高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗(yàn)裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗(yàn)裝置，包括加載自反力框架裝置，所述加載自反力框架裝置中設(shè)置有隧道模型裝置，隧道模型裝置中設(shè)置柔性橡膠囊和傳感器，隧道模型上部設(shè)有加載裝置，柔性橡膠囊和加載裝置均與加載控制系統(tǒng)相連，傳感器與設(shè)置于隧道模型外的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀相連。本實(shí)用新型的裝置模型尺寸較小，能在短時(shí)間內(nèi)制作完成，對(duì)于需要大量試驗(yàn)來(lái)完成的深部洞室瞬間卸載開(kāi)挖試驗(yàn)是有利的。利用該裝置通過(guò)柔性橡膠囊內(nèi)液壓油的瞬間卸油，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬深部洞室瞬間卸載開(kāi)挖過(guò)程。
【專(zhuān)利說(shuō)明】高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗(yàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種礦山、能源、水電、交通、國(guó)防等深部巖土工程技術(shù)，尤其是一種高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]19世紀(jì)是橋的世紀(jì)，20世紀(jì)是高層建筑的世紀(jì)，21世紀(jì)是人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用地下空間的世紀(jì)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，許多在建和即將新建的地下工程不斷走向深部。無(wú)論是礦產(chǎn)資源開(kāi)采的地下巷道、還是交通建設(shè)的地下隧洞以及水電開(kāi)發(fā)的地下洞室等都逐漸向逾千米或數(shù)千米的深部方向發(fā)展。隨著埋藏深度的增加，深部洞室?guī)r體在高地應(yīng)力條件下，洞室圍巖的結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性和工程響應(yīng)出現(xiàn)了分區(qū)破裂、大變形、沖擊破壞等一系列新的特征科學(xué)現(xiàn)象，這些特征科學(xué)現(xiàn)象與淺埋洞室圍巖工程響應(yīng)相比顯著不同，因而深部巖體工程問(wèn)題引起了國(guó)際上巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的極大關(guān)注，成為近幾年該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。盡管深部與淺埋洞室圍巖工程響應(yīng)相比明顯不同，但是在深部高地應(yīng)力巷道瞬間卸載開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)不會(huì)出現(xiàn)分區(qū)破裂、大變形、沖擊破壞等一系列新的破壞特征尚不清楚，因此為了研究深部高地應(yīng)力巷道瞬間卸載開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖的變形破壞響應(yīng)特征研制和提出了本試驗(yàn)裝置及方法。
[0003]目前有關(guān)深部高地應(yīng)力模型試驗(yàn)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀如下:
[0004](I)《地下空間》2004第4期介紹了一種公路隧道結(jié)構(gòu)與圍巖綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于“先加載、后挖洞”的原理，采用液壓千斤頂在模型試件外部加載以模擬上覆巖土層自重應(yīng)力，用內(nèi)置千斤頂及位移計(jì)模擬開(kāi)挖體應(yīng)力響應(yīng)及位移變化。該系統(tǒng)無(wú)法模擬深部洞室瞬間卸載開(kāi)挖過(guò)程。
[0005](2)山東大學(xué)專(zhuān)利200820023048.4公布了一種高壓加載結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，該裝置采用六面高壓加載，可模擬巖體試件的真三軸加載，且加載自動(dòng)化程度和加載精度高，加載功能多，實(shí)現(xiàn)洞室軸向加載開(kāi)洞，加載系統(tǒng)剛度高、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，但該系統(tǒng)無(wú)法模擬深部洞室瞬間卸載開(kāi)挖過(guò)程。
[0006](3)山東大學(xué)專(zhuān)利200810138978.9介紹了一種高地應(yīng)力準(zhǔn)三維可視化模型試驗(yàn)臺(tái)架裝置，包括反力墻裝置，側(cè)向外圍設(shè)有門(mén)式反力框架，在門(mén)式反力框架和模型體之間設(shè)有液壓加載裝置，反力墻裝置上硐室所在位置周?chē)O(shè)有若干觀察窗。該裝置無(wú)法模擬深部洞室瞬間卸載開(kāi)挖過(guò)程。
