图1所示，包括基座1、承载架2、地应力加载系统3、气液复合承压水加载系统6、数据采集系统9、模型运送系统10以及水收集系统14，其中，所述地应力加载系统3用于对模型13模拟三维的地应力状况，所述气液复合承压水加载系统6用于对模型13高压渗透，数据采集系统9用于对模型13中预埋的传感器进行数据采集。
[0033]如图2所示为基座I和承载架2的三视图，所述承载架2设置在基座I上，承载架2的作用在于承受内部分离式千斤顶的反力，分离式千斤顶在水平和竖直两个相互垂直的方向上分布，承载架2采用外圆内方格构式结构有利于缓解分离式千斤顶反力产生的应力集中，使承载架2内部应力分布更加均匀。
[0034]如图3所示，所述地应力加载系统3包括伺服控制柜4、油栗5、第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶，所述伺服控制柜4通过油栗5控制第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶进行顶升作动;所述承载架2分为左部承载架21和右部承载架22，所述第一组千斤顶设置于左部承载架21的方形内壁的上表面，第二组千斤顶、第三组千斤顶分别设置于左部承载架21的方形内壁的左右表面;所述第四组千斤顶设置于右部承载架22的方形内壁的上表面，第五组千斤顶、第六组千斤顶分别设置于右部承载架22的方形内壁的左右表面。所述第一组千斤顶中的千斤顶在左部承载架21的方形内壁的上表面上均匀分布，第二组千斤顶、第三组千斤顶中的千斤顶分别在左部承载架21的方形内壁的左右表面上均匀分布;所述第四组千斤顶中的千斤顶在右部承载架22的方形内壁的上表面上均匀分布，第五组千斤顶、第六组千斤顶中的千斤顶分别在右部承载架22的方形内壁的左右表面上均匀分布。所述第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶为分离式千斤顶。第一组千斤顶17-1作为一个部分、第二组千斤顶和第三组千斤顶作为一个部分17-2，第四组千斤顶为一个部分17-3，第五组千斤顶和第六组千斤顶作为一个部分17-4共分为四个相互独立的部分，四部分分离式千斤顶均由伺服控制柜4和油栗5进行控制，在试验时，可以对模型的左右两侧同时施加不同工程状况的地应力，而且在每个加载面上分离式千斤顶产生的都是分布荷载，使模型的受力更加均匀。
[0035]如图4所示，所述气液复合承压水加载系统6包括高压气瓶组7和高压储水箱8，所述高压气瓶组7通过高压气伺服阀与高压储水箱8连接;所述高压气瓶组7内存放有不溶于水的高压气体。气液复合承压水加载系统6利用不溶于水的高压气体对高压储水箱中的水加压驱动，从而产生高压渗透水源，高压气体不溶于水即可，如空气和氮气。由于气体的流动性更优于液体，这种气驱动水方式产生的高压水源在试验过程中具有良好的水压稳定性以及水流连续性，避免了试验过程中尤其是突水瞬间水流间歇性卸压。
[0036]如图5所示，所述模型运送系统10包括第一轨道11、第二轨道12，所述第二轨道12设置于第一轨道11上，且所述第二轨道12与第一轨道11滑动连接，而所述模型13放置于第二轨道12上;且所述第二轨道12的上表面与承载架2方形内壁的下表面在同一水平面上;模型运送系统10的工作面与承载架的下承载面在同一水平，先利用第一轨道11将模型13送至承载架一侧，之后利用第二轨道12将模型送入承载架内。
[0037]如图6所示，所述水收集系统14包括收集箱、第一圆弧面15以及第二圆弧面16，所述第一圆弧面15的一端设置于收集箱的一个侧面上，而第二圆弧面16设置于与第一圆弧面15相对的收集箱的侧面上，所述第一圆弧面15的另一端与承载架2方形内壁的下表面相接。水收集系统14设计有第一圆弧面15以及第二圆弧面16，水收集系统的第一圆弧面15可以将模型中突出的水和部分模型材料全部收集到收集箱中，第二圆弧面16可以阻挡模型中喷出的高压水相当于几个甚至几十个大气压力，放置试验操作人员受伤;收集室外侧带有刻度标尺，可以定量读取模型中突出的水和模型制作材料的体积。
[0038]一种深长隧道突水突泥三维模型试验方法，包括以下步骤:
[0039]步骤I，将制作完成的模型13放置于模型13运送系统10上，首先利用第一轨道11将模型13推送到与承载架2侧面相接触，之后利用第二轨道12将模型13推送到承载架2内部指定位置；
[0040]步骤2，将高压储水箱8通过管道与模型13预设的高压水进口连接;将数据采集系统9与模型中预埋的传感器连接，并调试数据采集系统9运行正常；
[0041]步骤3，步骤2连接好之后，根据要模拟的地应力状况通过伺服控制柜4分别控制承载架2内相应的分离式千斤顶对模型13加载至预定荷载；
[0042]步骤4，通过控制高压气瓶组7向高压储水箱8中加压驱动，得到预定的水压力，保持水压力不变直至发生突水，整个过程通过采用数据采集系统9模型13内部的传感器信息，进而得到模型内部的孔隙水压力等信息。
[0043]由上述可知，通过伺服控制柜和油栗控制分离式的千斤顶进行地应力加载，既可实现水平和竖直方向地应力的单独加载，又能通过控制四部分千斤顶同时在模型的左、右两侧进行两种不同地应力状况下的突水突泥模拟试验;通过不溶于水的高压气体压缩驱动水，获得稳定及连续性好的高压渗透水源。深长隧道突水突泥三维模型试验系统模拟了真实工程应力环境中的岩溶隧道围岩体受力状况以及稳定的高压渗透水源，试验条件更接近工程实际，试验结果更加精确。
