超大型巖土工程三維模型試驗系統的製作方法

2023-05-23 17:32:26

專利名稱：超大型巖土工程三維模型試驗系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種超大型巖土工程三維模型試驗系統，主要為地下巖土工程模型試驗提供試驗裝置和加載及測試系統。
背景技術：
地質力學模型試驗有利於在複雜的試驗過程中突出主要矛盾，便於把握、發現現象的內在聯繫。在國外，以弗曼格林為首的專家在義大利結構模型試驗所開創了工程地質力學模型試驗技術。隨後，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，清華大學、總參工程兵科研三所、武漢大學、山東大學等眾多科研院所，先後對國內許多大型工程項目進行了地質力學模型試驗研究，並取得一大批研究成果。(1)《武漢水力電力大學學報》1992年第5期介紹了武漢水力電力大學一種平面應力試驗裝置及加載系統，其試驗裝置是淨空為150cm X 140cm封閉平面剛性加力架，加載系統由壓力盒，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。該系統為平面加載，無法實現三維加載。(2《巖石力學與工程學報》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構是由上、下蓋板、三角形分配塊和3套互相垂直正交的拉杆系統組成。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力。 該系統加載試件尺寸較小且無法實現高壓加載。(3)《水利學報》2002第5期介紹了清華大學一種離散化三維多主應力面加載試驗系統，試驗裝置主要由垂直立柱、封閉式鋼結構環梁、支撐鋼架組成，加載系統主要由高壓氣囊、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，並實現了按主應力方向進行加載，但試驗架側向撓度變形大，加載系統無法實現高壓加載。(4)《巖石力學與工程學報》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，具有雙向旋轉功能，但該試驗臺無法實現改變模型尺寸和三維模擬。(5)《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，該系統能進行三軸拉壓、拉剪等多種組合試驗和對不同加卸載過程進行模擬，系統最大壓力450kN，最大拉力75kN，試件最大尺寸為450mmX 150mmX 150mm。該系統模型試件尺寸較小，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計院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高壓加載。(7)《土木工程學報》2005年第12期，以及申請號為200510045291. 7的中國實用新型介紹了山東大學一種新型巖土地質力學模型試驗系統，該系統主要由盒式臺架裝置、 帶扁千斤頂的變荷加載板、液壓加載控制試驗臺組成。該系統具有規模大、組裝靈活、尺寸
3可調、能進行同步非均勻加載的優點，但系統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Φ200πιπι X 400mm。該試驗機主要用於高溫條件下的加載，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，反力牆裝置上洞室所在位置周圍設有若干觀察窗。但該裝置系統反力裝置結構簡單，前後反力牆拉杆穿過模型體，影響模型內部應力場和實驗精度。剛性加載不利於模型表面應力加載精度。空間不可調，只能做平面模型試驗，不能做三維模型試驗。(11)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；尺寸不可調整，只能做平面模型試驗。(12)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。