[发明专利]高地应力准三维可视化模型试验台架装置

说明书

技术领域

本发明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、英国和日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×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缩机组成。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×1.6m×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1m×1m×0.2m，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。

发明内容

本发明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。

本发明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。