专利名称：大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种岩土工程模型试验装置，尤其是一种大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置。
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、武汉大学、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，并取得一大批研究成果。(1)《武汉水力电力大学学报》1992年第5期介绍了武汉水力电力大学一种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。该系统为平面加载，无法实现三维加载。(2《岩石力学与工程学报》2004年第3期介绍了一种岩土工程多功能模拟实验装置，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。 该系统加载试件尺寸较小且无法实现高压加载。(3)《水利学报》2002第5期介绍了清华大学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缩机组成。其试验架尺寸较大，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，加载系统无法实现高压加载。(4)《岩石力学与工程学报》2004年第22期介绍了总参工程兵科研三所一种YD-A 型岩土工程多功能模拟试验装置。该装置为平面模型试验台，模型尺寸为160 cmX140 cmX40 cm，具有双向旋转功能，采用均布压力加载器实现了均布加载，但该加载器造价偏高，且该试验台无法实现改变模型尺寸和三维模拟。(5)《岩石力学与工程学报》2005年第16期介绍了一种三轴软岩非线性力学试验系统，该系统能进行三轴拉压、拉剪等多种组合试验和对不同加卸载过程进行模拟，系统最大压力450kN，最大拉力75kN，试件最大尺寸为450mmX 150mmX 150mm。该系统模型试件尺寸较小，同时无法模拟高压加载过程。(6)《地下空间》2004第4期介绍了重庆交通科研设计院一种公路隧道结构与围岩综合实验系统，该系统基于“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。该系统无法模拟深部洞室高压加载。(7)《土木工程学报》2005年第12期，以及申请号为200510045291. 7的中国实用
新型介绍了山东大学一种新型岩土地质力学模型试验系统，该系统主要由盒式台架装置、
3带扁千斤顶的变荷加载板、液压加载控制试验台组成。该系统具有规模大、组装灵活、尺寸可调、能进行同步非均勻加载的优点，但系统只能进行平面加载且加载荷载值有限，无法模拟深部洞室高压加载过程。(8)《岩石力学与工程学报》2008年第1期介绍了一种伺服控制高温高压岩体三轴试验机，该试验机可进行高温高压条件下的岩石假三轴试验，试样尺寸为Φ200πιπι X 400mm。该试验机主要用于高温条件下的加载，虽然加载压力较高，但无法模拟岩体试件的真三轴加载，且试样尺寸较小。(9)山东大学专利200820023048. 4公布了一种高压加载结构模型试验系统，该装置采用六面加载，最大模型尺寸IOOOmmX IOOOmmX 1000mm，可模拟比例尺为1:100，开挖洞
室尺寸较小，不能开展大比例尺的模型试验。(10)山东大学专利200810138978. 9介绍了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。但该装置系统反力装置结构简单，前后反力墙拉杆穿过模型体，影响模型内部应力场和实验精度。刚性加载不利于模型表面应力加载精度。空间不可调，只能做平面模型试验，不能做三维模型试验。(11)山东大学专利200810138981. 0介绍了一种带滑动墙的自平衡式真三维加载模型试验台架，但该装置模型制作繁琐，操作复杂，模型体表面距装置外部较远，不方便开挖观测；尺寸不可调整，只能做平面模型试验。(12)山东大学专利200810016641. 0介绍了一种高地应力真三维加载模型试验系统；包括智能液压控制系统、高压加载系统和反力装置系统，高压加载系统设置于反力装置系统六个面内为模型体六个侧面加载。