高壓加載結構模型試驗系統的製作方法
2023-11-05 17:21:52 1
專利名稱：高壓加載結構模型試驗系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種在水電、交通、能源、礦山和國防深部地下洞室工程領域使用的高 壓加載結構模型試驗系統。
背景技術：
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荷載條件下， 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。針對深部洞室工程巖體複雜的力學變形特性， 一方面要藉助理論研究，另一方面，更 多地要藉助結構模型試驗方法進行研究。但要進行深部洞室結構模型試驗，就必須有相應的 高壓加載結構模型試驗系統，目前有關結構模型試驗系統的研究現狀如下
(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， 其試驗裝置是淨空為150cmX140cra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 -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期介紹了一種離散化三維多:t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21期介紹了一種平面應變巷道模型試驗臺，模 型尺寸為1 mXl mXO. 2 m，立式布置，該試驗臺無法實現高壓加載。
(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450 mmX 150隱X 150 mm。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、後挖澗"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ct)200mraX400咖。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。
實用新型內容
本實用新型為克服上述現有技術的不足，提供一種智能化的、可模擬大尺寸巖體試件同 步、獨立高壓加載的三維結構模型試驗系統。
本實用新型的目的是採用下述技術方案實現的 一種高壓加載結構模型試驗系統，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內， 智能液壓控制系統的智能液壓控制試驗臺通過高壓油管與高壓加載系統連接，高壓加載系統 包括千斤頂和加載板，千斤頂的一端與加載板連接，另一端與反力裝置系統連接，與千斤頂 相連的六塊加載板分別緊貼在試驗模型的前、後、左、右、上、下六個側面上。
所述的反力裝置系統包括模型反力裝置、法蘭盤和反力傳遞板，模型反力裝置由盒式鑄 鋼構件和角鋼構件通過高強連接螺栓連接組成；反力傳遞板一側面緊靠模型反力裝置的內壁， 法蘭盤通過內六角螺栓固定在反力傳遞板的另一相對側而上，高壓加載系統的千斤頂通過內 六角螺栓固定在法蘭盤上。
所述的千斤頂與加載板通過內六角螺栓連接。
所述的智能液壓控制系統由智能液壓控制試驗臺和高壓油管組成，高壓油管連接智能液 壓控制試驗臺和千斤頂。
所述的六塊加載板中的前後相對應的兩塊加載板上通過螺栓連接有可進行洞室軸向加載 開挖的導洞盤。
所述的加載板上設有引線孔。
本實用新型與國內外同類型的結構模型試驗系統相比具有如下顯著的技術優勢 (1)系統能自動控制模型前後、左右、上下三對方向的同歩加載，但每對方向又可獨立
加載，有效實現模型系統的真三維加載。
(2) 三維試驗模型尺寸較大，最大可為1000ramX1000畫X1000mm，這是目前國內外真三 維高壓加載最大的模型試驗尺寸。
(3) 模型系統加載荷載值大，泵站工作壓力為32. 5MPa,模型每側能夠施加的最大荷載為 2000KN，考慮l: 100的模型相^Jl比，該系統可模擬的地下洞室最大埋深為2萬米，可有效反映 深部洞室巖體在高荷載狀態下的變形破壞過程與破壞機理。
(4) 模型系統加載自動化程度和加載精度高，通過智能液壓控制試驗臺，自動實現模型 各側的同步、獨立高壓加載，模型分級加載精度為1%。
(5) 系統能保證模型試驗的長期穩壓。當加壓到設定壓力值後，系統通過智能液壓控制 系統自動切斷油泵供油，並保持油壓穩定，試驗過程中，當油壓下降時，系統通過智能液壓 控制系統能自動開啟油泵重新供油以保證試驗壓力穩定。
(6) 系統加載功能多，通過分壓控制實現模型的一維、二維和三維加載。
(7) 系統通過導洞盤實現深部洞室軸向加載狀態下的開挖與支護，克服了目前國內外關 於地下洞室模型試驗軸向加載開洞的難題。
(8) 系統採用雙缸回油卸壓方式，可模擬大尺寸三維模型的加載與卸載過程。
(9) 模型系統剛度高、整體穩定性好、操作簡單方便。
(10) 高壓加載結構模型試驗系統可廣泛應用於水電、交通、能源、礦山、國防等工程 領域的深部地下洞室結構模型試驗研究，應用前景廣闊，經濟效益顯著。
圖l是本實用新型系統整體結構示意圖2是千斤頂加載裝置結構示意圖3為反力傳遞板結構示意其中l.智能液壓控制試驗臺，2.千斤頂，3.加戰板，4.法蘭盤，5.反力傳遞板，6模型 反力裝置，7.試驗模型，8.高壓油管，9.洞室軸向開挖導洞盤，10.角鋼構件，11.高強連 接螺栓，12.引線孔，13.內六角螺栓。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一歩說明。
