专利名称：一种岩土材料的三维仿真分层加载装置的制作方法
技术领域：
—种岩土材料的三维仿真分层加载装置技术领域[0001]本实用新型涉及一种岩土材料三维仿真分层加载装置，主要用于隧道、矿山及地 下工程综合实验平台，属于地下工程综合实验装置设计与制造领域。
背景技术：
[0002]近年来随着我国城市建设规模不断扩大，城市发展与土地资源短缺的矛盾越来越 突出，开发利用地下空间已成为城市可持续发展的必经之路。地下工程具有高度的复杂性 和不可预知性。大量实践表明在现有科技条件下，对一些复杂岩土体的响应规律尚未得 到统一的认识，在构建复杂地下工程模型时不得不进行简化，导致复杂地下工程技术难题 通常是无法通过理论计算得到较为理想的解答。因此，对于一些重要而复杂的地下工程而 言，进行必要的物理模型试验就成为一种最能逼近实际情况的研究手段。目前国内高校、企 业、科研院所拥有的地下工程模型实验台的种类较少且考虑影响因素有限大多数地下工 程试验平台只能模拟准二维平面应变条件，基本不能实现真三维加载；受加载箱所能填装 的材料体积所限，所产生应变场均匀程度和均匀范围一般都比较小。例如中国矿业大学(北 京)的模型台，虽然能模拟三维条件下的地应场，但实验台的规模较小，仅能进行较小尺度 的模型实验，边界效应影响较大。此外几乎目前国内所有的地下工程试验装置均不能对加 载材料实现三个维度上的分层次加载。不能模拟地下水的影响及水土耦合作用难题可见， 现有试验设备在功能等方面已不能很好地满足工程实践的需要。鉴于目前国内现有地下工 程综合实验平台不能实现真三维分层加载及水力耦合物理模拟的问题上存在的诸多不足。实用新型内容[0003]本实用新型针对现有技术的不足，提供一种岩土材料的三维仿真分层加载装置， 该装置具有一机多用功能，可对复杂环境下的地下工程进行模型试验；该模型实验槽可用 于模拟环境水影响下的地下工程问题，也可用于复杂条件下无损探测仪器的测试与标定试验。[0004]为实现以上的技术目的，本实用新型将采取以下的技术方案[0005]一种岩土材料的三维仿真分层加载装置，包括加载框支撑架、Z向顶部加载板以及 水平加载板，其中所述加载框支撑架，采用方钢按照立方体构造焊接而成，且加载框支撑 架的内部通过一块以上横向设置的加载板隔板而分层设置；z向顶部加载板，与Z向竖直 加载液压缸活塞杆连接，嵌入加载框支撑架的顶部框架内；水平加载板，与水平加载液压缸 活塞杆连接，水平加载板数目与加载框支撑架各框架层的侧壁框总数相适应，各水平加载 板对应地嵌入加载框支撑架各框架层的相应侧壁框内，且水平加载板与侧壁框之间存在间 隙；另外，所述水平加载板上开设开挖孔，所述开挖孔配置开挖板。[0006]所述开挖孔开设于各水平加载板中处于纵向中心部位的水平加载板上。[0007]所述加载板隔板为两块，等间距地横向安装于加载框支撑架内部；处于加载框支 撑架中间框架层的各水平加载板的中心部位均开设开挖孔，而处于加载框支撑架中间框架层两侧的框架层的各水平加载板上则分别开设透水孔。[0008]各水平加载板与相应水平加载液压缸活塞杆之间均安装有方钩-方杆配合连接 结构；该方钩-方杆配合连接结构包括方形杆以及两个相间地平行设置的方钩，所述方形 杆包括圆形杆本体，该圆形杆本体的外缘对称地设置两个凸块，当两个方钩的连线与两个 凸块连线相平行时，方形杆和方钩之间处于解离状态；当两个方钩的连线与两个凸块连线 相垂直时，方形杆和方钩之间处于锁止状态。[0009]所述方形杆安装于水平加载液压缸活塞杆，而两个方钩安装在水平加载板上的液 压缸加载部位。[0010]根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果[0011]1、相对于现有地下工程实验平台，本加载内框能够较为逼真地实现三维岩土体 (模型试验体)加载试验，并且在每一个维度上实现上中下三层加载板分层阶梯型加载，能 够更好地模拟深层地质到地表的大幅的应力变化，实现一机多用功能，可对复杂环境下的 地下工程进行模型试验。