该装置结构简单，不能自由组装；液压加载系统不是数字智能控制，采用千斤顶加载，不是双向油缸；模型表面距装置外部较远，不方便开挖观测。综合分析上述单位的模型试验台架装置系统，还存在以下不足之处1.大部分加载系统无法实现均布柔性加载的效果，少数可实现柔性均布加载效果的试验系统由于其柔性均布加载系统复杂的结构或较高的造价，没能得到广泛的应用。2.模型装置尺寸一般不可调整，可调的操作也比较繁琐，受模型尺寸大小限制，难以实现大比例尺真三维高地应力岩土工程模型试验研究。3.模型试验装置可扩展性不强，功能单一，不能做动载模型试验。4.液压加载油缸都是安装在模型装置内部，位于反力台架和试验模型之间，安装、 管路连接和维修操作困难，同时液压加载系统所占空间较大。5.液压加载系统大多不是柔性均布加载，柔性均布压力加载器虽好，但加工精度要求高，造价昂贵，且不利于试验测线引出。6.试验过程中不能方便直观地观察到围岩的破裂现象和发展过程。7.加载完成后不能方便完整地将模型移出模型架，模型不方便解剖，不利于观察模型内部的破坏后形态。

实用新型内容本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理、组装灵活、操作简单、加载与观测方便、能施加动载、带有模型推车的大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置。为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案一种大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置，包括若干榀拼装式反力台架装置，整个试验装置在整体成上窄下宽，侧面为斜面，所述每榀反力台架装置均包括顶梁、 侧梁、底梁，顶梁与侧梁之间以及侧梁与底梁之间均通过法兰及高强螺栓相连接；每榀反力台架装置中均设有与其相连的前可视反力梁和后加载反力梁，前可视反力梁和后加载反力梁下部与设置于底梁上的模型升降平移托车系统相连，在顶梁、侧梁和后加载反力梁钢格内均设有液压加载系统；在侧梁上安装有动载加载系统。所述前可视反力梁由若干层纵横钢格钢化玻璃连接构成，纵横钢格为反力承载主体，纵横钢格安装有贴防爆膜的钢化玻璃。所述后加载反力梁为主动加载反力梁，由若干层纵横钢格的反力梁构成，其反力梁纵横钢格内中间加工有圆孔，圆孔处有补强圆钢板，其上加工有安装液压加载系统的前法兰的螺栓孔。所述前可视反力梁和后加载反力梁的侧面均与侧梁连接，前可视反力梁和后加载反力梁侧面通过拉杆与侧梁相连，前可视反力梁和后加载反力梁中间均设有开挖观测窗。所述前可视反力梁上的开挖观测窗为带钢肋的贴防爆膜钢化玻璃。所述后加载反力梁上的开挖观测窗为安装有独立加载装置的可拆卸反力块，与下部接触的后加载反力梁上加工V型槽，其内放置钢珠，为滑动接触，方便开挖取出；开挖前该开挖观测窗与后加载反力梁通过螺栓连接，开挖时可卸掉螺栓取下开挖观测窗。所述液压加载系统包括安装在顶梁上的竖向加载系统、侧梁上的左右水平加载系统和后加载反力梁上的前后水平加载系统，液压加载系统为柔性均布压力加载。所述动载加载系统为卸除模型顶梁后，在拼装式反力台架装置左右两侧分别设有一固定在槽型基础上的动载反力立柱，两动载反力立柱之间连接有能沿其上下移动的拱形动载反力梁，拱形动载反力梁下部设有作动器，作动器下部连接作动器分力器。所述模型升降平移托车系统包括底板拖车，所述底板拖车下部设有至少一个水平推送油缸、若干竖向起降油缸和若干滚轮，水平推送油缸和竖向起降油缸分别与液压自动控制系统连接。所述底板拖车由若干平板通过连接件并列连接组成。所述连接件为连接板条和高强螺栓。所述水平推送油缸设置于底板拖车下部相对两侧的水平推送油缸反力座上。模型试验装置由成榀模型反力台架组成，每榀可配合液压系统和前后反力梁单独完成平面模型试验，多榀连接配合液压系统和前后反力梁可完成大型三维模型试验。本实用新型包括成榀组合式反力台架装置(包括顶梁、侧梁、底梁)、前、后反力梁、 开挖观测窗、模型升降平移托车系统、液压加载系统及法兰、拉杆和高强螺栓组成。该试验架可进行的模型尺寸最大为3.6mX3.6mX2. 5m(宽X高X厚)，模型表面最大荷载集度可达2. 5MPa，开挖孔及观测窗尺寸可调，最大开挖洞室跨度为600mm。通过本装置可以进行基坑、边坡以及隧道、地铁、地下厂房、矿山、人防工程、水电站洞室群等地下工程稳定性的高地应力三维地质力学静态和动态模型试验研究。