专利名称：适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种加载装置，尤其是一种适用于地质力学模型试验的柔性均布压 力加载装置。
背景技术：
地质力学模型试验有利于在复杂的试验过程中突出主要矛盾，便于把握、发现 现象的内在联系。在国外，以弗曼格林为首的专家在意大利结构模型试验所开创了工程 地质力学模型试验技术。随后，美国、德国、法国、英国和日本等国也开展了大量模型 试验研究。在国内，清华大学、总参工程兵科研三所、山东大学等众多科研院所，先后 对国内许多大型工程项目进行了地质力学模型试验研究。模型边界加载技术是地质力学模型试验中的一项关健技术，因为它直接关系到 模型边界加载效果和精度，对模型试验加载地应力能否真实模拟工程实际受力状态起着 至关重要的作用，也直接影响模型体内所形成的应力(应变)场的均勻程度和实验结果 的真实性。为保证试验结果准确性，真实模拟原始地应力的试验加载条件尤为重要，因 此，保证模型中产生均勻应力场，尽量减小模型表面不均勻应力场的范围和深度对模型 试验结果十分重要。从现有模型加载技术看，模型表面荷载的施加主要有三种方式
(1)液压油缸通过刚性推力器加载，刚性推力器可为三角形分布块或梯形分布块。 该方法具有加载荷载大、行程大、容易操控等特点，但加载压力均勻性偏差较大，导致 模型内应变场均勻性很差，很难如实反映工程受力状态。特别由于模型中间洞室的开 挖，导致模型边界变形必然不均勻，该方法加载使得边界荷载的不均勻性更加明显，同 时也不利于解决加载压头与边界横向变形的同步，所以模型边界加载精度低。(2)采用传统的液压橡胶囊加载，可实现对模型表面的柔性均勻加载，特别是 当模型表面产生不均勻变形时仍能进行均勻加载。但由于加载荷载强度偏低，行程小， 无法满足模型较大变形和较高强度的要求，达不到深部开采试验的高应力加载要求；再 者，其制作麻烦，使用寿命短，一般只能满足一次试验需要。(3)以上两种方式在试验精度要求不高的情况下也能解决一些工程问题。 随着工程规模的逐渐扩大，要求精度不断提高，这两种加载方式日益暴露出其存在 的弊端。为解决上述问题，总参工程兵科研三所设计了活塞式均布压力加载器(ZL 02213775.0)，既可在模型上加均布荷载，又解决了模型试验中柔性传力均勻加载难 题。但活塞式均布压力加载器结构比较复杂，加工制造精度要求高，价格也相对偏高。综合分析上述单位的模型试验加载系统，主要存在以下不足之处
1.多数加载系统实际上都是液压油缸+推力器的刚性加载系统，荷载偏差较大，容 易引起应力集中，不能达到模型表面荷载均勻分布的目的。
2.液压囊加载由于具有行程小、易漏油、耐久性差、只能单向加载、不易在其 上穿孔布线等缺点，无法满足大型模型试验的需要。3.活塞式均布压力加载器结构复杂，价格偏高，也不利于模型内埋设测线的引
出ο4.多数油缸加载方式为油缸+推力器的形式，需要预留较大的加载空间，对于 加载空间有限的情况适应性差。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种均布加载性能高、组装 灵活、操作简单、耐久性好的适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案
一种适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置，包括液压油缸推力器，液 压油缸推力器上端通过球铰与液压油缸相连，液压油缸推力器底部设有柔性传力垫层。所述液压油缸推力器包括上板和下板，上、下板之间通过若干均布的加劲肋连 接，加劲肋为梯形；上板上设有球铰卡槽。所述液压油缸的活塞顶部连接有球铰，球铰卡于上板的球铰卡槽内，液压油缸 前端或后端上设有法兰，法兰上设有螺栓孔。所述液压油缸推力器底部设有柔性传力垫层，柔性传力垫层通过超强黏胶固定 在下板上。所述柔性传力垫层为邵氏硬度20度的柔性聚氨酯橡胶板，柔性聚氨酯橡胶板厚 度为50mm，外部包裹一层橡胶约束层，橡胶约束层内设有柔软钢丝经纬网。本发明的橡胶约束层内包含一层钢丝网，可限制高压条件下柔性橡胶层变形外 溢现象。该加载系统可施加的最大荷载为50t，模型表面可达到的最大荷载集度为 4.5MPa,荷载集度偏差55%，模型表面应力不均勻深度小于100mm。本发明能给模型表 面柔性均勻加载，大大提高加载精度，可广泛应用于各种地质力学模型试验加载。本发明具有以下优点
1.该装置可实现对模型表面的柔性均布压力加载，柔性传力垫层性能优越，施 加的荷载集度大，可达4.5MPa，荷载集度偏差低于5%，模型表面应力不均勻深度小于 IOOmm02.配合液压站和液压自动控制系统，可较好的模拟工程地质的原始受力条件， 实现模型表面应力的精确控制，加载偏差士O.lMPa。3.该装置组装灵活，操作方便，单个加载单元尺寸合理，可根据需要加工不同 尺寸的加载单元；同时可进行不同的排列方式组合，实现梯度加载。4.将液压油缸、球铰、推力器、柔性传力垫层有机的融合在一起，通过球铰的 调整，推力器的加载方向可根据模型表面的倾斜方向调整，均布加载效果更好。5.可将加载油缸前法兰固定于反力架上，通过活塞杆穿过钢板出力，压缩了加 载空间，节省材料，适应性更强。也可通过后法兰方便的将加载装置安装在模型反力框架上
