高地應力柔性加載瞬間卸載試驗裝置製造方法
2023-07-22 20:51:06
高地應力柔性加載瞬間卸載試驗裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高地應力柔性加載瞬間卸載試驗裝置，包括加載自反力框架裝置，所述加載自反力框架裝置中設置有隧道模型裝置，隧道模型裝置中設置柔性橡膠囊和傳感器，隧道模型上部設有加載裝置，柔性橡膠囊和加載裝置均與加載控制系統相連，傳感器與設置於隧道模型外的動態信號分析儀相連。本實用新型的裝置模型尺寸較小，能在短時間內製作完成，對於需要大量試驗來完成的深部洞室瞬間卸載開挖試驗是有利的。利用該裝置通過柔性橡膠囊內液壓油的瞬間卸油，能夠實現模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
【專利說明】高地應力柔性加載瞬間卸載試驗裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種礦山、能源、水電、交通、國防等深部巖土工程技術，尤其是一種高地應力柔性加載瞬間卸載試驗裝置。
【背景技術】
[0002]19世紀是橋的世紀，20世紀是高層建築的世紀，21世紀是人類開發利用地下空間的世紀，隨著我國國民經濟的快速發展，許多在建和即將新建的地下工程不斷走向深部。無論是礦產資源開採的地下巷道、還是交通建設的地下隧洞以及水電開發的地下洞室等都逐漸向逾千米或數千米的深部方向發展。隨著埋藏深度的增加，深部洞室巖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了分區破裂、大變形、衝擊破壞等一系列新的特徵科學現象，這些特徵科學現象與淺埋洞室圍巖工程響應相比顯著不同，因而深部巖體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。儘管深部與淺埋洞室圍巖工程響應相比明顯不同，但是在深部高地應力巷道瞬間卸載開挖過程中會不會出現分區破裂、大變形、衝擊破壞等一系列新的破壞特徵尚不清楚，因此為了研究深部高地應力巷道瞬間卸載開挖過程中，圍巖的變形破壞響應特徵研製和提出了本試驗裝置及方法。
[0003]目前有關深部高地應力模型試驗系統的研究現狀如下:
[0004](I)《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，該系統基於「先加載、後挖洞」的原理，採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。該系統無法模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0005](2)山東大學專利200820023048.4公布了一種高壓加載結構模型試驗系統，該裝置採用六面高壓加載，可模擬巖體試件的真三軸加載，且加載自動化程度和加載精度高，加載功能多，實現洞室軸向加載開洞，加載系統剛度高、操作簡單方便等優點，但該系統無法模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0006](3)山東大學專利200810138978.9介紹了一種高地應力準三維可視化模型試驗臺架裝置，包括反力牆裝置，側向外圍設有門式反力框架，在門式反力框架和模型體之間設有液壓加載裝置，反力牆裝置上硐室所在位置周圍設有若干觀察窗。該裝置無法模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0007](4)山東大學專利200810138981.0介紹了一種帶滑動牆的自平衡式真三維加載模型試驗臺架，但該裝置模型製作繁瑣，操作複雜，模型體表面距裝置外部較遠，不方便開挖觀測，且無法模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0008](5)山東大學專利200810016641.0介紹了一種高地應力真三維加載模型試驗系統，包括智能液壓控制系統、高壓加載系統和反力裝置系統，高壓加載系統設置於反力裝置系統六個面內，為模型體六個側面加載。