[0039]本实用新型具有以下优点1.模型装置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，可长期使用；同时通过高强螺栓、法兰将顶梁、侧梁和底梁连接在一起；前后反力梁由长梁组成并连接于侧梁上，底部与模型升降平移托车系统车连接，上部和左右由拉杆将前后反力梁连接，整个模型装置结构整体上窄下宽，侧面斜面设计，受力明确、结构合理、造型美观， 保证了整体刚度和强度，提高了试验精度。2.柔性均布压力加载装置通过前法兰分别连接于顶梁、侧梁和后反力梁，液压油缸嵌入反力梁内，活塞杆通过反力梁上的圆孔推动推力器实现加载。减小了装置的整体尺寸，使其更加紧凑，相对提高了装置的刚度，并有利于液压油缸的操作检修。3.配合液压自动加载系统可方便实现柔性均布压力或分级加载，真实模拟地下洞室所处的三维地质力学初始条件、开挖过程、支护过程及失稳破坏等动态过程。4.可采用大比例尺制作试验模型，开挖洞室尺寸大，在试验过程中可方便地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。5.试验台架纵向由五榀独立框架组合而成，每榀框架厚500mm，均可配合前后反力梁及液压加载装置单独进行试验，适应不同模型尺寸的要求。单榀框架配合前后反力梁可进行平面应力和平面应变条件下的模型试验，多榀可进行真三轴模型试验。6.前可视反力梁为为六层纵横钢格钢化玻璃连接构成，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。7.后加载反力梁开挖观测窗为安装有加载装置的可拆卸反力块，该开挖观测窗与后反力梁通过螺栓连接，可根据开挖隧洞形状更换，开挖观测窗。8.可由上至下依次拆除前可视反力梁，模拟深基坑或边坡的开挖稳定性。9.动载加载系统为卸除模型顶梁后，在拼装式反力台架装置左右两侧分别设有一固定在槽型基础上的动载反力立柱，两动载反力立柱之间连接有能沿其上下移动的拱形动载反力梁，拱形动载反力梁下部设有作动器，作动器下部连接作动器分力器，配合动态加载系统，可进行动载模型试验。10.模型放在底部带滑轮的模型升降平移托车系统上，可以方便地将模型转移出入模型加载空间，试验后可推出并剖分模型以观察模型内部形态。本实用新型的模型升降平移托车系统采用液压自动控制系统，模型水平推移距离最大为2m，在顶升状态下模型推车可承受最大荷载可达60t，非顶升状态可承受最大荷载为1200t。动态加载最大吨位为50t。本实用新型可广泛应用于基坑、边坡及高地应力条件下岩土工程的平面和三维地质力学静态和动态模型试验。模型升降平移托车系统具有以下特点1).构造简单，组装灵活，自动化程度高， 操作简单方便。2).采用拼装式结构，有多种组合方式，满足不同模型试验尺寸的要求。 3).起降推送能力强，可满足最大60t的起降和推送要求。4).整体强度、刚度高，稳定性好， 升降和推送动作平稳，可保证模型在转移过程中的完整性。

图1是本实用新型的正视图；图2是图1的俯视6[0054]图3是图1的侧视图；图4是装置整体效果图；图5是模型升降平移托车系统俯视图；图6是模型升降平移托车系统主视图；图7是模型升降平移托车系统侧视图；其中，1、顶梁，2、侧梁，3、底梁，4、法兰，5、前可视反力梁，5-1、纵横钢格，5-2、钢化玻璃，6、后加载反力梁，7、液压加载系统，8、液压油缸，9、拉杆，10、反力梁油路孔，11、开挖观测窗，12、模型升降平移托车系统，12-1、竖向起降油缸，12-2、水平推送油缸，12-3、底板拖车，12-4、连接件，12-5、水平推送油缸反力座，12-6、滚轮，13、动载反力立柱，14、拱形动载反力梁，15、作动器，16、作动器分力器，17、高强连接螺栓，18、槽型基础。
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、图2、图3中，大型拼装式多功能岩土工程模型试验装置，主要由成榀拼装式反力台架装置、液压加载系统和模型运移系统组成。成榀拼装式反力台架装置在整体成上窄下宽，侧面为斜面，该成榀组合式反力台架装置由顶梁1、侧梁2、底梁3和法兰4，顶梁1 与侧梁2之间以及侧梁2与底梁3之间均通过法兰4及高强连接螺栓17相连接；前可视反力梁5和后加载反力梁6通过高强连接螺栓17与侧梁2连接，底部与模型升降平移托车系统12连接；在顶梁1、侧梁2和后加载反力梁6钢格内均设有液压加载系统7 ；在侧梁2 上安装有动载加载系统。