专利名称：三维地质力学模型试验台架装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种在能源、水利、矿山和交通工程领域使用的地质力学模型试验装置，具体地说是一种三维地质力学模型试验台架装置。
背景技术：
21世纪是中国工程建设快速发展的世纪，进入新世纪，水利、水电、能源、交通等大型工程的开发已成为我国经济建设的重点。随着国民经济的持续发展和西部大开发战略的实施，我国迎来了大规模工程建设的高峰期，如三峡、龙滩、溪落渡、南水北调等大型水利水电工程；西气东输、西电东送等大型能源工程；青藏铁路、沪蓉高速公路等大型交通工程以及城市大型地下空间开发与地铁工程建设等，正以前所未有的速度在全国开展进行。与此同时，石油和天然气储存、核废料处置、CO2储存、垃圾深埋以及石油、地热和矿产资源的超深开采等也已经纳入国家总的发展规划。这些大型工程建设项目一方面对加快我国国民经济发展，提高人民生活水平和保持社会可持续发展将起到重大的作用，同时开发这些大型工程将面对大量的岩土开挖，涉及许多有关岩土强度破坏机制、变形失稳条件以及加固处理的问题。对这些复杂的问题，一方面要借助理论分析、计算机数字模拟方法去研究，另一方面，更多地要借助岩土地质力学模型试验手段来解决。
要进行地质力学模型试验，必须有相应的模型试验台架装置，目前有关地质力学模型试验台架装置的研究现状如下(1)1994年第1期《武汉水利电力大学学报》介绍了两种地质力学模型试验装置，一种是平面应力试验装置，另一种是立式平面应变试验装置。平面应力试验装置主要由型钢钢板焊接成框架结构。立式平面应变试验装置由中部固定框架和沿厚度方向的两个前、后井格式约束钢架组成，前后两约束架用螺栓同中部框架连成整体，保证了模型受载后在纵向不产生位移，从而达到平面应变的要求。
这两套装置已在部分水电站地下厂房洞室群围岩稳定与支护试验中得到应用，其存在的主要问题是模型尺寸小、模型架尺寸固定，无法根据试验规模进行调整，同时装置不能进行三维试验。
(2)2002年第5期《水利学报》介绍了一种模型试验架，它主要由垂直立柱、封闭式钢结构环梁、支撑钢架组成，该试验架的尺寸较大，存在的主要问题是试验架的侧向挠度大，整体刚度有待进一步加强。
(3)2004年第3期《岩石力学与工程学报》介绍了一种岩土工程多功能模拟试验装置，该试验装置具有双向旋转功能，可围绕模型平面旋转360°，围绕模型立面旋转35°，为复杂地层的模型制作、模拟岩土体的自重应力以及研究边坡坡角的影响提供了方便。该装置存在的主要问题是模型台架尺寸固定，不能根据试验范围进行调整，并且模型试验规模不大。
(4)2003年第6期《现代隧道技术》介绍了一种由型钢焊接而成的框梁式试验台架，该台架可进行准平面应变试验，但台架侧向挠度变形较大，易造成试验边界条件的改变。同时，试验装置尺寸固定，不能根据试验范围进行调整。
(5)2004年第21期《岩石力学与工程学报》介绍了一种巷道平面应变模型试验台架，该台架为立式布置，台架装置尺寸固定，不能根据试验范围进行调整。
比较上述多个模型试验装置，可发现它们的一些共同缺点(1)试验装置多以平面试验台架居多且台架尺寸固定，不能根据模型试验范围进行有效调整。
(2)模型试验台架多用型钢焊接而成，结构为板梁式或框梁式结构，在侧向压力作用下，台架侧向挠度变形通常较大，易造成试验边界条件的改变。
发明内容
本实用新型为克服上述现有技术的不足，提供一种拆装方便、组装多样性、尺寸可调整且易于操作的三维地质力学模型试验台架装置。
本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的一种三维地质力学模型试验台架装置，由盒式台架体和底盘通过高强螺栓连接组成，所述的盒式台架体由盒式铸钢构件和角件通过高强螺栓连接组合而成。
所述的盒式铸钢构件由单元盒体构件和多元盒体构件组成。
