[发明专利]组合可调式约束混凝拱架大型力学试验系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种组合可调式约束混凝拱架大型力学试验系统，属于地下工程支护材料力学试验领域。

背景技术

随着我国经济社会的发展，地下矿井、隧道、地铁、水电硐室等修建越来越多，随之面临的支护问题也越来越突出。尤其是当埋深、断面设计较大，或是处于某些软弱地层之中时，围岩松散破碎，开挖后围岩自稳时间短，而传统的锚杆、喷射混凝土或钢拱架，不能及时提供足够的初期支护抗力，而造成围岩变形严重甚至坍塌破坏，因此，为了维持围岩稳定，必须寻求一种高强的拱架，以保证地下矿井、隧道在开挖后短时间内给围岩提供强有力的支护。

地下矿井、隧道初期支护技术通常采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢拱架等单一或组合的结构形式。而在一些围岩应力非常高或是地质条件极为复杂的地下矿井、隧道中，传统拱架出现失稳破坏也是屡见不鲜，其支护强度也面临着新的考验与挑战。而约束混凝土拱架的承载能力，是相同重量U型拱架的2～3倍，强度好，经济性好，支护速度快，非常适用于深井大变形巷道、破坏后的修复巷道、膨胀软岩大变形巷道、动压大变形巷道、破碎围岩巷道等难支护巷道。为了能够明确、定量掌握约束混凝土拱架等地下工程支护拱架的极限承载力及主要力学行为，非常有必要针对不同形状的约束混凝土拱架进行力学试验。

目前，这种试验台架装置系统模型很少，综合分析该系统，还存在以下不足之处：

1.尺寸太小，无法实现1:1大型试验或大比尺模拟试验，需要将现场使用的支护构架按照一定比尺缩小，加工试验专用拱架才行，不能直接进行试验，使得试验过程更加复杂，试验精度降低，同时成本增加。

2.模型装置仅能满足一种形状的拱架试验，不能满足拱架形状多样化的要求；

3.模型试验装置能够进行试验的拱架尺寸有固定要求，不能随意变动，更不能直接对现场使用的拱架进行试验；

4.大部分加载系统无法实现柔性加载的效果，使得传力压头与拱架表面形成刚性接触，甚至在发生变形之后产生线接触或者点接触，造成拱架因应力集中而导致失效，对试验准确度有较大影响。

总体来说，对于日益复杂的深部或软岩巷道、隧道、硐室等地下工程而言，现有的试验台架装置系统仍然存在一定的问题，不能实现尺寸大、不同形状、荷载高、液压测控精度高、监测采集准确等特点，因此，需要一种新型的组合可调式约束混凝拱架大型力学试验系统来解决以上存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种组合可调式约束混凝拱架大型力学试验系统。通过该试验系统开展相关试验，能够明确、定量掌握约束混凝土拱架等地下工程支护拱架的极限承载力及主要力学行为，可直观准确的验证理论，真实有效的反映现场，直观、深入分析拱架的变形、失稳、破坏机理，为进行大尺寸硐室拱架力学试验提供了有效手段。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

组合可调式约束混凝拱架大型力学试验系统，包括监测采集拱架参数数据的监测系统、中空圆柱状的反力结构、液压式加载装置、辅助加载装置，反力结构的内侧圆柱面上分布有多个油缸定位孔，油缸定位孔内固定着液压式加载装置，液压式加载装置包括油缸定位孔内的液压油缸、与液压油缸连接的传力分散装置和控制系统，液压油缸通过传力分散装置与待测拱架接触实现加载。

所述的反力结构为钢板包覆混凝土的结构，反力结构呈圆环形，内径7-10米，外径10-15米。尺寸大（反力结构外径可以达到15m），强度、刚度高（可提供超过2400t的反力），稳定性好，可实现矿山巷道拱架1：1力学试验及其他大型硐室的大比尺模拟试验，同时可以通过组合模块的装配，为不同形状的拱架试验提供反力。

所述的液压油缸分两组，通过控制系统实现异步运动同步加载。液压油缸优选12条，每组6条，极限推力为100t，行程500mm，通过放置垫块可以进行不同尺寸的约束混凝土拱架试验。控制系统包括液压泵站和自动化测控系统，液压泵站系统最大压力20MPa，液压泵站及自动化测控系统可以实现对2组共12条油缸进行梯度加载-保载-加载控制，每组内油缸通过比例控制，实现异步运动同步加载。所述的自动化测控系统由数据采集、处理、计算机控制、显示系统等组成，可实现高速采样，实时显示试验力、峰值，可设置不同阶段的加载速度、保持目标和保持时间，可根据需要输出并绘制各种试验曲线。