液压加载系统由竖向和横向加载系统组成，分别设置在顶梁1、侧梁2和后加载反力梁6上，通过前法兰与各自的推力器连接。每榀反力架能承受300T的反力。前可视反力梁5由六层纵横钢格5-1钢化玻璃5-2连接构成，纵横钢格5_1为反力承载主体，纵横钢格5-1安装有贴防爆膜的钢化玻璃5-2。后加载反力梁6为主动加载反力梁，由六层纵横钢格5-1的反力梁构成，其反力梁纵横钢格5-1内中间加工有圆孔，圆孔处有补强圆钢板，其上加工有安装液压加载系统的前法兰的螺栓孔。前可视反力梁5和后加载反力梁5的侧面均通过拉杆9与侧梁2连接，前可视反力梁5和后加载反力梁6侧面通过拉杆9与侧梁2相连，前可视反力梁5和后加载反力梁 5中间均设有开挖观测窗11。前可视反力梁5上的开挖观测窗11为带钢肋的贴防爆膜钢化玻璃。后加载反力梁6上的开挖观测窗11为安装有独立加载装置的可拆卸反力块，开挖观测窗11与下部接触的后加载反力梁6上加工V型槽，其内放置钢珠，为滑动接触，方便开挖取出；开挖前该开挖观测窗与11后加载反力梁6通过螺栓连接，开挖时可卸掉螺栓取下开挖观测窗11。前可视反力梁5和后加载反力梁6上均设有开挖观测窗11。所述开挖观测窗11 为钢化玻璃制成。[0068]液压加载系统7包括安装在顶梁1上的竖向加载系统、侧梁2上的左右水平加载系统和后加载反力梁6上的前后水平加载系统，液压加载系统为柔性均布压力加载。所述竖向载系统、左右水平加载系统以及前后水平加载系统为嵌装在顶梁1、侧梁2和上后加载反力梁6的若干个液压油缸，它们分别与顶梁油路孔、侧梁油路孔和反力梁油路孔10连接， 液压油缸的活塞杆通过顶梁1和侧梁2上各自的圆孔推动推力器实现加载。液压加载系统7由柔性加载装置构成，柔性加载装置的液压油缸设有连接前法兰，通过高强螺栓与前后反力梁紧固连接，为加载系统提供反作用力。然后通过柔性加载装置的液压油缸将作用力传递给试验模型表面。柔性加载装置配合液压自动控制系统，可在模型表面形成均布的作用力，提高了模型表面加载精度。动载加载系统为卸除模型顶梁1后，在拼装式反力台架装置左右两侧分别设有一固定在槽型基础18上的动载反力立柱13，两动载反力立柱13之间连接有能沿其上下移动的拱形动载反力梁14，拱形动载反力梁14下部设有作动器15，作动器15下部连接作动器分力器16。当需要进行动载试验时，将底梁3，法兰4和顶部柔性加载装置卸除，将两侧动载反力立柱13固定在槽型基础18上，拱形动载反力梁14安装在两侧动载反力立柱13上，可上下移动，其上安装作动器15，作动器动载通过作动器分力器16传递到模型表面上。如图5-7所示，模型升降平移托车系统12包括底板拖车12-3，所述底板拖车12_3 下部设有至少一个水平推送油缸12-2、若干竖向起降油缸12-1和若干滚轮12-6，水平推送油缸12-2和竖向起降油缸12-1分别与液压自动控制系统连接。底板拖车12-3由若干平板通过连接件12-4并列连接组成。连接件12-4为连接板条和高强螺栓。水平推送油缸12-2 设置于底板拖车12-3下部中间前后的水平推送油缸反力座12-5和底梁3上。试验模型放置在底板拖车12-3上。为方便试验模型移入移出，将模型试验装置放置在槽型基础18内，槽的深部等于模型底板的高度。当需要对模型进行位置的移动时，竖向起降油缸12-1伸长将模型底板升起，然后水平推送油缸12-2工作将模型推出，当对模型进行试验时，竖向起降油缸12-1下降将滑轮收起，底板拖车12-3作为承压底板承受上部模型和加载荷载。当需要将试验完成的模型移出时，启动液压自动控制系统，首先竖向起降油缸 12-1升起，将底板拖车12-3顶升，然后底板托车12-3与模型装置底梁3接触，整个模型和模型底板的自重由竖向千斤顶下部的滚轮12-6承担，试验开始前或完成后，竖向起降油缸 12-1伸长后底板托车12-3与模型装置底梁3离开，承受模型自重，然后水平推送油缸10-2 工作，由于水平推送油缸12-2 —端与实验架地板连接，相对固定，另一端与底板拖车12-3 连接，推动其缓慢移出模型试验装置，最终将其上的试验模型移出试验框架，最大推送行程由油缸行程决定，方便试验制作和剖视观测。
权利要求1.一种大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置，其特征在于包括若干榀拼装式反力台架装置，整个试验装置在整体成上窄下宽，侧面为斜面，所述每榀反力台架装置均包括顶梁、侧梁、底梁，顶梁与侧梁之间以及侧梁与底梁之间均通过法兰及高强螺栓相连接；每榀反力台架装置中均设有与其相连的前可视反力梁和后加载反力梁，前可视反力梁和后加载反力梁下部与设置于底梁上的模型升降平移托车系统相连，在顶梁、侧梁和后加载反力梁钢格内均设有液压加载系统；在侧梁上安装有动载加载系统。
