专利名称：高地应力准三维可视化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地质力学模型，具体地说是一种高地应力准三维可视化模型试验台 架装置。
背景技术：
从本世纪初，西欧一些国家就开始进行结构模型试验，并逐渐建立了相似理论。60年代， 以E.Fumagalli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，试验 研究范围从弹性到塑性直至最终破坏阶段。随后，葡萄牙、前苏联、法国、德国、英国和曰 本等国也开展了这方面的研究。在国内，从70年代开始，武汉大学、清华大学、总参工程兵 科研三所、西南交通大学、中国矿业大学、山东大学等单位，先后对国内许多大型水电、交 通和矿山工程进行了地质力学模型试验研究，并取得了一大批研究成果。
目前有关地质力学模型试验装置系统的研究现状如下
(1) 武汉水利电力大学研制了平面应力试验装置及加载系统，其试验装置是净空为150cm X 140cm封闭平面刚性加力架，加载系统由压力盒，气压泵、管路、压力表组成，试验时由 气泵控制压力逐级加载或卸载。其存在的主要问题是模型架尺寸固定，无法根据试验规模 进行调整；采用封闭式刚性加力架，导致模型装置安装拆卸困难。
(2) 清华大学李仲奎教授等研制了一种离散化三维多主应力面加载试验系统，试验装置主 要由垂直立柱、封闭式钢结构环梁、支撑钢架组成，加载系统主要由高压气囊、反推力板、 限位千斤顶和空气压縮机组成。该试验架尺寸较大，并实现了按主应力方向进行加载。但试 验架侧向挠度变形大，模型体的边界条件不易控制。
(3) 总参工程兵科研三所顾金才教授等研制了平面应变三向加载地质力学模型试验装置， 该装置主体加载支承结构是由上、下盖板、三角形分配块和3套互相垂直正交的拉杆系统组 成。试验时模型平放在上、下盖板之间。在模型相对两边分别施加垂直和水平地应力。该模 型架尺寸较小，不易实现分级加载。
(4) 重庆交通科研设计院研制有"公路隧道结构与围岩综合实验系统"，该实验系统由内、 外加载系统、液压控制系统及数据采集处理系统等组成。它基于"先加载、后挖洞"的原理， 采用液压千斤顶在模型试件外部加载以模拟上覆岩土层自重应力，用内置千斤顶及位移计模 拟开挖体应力响应及位移变化。模型试件尺寸为1.6m x 1.6m x 2. 4m。但内置千斤顶的应力 响应不易精确反映洞室开挖对围岩应力的影响。
(5) 中国矿业大学研制出一种新型真三轴巷道平面模型试验台，模型尺寸为lmXlmX0.2 m，立式布置。但应用范围较窄，尺寸比较小，不适应于地应力有较大变化范围的模型试验。(6)山东大学最新研制的三维地质力学模型试验组合式台架。组合式台架装置主要由盒式 铸钢构件、角件和底盘通过高强螺栓连接而成。盒式构件采用25Mn钢材料在铸造钢厂一次制 模整体铸造而成。该装置的主要问题是采用封闭式加载方式，在制作模型体的时候必须同时 在模型架内设置加载装置，若加载装置安设不合理，后期无法方便调整会对模型试验造成不 利影响，且把加载装置设置于模型架内部，无法使用于其他试验，造成不必要的浪费。 上述几个单位的模型试验台架装置系统都有以下不足之处
(1) 难以实现大埋深高地应力条件下的地下洞群模型试验研究。
(2) 模型进深大，洞室不能实现人工分层开挖和注浆设锚、安装收敛测点、预紧锚索等 操作。
(3) 试验过程中不能观察到围岩的破裂现象和发展过程。
实用新型内容
本实用新型为克服上述现有技术的不足，提供一种操作简单、组装灵活方便、能按照实 际地应力情况进行分级加载、带视窗而便于观察围岩破裂发展过程的高地应力准三维可视化 模型试验台架装置。
本实用新型是采用下述技术方案实现的一种高地应力准三维可视化模型试验台架装置， 包括反力墙装置，模型侧向外围设有门式反力框架，在门式反力框架与模型体之间设有液压 加载装置，反力墙装置上洞室所在位置周围设有若干观察窗。
