專利名稱：大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種巖土工程模型試驗裝置，尤其是一種大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置。
背景技術(shù)：
目前地質(zhì)力學(xué)模型試驗有利于在復(fù)雜的試驗過程中突出主要矛盾，便于把握、發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。在國外，以弗曼格林為首的專家在意大利結(jié)構(gòu)模型試驗所開創(chuàng)了工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗技術(shù)。隨后，美國、德國、法國、英國和日本等國也開展了大量模型試驗研究。在國內(nèi)，清華大學(xué)、總參工程兵科研三所、武漢大學(xué)、山東大學(xué)等眾多科研院所，先后對國內(nèi)許多大型工程項目進行了地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究，并取得一大批研究成果。(1)《武漢水力電力大學(xué)學(xué)報》1992年第5期介紹了武漢水力電力大學(xué)一種平面應(yīng)力試驗裝置及加載系統(tǒng)，其試驗裝置是凈空為150cm X 140cm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，無法實現(xiàn)三維加載。(2)《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》2004年第3期介紹了一種巖土工程多功能模擬實驗裝置，該裝置主體加載支承結(jié)構(gòu)是由上、下蓋板、三角形分配塊和3套互相垂直正交的拉桿系統(tǒng)組成。試驗時模型平放在上、下蓋板之間，在模型相對兩邊分別施加垂直和水平地應(yīng)力。 該系統(tǒng)加載試件尺寸較小且無法實現(xiàn)高壓加載。(3)《水利學(xué)報》2002第5期介紹了清華大學(xué)一種離散化三維多主應(yīng)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(jié)構(gòu)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，并實現(xiàn)了按主應(yīng)力方向進行加載，但試驗架側(cè)向撓度變形大，加載系統(tǒng)無法實現(xiàn)高壓加載。(4)《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》2004年第22期介紹了總參工程兵科研三所一種YD-A 型巖土工程多功能模擬試驗裝置。該裝置為平面模型試驗臺，模型尺寸為160 cmX140 cmX 40 cm，具有雙向旋轉(zhuǎn)功能，但該試驗臺無法實現(xiàn)改變模型尺寸和三維模擬。(5)《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》2005年第16期介紹了一種三軸軟巖非線性力學(xué)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450mmX 150mmX 150mm。該系統(tǒng)模型試件尺寸較小，同時無法模擬高壓加載過程。(6)《地下空間》2004第4期介紹了重慶交通科研設(shè)計院一種公路隧道結(jié)構(gòu)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(yīng)力，用內(nèi)置千斤頂及位移計模擬開挖體應(yīng)力響應(yīng)及位移變化。該系統(tǒng)無法模擬深部洞室高壓加載。(7)《土木工程學(xué)報》2005年第12期，以及申請?zhí)枮?00510045291. 