[0007](4)山東大學(xué)專(zhuān)利200810138981.0介紹了一種帶滑動(dòng)墻的自平衡式真三維加載模型試驗(yàn)臺(tái)架，但該裝置模型制作繁瑣，操作復(fù)雜，模型體表面距裝置外部較遠(yuǎn)，不方便開(kāi)挖觀測(cè)，且無(wú)法模擬深部洞室瞬間卸載開(kāi)挖過(guò)程。
[0008](5)山東大學(xué)專(zhuān)利200810016641.0介紹了一種高地應(yīng)力真三維加載模型試驗(yàn)系統(tǒng)，包括智能液壓控制系統(tǒng)、高壓加載系統(tǒng)和反力裝置系統(tǒng)，高壓加載系統(tǒng)設(shè)置于反力裝置系統(tǒng)六個(gè)面內(nèi)，為模型體六個(gè)側(cè)面加載。該系統(tǒng)無(wú)法模擬深部洞室瞬間卸載開(kāi)挖過(guò)程。
[0009](6)山東大學(xué)專(zhuān)利201110039078.0介紹了一種大型自由組合榀式高地應(yīng)力地下工程模型試驗(yàn)裝置，包括若干榀拼裝式反力臺(tái)架裝置，所述每榀反力臺(tái)架裝置均包括頂梁、側(cè)梁、底梁，頂梁與側(cè)梁之間以及側(cè)梁與底梁之間均通過(guò)法蘭及高強(qiáng)螺栓相連接，每榀反力臺(tái)架裝置均可互連或與前后反力梁連接，在頂梁和側(cè)梁上設(shè)有液壓加載系統(tǒng)，本實(shí)用新型組裝靈活、操作簡(jiǎn)單、加載與觀測(cè)方便、帶有模型升降平移托車(chē)系統(tǒng)，但該裝置無(wú)法模擬深部洞室瞬間卸載開(kāi)挖過(guò)程。
[0010](7)山東大學(xué)專(zhuān)利201110038852.6介紹了一種大型組合式動(dòng)靜多功能巖土工程模擬試驗(yàn)裝置，該裝置由若干榀反力臺(tái)架裝置、前可視反力梁、后加載反力梁、拱形動(dòng)態(tài)反力架、液壓加載系統(tǒng)、伺服動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)、模型升降平移托車(chē)系統(tǒng)等組成。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊合理，整體上窄下寬，組裝靈活、操作簡(jiǎn)單、加載與觀測(cè)方便，可應(yīng)用于基坑、邊坡及高地應(yīng)力條件下巖土工程的平面和三維地質(zhì)力學(xué)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型試驗(yàn)。但該裝置無(wú)法模擬深部洞室瞬間卸載開(kāi)挖過(guò)程。
[0011]綜合分析上述單位的模型試驗(yàn)臺(tái)架裝置系統(tǒng)，還存在以下不足之處:
[0012]1.模型尺寸較大，模型制作周期較長(zhǎng)，無(wú)法在短期內(nèi)完成模型堆砌，相對(duì)于高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗(yàn)是不利的；
[0013]2.上述裝置系統(tǒng)均不能模擬深部洞室瞬間卸載開(kāi)挖過(guò)程。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0014]本實(shí)用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗(yàn)裝置，其制作簡(jiǎn)單，能夠模擬深部洞室瞬間卸載開(kāi)挖過(guò)程。
[0015]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案:
[0016]一種高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗(yàn)裝置，包括加載自反力框架裝置，所述加載自反力框架裝置中設(shè)置有隧道模型裝置，隧道模型裝置中設(shè)置柔性橡膠囊和傳感器，隧道模型上部設(shè)有加載裝置，柔性橡膠囊和加載裝置均與加載控制系統(tǒng)相連，傳感器與設(shè)置于隧道模型外的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀相連。
[0017]所述加載自反力框架裝置包括底梁和頂梁，所述底梁和頂梁之間通過(guò)若干立柱連接，并通過(guò)鎖定螺母緊固組成一框架結(jié)構(gòu)，為液壓油缸加載提供反力。
[0018]所述隧道模型裝置包括放置于底梁上的厚壁圓筒，厚壁圓筒中設(shè)置隧道模型，隧道模型上部設(shè)有壓板，隧洞模型中間預(yù)留隧洞孔洞，隧洞孔洞內(nèi)放置柔性橡膠囊，柔性橡膠囊頂部設(shè)有加卸載三通，分別連接橡膠囊進(jìn)油管和橡膠囊卸油管，橡膠囊進(jìn)油管與加載控制系統(tǒng)相連，橡膠囊卸油管經(jīng)二位二通閥與油箱相通。通過(guò)壓板上放置的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的油缸對(duì)隧洞模型上表面均勻加壓。二位二通閥斷電處于常閉狀態(tài)，當(dāng)通電時(shí)瞬間打開(kāi)時(shí)，柔性橡膠囊內(nèi)的液壓油通過(guò)二位二通閥流出到油箱中，實(shí)現(xiàn)模擬開(kāi)挖前隧洞預(yù)支撐和開(kāi)挖瞬間卸載。
