专利名称：地质力学模型试验用复合式超薄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复合式超薄柔 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。4.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复合式超薄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
一种地质力学模型试验用复合式超薄柔性均布压力加载装置，包括液压油缸推力器， 液压油缸推力器中心设有双向加载油缸，双向加载油缸活塞顶部设有连接法兰，液压油缸 推力器底部设有复合式柔性传力垫层。所述液压油缸推力器包括上板和下板，下板为凹槽型；上下板中心设有双向加载 油缸，上、下板之间通过若干均布的加劲肋连接，加劲肋为梯形。所述连接法兰通过螺纹与活塞杆连接，连接法兰上有螺栓孔。所述液压油缸推力器的凹槽型下板内设有复合式柔性传力垫层，复合式柔性传力 垫层通过超强黏胶固定在下板上。所述复合式柔性传力垫层由两层不同邵氏硬度的聚氨酯橡胶组成，内部为邵氏硬 度10度的超柔性聚氨酯橡胶板，厚35mm，外部为邵氏硬度30度的柔性聚氨酯橡胶板，厚度 为15mm，柔性聚氨酯橡胶板内设有经纬线。本发明的内部超柔性聚氨酯橡胶板非常柔软，对于荷载均布加载起关键性作用， 外部的柔性聚氨酯橡胶板内包含一层经纬线，可承受超过5MPa的高压，且限制高压条件下 内部超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40t，模型表面可达到的最大荷载集度为4MPa， 荷载集度偏差< 5%，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，复合式柔性传力垫层性能优越，施 加的荷载集度大，可达4MPa，荷载集度偏差低于5%，模型表面应力不均勻深度小于100mm。2.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0. IMPa03.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、加载推力器、柔性传力垫层有机的融合在一起，大大减小了模型反 力框架尺寸，压缩了加载空间，节省了反力框架钢材，适应性更强。5.活塞顶部安装有链接法兰，通过法兰可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弓I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、连接法兰，2、密封圈，3、加劲肋，4、加载油缸体、5、超柔性聚氨酯橡胶板，6、柔 性聚氨酯橡胶板，7、螺栓孔，8、上板，9、出油口，10、油缸活塞，11、进油口，12、下板，13、液压 油缸推力器。
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，一种地质力学模型试验用复合式超薄柔性均布压力加载装置， 包括液压油缸推力器13，液压油缸推力器13中心设有双向加载油缸，双向加载油缸活塞顶 部设有连接法兰1，液压油缸推力器13底部设有复合式柔性传力垫层。复合式柔性传力垫 层通过超强黏胶固定在下板12上。液压油缸推力器13包括上板8和下板12，下板12为凹槽型，上下板中心设有双向 加载油缸，上、下板之间通过若干均布的加劲肋3连接，加劲肋3为梯形。油缸活塞10上端加工有螺纹，连接法兰1通过螺纹与活塞杆相连，连接法兰1上 有螺栓孔7。油缸活塞10与加载油缸体4之间设有两道密封圈2，可防止液压油溢流出来。 加载油缸体的前后端分别设有进油口 11和出油口 9。复合式柔性传力垫层包括设置于液压油缸推力器13底部凹槽型下板12内的两层 不同邵氏硬度的聚氨酯橡胶，内部为邵氏硬度10度的超柔性聚氨酯橡胶板5，厚35mm，外部 为邵氏硬度30度的柔性聚氨酯橡胶板6，厚度为15mm，柔性聚氨酯橡胶板6内设有经纬线， 可限制高压条件超柔性聚氨酯橡胶板5变形外溢现象。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 11进入图1所示加载油缸体4底部腔体，随着压力的增大，上部腔体中的液压 油由出油孔9排出腔体，油缸活塞10推动液压油缸推力器13随之向前推进，并通过连接法 兰1将作用力传递到反力结构上，从而获得反作用力。反作用力通过液压油缸推力器13将 力传递到超柔性橡胶垫层5和柔性橡胶约束层6上，最终作用在加载对象上。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40t，模型表面可达到的最大荷载集度为4MPa， 荷载集度偏差< 5%，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
1.一种地质力学模型试验用复合式超薄柔性均布压力加载装置，其特征在于包括液 压油缸推力器，液压油缸推力器中心设有双向加载油缸，双向加载油缸活塞顶部设有连接 法兰，液压油缸推力器底部设有复合式柔性传力垫层。
2.根据权利要求1所述的地质力学模型试验用复合式超薄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，下板为凹槽型；上下板中心设有双向加 载油缸，上、下板之间通过若干均布的加劲肋连接，加劲肋为梯形。
3.根据权利要求1所述的地质力学模型试验用复合式超薄柔性均布压力加载装置，其 特征在于所述连接法兰通过螺纹与活塞杆连接，连接法兰上有螺栓孔。
4.根据权利要求2所述的地质力学模型试验用复合式超薄柔性均布压力加载装置，其 特征在于所述液压油缸推力器的凹槽型下板内设有复合式柔性传力垫层，复合式柔性传 力垫层通过超强黏胶固定在下板上。
5.根据权利要求4所述的地质力学模型试验用复合式超薄柔性均布压力加载装置，其 特征在于所述复合式柔性传力垫层由两层不同邵氏硬度的聚氨酯橡胶组成，内部为邵氏 硬度10度的超柔性聚氨酯橡胶板，厚35mm，外部为邵氏硬度30度的柔性聚氨酯橡胶板，厚 度为15mm，柔性聚氨酯橡胶板内设有经纬线。
全文摘要
本发明涉及一种地质力学模型试验用复合式超薄柔性均布压力加载装置，包括超薄液压油缸推力器和复合式柔性传力垫层，液压油缸推力器中心设有加载油缸，油缸活塞顶部有链接法兰，液压油缸推力器底部设有复合式柔性传力垫层。本发明可广泛应用于各种地质力学模型试验的表面加载；该装置结构简单、组装灵活，操作方便，单个加载单元尺寸合理，液压油缸是具有进油口和出油口的双向油缸，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的排列方式组合，实现梯度加载。本发明将液压油缸、刚性推力器、柔性传力橡胶垫层有机的融合在一起，大大减小了加载空间，缩小了模型反力框架尺寸，节省了反力框架的钢材。
文档编号G01N3/12GK102103055SQ20101058950
公开日2011年6月22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