7的中國發(fā)明介紹了山東大學(xué)一種新型巖土地質(zhì)力學(xué)模型試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由盒式臺架裝置、帶扁千斤頂?shù)淖兒杉虞d板、液壓加載控制試驗臺組成。該系統(tǒng)具有規(guī)模大、組裝靈活、尺寸可調(diào)、能進行同步非均勻加載的優(yōu)點，但系統(tǒng)只能進行平面加載且加載荷載值有限，無法模擬深部洞室高壓加載過程。(8)《巖石力學(xué)與工程學(xué)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Φ200πιπι X 400mm。該試驗機主要用于高溫條件下的加載，雖然加載壓力較高，但無法模擬巖體試件的真三軸加載，且試樣尺寸較小。(9)山東大學(xué)專利200820023048. 4公布了一種高壓加載結(jié)構(gòu)模型試驗系統(tǒng)，該裝置采用六面加載，最大模型尺寸IOOOmmX IOOOmmX 1000mm，可模擬比例尺為1:100，開挖洞
室尺寸較小，不能開展大比例尺的模型試驗。(10)山東大學(xué)專利200810138978. 9介紹了一種高地應(yīng)力準三維可視化模型試驗臺架裝置，包括反力墻裝置，側(cè)向外圍設(shè)有門式反力框架，在門式反力框架和模型體之間設(shè)有液壓加載裝置，反力墻裝置上洞室所在位置周圍設(shè)有若干觀察窗。但該裝置系統(tǒng)反力裝置結(jié)構(gòu)簡單，前后反力墻拉桿穿過模型體，影響模型內(nèi)部應(yīng)力場和實驗精度。剛性加載不利于模型表面應(yīng)力加載精度?？臻g不可調(diào)，只能做平面模型試驗，不能做三維模型試驗。(11)山東大學(xué)專利200810138981. 0介紹了一種帶滑動墻的自平衡式真三維加載模型試驗臺架，但該裝置模型制作繁瑣，操作復(fù)雜，模型體表面距裝置外部較遠，不方便開挖觀測；尺寸不可調(diào)整，只能做平面模型試驗。(12)山東大學(xué)專利200810016641. 0介紹了一種高地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)；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(shè)置于反力裝置系統(tǒng)六個面內(nèi)為模型體六個側(cè)面加載。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，不能自由組裝；液壓加載系統(tǒng)不是數(shù)字智能控制，采用千斤頂加載，不是雙向油缸；模型表面距裝置外部較遠，不方便開挖觀測。但綜合分析上述單位的模型試驗臺架裝置系統(tǒng)，還存在以下不足之處
1.模型裝置尺寸一般不可調(diào)整，可調(diào)的操作也比較繁瑣，還沒有榀式自由組合的模型裝置。2.現(xiàn)有模型試驗裝置受剛度、強度限制以及模型空間尺寸限制，難以實現(xiàn)大埋深高地應(yīng)力條件下的平面或三維地下洞室大比尺模型試驗研究。3.試驗過程中不能方便直觀地觀察到圍巖的破裂現(xiàn)象和發(fā)展過程。4.加載完成后不能方便完整地將模型轉(zhuǎn)移出模型架，不能方便地進行模型解剖， 不利于觀察模型加載破壞后的內(nèi)部形態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種組裝靈活、操作簡單、加載與觀測方便、帶有模型推車的大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置，包括若干榀拼裝式反力臺架裝置，整個試驗裝置在整體成上窄下寬，側(cè)面為斜面，所述每榀反力臺架裝置均包括頂梁、側(cè)梁、底梁，頂梁與側(cè)梁之間以及側(cè)梁與底梁之間均通過法蘭及高強螺栓相連接；每榀反力臺架裝置均可互連或與前后反力梁連接，前后反力梁上部和左右由拉桿連接，下部與設(shè)置于底梁上的模型升降平移托車系統(tǒng)相連；在頂梁和側(cè)梁上設(shè)有液壓加載系統(tǒng)；模型升降平移拖車系統(tǒng)可方便的將試驗?zāi)Ｐ鸵迫胍瞥觥Ｋ龇戳α喊ㄓ砷L梁組成的前、后反力梁，前、后反力梁的側(cè)面與側(cè)梁連接，前、 后反力梁之間通過拉桿相連接，前反力梁和后反力梁設(shè)有開挖觀測窗。