[0019]所述柔性橡膠囊包括上部密封環(huán)、壓縮彈簧、橡膠囊和下部密封環(huán)，壓縮彈簧和橡膠囊均位于上部密封環(huán)和下部密封環(huán)之間，上部密封環(huán)和下部密封環(huán)用以密封橡膠囊，壓縮彈簧對(duì)橡膠囊起到支撐作用，在其受力時(shí)保證橡膠囊均勻變形，不至出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。
[0020]所述加載裝置包括兩個(gè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置于壓板上部的油缸，油缸缸體固定于頂梁上，油缸活塞桿前端連接于壓板上，油缸的進(jìn)油口和出油口分別對(duì)應(yīng)連接油缸進(jìn)油管和油缸卸油管，油缸進(jìn)油管和油缸卸油管分別連通至加載控制系統(tǒng)。通過(guò)液壓站及控制系統(tǒng)控制油缸的進(jìn)油和卸油，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧洞模型的加載和卸載。
[0021]所述加載控制系統(tǒng)包括液壓站和與其相連的控制系統(tǒng)。
[0022]所述傳感器為應(yīng)力或應(yīng)變傳感器。傳感器在制作隧洞模型時(shí)預(yù)埋在隧洞模型內(nèi)部，通過(guò)導(dǎo)線與動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀相連，在隧洞瞬間卸載時(shí)檢測(cè)模型應(yīng)力應(yīng)變曲線變化。
[0023]利用高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，
[0024]I)隧洞模型加載時(shí)，啟動(dòng)液壓站及控制系統(tǒng)，分別設(shè)定并控制隧洞模型軸向和柔性橡膠囊的加載壓力，液壓油分別通過(guò)油缸進(jìn)油管和橡膠囊進(jìn)油管輸送至油缸和柔性橡膠囊上中；
[0025]2) 二位二通閥斷電時(shí)處于常閉狀態(tài)，當(dāng)通電時(shí)瞬間打開(kāi)，柔性橡膠囊內(nèi)的液壓油在加壓后內(nèi)部壓力的作用下通過(guò)二位二通閥流出到油箱中，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧洞的瞬間開(kāi)挖模擬；
[0026]3)隧洞模型靠近隧洞開(kāi)挖表面的材料內(nèi)埋設(shè)的應(yīng)力或應(yīng)變傳感器采集信號(hào)，并通過(guò)導(dǎo)線傳輸至動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀分析深部軸向高地應(yīng)力條件下隧洞的瞬間開(kāi)挖卸載動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性與規(guī)律，并顯示隧洞瞬間卸載時(shí)隧道模型應(yīng)力應(yīng)變曲線變化。
[0027]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0028]1.本裝置模型尺寸較小，可以在短時(shí)間內(nèi)制作完成，對(duì)于需要大量試驗(yàn)來(lái)完成的深部洞室瞬間卸載開(kāi)挖試驗(yàn)是有利的。
[0029]2.通過(guò)柔性橡膠囊內(nèi)液壓油的瞬間卸油，能夠模擬深部洞室瞬間卸載開(kāi)挖過(guò)程。【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1是本實(shí)用新型的試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2是本實(shí)用新型柔性橡膠囊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖中，1.鎖定螺母，2.頂梁，3.油缸，4.壓板，5.柔性橡膠囊，6.隧洞模型，7.傳感器，8.厚壁圓筒，9.立柱，10.動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，11.底梁，12.加卸載三通，13.油缸進(jìn)油管，14.油缸卸油管，15.橡膠囊進(jìn)油管，16.橡膠囊卸油管，17.液壓站及控制系統(tǒng)，18.二位二通閥，19.油箱，20.上部密封環(huán)，21.壓縮彈簧，22.橡膠囊，23.下部密封環(huán)。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。
[0034](I)鎖定螺母1、頂梁2、立柱9和底梁11組合成加載自反力框架裝置，為液壓油缸加載提供反力。
[0035](2)柔性橡膠囊5由上部密封環(huán)20、壓縮彈簧21、橡膠囊22和下部密封環(huán)23構(gòu)成，其中上部密封環(huán)20、下部密封環(huán)23用以密封橡膠囊22，壓縮彈簧21對(duì)橡膠囊22起到支撐作用，在其受力時(shí)保證橡膠囊22均勻變形，不至出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。
