智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，包括组合式台架反力装置，超高压真三维非均匀加卸载装置，智能液压加卸载与稳压数控系统、模型位移自动测试系统和高清多探头窥视系统；超高压真三维非均匀加卸载装置设置于组合式台架反力装置内对试验模型进行超高压真三维加卸载，智能液压加卸载与稳压数控系统通过高压油管与所述超高压真三维非均匀加卸载装置连接；通过智能液压加卸载与稳压数控系统的输入指令数字伺服控制所述的超高压真三维非均匀加卸载装置进行超高压真三维梯度非均匀加卸载与稳压控制；模型位移自动测试系统自动采集模型内部任意部位的位移；所述的高清多探头窥视系统实时动态观测洞室开挖变形破坏过程。本发明专利技术具有反力装置尺寸大且可调、伺服控制加载、加荷量值大、加载精度高、稳压性能好、非均匀加载等优势，其规模和性能为国内外首创，能够精细模拟复杂环境条件下深部洞室开挖非连续变形破坏过程，并自动测试获得洞室围岩位移、应力、应变等多物理场演化的准确信息。本发明专利技术在模拟能源、交通、水电和矿山等深部地下工程的非线性变形破坏机理方面具有重要应用前景。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统
本专利技术涉及一种在水电、交通、能源、矿山和国防等深部地下洞室工程领域使用的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统。
技术介绍
随着全球经济的迅速发展，地球浅部矿物资源逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部，同时人类生存发展需求和对未知世界的探索也不断拓展着地下活动空间。目前中国许多在建和即将新建的地下工程不断进入深部，如，交通隧洞、矿山巷道、水电洞室、油气储库等都逐渐向千米和数千米深度发展。随着地下工程开挖深度的不断增加，深部洞室围岩的地质赋存环境越来越复杂，在高地应力、高渗透压力、高地温和开挖扰动的“三高一扰”条件下，深部洞室出现与浅埋洞室显著不同的非线性变形破坏现象，如：大变形、分区破裂、岩爆、突水突泥、煤与瓦斯突出等灾害事故，常常造成重大人员伤亡与经济损失和恶劣的社会影响。浅部岩体的传统理论、方法和技术已无法解决深部岩体的非线性破坏问题，亟需对深部洞室围岩的非线性变形特征与破坏机理进行深入研究。然而，面对深部洞室复杂的非线性变形破坏现象，传统理论方法难以胜任，数值模拟困难重重，现场原位试验条件受限且费用昂贵，相比之下，地质力学模型试验以其形象、直观、真实的特性成为研究深部洞室非线性变形破坏规律的重要手段。与MTS只能研究小尺寸岩芯试件的力学特性不同，地质力学模型试验是根据相似原理采用缩尺地质模型来研究工程施工与变形破坏过程的一种物理模拟方法。地质力学模型试验能为数值模拟提供补充和验证，可以精细模拟地下洞室开挖非线性变形破坏过程和洞群体系的整体安全度，对于发现新现象、揭示新机理、探索新规律和验证新理论，具有不可替代的重要作用。要开展地下工程模型试验，就必须拥有地质力学模型试验系统，目前有关地质力学模型试验系统的研究现状如下：(1)《InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences》2007年44期介绍了一种模拟矿山开采的三维模型试验系统，但无法实施真三维非均匀加卸载。(2)《TunnellingandUndergroundSpaceTechnology》2008年23期介绍了一种模拟砂土管棚施工的地质力学模型试验系统，该系统只能实施自重应力加载，无法实现真三维非均匀加卸载。(3)《InternationalJournalofEngineeringGeology》2011年121期介绍了一种PFESA(PhysicallyFiniteElementalSlabAssemblage)模型试验系统，该系统只能进行平面应力均匀加载，无法实现真三维非均匀加卸载。(4)《InternationalJournalofRockMechanics&MiningSciences》2011年48期介绍了一种准三维地质力学模型试验系统，系统单面最大工作压力为300KN，可模拟平面应变状态，但无法实现真三维非均匀加卸载。(5)《TunnellingandUndergroundSpaceTechnology》2015年第50期介绍了一种平面应力试验装置，装置只能竖向自重加载，无法实现真三维非均匀加卸载。(6)《InternationalJournalofEngineeringGeology》2015年197期介绍了一种模型试验系统，系统通过模型体中内置的气囊施加气压，模型体周围采用被动约束，无法实现真三维非均匀加卸载。(7)《武汉水力电力大学学报》1992年第5期介绍了一种平面应力加载系统，由气泵控制压力逐级加载或卸载，该系统只能进行平面加载，无法实现真三维非均匀加卸载。(8)《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试验装置，由上、下盖板、三角形分配块和3套互相垂直正交的拉杆系统组成，该装置加载试件尺寸较小且无法实现高地应力非均匀加卸载。(9)《水利学报》2002第5期介绍了一种离散化多主应力面加载试验系统，加载系统主要由高压气囊、反推力板、限位千斤顶和空气压缩机组成，加载系统无法实现高地应力真三维非均匀加卸载。(10)《土木工程学报》2005年第12期介绍了一种岩土地质力学模型试验系统，主要由台架反力装置、变荷加载板、液压加载控制试验台组成，该系统只能进行平面应变加载且加载荷载值有限，无法实施深部洞室真三维加卸载。