所述開挖觀測窗為鋼化玻璃，其上貼有防爆膜，開挖窗口設(shè)有封堵裝置。所述液壓加載系統(tǒng)通過法蘭與頂梁和側(cè)梁連接，液壓加載系統(tǒng)包括安裝在頂梁上的豎向加載系統(tǒng)和安裝在側(cè)梁上的橫向加載系統(tǒng)。所述模型升降平移托車系統(tǒng)包括底板拖車，所述底板拖車下部設(shè)有至少一個水平推送油缸、若干豎向起降油缸和若干滾輪，水平推送油缸和豎向起降油缸分別與液壓自動控制系統(tǒng)連接。所述底板拖車由若干平板通過連接件并列連接組成。所述連接件為連接板條和高強螺栓。所述水平推送油缸設(shè)置于底板拖車下部，兩端分別固定在底板反力座和模型拖車反力座上。本發(fā)明的包括成榀拼裝式反力臺架裝置(包括頂梁、側(cè)梁、底梁)、前、后反力梁、開挖觀測窗、模型底板推車、液壓加載系統(tǒng)及法蘭、拉桿和高強螺栓。該實驗架可進行的模型尺寸最大為2. 4mX 2. ^iX 2. Om (寬X高X厚)，模型表面最大荷載集度可達3. 5MPa,開挖孔及觀測窗尺寸可調(diào)，最大開挖洞室跨度為500mm。通過本裝置可以進行隧道、地鐵、地下廠房、礦山、人防工程、水電站洞室群等地下工程穩(wěn)定性的高地應(yīng)力三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗研本發(fā)明中的液壓自動控制系統(tǒng)連接為現(xiàn)有設(shè)備，其設(shè)置于本發(fā)明一側(cè)，在此不再贅述。本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1.模型裝置采用高強度合金鋼材料，強度、剛度、抗沖擊韌性好，耐腐蝕能力強，可長期使用；同時通過高強螺栓、法蘭將頂梁、側(cè)梁和底梁連接在一起；前、后反力梁由長梁組成并連接于側(cè)梁上，底部與模型推車連接，上部和左右由拉桿將前后反力梁連接，整個模型裝置結(jié)構(gòu)整體上窄下寬，側(cè)面斜面設(shè)計，受力明確、結(jié)構(gòu)合理、造型美觀，保證了整體大剛度和高強度，提高了試驗精度。2.可方便實現(xiàn)均布或分級加載，真實模擬地下洞室所處的三維地質(zhì)力學(xué)初始條件，先加載后開挖，真實模擬開挖過程、支護過程及失穩(wěn)破壞等動態(tài)過程。3.可采用大比例尺制作試驗?zāi)Ｐ?，開挖洞室尺寸大，最大隧洞跨度可達500mm，在試驗過程中可方便地進行人工分層開挖和注漿設(shè)錨、安裝收斂測點、預(yù)緊錨索等操作。4.試驗臺架由四榀獨立框架組合而成，每榀框架厚0. 5m，均可配合前后反力梁及液壓加載裝置單獨進行試驗，適應(yīng)不同模型尺寸的要求。單榀可進行平面應(yīng)力和平面應(yīng)變條件下的模型試驗；多榀組合可進行大型三維模型試驗。5.前后反力梁中間有可拆卸的開挖觀測窗，可根據(jù)開挖尺寸大小更換。開挖觀測窗安裝高強鋼化玻璃，并貼防爆膜，開挖窗口設(shè)有封堵裝置。實現(xiàn)在試驗過程中可實時觀察
5洞周的變形和破裂發(fā)展情況，而且具有高強度和大剛度，不影響模型試驗的加載效果。6.模型放在底部帶升降輪和平移油缸的模型推車上，操縱升降平移系統(tǒng)，可實現(xiàn)升降輪的升降，輪子降落后將模型推車升高，可以方便地將模型轉(zhuǎn)移出入模型加載空間，試驗后可推出并剖分模型以觀察模型內(nèi)部形態(tài)。當需要將試驗完成的模型移出時，啟動液壓自動控制系統(tǒng)，首先豎向起降油缸升起，將底板拖車頂升，然后底板托車與模型裝置底梁接觸，整個模型和模型底板的自重由豎向千斤頂下部的滾輪承擔(dān)，試驗開始前或完成后，豎向起降油缸伸長帶動滾動輪下降，使底板托車與模型裝置底梁離開，承受模型自重，然后水平推送油缸工作，由于水平推送油缸一端與試驗裝置底板連接，相對固定，另一端與模型拖車反力座連接，推動其緩慢移出模型試驗裝置，最終將其上的試驗?zāi)Ｐ鸵瞥鲈囼灴蚣?