6.整套加载装置结构简单，加工方便，易于维修，容易实现精确控制荷载，且 使用寿命长，容易穿孔将模型内的测线引出。
图1是本发明剖面结构示意图； 图2是本发明俯视其中1、柔性橡胶层，2、上板，3、球铰卡槽，4、螺栓孔，5出油口，6、液压油 缸，7、进油口，8、橡胶约束层，9、下板，10、加劲肋，11、球铰，12、法兰，13、油 缸活塞，14、密封圈，15、液压油缸推力器，16、柔性传力垫层。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。如图1、图2所示，本发明为一种适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载 装置，包括液压油缸6、球铰11、液压油缸推力器15和柔性传力垫层16，液压油缸推力 器15上端通过球铰11连接液压油缸6，底部设有一层柔性传力垫层16。推力器15包括上板2和下板9，上、下板之间通过若干均布的梯形加劲肋10连 接，上板2上部设有球铰卡槽3，液压油缸推力器15通过球铰卡槽3与液压油缸6的油缸 活塞13端部的球铰11相连，这种连接方式保证不加载时液压油缸推力器15与液压油缸 活塞13连接在一起，同时又保证在加载时液压油缸推力器15可微调。柔性传力垫层16通过超强黏胶固定在下板9上，柔性传力垫层16包括设置于液 压油缸推力器15底部下板9上的柔性橡胶层1和外部包裹的一层橡胶约束层8，橡胶约束 层8内设有一层钢丝经纬网，钢丝经纬网可限制高压条件下柔性橡胶层变形外溢现象。 柔性橡胶层1为邵氏硬度20度的柔性聚氨酯橡胶板，柔性聚氨酯橡胶板厚度为50mm，
液压油缸6的活塞杆13与缸体之间设有密封圈14，防止液压油渗漏。缸体的前后端 分别设有进油口 7和出油口 5。液压油缸6的活塞顶部连接有球铰11，球铰11卡于上板 2的球铰卡槽3内，液压油缸6前端或后端上设有法兰12，法兰12上设有螺栓孔4。本发明工作原理配合液压站和液压自动控制系统，液压自动控制系统控制液 压油由进油口7进入图1所示液压油缸底部腔体，随着压力的增大，上部腔体中的液压油 由出油孔5排出腔体，油缸活塞13随之向前推进，并通过球铰11和液压油缸推力器15传 递到由超柔性橡胶层1和橡胶约束层8组成的柔性传力垫层16上，球铰11可根据模型表 面的倾斜程度对加载方向进行微调，最后由柔性传力垫层将作用力传递给加载对象。通 过调节进出油的压力来调整加载系统作用在物体上的压力。该加载系统可施加的最大荷载为50t，模型表面可达到的最大荷载集度为 4.5MPa,荷载集度偏差55%，模型表面应力不均勻深度小于100mm。本发明可广泛应用 于各种地质力学模型试验加载。
权利要求
1.一种适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置，其特征在于包括液压 油缸推力器，液压油缸推力器上端通过球铰与液压油缸相连，液压油缸推力器底部设有 柔性传力垫层。
2.根据权利要求1所述的适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置，其特 征在于所述液压油缸推力器包括上板和下板，上、下板之间通过若干均布的加劲肋连 接，加劲肋为梯形；上板上设有球铰卡槽。
3.根据权利要求1所述的适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置，其特征 在于所述液压油缸的活塞顶部连接有球铰，球铰卡于上板的球铰卡槽内，液压油缸前 端或后端上设有法兰，法兰上设有螺栓孔。
4.根据权利要求1所述的适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置，其特征 在于所述液压油缸推力器底部设有柔性传力垫层，柔性传力垫层通过超强黏胶固定在 下板上。
5.根据权利要求4所述的适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置，其特征 在于所述柔性传力垫层为邵氏硬度20度的柔性聚氨酯橡胶板，柔性聚氨酯橡胶板厚度 为50mm，外部包裹一层橡胶约束层，橡胶约束层内设有柔软钢丝经纬网。
全文摘要
本发明涉及一种适用于地质力学模型试验的柔性均布压力加载装置，包括液压油缸推力器，液压油缸推力器上端通过球铰与液压油缸相连，液压油缸推力器底部设有柔性传力垫层。该加载装置可通过液压油缸的前置法兰或后置法兰与反力架连接，可施加的最大荷载为50t，模型表面的最大荷载集度为最大为4.5MPa，荷载集度偏差≤5%，模型表面应力不均匀深度小于100mm。本发明可实现对模型表面的柔性均布压力加载；结构简单、组装灵活，操作方便，单个加载单元尺寸合理，液压油缸配合液压站和液压自动控制系统可实现加载和卸载；同时多个加载装置可进行不同排列方式组合，实现梯度加载。本发明将液压油缸、球铰、推力器、柔性传力垫层有机的融合在一起，均布加载效果更好。
文档编号G01N3/12GK102012337SQ20101058946
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者张庆松, 李为腾, 李智, 李术才, 王汉鹏, 王 琦 申请人:山东大学