[0012]2、已有同类试验系统大多未考虑地下水对模型的影响，而本加载框内框架考虑了 在加载状态下环境水循环的作用，可用于模拟环境水影响下的地下工程问题。通过对地下 水作用下的模型进行试验，可以模拟地下水影响及水土耦合作用等技术难题。在上层和底 层均设有进水出水孔，实现地下水的分层分布，能够实现对表层地下水和深层地下水做相 应的模拟实验。[0013]3、通过加载板上两个方勾和液压缸活塞杆上安装的方形杆，在液压缸回程将实验 过程中推出的加载板拉回到初始位置。这种设计的优点在于避免了螺栓连接时由于加载框 进出外加载装置时拆卸安装的不便，通过扭转液压缸活塞杆头部的方形杆，将其卡在加载 板的方勾之内，将加载板恢复到初始位置这种方法简洁方便，远比拆装螺栓省时省力。
[0014]图1是本实用新型的结构示意图；[0015]图2是本实用新型所述水平加载板与水平加载液压缸之间方钩-方杆配合连接结 构处于解离状态的结构示意图；其中，图2 (a)为正视图；图2 (b)为沿纵向轴线的剖视图；[0016]图3是本实用新型所述水平加载板与水平加载液压缸之间方钩-方杆配合连接结 构处于锁止状态的结构示意图；其中，图3 (a)为正视图；图3 (b)为沿纵向轴线的剖视图；[0017]图1至图3中1_1至1-7均为构建加载框支撑架所采用的方钢；2为Z向顶部加 载板；3-1、3-2为两块相对设置的第一层水平加载板；4-1、4-2为两块相对设置的第二层水 平加载板；5-1、5-2、5-3均为第二层水平加载板上配置的开挖板；6-1、6-2为两块相对设置 的第三层水平加载板；7-1、7-2为两块相间设置的加载板隔板；8为方形杆；9为方钩；10为 加载板透水孔为液压缸加载部位；12为方形杆工艺孔；13为液压缸活塞杆。
具体实施方式
[0018]附图非限制性地公开了本实用新型所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合 附图详细地说明本实用新型的技术方案。[0019]如图1所示，本实用新型所述岩土材料的三维仿真分层加载装置，包括加载框支撑架、Z向顶部加载板以及水平加载板，其中所述加载框支撑架，采用方钢按照立方体构 造焊接而成，方钢的边长等于加载板厚度加上加载板行程，可以有效地避免各水平加载板 运行到最大行程时，相互之间产生干涉，且加载框支撑架的内部通过一块以上横向设置的 加载板隔板而分层设置，附图中，所述加载板隔板为两块，等间距地横向安装于加载框支撑 架内部，因此，该加载框支撑架通过两块加载板隔板等分成三层框架层；在加载框支撑架的 底部开孔并将车轮及车轴放置在其内，既美观又节省空间。Z向顶部加载板，与Z向竖直加 载液压缸活塞杆连接，嵌入加载框支撑架的顶部框架内，且Z向顶部加载板与顶部框架之 间存在间隙，即Z向顶部加载板在Z向竖直加载液压缸活塞杆的推动下，不会与加载框支撑 架产生干涉；水平加载板，与水平加载液压缸活塞杆连接，水平加载板数目与加载框支撑架 各框架层的侧壁框总数相适应，故本实施例中，水平加载板数目为12块，分三层设置，每层 具有4块水平加载板，其中一组相对设置的两块水平加载板为X向加载板，另一组相对设置 的两块水平加载板为Y向加载板；χ向加载板与X向加载液压缸的活塞杆连接，Y向加载板 与Y向加载液压缸的活塞杆连接；各水平加载板对应地嵌入加载框支撑架各框架层的相应 侧壁框内，且水平加载板与侧壁框之间存在间隙，即水平加载板在水平加载液压缸活塞杆 三维推动下，不会与加载框支撑架产生干涉；另外，所述水平加载板上开设方形开挖孔，供 试验开挖使用，所述开挖孔配置开挖板，开挖板通过螺钉固定安装在水平加载板上。所述开 挖孔开设于各水平加载板中处于纵向中心部位的水平加载板上。处于加载框支撑架中间框 架层的各水平加载板的中心部位均开设开挖孔，而处于加载框支撑架中间框架层两侧的框 架层的各水平加载板上则分别开设透水孔，用于连接外部低压水系统。加载框支撑架考虑 了在加载状态下环境水循环的作用，能够实现对表层地下水和深层地下水相应的模拟。可 用于模拟环境水影响下的地下工程问题及水土耦合作用等技术难题。