該系統無法模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0009](6)山東大學專利201110039078.0介紹了一種大型自由組合榀式高地應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，所述每榀反力臺架裝置均包括頂梁、側梁、底梁，頂梁與側梁之間以及側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後反力梁連接，在頂梁和側梁上設有液壓加載系統，本實用新型組裝靈活、操作簡單、加載與觀測方便、帶有模型升降平移託車系統，但該裝置無法模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0010](7)山東大學專利201110038852.6介紹了一種大型組合式動靜多功能巖土工程模擬試驗裝置，該裝置由若干榀反力臺架裝置、前可視反力梁、後加載反力梁、拱形動態反力架、液壓加載系統、伺服動態加載系統、模型升降平移託車系統等組成。本實用新型結構緊湊合理，整體上窄下寬，組裝靈活、操作簡單、加載與觀測方便，可應用於基坑、邊坡及高地應力條件下巖土工程的平面和三維地質力學靜態和動態模型試驗。但該裝置無法模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0011]綜合分析上述單位的模型試驗臺架裝置系統，還存在以下不足之處:
[0012]1.模型尺寸較大，模型製作周期較長，無法在短期內完成模型堆砌，相對於高地應力柔性加載瞬間卸載試驗是不利的；
[0013]2.上述裝置系統均不能模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
實用新型內容
[0014]本實用新型的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種高地應力柔性加載瞬間卸載試驗裝置，其製作簡單，能夠模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。
[0015]為實現上述目的，本實用新型採用下述技術方案:
[0016]一種高地應力柔性加載瞬間卸載試驗裝置，包括加載自反力框架裝置，所述加載自反力框架裝置中設置有隧道模型裝置，隧道模型裝置中設置柔性橡膠囊和傳感器，隧道模型上部設有加載裝置，柔性橡膠囊和加載裝置均與加載控制系統相連，傳感器與設置於隧道模型外的動態信號分析儀相連。
[0017]所述加載自反力框架裝置包括底梁和頂梁，所述底梁和頂梁之間通過若干立柱連接，並通過鎖定螺母緊固組成一框架結構，為液壓油缸加載提供反力。
[0018]所述隧道模型裝置包括放置於底梁上的厚壁圓筒，厚壁圓筒中設置隧道模型，隧道模型上部設有壓板，隧洞模型中間預留隧洞孔洞，隧洞孔洞內放置柔性橡膠囊，柔性橡膠囊頂部設有加卸載三通，分別連接橡膠囊進油管和橡膠囊卸油管，橡膠囊進油管與加載控制系統相連，橡膠囊卸油管經二位二通閥與油箱相通。通過壓板上放置的兩個對稱的油缸對隧洞模型上表面均勻加壓。二位二通閥斷電處於常閉狀態，當通電時瞬間打開時，柔性橡膠囊內的液壓油通過二位二通閥流出到油箱中，實現模擬開挖前隧洞預支撐和開挖瞬間卸載。
[0019]所述柔性橡膠囊包括上部密封環、壓縮彈簧、橡膠囊和下部密封環，壓縮彈簧和橡膠囊均位於上部密封環和下部密封環之間，上部密封環和下部密封環用以密封橡膠囊，壓縮彈簧對橡膠囊起到支撐作用，在其受力時保證橡膠囊均勻變形，不至出現局部應力集中。
[0020]所述加載裝置包括兩個對稱設置於壓板上部的油缸，油缸缸體固定於頂梁上，油缸活塞杆前端連接於壓板上，油缸的進油口和出油口分別對應連接油缸進油管和油缸卸油管，油缸進油管和油缸卸油管分別連通至加載控制系統。通過液壓站及控制系統控制油缸的進油和卸油，實現對隧洞模型的加載和卸載。
[0021]所述加載控制系統包括液壓站和與其相連的控制系統。
[0022]所述傳感器為應力或應變傳感器。傳感器在製作隧洞模型時預埋在隧洞模型內部，通過導線與動態信號分析儀相連，在隧洞瞬間卸載時檢測模型應力應變曲線變化。
[0023]利用高地應力柔性加載瞬間卸載試驗裝置的試驗方法，
[0024]I)隧洞模型加載時，啟動液壓站及控制系統，分別設定並控制隧洞模型軸向和柔性橡膠囊的加載壓力，液壓油分別通過油缸進油管和橡膠囊進油管輸送至油缸和柔性橡膠囊上中；
[0025]2) 二位二通閥斷電時處於常閉狀態，當通電時瞬間打開，柔性橡膠囊內的液壓油在加壓後內部壓力的作用下通過二位二通閥流出到油箱中，實現對隧洞的瞬間開挖模擬；
[0026]3)隧洞模型靠近隧洞開挖表面的材料內埋設的應力或應變傳感器採集信號，並通過導線傳輸至動態信號分析儀，動態信號分析儀分析深部軸向高地應力條件下隧洞的瞬間開挖卸載動態響應特性與規律，並顯示隧洞瞬間卸載時隧道模型應力應變曲線變化。
[0027]本實用新型的有益效果是:
[0028]1.本裝置模型尺寸較小，可以在短時間內製作完成，對於需要大量試驗來完成的深部洞室瞬間卸載開挖試驗是有利的。
[0029]2.通過柔性橡膠囊內液壓油的瞬間卸油，能夠模擬深部洞室瞬間卸載開挖過程。【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1是本實用新型的試驗裝置結構示意圖；