[0044]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种深长隧道突水突泥三维模型试验装置，其特征在于:包括基座(I)、承载架(2)、地应力加载系统(3)、气液复合承压水加载系统(6)、数据采集系统(9)、模型运送系统(10)以及水收集系统(14 )，其中，所述地应力加载系统(3)用于对模型(13)模拟三维的地应力状况，所述气液复合承压水加载系统(6)用于对模型(13)高压渗透，数据采集系统(9)用于对模型(13)中预埋的传感器进行数据采集;所述承载架(2)采用内方外圆格构式结构，且所述承载架(2)设置在基座(I)上，所述地应力加载系统(3)包括伺服控制柜(4)、油栗(5)、第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶，所述伺服控制柜(4)通过油栗(5)控制第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶进行顶升作动;所述承载架(2)分为左部承载架(21)和右部承载架(22)，所述第一组千斤顶设置于左部承载架(21)的方形内壁的上表面，第二组千斤顶、第三组千斤顶分别设置于左部承载架(21)的方形内壁的左右表面;所述第四组千斤顶设置于右部承载架(22)的方形内壁的上表面，第五组千斤顶、第六组千斤顶分别设置于右部承载架(22)的方形内壁的左右表面;所述气液复合承压水加载系统(6)包括高压气瓶组(7)和高压储水箱(8)，所述高压气瓶组(7)通过高压气伺服阀与高压储水箱(8)连接；所述模型运送系统(10)包括第一轨道(11)、第二轨道(12)，所述第二轨道(12)设置于第一轨道(11)上，且所述第二轨道(12)与第一轨道(11)滑动连接，而所述模型(13)放置于第二轨道(12)上;且所述第二轨道(12)的上表面与承载架(2)方形内壁的下表面在同一水平面上;所述水收集系统(14)包括收集箱、第一圆弧面(15)以及第二圆弧面(16)，所述第一圆弧面(15)的一端设置于收集箱的一个侧面上，而第二圆弧面(16)设置于与第一圆弧面(15)相对的收集箱的侧面上，所述第一圆弧面(15)的另一端与承载架(2)方形内壁的下表面相接。2.根据权利要求1所述的深长隧道突水突泥三维模型试验装置，其特征在于:所述第一组千斤顶中的千斤顶在左部承载架(21)的方形内壁的上表面上均匀分布，第二组千斤顶、第三组千斤顶中的千斤顶分别在左部承载架(21)的方形内壁的左右表面上均匀分布;所述第四组千斤顶中的千斤顶在右部承载架(22)的方形内壁的上表面上均匀分布，第五组千斤顶、第六组千斤顶中的千斤顶分别在右部承载架(22)的方形内壁的左右表面上均匀分布。3.根据权利要求1所述的深长隧道突水突泥三维模型试验装置，其特征在于:所述高压气瓶组(7)内存放有不溶于水的高压气体。4.根据权利要求1所述的深长隧道突水突泥三维模型试验装置，其特征在于:所述第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶为分离式千斤顶。5.根据权利要求1所述的深长隧道突水突泥三维模型试验装置，其特征在于:所述收集箱上设置有刻度标尺，所述刻度标尺用于定量读取突出水和模型制作材料的体积。6.—种基于权利要求1-5任一所述的深长隧道突水突泥三维模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤I，将制作完成的模型(13)放置于模型运送系统(10)上，首先利用第一轨道(11)将模型(13)推送到与承载架(2)侧面相接触，之后利用第二轨道(12)将模型(13)推送到承载架(2)内部指定位置； 步骤2，将高压储水箱(8)通过管道与模型(13)预设的高压水进口连接;将数据采集系统(9)与模型中预埋的传感器连接，并调试数据采集系统(9)运行正常； 步骤3，步骤2连接好之后，根据要模拟的地应力状况通过伺服控制柜(4)分别控制承载架(2)内相应的分离式千斤顶对模型(13)加载至预定荷载； 步骤4，通过控制高压气瓶组(7)向高压储水箱(8)中加压驱动，得到预定的水压力，保持水压力不变直至发生突水，整个过程通过采用数据采集系统(9)模型(13)内部的传感器?目息ο
【专利摘要】本发明公开了一种深长隧道突水突泥三维模型试验装置及方法，包括基座、承载架、地应力加载系统、气液复合承压水加载系统、数据采集系统、模型运送装置和水收集系统。通过伺服控制柜和油泵控制分离式的千斤顶进行地应力加载，既可实现水平和竖直方向地应力的单独加载，又能同时进行两种不同地应力状况下的突水突泥模拟试验；通过不溶于水的高压气体压缩驱动水，获得稳定及连续性好的高压渗透水源。深长隧道突水突泥三维模型试验系统模拟了真实工程应力环境中的岩溶隧道围岩体受力状况以及稳定的高压渗透水源，试验条件更接近工程实际，试验结果更加精确。
【IPC分类】G01N33/24
【公开号】CN105527402
【申请号】CN201510874596
【发明人】顾金才, 靖洪文, 蔚立元, 苏海健, 吴兴杰
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2015年12月3日