所述的反力墙装置是由若干箱式盒构件拼装连接组成。
所述的箱式盒构件上设有螺栓孔和通孔，螺栓通过螺栓孔把箱式盒构件组合成反力墙， 少量前后拉杆穿过通孔把若干箱式盒构件定位于模型体表面，以增加前后的刚度。
所述的门式框架由横梁、侧柱及底座组成，反力墙装置和两侧柱设置于底座上，横梁设 置于两侧柱的顶端，横梁和侧柱之间设置有斜撑。
所述的横梁、侧柱及底座由工字钢组成。
所述的液压加载装置包括液压千斤顶，液压千斤顶设置于反力墙装置和门式反力框架之 间，并通过液压油路与液压控制台连接；若干液压千斤顶分别设置于模型体的两个侧面和顶 面上。
所述的观察窗由钢化玻璃组成，钢化玻璃与反力墙装置通过一小型的箱式盒构件合成一 个整体。
与本实用新型相配套的液压控制台可实现六层同时加载控制，分别是模型体的顶层，侧 面五层。侧面五层实现分级加载控制以模拟不同深度下垂直于洞轴方向的初始地应力。其中， 液压控制台是现有的通用设备，在此不再赘述。
本实用新型的框架外沿是一个门式钢结构反力框架，其刚度及强度满足试验要求。主要 用于支撑加载装置以对模型体的顶层和侧向进行加载。模型体的前后两个外围结构由一拼装的箱式盒构件系统形成，这种箱式盒构件具有很大的刚度和强度，限制模型体在加压情况下 在前后方向上发生变形。为使前后方向变形量满足平面应变的要求，在箱型结构若干部位钻 孔，通过拉杆对穿，可以有效的减小钢架前后两个方向的位移量。但是拉杆的位置不能离洞 室边缘太近。箱式盒构件可大可小，可以做成一元件，二元件……六元件，以及复合箱形元 件，即结构大小可以以任意形状进行铸造。
本实用新型还在反力墙上的洞室位置周围设置了观察窗。观察窗的范围能观察洞室周围 的岩石破裂情况。所选材料是钢化玻璃，厚度为19mra,钢化玻璃与反力墙装置通过一小型的 箱式盒构件合成一个整体。
本实用新型主要用于做准三维的平面应变模型试验，且平面模型的厚度可以在一定范围 内调整。模型结构的强度和刚度可模拟和进行高地应力及埋深达2000米以上的地下工程围岩 稳定研究。
本实用新型可模拟大埋深高地应力条件下的地下洞群的开挖过程，以研究围岩的非线性 变形和破坏机理。本实用新型装置可进行埋深在600m—2000m的地下洞群模型试验。 本实用新型具有以下优点
1. 模型钢架采用高强度合金钢材料，强度、刚度、抗冲击韧性好，耐腐蚀能力强，可长 期反复循环使用；穿过模型体前后面的对穿拉杆可保证模型处于平面应变状态。
2. 由于采用外部式加载方式，可方便实现液压千斤顶等加载设备的安装、拆换等工作， 避免了封闭式加载方式的弊端。
3. 在反力墙洞周安装钢化玻璃，不影响模型试验的加载效果，在试验过程中可实时观察 洞周的变形和破裂发展情况。
4. 结合配套的液压加载控制系统可方便实现分级加载，尽可能准确地模拟真实的地应力 分布情况。
5. 模型进深大小合适，在试验过程中可方便进行人工分层开挖和注浆设锚、安装收敛测 点、预紧锚索等操作。
图l是本实用新型的主视结构示意图； 图2是本实用新型的左视图； 图3是本实用新型的模型加载示意其中，l.千斤顶，2.横梁，3.斜撑，4.侧柱，5.底座，6.箱式盒构件，7.观察窗，8. 洞室，9.通孔，IO.反力墙装置，11.重力加载，12.模型体，13.侧向加载。
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。
图1-3中，反力墙装置IO位于模型体的外围，在模型体和门式反力框架之间设有液压加载装置，反力墙装置10上的洞室8位置周围设有观察窗7。反力墙装置IO是由若干箱式盒 构件6连接组成。箱式盒构件6上设有通孔9，对穿拉杆穿过通孔9把前后箱式盒构件6拉 紧。反力门式框架由横梁2、斜撑3、侧柱4及底座5组成，反力墙装置和两侧柱4设置于底 座5上，横梁2设置于两侧柱4的顶端，横梁2和侧柱4之间设置有斜撑3。 横梁2、侧柱4及底座5由工字钢组成。
