[发明专利]适用于地质力学模型试验的复合式柔性均布压力加载装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种加载装置，尤其是一种适用于地质力学模型试验的复合式柔性均布压力加载装置。

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、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。

模型边界加载技术是地质力学模型试验中的一项关健技术，因为它直接关系到模型边界加载效果和精度，对模型试验加载地应力能否真实模拟工程实际受力状态起着至关重要的作用，也直接影响模型体内所形成的应力（应变）场的均匀程度和实验结果的真实性。为保证试验结果准确性，真实模拟原始地应力的试验加载条件尤为重要，因此，保证模型中产生均匀应力场，尽量减小模型表面不均匀应力场的范围和深度对模型试验结果十分重要。

从现有模型加载技术看，模型表面荷载的施加主要有三种方式：

（1）液压油缸通过刚性推力器加载，刚性推力器可为三角形分布块或梯形分布块。该方法具有加载荷载大、行程大、容易操控等特点，但加载压力均匀性偏差较大，导致模型内应变场均匀性很差，很难如实反映工程受力状态。特别由于模型中间洞室的开挖，导致模型边界变形必然不均匀，该方法加载使得边界荷载的不均匀性更加明显，同时也不利于解决加载压头与边界横向变形的同步，所以模型边界加载精度低。

（2）采用传统的液压橡胶囊加载，可实现对模型表面的柔性均匀加载，特别是当模型表面产生不均匀变形时仍能进行均匀加载。但由于加载荷载强度偏低，行程小，无法满足模型较大变形和较高强度的要求，达不到深部开采试验的高应力加载要求；再者，其制作麻烦，使用寿命短，一般只能满足一次试验需要。

（3）以上两种方式在试验精度要求不高的情况下也能解决一些工程问题。随着工程规模的逐渐扩大，要求精度不断提高，这两种加载方式日益暴露出其存在的弊端。为解决上述问题，总参工程兵科研三所设计了活塞式均布压力加载器（ZL 02213775.0），既可在模型上加均布荷载，又解决了模型试验中柔性传力均匀加载难题。但活塞式均布压力加载器结构比较复杂，加工制造精度要求高，价格也相对偏高。

综合分析上述单位的模型试验加载系统，主要存在以下不足之处：

1．多数加载系统实际上都是液压油缸+推力器的刚性加载系统，荷载偏差较大，容易引起应力集中，不能达到模型表面荷载均匀分布的目的。

2．液压囊加载由于具有行程小、易漏油、耐久性差、只能单向加载、不易在其上穿孔布线等缺点，无法满足大型模型试验的需要。

3．活塞式均布压力加载器结构复杂，价格偏高，也不利于模型内埋设测线的引出。

4．多数油缸加载方式为油缸+推力器的形式，需要预留较大的加载空间，对于加载空间有限的情况适应性差。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种均布加载性能高、组装灵活、操作简单、耐久性好的适用于地质力学模型试验的复合式柔性均布压力加载装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种适用于地质力学模型试验的复合式柔性均布压力加载装置，其特征在于：包括液压油缸推力器，液压油缸推力器上端通过球铰与液压油缸相连，液压油缸推力器底部设有复合式柔性传力垫层。

所述液压油缸推力器包括上板和下板，上、下板之间通过若干均布的加劲肋连接，加劲肋为梯形；上板上设有球铰卡槽，下板为凹槽型。

所述液压油缸的活塞顶部连接有球铰，球铰卡于上板的球铰卡槽内，液压油缸前端或后端上设有法兰，法兰上设有螺栓孔。

所述液压油缸推力器的凹槽型下板内设有复合式柔性传力垫层，复合式柔性传力垫层通过超强黏胶固定在下板上。

所述复合式柔性传力垫层由两层不同邵氏硬度的聚氨酯橡胶组成，内部为邵氏硬度10度的超柔性聚氨酯橡胶板，厚35mm，外部为邵氏硬度30度的柔性聚氨酯橡胶板，厚度为15mm，柔性聚氨酯橡胶板内设有经纬线。

本发明的内部超柔性聚氨酯橡胶板非常柔软，对于荷载均布加载起关键性作用，外部的柔性聚氨酯橡胶板内包含一层经纬线，可承受超过5MPa的高压，且限制高压条件下内部超柔性橡胶层变形外溢现象。