所述的单元盒体构件为中空结构，呈正面开口的方形盒体，四个侧面上分别设有高强螺栓连接孔，背面中间设有引线透气孔。
所述的多元盒体构件由至少两个或多个单元盒体构件组成一体。
所述的多元盒体构件分别有二元盒体构件、三元盒体构件、四元盒体构件和六元盒体构件。
所述的角件为中空的相邻两侧面设有开口的盒体，其余面上设有高强螺栓连接孔。
所述的底盘由带有螺栓槽的型钢钢板并列拼接而成。
本实用新型由盒式台架体和底盘通过高强螺栓连接组成，其中盒式台架体由盒式铸钢构件和在拐角处设置的角件通过高强螺栓连接组合而成。根据不同的需要，可以通过盒式铸钢构件和角件组成不同形状的盒式台架体。盒式铸钢构件由单元盒体构件和多元盒体构件组成。单元盒体构件是中空的正面开口的方形盒体，四个侧面上分别设有高强螺栓连接孔，背面正中设有引线和材料透气用的引线透气孔。多元盒体构件由至少两个或多个单元盒体构件组成一体。根据盒式铸钢构件尺寸的不同分别有含有一个盒体的一元盒体构件、含有两个盒体的二元盒体构件、含有三个盒体的三元盒体构件、含有四个盒体的四元盒体构件和含有六个盒体的六元盒体构件。盒式构件采用25Mn材料在铸造钢厂一次制模整体铸造而成。台架底盘由带有螺栓槽的型钢钢板并列拼接而成。通过底盘高强连接螺栓可将盒式台架体与底盘在所要求的螺栓槽位固定，形成组合式地质力学模型试验台架装置。
本实用新型与国内外同类型的试验装置相比具有如下显著的技术优势与特点(1)本试验台架装置规模大，可进行大比例尺的地质力学模型试验。目前该装置能够容纳的最大模型尺寸为长3.2m、宽1.7m、高6m，其规模在国内同类型地质力学模型试验中是比较大的。
(2)本试验台架装置具有多种功能，即能进行三维模型试验，又能进行平面模型试验。
(3)本试验台架装置操作简单，组装灵活方便。台架采用盒式铸钢构件通过高强螺栓连接组合而成，台架组装和拆卸十分灵活方便，真正实现了模型装置的组合式。
(4)本试验台架装置的尺寸可任意调整，即台架尺寸可以增大、也可以缩小，能满足不同规模模型试验的要求。因为台架体是通过底盘连接螺栓固定在底盘上的，因此调整底盘连接螺栓在螺栓槽内的位置就可以改变模型架的长宽尺寸，同时在高度方向通过增、减盒式构件的数量可任意调整台架的高度。这克服了国内外大部分模型试验台架装置尺寸固定，不能按照试验范围进行灵活调整的缺陷。
(5)本试验台架装置刚度高、整体稳定性好。台架采用强度较大的铸钢构件通过高强螺栓连接成整体，并根据需要在台架内部设置有高强度钢拉杆，可保证试验台架有足够的侧向刚度和较好的整体稳定性，克服了大多数试验台架因刚度不够而造成挠度过大的缺陷。
(6)本试验台架装置采用开放式结构，模型制作与台架安装可同时进行，为大体积三维模型的制作提供了有利的空间操作条件。
(7)本试验台架装置具有“封而不闭”的结构特性，即台架前后、左右是封闭的，在模型材料容重相似比尺等于1的情况下，台架顶部完全开放，借此可模拟岩土工程的实际地形地貌特征，真正使该台架装置制作的模型与原型做到不但在在力学机制方面相似、而且在几何形态上也尽可能的相似。
(8)本试验台架装置易于实现对模型任何部位的开挖，通过拆卸台架任何部位的构件可方便地在模型相应部位进行开挖试验。另外在每个盒式构件紧贴模型的侧面中心，开设有孔洞，一方面便于从模型材料内引出测试导线，另一方面也便于模型材料的透气与通风干燥。
(9)本试验台架装置耐久性好、可重复使用。由于台架盒式构件强度高、刚度大，构件本身出现破裂的可能性非常小，即便出现破损，也可用备用构件重新加以更换。
(10)本试验台架装置可广泛应用于大型交通隧道、水电站大型地下厂房洞室、矿山高陡边坡和地下能源储藏等岩土工程的地质力学模型试验研究，应用前景广阔，经济效益显著。