該裝置結構簡單，不能自由組裝；液壓加載系統不是數字智能控制，採用千斤頂加載，不是雙向油缸；模型表面距裝置外部較遠，不方便開挖觀測。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1.現有模型裝置結構簡單，尺寸一般不可調整，可調的操作也比較繁瑣，不方便試驗。2.現有模型裝置試驗空間較小，難以實現大型十字交叉地下隧洞的大比尺模型試驗研究。3.裝置功能單一，僅能進行平面或三維模型試驗，不能根據試驗模型尺寸自由調整。4.現有模型試驗裝置不可拆分為兩臺試驗裝置各自進行試驗。5.液壓加載系統和測試系統相對落後，數位化自動化程度不高，試驗加載及測試結果精度較低。6.反力臺架裝置尺寸較小，剛度和強度較小，不能提供較高的反力，無法實現高應力加載。

實用新型內容本實用新型的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種整體結構緊湊、安全可靠、易於安裝拆分、尺寸可調、高精度加載和自動化測試的超大型巖土工程三維模型試驗系統。[0023]為實現上述目的，本實用新型採用下述技術方案一種超大型巖土工程三維模型試驗系統，包括超大型模型試驗裝置、分別與大型模型試驗裝置相連的液壓加載系統和應變位移測試系統，所述超大型模型試驗裝置包括門式框架，門式框架下端設置於底板裝置上，底板裝置上設有位於門式框架下部的模型反力
掉工回；所述門式框架包括左右對稱設置的兩對立柱，位於同側的兩根立柱內外側之間通過兩塊橫梁立柱連接板相連，所述位於同側的兩根立柱內外側之間的兩塊橫梁立柱連接板之間設有兩道連接抄手；所述兩對立柱上均設有若干能使橫梁立柱連接板上下移動時相連接的螺栓孔；左右對稱設置的兩對立柱內側的兩塊橫梁立柱連接板之間連接有四根橫梁；所述底板裝置包括底板，所述底板上設有T型滑槽，T型滑槽內設有連接所述模型反力牆的螺栓，通過移動螺栓，使模型反力牆前後或左右擴大或縮小；模型反力牆前後左右四面中心均安裝透視開挖窗口 ；所述底板相對兩側設有底板夾板，底板下部設有底板橫梁， 底板橫梁下部設有底板橫梁連接板；所述底板由可拆裝的獨立的兩組組成，或者由四塊底板通過底板夾板、底板橫梁和底板橫梁連接板拼裝連接為一個整體。所述應變位移測試系統包括微型多點位移計、數字照相位移測試系統、靜態電阻應變儀測試系統、光纖應變測試系統，所述微型多點位移計測量內部位移，數字照相位移測試系統測量表面位移，靜態電阻應變儀測試系統和光纖應變測試系統測量應變；所述微型多點位移計測點、靜態電阻應變儀測試系統和光纖應變測試系統安裝在模型隧洞周圍，通過測絲或導線將信號傳輸到各自測試系統，實現對內部位移和應變的測試；所述數字照相位移測試系統包括高精度像素數碼單眼相機和系統分析處理系統，高精度像素數位相機安裝固定在模型隧洞前方，在模型隧洞內所測位置安設十字固定標誌，通過遙控裝置控制連續固定焦距拍照，然後利用系統分析處理系統處理照片，計算出圍巖的變形。所述液壓加載系統包括安裝在橫梁上的若干個液壓油缸，液壓油缸下部是球鉸， 球鉸與傳力墊塊連接，傳力墊塊與模型反力牆頂部連接；所述液壓油缸通過液壓油管與液壓自動控制系統連接，液壓自動控制系統與液壓泵站連接。本實用新型中的液壓自動控制系統為現有觸屏式數字智能自動控制技術，在此不再贅述。本實用新型的模型試驗裝置底板可拆裝，可分為獨立的兩組模型裝置，也可通過6 底板夾板和10底板橫梁連接板連接為一個整體。四根立柱與四塊底板連接，四根橫梁通過立柱橫梁連接板與立柱連接，該連結方式方便安裝，且整個裝置結構緊湊，強度高，剛度大， 其空間尺度為長X寬X高=6. 76mX4. 16mX6. 60m。本實用新型與國內外同類裝置相比，具有如下的優點(1)通過上下移動橫梁和立柱橫梁連接板，橫梁可調高度範圍為3. 0m—6. 2m，可滿足不同高度試驗的要求。(2)在四條橫梁下方增加垂直橫梁的水平墊板，使四條橫梁一致受力，可做1000 噸大噸位反力架使用。(3)模型裝置底板為四塊底板通過底板夾板、底板橫梁和底板橫梁連接板拼裝而成，模型裝置底板整體剛度和強度大，可承受千噸的反力。(4)模型裝置結構緊湊，強度高，剛度大，安裝拆分方便，可拆分為兩個模型裝置，具體是兩側兩塊底板分別連接立柱、橫梁可組成兩個小型的模型裝置反力架，完成不同的平面試驗。