液压加载装置包括液压千斤顶1,液压千斤顶1设置模型体和门式反力框架之间，并通 过液压油路与液压控制台连接；若干液压千斤顶1分别设置于模型体的两个侧面和顶面上。
观察窗7由钢化玻璃组成，钢化玻璃与反力墙装置10通过一小型的箱式盒构件6合成一 个整体，可保证玻璃受压后不会过度变形和破裂。
本实用新型的门式反力框架由横梁2、侧柱4及底座5组成，在关键部位还设置了斜撑3， 能满足试验竖向和横向的刚度及强度要求，十五组液压千斤顶1设置于反力墙装置10与反力框 架之间，液压千斤顶1把压力均匀的作用在模型体12上。模型的前后两个外围是一拼装的箱型 盒系统形成的钢结构，这种钢结构具有很大的刚度和强度，限制模型体在加压情况下在前后 方向上发生变形。为了使前后方向的变形量足够小，我们可以在箱型钢结构中钻孔，然后通 过拉杆对穿，可以有效的减小前后两个方向的位移量，但是拉杆的位置不能离洞室边缘太近。 箱型钢结构可大可小，可以做成一元件，二元件……六元件，以及复合箱形元件，即结构大 小可以以任意形状进行铸造。
本实用新型同时还在反力墙装置10上洞室周围设置了观察窗7。通过观察窗7能观察三个 洞室周围的岩石破裂情况。观察窗7所选材料是钢化玻璃，厚度为19mm，钢化玻璃与反力墙装 置10通过一小型的箱式盒构件6合成一个整体。这是一个难度很大,而且国内外类似模型试验 很难采用的技术。
该模型试验钢结构架主要用于做准三维平面应变模型试验，且平面模型的厚度可以在一 定范围内调整。
本试验是为了模拟深埋的地下洞室在高地应力作用下洞室开挖效应，以研究围岩的非线 性变形和破坏机理。如图3所示，深埋在模型试验中体现在模型上表面的加压能模拟埋深在 600m—2000m的岩体所受到的荷载，在模型体12的顶面重力加载11;高地应力在模型中体 现在模型体12的侧面要加上侧向加载13，这样就可以模拟真实的深埋地下洞室围岩的水平 初始地应力状态。
根据以上数据和在模型试验中选用不同的相似比尺，得到所要加载的值，从而使液压加 载设备能从低压到高压到超高压的情况都能模拟。重力加载11和两个方向的侧向加载13 — 共需要十五个加载系统，每个方向五个加载系统，每个加载系统由两个30T的液压千斤顶1 和一个液压控制系统组成(此液压系统能控制两个液压千斤顶相同的内压)，而全部的十五个 加载系统由一个总的液压控制系统控制。本实用新型相配套的液压加载系统的构成及技术特点 1.系统构成
(1) 总的液压控制台里面包括液压泵，油箱，液压传感器，手动控制，自动控制，开关， 液压数字显示仪等设备。基本要求能同时控制所有的15个液压加载系统，既能自动控制， 又能手动控制，初始状态手动控制即可。加压到所需要的数值时，能长时间的(至少15天) 保持这个压力值，即使由于液压的部分回油或少量漏油也能迅速的补偿油路损失来衡定所需 的内压。液压泵工作情况稳定，对内压不能产生太大的波动；油箱能满足15套千斤顶加压和 补压的需求；控制台设计美观，大方，易操作。
(2) 30个30T的液压千斤顶，15个分压控制系统30个30T液压千斤顶的加工按照《液 压千斤顶的检定规程JJG—621—2005》执行，至少要高于以上标准，造型尽量美观，并做防 锈处理，且每个液压千斤顶都必须经过专业的标定，提供油表数值和实际出力数值的加卸载 关系曲线，误差控制规范允许范围内。每个分压控制系统能控制2个30T千斤顶的内压，同 时也必须要保持所调定的压力值，即使由于液压的部分回油或漏油也能迅速的补偿油路损失 来达到所需的内压。
(3)液压排气系统为了保证在加压过程中不受液压千斤顶内气压的影响，必须在系统 充油前考虑有排气的功能，以便对液压千斤顶和管路进行排气，所以每个液压千斤顶必须设 有排气装置。