，最大推送行程由油缸行程決定，方便試驗制作和剖視觀測。本發(fā)明的模型升降平移托車系統(tǒng)采用液壓自動控制系統(tǒng)，模型水平推移距離最大為2m，在頂升狀態(tài)下模型推車可承受最大荷載可達60t，非頂升狀態(tài)可承受最大荷載為 1200t?？蓮V泛應(yīng)用于各種地質(zhì)力學(xué)模型試驗中。模型升降平移托車系統(tǒng)具有以下特點1).構(gòu)造簡單，組裝靈活，自動化程度高， 操作簡單方便。2).采用拼裝式結(jié)構(gòu)，有多種組合方式，滿足不同模型試驗尺寸的要求。 3).起降推送能力強，可滿足最大60t的起降和推送要求。4).整體強度、剛度高，穩(wěn)定性好， 升降和推送動作平穩(wěn)，可保證模型在轉(zhuǎn)移過程中的完整性。


圖1為本發(fā)明正視圖； 圖2為圖1側(cè)視圖3是模型升降平移托車系統(tǒng)俯視圖； 圖4是模型升降平移托車系統(tǒng)主視圖； 圖5是模型升降平移托車系統(tǒng)側(cè)視其中，1、頂梁，2、側(cè)梁，3、底梁，4、前后反力梁，4-1、前反力梁，4-2、后反力梁，5、法蘭， 6、拉桿，7、螺栓，8、開挖觀測窗，9、液壓加載系統(tǒng)，9-1、豎向加載系統(tǒng)，9-2、橫向加載系統(tǒng)， 10、模型升降平移托車系統(tǒng)，10-1、豎向起降油缸，10-2、水平推送油缸，10-3、底板拖車， 10-4、連接件，10-5、水平推送油缸反力座，10-6、滾輪。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。如圖1、2所示，大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置，包括成榀拼裝式反力臺架裝置，該裝置每榀均由頂梁1、側(cè)梁2和底梁3連接而成；前后反力梁側(cè)面與側(cè)梁2連接，底部與模型升降平移托車系統(tǒng)10連接；在頂梁1和側(cè)梁2上設(shè)有液壓加載系統(tǒng)9 ；液壓加載系統(tǒng)9與推力器連接；整個試驗裝置在整體上窄下寬，側(cè)面為斜面。每榀可配合液壓系統(tǒng)和前后反力梁單獨完成平面模型試驗，多榀連接配合液壓系統(tǒng)和前后反力梁可完成大型三維模型試驗。所述頂梁1、側(cè)梁2和底梁3通過螺栓7和法蘭5連接。所述前后反力梁4由長梁組成并連接于側(cè)梁2上，底部與模型升降平移托車系統(tǒng) 10連接，前后反力梁4的上部和左右由拉桿6將前后反力梁4連接。所述前后反力梁4由前反力梁4-1和后反力梁4-2組成，在前反力梁4_1和后反力梁4-2上設(shè)有開挖觀測窗8。開挖前加載時，開挖觀測窗的隧洞形狀開挖面是封堵的，能提供反力。所述開挖觀測窗8為鋼化玻璃，其上貼有防爆膜。所述液壓加載系統(tǒng)9包括安裝在頂梁1上的豎向加載系統(tǒng)9-1和安裝在側(cè)梁2上的橫向加載系統(tǒng)9-2，它們分別通過螺栓7與側(cè)梁2和頂梁1連接。如圖3-5所示，模型升降平移托車系統(tǒng)10包括底板拖車10-3，所述底板拖車10_3 下部設(shè)有至少一個水平推送油缸10-2、若干豎向起降油缸10-1和若干滾輪10-6，水平推送油缸10-2和豎向起降油缸10-1分別與液壓自動控制系統(tǒng)連接。所述底板拖車10-3由若干平板通過連接件10-4并列連接組成。所述連接件10-4為連接板條和高強螺栓。所述水平推送油缸10-2設(shè)置于底板拖車10-3下部，兩個水平推送油缸反力座 10-5分別固定在底梁3和底板拖車10-3上。當需要將試驗完成的模型移出時，啟動液壓自動控制系統(tǒng)，首先豎向起降油缸 10-1升起，將底板拖車10-3頂升，然后底板托車10-3與模型裝置底梁3接觸，整個模型和模型底板的自重由豎向千斤頂下部的滾輪10-6承擔(dān)，試驗開始前或完成后，豎向起降油缸 10-1下降后底板托車10-3與模型裝置底梁3離開，承受模型自重，然后水平推送油缸10-2 工作，由于水平推送油缸10-2 —端與實驗架地板連接，相對固定，另一端與底板拖車10-3 連接，推動其緩慢移出模型試驗裝置，最終將其上的試驗?zāi)Ｐ鸵瞥鲈囼灴蚣?，最大推送行程由油缸行程決定，方便試驗制作和剖視觀測。
