[发明专利]大吨位均布-集中式加载系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道、深埋水电站、深埋矿山等岩土工程地质力学模型试验的大吨位、均布-集中式加载系统，属于岩土工程技术领域。

背景技术

随着中国经济的高速发展，国家对能源、交通、国防和生存空间等的需求日益增多，许多工程建设如采矿、引水隧洞、交通隧道、核废料处置等都面临高埋深、高地应力等新特点，随之产生的是一些新的地质力学现象，如硬岩岩爆、软岩大变形、围岩分区破裂化现象等，而对于这些不同于浅部岩石工程的现象人们对于其发生的机理还把握不清，防治效果也不甚理想，而缺少合适的试验方法是造成认识缺乏的原因之一。由于相似材料模型实验可以模拟岩体的初始应力场、模拟多样的加载方式和开挖方式、再现深部岩石工程中如岩爆等破坏现象、便于量测物理量(位移、应力、应变等)的变化以及观察材料从弹性、塑性直至破坏的全过程，因此模型实验方法在岩土工程中获得了广泛的应用。由于深部岩体处于高埋深、高应力状态，模型试验模拟深部岩石工程，加载系统必须能提供较大的荷载才能准确模拟初始应力场，而且载荷施加过程中必须保证模型表面的受力均匀，否则试验结果将与实际岩体受力偏差较大，对实际的地下工程施工失去了指导意义。在模型试验的加载方式上，国内外研究者主要通过以下几种方式：

(1)岩石力学与工程学报(2004年，第3期)设计了一种新的活塞式均布压力加载器，9个方形小千斤顶组成一个小的方形加载单元，每个模型加载面通过布置3个加载单元施加荷载；

(2)岩石力学与工程学报(2011年，第3期)提到了一种由空气压缩机、空气过滤器、调压阀和橡胶气囊组成的气囊式的加载系统；

(3)岩石力学与工程学报(2010年，第1期)提到了液压加载控制系统，每个面上通过几个千斤顶直接作用模型表面。

上述加载系统主要存在以下缺点：

(1)活塞式均布压力加载器中，由于加工精度和加工误差的原因，每一个小千斤顶表面可能存在不同的起伏和粗糙度等，都会导致施加在模型表面的受力不均匀；而且出力过程中也难保证每个千斤顶出力完全相同；

(2)柔性囊加载则会存在加载行程偏小、荷载强度偏低等问题，不能满足大荷载的加载要求；

(3)由于施加荷载必须垂直于模型表面，否则模型将受力不均衡，影响试验结果的准确性。上文中提到的第三种加载方式也会由于小千斤顶表面的加工误差，使千斤顶表面的平整度不同导致施加在模型表面的受力不均匀；而且每一个千斤顶由独立的液压系统控制，出力大小也不能保证完全相同，都会导致模型表面的受力不均匀，这与实际所受应力不符。

发明内容

为克服上述模型试验加载系统中的缺点，本发明的目的在于提供一种先均布后集中的加载方式，即使千斤顶表面存在一定程度的加工误差，也能保证最终作用在模型表面的荷载均匀，且可以提供大吨位的荷载。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

大吨位均布-集中式加载系统，包括固定设置在垂直支架上的液压千斤顶群，承压板，反力架及基座，所述基座上固定设置有导向台架，导向台架上开有水平通孔，水平通孔的两个端口底部开有对称的凹槽，凹槽中设置有均匀排列的滚珠，传力柱活动地置于导向台架上的水平通孔中，集力板设置在千斤顶群和传力柱之间，集力板的下端面设置有对称的辊轴，集力板的前端面设置有球形触头，球形触头位于传力柱的中心线上，承压板呈梯形状，其底部设有辊轴，承压板位于传力柱的前方。

设置在垂直支架上的液压千斤顶群为四个以上。

由于采用了以上技术方案，本发明大吨位均布-集中式加载系统的荷载由液压千斤顶群作用在集力板上，荷载施加过程中，各个液压千斤顶与集力板的接触表面可能存在加工误差，使接触表面平整度不同，导致与之直接接触的集力板受力不均衡，亦或集力板由于受力不均匀发生了微小的倾斜，圆形球头的设计方法也能及时纠正，使最终通过传力柱传到模型表面的荷载均衡：因为高强度的球形触头与传力柱表面点接触，因此传力柱的受力方向始终与其表面垂直，即保持水平方向，因此最后与模型接触的承压板和模型表面受力均保持水平方向(即与接触面垂直)。

本发明中，圆柱形的传力柱始终保持水平方向是荷载始终垂直于模型表面的必要条件，导向台架不仅起到支撑传力柱的作用，还起到导向的作用，台架内部开一水平通孔，圆柱形传力柱恰好可以穿过通孔，而在通孔的底部设计有两排对称的凹槽，凹槽中设置有均匀排列的滚珠，起到减小摩擦作用，保证传力柱能在水平方向自由运动。

本发明具有以下优点：

(1)可提供大吨位的荷载满足深埋高应力条件下的模型试验的加载要求；