2.根据权利要求1所述的大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置，其特征在于所述前可视反力梁由若干层纵横钢格钢化玻璃连接构成，纵横钢格为反力承载主体，纵横钢格安装有贴防爆膜的钢化玻璃。
3.根据权利要求1所述的大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置，其特征在于所述后加载反力梁为主动加载反力梁，由若干层纵横钢格的反力梁构成，其反力梁纵横钢格内中间加工有圆孔，圆孔处有补强圆钢板，其上加工有安装液压加载系统的前法兰的螺栓孔。
4.根据权利要求1所述的大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置，其特征在于所述前可视反力梁和后加载反力梁的侧面均与侧梁连接，前可视反力梁和后加载反力梁侧面通过拉杆与侧梁相连，前可视反力梁和后加载反力梁中间均设有开挖观测窗。
5.根据权利要求4所述的大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置，其特征在于所述前可视反力梁上的开挖观测窗为带钢肋的贴防爆膜钢化玻璃。
6.根据权利要求4所述的大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置，其特征在于所述后加载反力梁上的开挖观测窗为安装有独立加载装置的可拆卸反力块，开挖观测窗与下部接触的后加载反力梁上加工V型槽，其内放置滑动接触的钢珠；开挖前该开挖观测窗与后加载反力梁通过螺栓连接，开挖时卸掉螺栓取下开挖观测窗。
7.根据权利要求1所述的大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置，其特征在于所述液压加载系统包括安装在顶梁上的竖向加载系统、侧梁上的左右水平加载系统和后加载反力梁上的前后水平加载系统，液压加载系统为柔性均布压力加载。
8.根据权利要求1所述的大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置，其特征在于所述动载加载系统为卸除模型顶梁后，在拼装式反力台架装置左右两侧分别设有一固定在槽型基础上的动载反力立柱，两动载反力立柱之间连接有能沿其上下移动的拱形动载反力梁，拱形动载反力梁下部设有作动器，作动器下部连接作动器分力器。
9.根据权利要求1所述的大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置，其特征在于所述模型升降平移托车系统包括底板拖车，所述底板拖车下部设有至少一个水平推送油缸、若干竖向起降油缸和若干滚轮，水平推送油缸和竖向起降油缸分别与液压自动控制系统连接。
10.根据权利要求9所述的大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置，其特征在于所述底板拖车由若干平板通过连接板条和高强螺栓并列连接组成；所述水平推送油缸设置于底板拖车下部相对两侧的水平推送油缸反力座上。
专利摘要本实用新型涉及一种大型组合式动静多功能岩土工程模拟试验装置，该装置由若干榀反力台架装置、前可视反力梁、后加载反力梁、拱形动态反力架、液压加载系统、伺服动态加载系统、模型升降平移托车系统等组成。每榀反力台架装置由顶梁、侧梁、底梁通过法兰及高强螺栓连接，可根据试验模型尺寸自由组合；前后反力梁左右与侧梁连接，上下部与由拉杆和模型升降平移托车系统相连；顶梁、侧梁和后加载反力梁钢格内设有液压加载系统；拱形动态反力架独立，卸除顶梁后可安装伺服动载加载系统。本实用新型结构紧凑合理，整体上窄下宽，组装灵活、操作简单、加载与观测方便，可应用于基坑、边坡及高地应力条件下岩土工程的平面和三维地质力学静态和动态模型试验。
文档编号G01N3/12GK201983988SQ20112003960
公开日2011年9月21日 申请日期2011年2月16日 优先权日2011年2月16日
发明者徐洪峰, 李为腾, 李智, 李术才, 王汉鹏, 王 琦, 郑学芬 申请人:山东大学