權(quán)利要求
1.一種大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置，其特征在于包括若干榀拼裝式反力臺架裝置，整個試驗裝置在整體成上窄下寬，側(cè)面為斜面，所述每榀反力臺架裝置均包括頂梁、側(cè)梁、底梁，頂梁與側(cè)梁之間以及側(cè)梁與底梁之間均通過法蘭及高強螺栓相連接；每榀反力臺架裝置均可互連或與前后反力梁連接，前后反力梁上部和左右由拉桿連接，下部與設(shè)置于底梁上的模型升降平移托車系統(tǒng)相連；在頂梁和側(cè)梁上設(shè)有液壓加載系統(tǒng)；模型升降平移拖車系統(tǒng)可方便的將試驗?zāi)Ｐ鸵迫胍瞥觥?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置，其特征在于所述反力梁包括由長梁組成的前、后反力梁，前、后反力梁的側(cè)面與側(cè)梁連接，前、后反力梁上部和兩側(cè)通過拉桿相連接，前反力梁和后反力梁上均設(shè)有開挖觀測窗。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置，其特征在于所述開挖觀測窗為鋼化玻璃，其上貼有防爆膜，開挖觀測窗的窗口設(shè)有封堵裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置，其特征在于所述液壓加載系統(tǒng)通過后法蘭與頂梁和側(cè)梁連接，液壓加載系統(tǒng)包括安裝在頂梁上的豎向加載系統(tǒng)和安裝在側(cè)梁上的橫向加載系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置，其特征在于所述模型升降平移托車系統(tǒng)包括底板拖車，所述底板拖車下部設(shè)有至少一個水平推送油缸、若干豎向起降油缸和若干滾輪，水平推送油缸和豎向起降油缸分別與液壓自動控制系統(tǒng)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置，其特征在于所述底板拖車由若干平板通過連接件并列連接組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置，其特征在于所述連接件為連接板條和高強螺栓。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置，其特征在于所述水平推送油缸設(shè)置于底板拖車下部，兩端分別固定在底板反力座和模型拖車反力座上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗裝置，包括若干榀拼裝式反力臺架裝置，整個試驗裝置在整體成上窄下寬，側(cè)面為斜面，所述每榀反力臺架裝置均包括頂梁、側(cè)梁、底梁，頂梁與側(cè)梁之間以及側(cè)梁與底梁之間均通過法蘭及高強螺栓相連接；每榀反力臺架裝置均可互連或與前后反力梁連接，前后反力梁上部和左右由拉桿連接，下部與設(shè)置于底梁上的模型升降平移托車系統(tǒng)相連；在頂梁和側(cè)梁上設(shè)有液壓加載系統(tǒng)；裝置底板設(shè)置自動液壓模型升降平移拖車系統(tǒng)，可方便平穩(wěn)的將試驗?zāi)Ｐ鸵迫胍瞥?。本發(fā)明組裝靈活、操作簡單、加載與觀測方便、帶有模型升降平移拖車系統(tǒng)，可應(yīng)用于高地應(yīng)力條件下巖土工程的平面和三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗。
文檔編號G01N3/00GK102175517SQ201110039078
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月16日
發(fā)明者張慶松, 李為騰, 李勇, 李術(shù)才, 王漢鵬, 王 琦, 趙勇 申請人:山東大學(xué)