[0036](3)在底梁11上放置帶底的厚壁圓筒8，在厚壁圓筒內(nèi)制作隧洞模型6，隧洞模型中間預(yù)留隧洞孔洞，其內(nèi)放置柔性橡膠囊5，柔性橡膠囊5設(shè)有加卸載三通12，分別連接橡膠囊進(jìn)油管15和橡膠囊卸油管16，用來(lái)模擬開(kāi)挖前隧洞預(yù)支撐和開(kāi)挖瞬間卸載。隧洞模型上部放置壓板4，壓板4上放置兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的油缸3，油缸3的進(jìn)油口和出油口分別連接油缸進(jìn)油管13和油缸卸油管14，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧洞模型6的加載和卸載。
[0037](4)隧洞模型6加載時(shí)，啟動(dòng)液壓站及控制系統(tǒng)17，分別設(shè)定并控制隧洞模型6軸向和柔性橡膠囊5的加載壓力，然后分別通過(guò)油缸進(jìn)油管13和橡膠囊進(jìn)油管15連接油缸3和柔性橡膠囊5上的加卸載三通12的其中一個(gè)通道，加卸載三通12的另一個(gè)通道連接橡膠囊卸油管16，橡膠囊卸油管16與二位二通閥18連接。二位二通閥18斷電處于常閉狀態(tài)，當(dāng)通電時(shí)瞬間打開(kāi)時(shí)，柔性橡膠囊5內(nèi)的液壓油通過(guò)二位二通閥18流出到油箱19中，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧洞的瞬間開(kāi)挖模擬。
[0038](5)隧洞模型6靠近隧洞開(kāi)挖表面的材料內(nèi)埋設(shè)應(yīng)力或應(yīng)變傳感器7，傳感器7通過(guò)導(dǎo)線與動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀10連接，采集并分析深部軸向高地應(yīng)力條件下隧洞的瞬間開(kāi)挖卸載動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性與規(guī)律。
[0039]上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以?xún)?nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高地應(yīng)力柔性加載瞬間卸載試驗(yàn)裝置，其特征是，包括加載自反力框架裝置，所述加載自反力框架裝置中設(shè)置有隧道模型裝置，隧道模型裝置中設(shè)置柔性橡膠囊和傳感器，隧道模型上部設(shè)有加載裝置，柔性橡膠囊和加載裝置均與加載控制系統(tǒng)相連，傳感器與設(shè)置于隧道模型外的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀相連。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述加載自反力框架裝置包括底梁和頂梁，所述底梁和頂梁之間通過(guò)若干立柱連接，并通過(guò)鎖定螺母緊固組成一框架結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是，所述隧道模型裝置包括放置于底梁上的圓筒，圓筒中設(shè)置隧道模型，隧道模型上部設(shè)有壓板，隧洞模型中間預(yù)留隧洞孔洞，隧洞孔洞內(nèi)放置柔性橡膠囊，柔性橡膠囊頂部設(shè)有加卸載三通，分別連接橡膠囊進(jìn)油管和橡膠囊卸油管，橡膠囊進(jìn)油管與加載控制系統(tǒng)相連，橡膠囊卸油管經(jīng)二位二通閥與油箱相通。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述柔性橡膠囊包括上部密封環(huán)、壓縮彈簧、橡膠囊和下部密封環(huán)，壓縮彈簧和橡膠囊均位于上部密封環(huán)和下部密封環(huán)之間。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是，所述加載裝置包括兩個(gè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置于壓板上部的油缸，油缸缸體固定于頂梁上，油缸活塞桿前端連接于壓板上，油缸的進(jìn)油口和出油口分別對(duì)應(yīng)連接油缸進(jìn)油管和油缸卸油管，油缸進(jìn)油管和油缸卸油管分別連通至加載控制系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述加載控制系統(tǒng)包括液壓站和與其相連的控制系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述傳感器為應(yīng)力或應(yīng)變傳感器。
【文檔編號(hào)】G01N3/12GK203414356SQ201320467006
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月1日
【發(fā)明者】李術(shù)才, 王漢鵬, 李建明, 張慶賀, 李海燕, 李清川 申請(qǐng)人:山東大學(xué)