图1为本实用新型的结构示意图；图2为本实用新型的一元盒体构件结构示意图；图3为本实用新型的二元盒体构件结构示意图；图4为本实用新型的三元盒体构件结构示意图；图5为本实用新型的四元盒体构件结构示意图；图6为本实用新型的六元盒体构件结构示意图；图7为本实用新型的盒体构件侧剖面图；图8为本实用新型的底盘结构示意图；图9为本实用新型的角件结构示意图；图中7.底盘，8.螺栓槽，9.高强螺栓连接孔，10.引线透气孔，11.盒式铸钢构件，12.角件。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
实施例结构如图1所示，由盒式台架体和底盘7通过高强螺栓连接组成，盒式台架体由壁厚25mm的盒式铸钢构件11与角件12通过螺栓连接组合而成。根据不同的需要，可以通过盒式铸钢构件11与角件12组成不同形状的盒式台架体。如图2、3、4、5、6、7所示，盒式铸钢构件11由单元盒体构件和多元盒体构件组成，单元盒体构件是中空的正面开口的方形盒体，四个侧面上分别设有φ30的高强螺栓连接孔9，背面正中设有φ30的引线透气孔10。多元盒体构件由至少两个或多个单元盒体构件组成一体。盒体构件根据尺寸不同分别有长250mm、宽250mm、高250mm的一元盒体构件、长500mm、宽250mm、高250mm的二元盒体构件、长750mm、宽250mm、高250mm的三元盒体构件、长1000mm、宽250mm、高250mm的四元盒体构件和长1500mm、宽250mm、高250mm的六元盒体构件。盒体构件11和角件12采用25Mn材料一次制模整体铸造而成。
如图8所示，底盘7由8块厚80mm、长2.5m、宽50cm其上带有螺栓槽8的型钢钢板并列拼接而成，拼接后整个底盘长4m、宽2.5m、厚80mm。
如图9所示，角件12为中空的相邻两侧面设有开口的盒体，其余面上设有高强螺栓连接孔9。
权利要求1.一种三维地质力学模型试验台架装置，其特征在于其由盒式台架体和底盘通过高强螺栓连接组成，所述的盒式台架体由盒式铸钢构件和在拐角处设置的角件通过高强螺栓连接组合而成。
2.根据权利要求1所述的三维地质力学模型试验台架装置，其特征在于所述的盒式铸钢构件由单元盒体构件和多元盒体构件组成。
3.根据权利要求2所述的三维地质力学模型试验台架装置，其特征在于所述的单元盒体构件为中空结构，呈正面开口的方形盒体，四个侧面上分别设有高强螺栓连接孔，背面中间设有引线透气孔。
4.根据权利要求2所述的三维地质力学模型试验台架装置，其特征在于所述的多元盒体构件由至少两个或多个单元盒体构件组成一体。
5.根据权利要求2或4所述的三维地质力学模型试验台架装置，其特征在于所述的多元盒体构件分别为二元盒体构件、三元盒体构件、四元盒体构件和六元盒体构件。
6.根据权利要求1所述的三维地质力学模型试验台架装置，其特征在于所述的角件为中空的相邻两侧面设有开口的盒体，其余面上设有高强螺栓连接孔。
7.根据权利要求1所述的三维地质力学模型试验台架装置，其特征在于所述的底盘由带有螺栓槽的型钢钢板并列拼接而成。
专利摘要本实用新型涉及一种三维地质力学模型试验台架装置，由盒式钢台架体和底盘通过高强螺栓连接组成，盒式台架体由盒式铸钢构件和在拐角处设置的角件通过高强螺栓连接组合而成。所述的盒式铸钢构件由单元盒体构件和多元盒体构件组成，单元盒体构件为中空结构，呈正面开口的方形盒体，四个侧面上分别设有高强螺栓连接孔，正面中间设有引线透气孔；多元盒体构件由至少两个或多个单元盒体构件组成一体；角件是中空的相邻两侧面设有开口的盒体，其余面上设有螺栓连接孔；底盘由带有螺栓槽的型钢钢板并列拼接而成。本实用新型具有规模大、功能多、结构开放、组装灵活方便、尺寸可任意调整、整体稳定性好、耐久性好、可重复使用、易于进行模型开挖等优点。
文档编号G09B25/00GK2870043SQ20052012531
公开日2007年2月14日 申请日期2005年12月1日 优先权日2005年12月1日
发明者张强勇, 李术才, 朱维申, 尤春安, 郭小红, 马国良, 陈继光, 王汉鹏, 李勇 申请人:山东大学