[0031]圖2是本實用新型柔性橡膠囊結構示意圖；
[0032]圖中，1.鎖定螺母，2.頂梁，3.油缸，4.壓板，5.柔性橡膠囊，6.隧洞模型，7.傳感器，8.厚壁圓筒，9.立柱，10.動態信號分析儀，11.底梁，12.加卸載三通，13.油缸進油管，14.油缸卸油管，15.橡膠囊進油管，16.橡膠囊卸油管，17.液壓站及控制系統，18.二位二通閥，19.油箱，20.上部密封環，21.壓縮彈簧，22.橡膠囊，23.下部密封環。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0034](I)鎖定螺母1、頂梁2、立柱9和底梁11組合成加載自反力框架裝置，為液壓油缸加載提供反力。
[0035](2)柔性橡膠囊5由上部密封環20、壓縮彈簧21、橡膠囊22和下部密封環23構成，其中上部密封環20、下部密封環23用以密封橡膠囊22，壓縮彈簧21對橡膠囊22起到支撐作用，在其受力時保證橡膠囊22均勻變形，不至出現局部應力集中。
[0036](3)在底梁11上放置帶底的厚壁圓筒8，在厚壁圓筒內製作隧洞模型6，隧洞模型中間預留隧洞孔洞，其內放置柔性橡膠囊5，柔性橡膠囊5設有加卸載三通12，分別連接橡膠囊進油管15和橡膠囊卸油管16，用來模擬開挖前隧洞預支撐和開挖瞬間卸載。隧洞模型上部放置壓板4，壓板4上放置兩個對稱的油缸3，油缸3的進油口和出油口分別連接油缸進油管13和油缸卸油管14，實現對隧洞模型6的加載和卸載。
[0037](4)隧洞模型6加載時，啟動液壓站及控制系統17，分別設定並控制隧洞模型6軸向和柔性橡膠囊5的加載壓力，然後分別通過油缸進油管13和橡膠囊進油管15連接油缸3和柔性橡膠囊5上的加卸載三通12的其中一個通道，加卸載三通12的另一個通道連接橡膠囊卸油管16，橡膠囊卸油管16與二位二通閥18連接。二位二通閥18斷電處於常閉狀態，當通電時瞬間打開時，柔性橡膠囊5內的液壓油通過二位二通閥18流出到油箱19中，實現對隧洞的瞬間開挖模擬。
[0038](5)隧洞模型6靠近隧洞開挖表面的材料內埋設應力或應變傳感器7，傳感器7通過導線與動態信號分析儀10連接，採集並分析深部軸向高地應力條件下隧洞的瞬間開挖卸載動態響應特性與規律。
[0039]上述雖然結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但並非對本實用新型保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護範圍以內。
【權利要求】
1.一種高地應力柔性加載瞬間卸載試驗裝置，其特徵是，包括加載自反力框架裝置，所述加載自反力框架裝置中設置有隧道模型裝置，隧道模型裝置中設置柔性橡膠囊和傳感器，隧道模型上部設有加載裝置，柔性橡膠囊和加載裝置均與加載控制系統相連，傳感器與設置於隧道模型外的動態信號分析儀相連。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵是，所述加載自反力框架裝置包括底梁和頂梁，所述底梁和頂梁之間通過若干立柱連接，並通過鎖定螺母緊固組成一框架結構。
3.如權利要求2所述的裝置，其特徵是，所述隧道模型裝置包括放置於底梁上的圓筒，圓筒中設置隧道模型，隧道模型上部設有壓板，隧洞模型中間預留隧洞孔洞，隧洞孔洞內放置柔性橡膠囊，柔性橡膠囊頂部設有加卸載三通，分別連接橡膠囊進油管和橡膠囊卸油管，橡膠囊進油管與加載控制系統相連，橡膠囊卸油管經二位二通閥與油箱相通。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵是，所述柔性橡膠囊包括上部密封環、壓縮彈簧、橡膠囊和下部密封環，壓縮彈簧和橡膠囊均位於上部密封環和下部密封環之間。
5.如權利要求3所述的裝置，其特徵是，所述加載裝置包括兩個對稱設置於壓板上部的油缸，油缸缸體固定於頂梁上，油缸活塞杆前端連接於壓板上，油缸的進油口和出油口分別對應連接油缸進油管和油缸卸油管，油缸進油管和油缸卸油管分別連通至加載控制系統。
6.如權利要求1所述的裝置，其特徵是，所述加載控制系統包括液壓站和與其相連的控制系統。
7.如權利要求1所述的裝置，其特徵是，所述傳感器為應力或應變傳感器。
【文檔編號】G01N3/12GK203414356SQ201320467006
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年8月1日 優先權日:2013年8月1日
【發明者】李術才, 王漢鵬, 李建明, 張慶賀, 李海燕, 李清川 申請人:山東大學