圖1-圖3中，高壓加載系統設置於反力裝置系統內，智能液壓控制試驗臺l通過高壓油 管8與高壓加載系統連接，高壓加載系統包括千斤頂2和加載板3，千斤頂2的一端通過內 六角螺栓13與加載板3的一個側面連接，另一端與反力裝置系統連接，加載板3上設有引線 孔12，六個加載板3與千斤頂2連接相對的另一側面分別緊靠在試驗模型7的六個側面上。
反力裝置系統包括模型反力裝置6、法蘭盤4和反力傳遞板5，模型反力裝置6由盒式鑄 鋼構件和角鋼構件10通過高強連接螺栓11連接組成，盒式鑄鋼構件上設有引線孔12。反力 傳遞板5 —側面緊靠模型反力裝置6的內壁，法蘭盤4通過內六角螺栓13固定在反力傳遞板
5的另一相對側面上，高壓加載系統的千斤頂2通過內六角螺栓13固定在法蘭盤4上。反力 裝置系統用於承擔試驗模型7加載傳來的反力。
智能液壓控制系統主要用於模型試驗的自動加載與穩壓控制，該系統主要由智能液壓控 制試驗臺1和高壓油管8組成。高壓油管8連接智能液壓控制試驗臺1和千斤頂2。智能液壓控制 試驗臺l內設油箱、高壓油泵、電機、智能傳感器、電磁溢流閥、電磁換向閥、濾油器、單向 閥、分配閥，在控制檯面上設有智能數顯壓力表、電源開關、指示燈和控制按鈕。智能液壓 控制系統主要用於試驗模型7前後、左右、上下三對方向的同歩、獨立高壓加載，當系統加壓 到系統設定的壓力值後，系統能自動切斷油泵供油，並保持油壓長期穩定。試驗過程中，即 使由於液壓的部分回油或少量漏油，系統也能迅速地補償油路損失來恆定所需壓力值。
高壓加載系統主要用於給試驗模型7施加高荷載，該系統主要由二十四個大噸位液壓千 斤頂2、尺寸可調的六塊加載板3組成。單個千斤頂2的設計推力為500KN,每塊加載板3與 四個千斤頂2通過內六角螺栓13連接，每塊加載板3施加給試驗模型7的最大荷載為2000KN。
如圖1所示，帶千斤頂2的前後加載板3通過智能液壓控制試驗臺1控制試驗模型7的 前後同步加載；帶千斤頂2的左右加載板3通過智能液壓控制試驗臺1控制試驗模型7的左 右同步加載；帶千斤頂2的上下加載板3通過智能液壓控制試驗臺1控制試驗模型7的上下 同步加載。
試驗模型7各側面緊靠的加載板3的厚度為3mm、加載板3的長度和高度可根據試驗模 型7的尺寸任意進行調整，加載板3通過內六角螺栓13連接4個千斤頂2，千斤頂2的設計 推力500KN，加載板的最大加載荷載為2000KN，考慮1: 100的模型相似比，該系統可模擬最 大埋深為2萬米的深部洞室開挖的非線性變形破壞過程。
洞室軸向開挖導洞盤9通過可拆卸螺栓連接在前後兩塊相對應的加載板3上，試驗模型 7三維加載後，拆下導洞盤9可實現模型洞室軸向加載丌挖與支護。
如圖2、圖3所示，千斤頂2的後端通過內六角螺栓13與加載鋼板3連接，加載板3將 荷載直接施加於試驗模型7上；千斤頂2的前端首先通過內六角螺栓13與法蘭盤4相連，然 後再通過內六角螺栓13將法蘭盤4與反力傳遞板5相連，最後將反力傳遞板5與模型反力裝 置6緊靠在一起。
權利要求1. 一種高壓加載結構模型試驗系統，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內，智能液壓控制系統的智能液壓控制試驗臺通過高壓油管與高壓加載系統連接，其特徵在於高壓加載系統包括千斤頂和加載板，千斤頂的一端與加載板連接，另一端與反力裝置系統連接，與千斤頂相連的六塊加載板分別緊貼在試驗模型的前、後、左、右、上、下六個側面上。
2. 根據權利要求1所述的高壓加載結構模型試驗系統，其特徵在於所述的反力裝置系 統包括模型反力裝置、法蘭盤和反力傳遞板，模型反力裝置由盒式鑄鋼構件和角鋼構件通過 高強連接螺栓連接組成；反力傳遞板一側面緊靠模型反力裝置的內壁，法蘭盤通過內六角螺 栓固定在反力傳遞板的另一相對側面上，高壓加載系統的千斤頂通過內六角螺栓固定在法蘭 盤上。
3. 根據權利要求1所述的高壓加載結構模型試驗系統，其特徵在於所述的千斤頂與加 載板通過內六角螺栓連接。
4. 根據權利要求1所述的高壓加載結構模型試驗系統，其特徵在於所述的智能液壓控 制系統由智能液壓控制試驗臺和高壓油管組成，高壓油管連接智能液壓控制試驗臺和千斤頂。
5. 根據權利要求1所述的高壓加載結構模型試驗系統，其特徵在於所述的六塊加載板 中的前後相對應的兩塊加載板上通過螺栓連接有可進行洞室軸向加載開挖的導洞盤。
6. 根據權利要求1所述的高壓加載結構模型試驗系統，其特徵在於所述的加載板上設 有引線孔。
專利摘要本實用新型涉及一種高壓加載結構模型試驗系統，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內，智能液壓控制系統的智能液壓控制試驗臺通過高壓油管與高壓加載系統連接，高壓加載系統包括千斤頂和加載板，千斤頂的一端與加載板連接，另一端與反力裝置系統連接，與千斤頂相連的六塊加載板分別緊貼在試驗模型的前、後、左、右、上、下六個側面上。本實用新型具有同步、獨立、高壓加載，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、整體穩定性好、操作簡單方便等優點。該實用新型可廣泛應用於水電、交通、能源、礦山、國防等工程領域的深部地下洞室結構模型試驗研究。
文檔編號G01N3/00GK201203599SQ200820023048
公開日2009年3月4日 申請日期2008年5月29日 優先權日2008年5月29日
發明者文 向, 張強勇, 李術才, 波 林, 王保群, 陳旭光, 馬國梁 申請人:山東大學