7. 試驗模型，8.千斤頂，9.反力傳遞板。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1中，在試驗模型7外面設置了中空的正方體導向框1，導向框1由十二根橫截面尺 寸為50mmX50mm的正方形不銹鋼實心框架柱2通過可拆卸的連接螺栓3連接組合而成的正方 體三維框架，其中四根較長為70cm，另八根較短均為60cm。組合后其外部尺寸為70cmX70cm X70cm的正方體。組合后導向框的外部截面尺寸為70cmX70cm，內部截面尺寸為60cmX60cm。 導向框1由四根高強支撐桿4支撐在模型反力裝置5的反力傳遞板9上。
油壓千斤頂加載系統(tǒng)的前端加載板6的尺寸為60cmX60cm，將加載板6置入導向框1內， 進深為5觀，這樣，加載板6前端面距導向框1的框架柱2內面距離為45mm，即每個面預留 45mm的模型壓縮量，在同一個方向(上下、左右、前后)上即預留下90mm的壓縮量。在由導 向框1做骨架，加載板6做腰身，共同組合成的框架內部壓制試驗模型7。試驗模型7尺寸 為60craX60craX60cm的正方體，試驗模型7在各個面(上下、左右、前后)上與油壓千斤頂8 前端加載板6之間60cmX60cmX4. 5cm的空隙部位用與制作試驗模型7相同的相似材料填埋。 壓制時與試驗模型7—起壓制，以使該部位緊密壓實，以便試驗過程中能有效傳遞荷載。
加載板6通過高壓加壓系統(tǒng)和智能液壓控制系統(tǒng)給試驗模型7施加三維荷載，為減少加 載板6與試驗模型7之間的摩擦力，在加載板6與試驗模型7接觸的加載面上粘貼有一層聚 四氟乙烯減摩材料。為減少加載板6與導向框1之間的摩擦力，在加載板6和導向框框架柱 2互相接觸的側壁分別粘貼有一層聚四氟乙烯減摩材料。
權利要求
1.一種地下工程模型試驗三維加載導向框裝置，其特征在于包括導向框，所述導向框設置在試驗模型外部，加載板部分嵌入導向框內，加載板與試驗模型接觸面以及加載板和導向框框架柱互相接觸的側壁分別粘貼有一層減摩材料，導向框由高強螺桿支撐在模型反力架的底板上。
2. 根據(jù)權利要求1所述的地下工程模型試驗三維加載導向框裝置，其特征在于所述導 向框由十二根橫截面為正方形的不銹鋼實心框架柱通過可拆卸高強螺栓連接組合成正方體三 維框架。
3. 根據(jù)權利要求1所述的模型試驗三維加載導向框裝置，其特征在于所述減摩材料為 聚四氟乙烯。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種地下工程模型試驗三維加載導向框裝置，包括導向框，所述導向框設置在試驗模型外部，導向框由四根高強螺桿支撐在模型反力架的底板上。加載板部分嵌入導向框內，加載板與試驗模型接觸面以及加載板和導向框框架柱互相接觸的側壁分別粘貼有一層減摩材料，可以減少加載板與試驗模型之間以及加載板與導向框之間的摩擦力。本發(fā)明通過設置導向框裝置，解決了相鄰加載板因三維加載引起模型體壓縮而出現(xiàn)的相互妨礙，即“打架”現(xiàn)象，有效實現(xiàn)試驗模型前后、左右、上下三對方向的獨立、真三維加載。本發(fā)明可廣泛應用于水電、交通、能源、資源、國防等領域地下工程模型試驗研究，可有效指導和優(yōu)化地下工程的設計和施工。
文檔編號G01N19/00GK101514977SQ20091001463
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月3日 優(yōu)先權日2009年3月3日
發(fā)明者劉德軍, 文 向, 寧 張, 張強勇, 李術才, 波 林, 陳旭光 申請人:山東大學