(4) 油压千斤顶是加载的主要设备，千斤顶的行程范围为50mm，必须要有足够的出力精 度，其出力误差对6—30T的范围内不得超过荷载量的3W。
(5) 关于油压千斤顶的卸压回油，我们采用的是双缸回油。 2.液压加载控制系统的技术特点
(1) 系统操作简单，组装灵活方便。
(2) 系统能按照实际非均匀分布的地应力进行同步非均匀加载，且具有压力高、升压快速、 持荷稳定的优点。非均匀加载主要体现在在模型的高度方向，分成五个等级加载。
(3) 系统能自动控制模型加载与稳压。当加压到设定压力值后，系统自动切断油泵供油并 保持油压稳定。试验过程中，当油压下降时，系统自动开启油泵重新供油以保证试验压力稳 定。
(4) 系统泵站是一台能单独工作的液压动力源，具有结构简单、体积小、压力高等特点。 其泵体为两级轴阀柱塞式阀配流定量油泵，低压时能获得大的流量，高压时可获得大的压力 吨位，此时低压油经减功阀自动回油，可减少功率损失和油液发热。该泵站在油箱盖上设置 综合阀，它由单向阀、安全阀、卸载阀和减功阀组成，高压安全阀调整压力为40MPa,低压 安全阓调整压力为7MPa，减功阀调整压力为7 11MPa。
本实用新型为可模拟高地应力和大埋深条件下(最大可到2000米以上)研究大型洞群稳 定性的地质力学模型试验台架，配有全自动的液压加载系统。在台架前后设置了全透明的钢 化玻璃观察窗7，可观察围岩破裂的发展过程。
权利要求1. 一种高地应力准三维可视化模型试验台架装置，包括反力墙装置，其特征在于模型侧向外围设有门式反力框架，在门式反力框架与模型体之间设有液压加载装置，反力墙装置上洞室所在位置周围设有若干观察窗。
2. 根据权利要求1所述的高地应力准三维可视化模型试验台架装置，其特征在于所述 的反力墙装置是由若干箱式盒构件连接组成。
3. 根据权利要求2所述的高地应力准三维可视化模型试验台架装置，其特征在于所述 的箱式盒构件上设有螺栓孔和通孔，螺栓通过螺栓孔把箱式盒构件组合成反力墙，拉杆穿过 通孔把若干箱式盒构件定位于模型体表面。
4. 根据权利要求1所述的高地应力准三维可视化模型试验台架装置，其特征在于所述 的门式反力框架由横梁、侧柱及底座组成，反力墙装置和两侧柱设置于底座上，横梁设置于 两侧柱的顶端，横梁和侧柱之间设置有斜撑。
5. 根据权利要求4所述的高地应力准三维可视化模型试验台架装置，其特征在于所述 的横梁、侧柱及底座由工字钢组成。
6. 根据权利要求1所述的高地应力准三维可视化模型试验台架装置，其特征在于所述 的液压加载装置包括液压千斤顶，液压千斤顶设置于模型体和门式反力框架之间，并通过液 压油路与液压控制台连接；若干液压千斤顶分别设置于模型体的两个侧面和顶面上。
7. 根据权利要求1所述的高地应力准三维可视化模型试验台架装置，其特征在于所述 的观察窗由钢化玻璃组成，钢化玻璃与反力墙装置通过一小型的箱式盒构件合成一个整体。
专利摘要本实用新型为一种高地应力准三维可视化模型试验台架装置，包括反力墙装置，侧向外围设有门式反力框架，在门式反力框架和模型体之间设有液压加载装置，反力墙装置上洞室所在位置周围设有若干观察窗。通过本装置可进行高地应力条件下地下工程洞群稳定性的平面应变地质力学模型试验研究。其具有以下优点1.模型钢架采用高强度合金钢材料，强度、刚度、抗冲击韧性好，耐腐蚀能力强，可长期反复循环使用。2.采用外部式加载方式，可方便实现液压千斤顶等加载设备的安装、拆换等工作。3.在反力墙洞周安装钢化玻璃，方便观察洞周的变形和裂纹扩展情况。4结合配套的液压加载控制系统可方便实现分级加载，尽可能准确地模拟真实的地应力分布情况。
文档编号G01L1/00GK201247116SQ20082018774
公开日2009年5月27日 申请日期2008年8月18日 优先权日2008年8月18日
发明者磊 张, 张鲁春, 朱维申, 勇 李, 李术才 申请人:山东大学