(5)模型裝置底板設計了 T型滑槽，可通過螺栓連接反力牆塊，反力牆塊可前後或左右擴大或縮小，每次最小可移動0. :3m。反力牆組成的模型體的最大尺寸為 3. 6mX 3. 6mX4. 5m (長 X 寬 X 高),最小為 1. 8mX0. 3mXl. 8m。(6)液壓控制系統採用觸控螢幕式數字智能液壓自動控制系統自動/手動液壓系統壓力，可實現自動加載伺服控制，控制壓力精度小於士0. IMPa，可長時間保壓15天以上。(7)測試系統先進。應用光纖光柵、數字照相等國內外先進技術建立模型試驗裝置的測試系統，實時監測模型試驗的主要監測量應變、內部位移及表面位移。測試過程均為自動採集分析，精度高，可靠性好。測量抗幹擾、精度高、可視化程度高；(8)模型試驗系統可完成十字交叉型隧洞的大型三維模型試驗，最大開挖洞徑 0. 7m ；(9)模型試驗裝置的擴展性好。在現有模型試驗裝置上，便於增設水平加載裝置， 開展高水平地應力條件下的相關課題研究。

圖1為本實用新型的正視圖；圖2為圖1的俯視圖；圖3為圖1的側視圖。其中，1-橫梁、2-橫梁立柱連接板、3-高強螺栓I、4-超長高強螺栓、5-立柱、6-底板夾板、7-底板、8-底板橫梁、9-高強螺栓IIUO-底板橫梁連接板、11-透視開挖窗口、 12-模型反力牆、13-傳力墊塊、14-液壓油缸、15-球鉸、16-液壓油管、17-液壓自動控制系統、18-液壓泵站、19-微型多點位移計、20-數字照相位移測試系統、21-靜態電阻應變儀測試系統、22-光纖應變測試系統、23- T型滑槽。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。如圖1-3所示，一種超大型巖土工程三維模型試驗系統，包括超大型模型試驗裝置、分別與大型模型試驗裝置相連的液壓加載系統和應變位移測試系統，所述超大型模型試驗裝置包括門式框架，門式框架下端設置於底板裝置上，底板裝置上設有位於門式框架下部的模型反力牆12 ；在模型反力牆12上安裝應變位移測試系統。所述門式框架包括左右對稱設置的兩對立柱5，位於同側的兩根立柱5內外側之間通過兩塊橫梁立柱連接板2相連，所述位於同側的兩根立柱5內外側之間的兩塊橫梁立柱連接板2之間設有兩道連接抄手；所述兩對立柱5上均設有若干能使橫梁立柱連接板2 上下移動時相連接的螺栓孔；左右對稱設置的兩對立柱3內側的兩塊橫梁立柱連接板4之間連接有四根橫梁1 ；橫梁立柱連接板2為四塊，門式框架左右兩側各兩塊，分別通過高強螺栓固定於前後兩立柱5內外兩側，同側的兩塊橫梁立柱連接板2之間設有兩道連接抄手通過螺栓互連。
6[0049]所述底板裝置包括底板7，所述底板7上設有T型滑槽23，T型滑槽23內設有連接所述模型反力牆12的螺栓，通過移動螺栓，可使模型反力牆12前後或左右擴大或縮小；模型反力牆12前後左右四面中心均安裝透視開挖窗口 11 ；所述底板7相對兩側設有底板夾板6，底板7下部設有底板橫梁8，底板橫梁8下部設有底板橫梁連接板10 ；底板夾板6與底板7通過高強螺栓119連接；所述底板7由可拆裝的獨立的兩組組成，或者由由四塊底板 7通過底板夾板6、底板橫梁8和底板橫梁連接板10拼裝連接為一個整體。橫梁1通過橫梁立柱連接板2和高強螺栓3與超長高強螺栓4安裝在立柱5上，立柱5安裝在底板7上。由模型反力牆12和位於模型反力牆12上的洞室透視窗口 11組合而成的模型空間安裝在模型底板上，模型反力牆12由田字形、日字型、口字型中心連接塊和四角連接塊組成。所述反力牆塊12，包括口字型、日字型和田字型三大類，每類包括90° 拐角連接牆塊和180°連接牆塊。根據試驗模型的尺寸、大小將它們堆砌，通過螺栓連接成反力牆；在模型反力牆上設有透視開挖窗口 11，通過透視開挖窗口 11完成模型開挖和圍巖變形、破壞的監測。所述液壓加載系統包括安裝在橫梁1上的若干個液壓油缸14，液壓油缸14下部是球鉸15，球鉸15與傳力墊塊13連接，傳力墊塊13與模型反力牆12頂部連接；傳力墊塊 13與模型反力牆12組成的空間對應。各液壓油缸14通過液壓油管16與液壓自動控制系統17連接，液壓自動控制系統17與液壓泵站18連接。