[发明专利]一种大型三维物理模型动力扰动试验系统及方法

说明书

一种大型三维物理模型动力扰动试验系统及方法，系统包括底座、防变形预应力加载框架组件、载荷施加组件、模型试样制备与运送组件及液压加载系统组件；防变形预应力加载框架组件及模型试样制备与运送组件均设置在底座上，载荷施加组件设置在防变形预应力加载框架组件上，载荷施加组件与液压加载系统组件相连，通过载荷施加组件与液压加载系统组件配合，对模型试样进行多面多点协同控制下的动力扰动。本发明具备多面多点协同控制下的大型三维物理模型动力扰动能力，采用了全新设计的框架结构，能够有效控制加载过程中试验设备的自身变形，提高试验数据可信度；首次配备了人工模型试样的制备及运送机构，满足人工模型试样在制备阶段的精度检测。

技术领域

本发明属于大型三维物理模型试验技术领域，特别是涉及一种大型三维物理模型动力扰动试验系统及方法。

背景技术

大型三维物理模型试验以相似理论为基础，通过配置与工程岩体性质相似的人工模型材料，开展不同边界加载条件下的开凿及监测试验，可有效揭示岩体在人类工程活动影响下的变形破裂演化机理。

目前，大型三维物理模型试验已得到较为广泛的应用，但是，随着地下工程建设与资源开采不断向深部进军，深部洞室群的体量和复杂程度也在不断提高，在科学研究和工程应用中，对大型三维物理模型试验的技术要求也越来越高。

在岩土工程、水利水电及矿山开采等领域，深部岩体除了要经历开挖卸荷扰动之外，还会不断地受到不同频率的外部动荷载影响，如机械振动及爆破振动等；经研究表明，外部动力扰动是诱发岩爆等深部工程地质灾害发生的重要因素，研究外部动力扰动对深部岩体灾害的诱发机制及防控措施具有重要的意义。

目前，针对岩体动态加载模式下力学特性和破坏行为的研究，一种研究思路是基于单轴或常规三轴试验开展，也有学者开展了真三向应力条件下低频扰动与高速冲击型试验机的研发工作；另一种研究思路是基于霍普金森杆技术的岩石高应变率冲击试验，也已经可以开展围压和轴压共同作用下岩石试样的高应变率冲击试验，但这些研究均是针对于室内小尺寸岩石试样开展的，试样尺寸仅为50mm×50mm×100mm或φ50mm×100mm。而在米级尺度的相似材料三维物理模型试验领域，尚无具备可模拟外部动力扰动的试验系统。由于深部工程岩体在开挖卸荷过程中，首先要经历一个自身应力状态重新调整的过程，同时还要受到机械振动及爆破振动等动力扰动作用，想要完整的模拟这个过程，小尺寸岩石力学试验是无法完成的，因此亟需借助大型三维物理模型试验来开展。

另外，随着人工模型尺寸和试验机加载吨位的不断提高，特别是人工模型材料强度的不断提高，现有的三维物理模型试验机的反力框架结构，已经无法有效地控制加载过程中试验机自身的变形；同时，由于人工模型的制备和加载是在同一个箱体中开展的，导致人工模型的制备精度无法检测。

因此，研发一套能够面向深部工程岩体力学问题的大型深部洞室群三维物理模型动力扰动试验系统及方法已势在必行。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种大型三维物理模型动力扰动试验系统及方法，首次具备了多面多点协同控制下的动力扰动能力，并且采用了全新设计的预应力框架结构，能够有效控制加载过程中试验设备的自身变形，提高试验数据可信度；首次配备了人工模型试样的制备及运送机构，将人工模型试样的制备区域和加载区域有效分离，满足人工模型试样在制备阶段的精度检测，避免人工模型试样因制备精度不足导致对试验数据的影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种大型三维物理模型动力扰动试验系统，包括底座、防变形预应力加载框架组件、载荷施加组件、模型试样制备与运送组件及液压加载系统组件；所述防变形预应力加载框架组件及模型试样制备与运送组件均设置在底座上，所述载荷施加组件设置在防变形预应力加载框架组件上，所述载荷施加组件与液压加载系统组件相连，通过载荷施加组件与液压加载系统组件配合，对模型试样进行多面多点协同控制下的动力扰动。