[0020]各水平加载板与相应水平加载液压缸活塞杆之间均安装有方钩-方杆配合连接 结构；该方钩-方杆配合连接结构包括方形杆以及两个相间地平行设置的方钩，所述方形 杆包括圆形杆本体，该圆形杆本体的外缘对称地设置两个凸块，当两个方钩的连线与两个 凸块连线相平行时，方形杆和方钩之间处于解离状态；当两个方钩的连线与两个凸块连线 相垂直时，方形杆和方钩之间处于锁止状态。所述方形杆安装于水平加载液压缸活塞杆，而 两个方钩安装在水平加载板上的液压缸加载部位。具体操作为在外部加载装置上安装的 液压缸活塞杆头部上安装有方形杆，并保证其轴线初始位于竖直方向，当活塞杆伸入到两 方勾的间隔之中并且顶到水平加载板时，使用撬棍使方形杆转动九十度至水平位置，插入 到方勾之内，实验结束后通过液压缸回程将实验过程中推出的水平加载板拉回到初始位置 后使用撬棍使方形杆转动九十度至竖直位置，液压缸活塞杆退回到初始位置。方便加载框 支撑架推出。[0021]上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而 不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质 对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。
权利要求1.一种岩土材料的三维仿真分层加载装置，其特征在于，包括加载框支撑架、Z向顶部加载板以及水平加载板，其中所述加载框支撑架，采用方钢按照立方体构造焊接而成，且加载框支撑架的内部通过一块以上横向设置的加载板隔板而分层设置；Z向顶部加载板， 与Z向竖直加载液压缸活塞杆连接，嵌入加载框支撑架的顶部框架内；水平加载板，与水平加载液压缸活塞杆连接，水平加载板数目与加载框支撑架各框架层的侧壁框总数相适应， 各水平加载板对应地嵌入加载框支撑架各框架层的相应侧壁框内，且水平加载板与侧壁框之间存在间隙；另外，所述水平加载板上开设开挖孔，所述开挖孔配置开挖板。
2.根据权利要求1所述岩土材料的三维仿真分层加载装置，其特征在于所述开挖孔开设于各水平加载板中处于纵向中心部位的水平加载板上。
3.根据权利要求2所述岩土材料的三维仿真分层加载装置，其特征在于所述加载板隔板为两块，等间距地横向安装于加载框支撑架内部；处于加载框支撑架中间框架层的各水平加载板的中心部位均开设开挖孔，而处于加载框支撑架中间框架层两侧的框架层的各水平加载板上则分别开设透水孔。
4.根据权利要求1所述岩土材料的三维仿真分层加载装置，其特征在于各水平加载板与相应水平加载液压缸活塞杆之间均安装有方钩-方杆配合连接结构；该方钩-方杆配合连接结构包括方形杆以及两个相间地平行设置的方钩，所述方形杆包括圆形杆本体，该圆形杆本体的外缘对称地设置两个凸块，当两个方钩的连线与两个凸块连线相平行时，方形杆和方钩之间处于解离状态；当两个方钩的连线与两个凸块连线相垂直时，方形杆和方钩之间处于锁止状态。
5.根据权利要求4所述岩土材料的三维仿真分层加载装置，其特征在于所述方形杆安装于水平加载液压缸活塞杆，而两个方钩安装在水平加载板上的液压缸加载部位。
专利摘要本实用新型涉及一种岩土材料的三维仿真分层加载装置，属于地下工程综合实验装置设计与制造领域，它包括加载框支撑架、Z向顶部加载板以及水平加载板。本实用新型具有一机多用功能，可对复杂环境下的地下工程进行模型试验；该模型实验槽可用于模拟环境水影响下的地下工程问题，也可用于复杂条件下无损探测仪器的测试与标定试验。
文档编号G01N33/24GK202886368SQ20122051144
公开日2013年4月17日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者车平, 赵升吨, 谢兴楠, 丁存根, 刘沈衡, 程知言, 李晓昭, 樊有维, 赵晓豹, 李家奇, 马娟, 张晨阳, 范淑琴, 李磊, 郭桐, 王君峰, 张美君, 马飞, 夏诗彬 申请人:江苏南华地下空间研究所有限公司, 西安交通大学, 南京大学