所述應變位移測試系統包括微型多點位移計19、數字照相位移測試系統20、靜態電阻應變儀測試系統21、光纖應變測試系統22，所述微型多點位移計19測量模型隧洞內部位移，數字照相位移測試系統20測量表面位移，靜態應變儀測試系統21和光纖應變測試系統22測量應變；所述微型多點位移計19、靜態電阻應變儀測試系統21 (電阻應變傳感器) 和光纖應變測試系統22 (光纖應變傳感器)安裝在模型隧洞周圍，通過測絲或導線將信號傳輸到各自測試系統，實現對模型隧洞內部位移和應變的測試；所述數字照相位移測試系統 20包括高精度像素數碼單眼相機和系統分析處理系統，高精度像素數位相機安裝固定在模型隧洞前方，在模型隧洞內所測位置安設十字固定標誌，通過遙控裝置控制連續固定焦距拍照，然後利用系統分析處理系統處理照片，計算出圍巖的變形。微型多點位移計19為SD-3型微型多點位移採集分析系統；光纖應變測試系統22 為SDGX-2型光纖應變測試系統。本實用新型的模型試驗裝置底板可拆裝，可分為獨立的兩組模型裝置，也可通過6 底板夾板和10底板橫梁連接板連接為一個整體。四根立柱與四塊底板連接，四根橫梁通過立柱橫梁連接板與立柱連接，該連結方式方便安裝，且整個裝置結構緊湊，強度高，剛度大， 其空間尺度為長X寬X高=6. 76mX4. 16mX6. 60m。
權利要求1.一種超大型巖土工程三維模型試驗系統，其特徵在於包括超大型模型試驗裝置、 分別與大型模型試驗裝置相連的液壓加載系統和應變位移測試系統，所述超大型模型試驗裝置包括門式框架，門式框架下端設置於底板裝置上，底板裝置上設有位於門式框架下部的模型反力牆；所述門式框架包括左右對稱設置的兩對立柱，位於同側的兩根立柱內外側之間通過兩塊橫梁立柱連接板相連，所述位於同側的兩根立柱內外側之間的兩塊橫梁立柱連接板之間設有兩道連接抄手；所述兩對立柱上均設有若干能使橫梁立柱連接板上下移動時相連接的螺栓孔；左右對稱設置的兩對立柱內側的兩塊橫梁立柱連接板之間連接有四根橫梁；所述底板裝置包括底板，所述底板上設有T型滑槽，T型滑槽內設有連接所述模型反力牆的螺栓；模型反力牆前後左右四面中心均安裝透視開挖窗口 ；所述底板相對兩側設有底板夾板，底板下部設有底板橫梁，底板橫梁下部設有底板橫梁連接板；所述底板由可拆裝的獨立的兩組組成，或者由四塊底板通過底板夾板、底板橫梁和底板橫梁連接板拼裝連接為一個整體。
2.根據權利要求1所述的超大型巖土工程三維模型試驗系統，其特徵在於所述應變位移測試系統包括微型多點位移計、數字照相位移測試系統、靜態電阻應變儀測試系統、光纖應變測試系統，所述微型多點位移計測點、電阻應變儀測試系統和光纖應變測試系統安裝在模型隧洞周圍，通過測絲或導線將信號傳輸到各自測試系統；所述數字照相位移測試系統包括高精度像素數碼單眼相機和系統分析處理系統，高精度像素數位相機安裝固定在模型隧洞前方，在模型隧洞內所測位置安設十字固定標誌，通過遙控裝置控制連續固定焦距拍照，然後與系統分析處理系統相連。
3.根據權利要求1所述的超大型巖土工程三維模型試驗系統，其特徵在於所述液壓加載系統包括安裝在橫梁上的若干個液壓油缸，液壓油缸下部是球鉸，球鉸與傳力墊塊連接，傳力墊塊與模型反力牆頂部連接；所述液壓油缸通過液壓油管與液壓自動控制系統連接，液壓自動控制系統與液壓泵站連接。
專利摘要本實用新型涉及一種超大型巖土工程三維模型試驗系統，包括超大型模型試驗裝置、分別與大型模型試驗裝置相連的液壓加載系統和應變位移測試系統，所述超大型模型試驗裝置包括門式框架，門式框架下端設置於底板裝置上，底板裝置上設有位於門式框架下部的模型反力牆。本實用新型具有如下的優點1)整體結構緊湊，強度高，剛度大，可承受千噸的反力。2)可滿足不同高度試驗的要求。3)底板為組裝型並設計了T型滑槽，反力牆塊可前後或左右擴大或縮小固定，滿足不同模型尺寸。4)模型試驗裝置安裝拆分方便，可完成不同的平面試驗。5)應變位移測試系統實現對試驗結果的實時自動化高精度採集分析，操作方便。6)可完成十字交叉型隧洞的大型三維模型試驗。
文檔編號G01N3/02GK201983987SQ20112003959
公開日2011年9月21日 申請日期2011年2月16日 優先權日2011年2月16日
發明者張慶松, 徐洪峰, 李為騰, 李智, 李術才, 王漢鵬, 王 琦 申請人:山東大學