[发明专利]数控气压柔性加载实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种加载实验装置，尤其是一种数控气压柔性加载实验装置。

背景技术

随着交通基础建设的快速发展和地下资源开发的大力发展，地下洞室作为一种主要的地下结构型式在水电、交通、资源、能源领域得到广泛应用，同时地下洞室工程的施工安全也受到越来越多关注和重视。随着地下工程埋深的加大和工程规模的提高，拟建地下工程区域岩体的工程地质条件和水文地质条件也日益复杂，为有效评价大型地下工程施工开挖围岩稳定性，除采用理论研究和数值计算方法外，还需要更多地依靠模型实验进行地下洞室开挖围岩稳定性的分析与评价，以有效揭示深埋地下洞室围岩的力学特征与变形破坏规律。要进行模型实验，就需要高精度的模型实验加载系统。

目前国内外模型实验加载系统通常采用千斤顶液压刚性加载。液压刚性加载比较适合于软岩模型材料加载。对于硬岩模型材料，使用气压柔性加载比较合适。同时气压加载可有效避免液压加载因漏油造成的环境污染。另外，由于地下洞室本身的结构及功能要求，往往需要在洞腔内施加内应力，如地下引水隧洞的内水压力、地下油气储库洞腔内部的油气压力等。传统的千斤顶刚性加载无法有效在洞室内部施加柔性内压，而要模拟洞腔内压的变化，则需要研制与气压柔性加载相配套的数控系统，这对更合理地研究有压地下洞室的围岩稳定与安全状况具有十分重要的意义。

目前国内相关模型实验装置和实验系统的研究现状如下：

（1）《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，该装置在模型相对两边分别施加均匀分布的垂直和水平地应力，其加载采用液压千斤顶刚性加载，无法进行数控气压柔性加载。

（2）《水利学报》2002第5期介绍了一种离散化三维多主应力面加载实验系统，主要由高压气囊、反推力板、限位千斤顶加荷器和空气压缩机组成。其加载虽然采用气压形式，但不能进行数控气压加载。

（4）《岩石力学与工程学报》2004年第21期介绍了一种平面应变巷道模型加载控制系统，其加载采用液压千斤顶刚性加载，无法进行数控气压柔性加载。

（5）《地下空间》2004第4期介绍了一种公路隧道结构与围岩综合实验加载系统，该系统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。其加载采用液压千斤顶刚性加载，无法进行数控气压柔性加载。

（6）《土木工程学报》2005年第12期，以及申请号为200510045291.7的中国专利介绍了一种新型岩土地质力学模型实验系统，其加载采用液压千斤顶刚性加载，无法进行数控气压柔性加载。

（7）申请号为200810016641.0的中国专利公开了一种高地应力真三维加载模型实验系统，其包括液压控制系统、高压加载系统和反力装置系统。其加载采用液压千斤顶刚性加载，无法进行数控气压柔性加载。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种边界应力分布均匀、无环境污染、精度高、控制准确、方便、快捷、数字化、可视化、自动化、应用范围广的数控气压柔性加载实验装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种数控气压柔性加载实验装置，其包括气压加卸载装置、可视化人机交互界面和气压数控系统，气压加卸载装置作用于实验模型内、外部，气压加卸载装置通过线路与气压数控系统连接，气压数控系统通过线路与可视化人机交互界面连接。

所述气压加卸载装置包括气站，气站通过气管连接气流分配阀，气流分配阀通过气管分别连接设置于实验模型内、外部的加压气囊。

所述外部加压气囊置于实验模型和模型反力架之间，内部加压气囊置于实验模型洞腔内。

所述气站包括设置于箱体内的气源、气压表和与气源相连的气动元件组，所述气动元件组包括相连接充气气动元件组和排气气动元件组，所述充气气动元件组包括依次连接的球阀、过滤调压阀、充气电磁阀、充气节流阀Ⅰ、充气单向阀、充气节流阀Ⅱ、气容Ⅰ、充气节流阀Ⅲ和充气节流阀Ⅳ，其中，依次串联的充气电磁阀、充气节流阀Ⅰ和充气单向阀由并连的三路组成；所述排气气动元件组包括依次串联的排气电磁阀、排气节流阀Ⅰ、排气节流阀Ⅱ、排气节流阀Ⅲ、气容Ⅱ、排气节流阀Ⅳ和排气节流阀Ⅴ，其中串联的排气电磁阀和排气节流阀Ⅰ由并连的三路组成；充气电磁阀和排气电磁阀均通过线路与气压数控系统连接；充气节流阀Ⅳ和排气电磁阀连接的气管同时也与气流分配阀连接。