总的来看，目前国内外地质力学模型试验系统普遍存在如下问题：1)模型试验系统的加载反力装置尺寸固定，不能根据试验模型范围任意调整；2)模型试验系统多以平面、准三维、小尺寸和均匀加载为主，无法实施真三维非均匀加卸载过程；3)模型试验系统加荷量值小，无法通过超高压加载真实模拟深部岩体的高应力分布状态；4)模型试验系统无法自动采集模型内部任意部位的位移。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术的不足，提供一种数字伺服控制、加荷量值大、加载精度高、稳压性能好、装置尺寸大且可调、可模拟超高压非均匀加卸载与稳压过程，并直接观察洞室开挖变形破坏过程的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：一种智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，包括组合式台架反力装置，超高压真三维非均匀加卸载装置，智能液压加卸载与稳压数控系统、模型位移自动测试系统和高清多探头窥视系统；所述组合式台架反力装置采用可拆卸的盒式构件连接组合而成，其尺寸可调，该装置用于容纳试验模型并作为试验加载的反力装置，所述超高压真三维非均匀加卸载装置设置于组合式台架反力装置内对试验模型进行超高压真三维加卸载，所述智能液压加卸载与稳压数控系统通过高压油管与所述超高压真三维非均匀加卸载装置连接；通过所述的智能液压加卸载与稳压数控系统的输入指令数字伺服控制所述的超高压真三维非均匀加卸载装置进行超高压真三维梯度非均匀加卸载与稳压控制；所述的模型位移自动测试系统自动采集模型内部任意部位的位移；所述的高清多探头窥视系统实时动态观测洞室开挖变形破坏过程。进一步的，所述的组合式台架反力装置采用可拆卸的盒式构件连接组合而成，包括盒式底梁、盒式顶梁、盒式左立柱、盒式右立柱、盒式前反力墙构件、盒式后反力墙构件；所述的盒式底梁、盒式顶梁上下分布，通过盒式左、右立柱相连，形成一个矩形框架结构，矩形框架的前后设有盒式前反力墙构件和盒式后反力墙构件，整个组合式台架反力装置通过连接装置组合而成。进一步的，在所述的盒式前反力墙中部设置了透明开挖窗口，所述的透明开挖窗口主要由高强钢骨架和钢化玻璃面板组成，在钢化玻璃面板中央设置了洞室开挖窗口。进一步的，所述的超高压真三维非均匀加卸载装置包含多个加载单元，分别固定在组合式台架反力装置的上、下、左、右、后五个面上进行主动真三维加载，模型正面采用位移约束的被动加载方式。进一步的，所述的加载单元有33个，其被分成8组，其中模型顶部设置的6个加载单元为第1组，模型底部设置的6个加载单元为第2组，模型左右两面分别设置6个加载单元，从上往下被分成3组，每组包含4个加载单元；模型后面设置9个加载单元，从上往下被分成3组，每组包含3个加载单元。进一步的，8组加载单元分别由智能液压加卸载与稳压数控系统控制的8个油路通道进行独立、同步超高压梯度非均匀加卸载。进一步的，每本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，包括组合式台架反力装置，超高压真三维非均匀加卸载装置，智能液压加卸载与稳压数控系统、模型位移自动测试系统和高清多探头窥视系统；所述超高压真三维非均匀加卸载装置设置于组合式台架反力装置内对试验模型进行超高压真三维加卸载，所述智能液压加卸载与稳压数控系统通过高压油管与所述超高压真三维非均匀加卸载装置连接；通过所述的智能液压加卸载与稳压数控系统输入的加卸载指令数字伺服控制所述的超高压真三维非均匀加卸载装置进行超高压真三维梯度非均匀加卸载与稳压控制；所述的模型位移自动测试系统自动采集模型内部任意部位的位移；所述的高清多探头窥视系统实时动态观测洞室开挖变形破坏过程。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，包括组合式台架反力装置，超高压真三维非均匀加卸载装置，智能液压加卸载与稳压数控系统、模型位移自动测试系统和高清多探头窥视系统；所述超高压真三维非均匀加卸载装置设置于组合式台架反力装置内对试验模型进行超高压真三维加卸载，所述智能液压加卸载与稳压数控系统通过高压油管与所述超高压真三维非均匀加卸载装置连接；通过所述的智能液压加卸载与稳压数控系统输入的加卸载指令数字伺服控制所述的超高压真三维非均匀加卸载装置进行超高压真三维梯度非均匀加卸载与稳压控制；所述的模型位移自动测试系统自动采集模型内部任意部位的位移；所述的高清多探头窥视系统实时动态观测洞室开挖变形破坏过程。2.如权利要求1所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，所述的组合式台架反力装置采用可拆卸的盒式构件连接组合而成，其尺寸可调，主要用于容纳试验模型并作为试验加载的反力装置。所述的组合式台架反力装置包括盒式底梁、盒式顶梁、盒式左立柱、盒式右立柱、盒式前反力墙构件、盒式后反力墙构件；所述的盒式底梁、盒式顶梁上下分布，通过盒式左、右立柱相连，形成一个矩形框架结构，矩形框架的前后设有盒式前反力墙构件和盒式后反力墙构件，整个组合式台架反力装置通过盒式构件连接组合而成。3.如权利要求2所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，在所述的前反力墙中部设置了透明开挖窗口，所述的透明开挖窗口主要由高强钢骨架和钢化玻璃面板组成，在钢化玻璃面板中央设置了洞室开挖窗口。4.如权利要求1所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，所述的超高压真三维非均匀加卸载装置包含多个加载单元，分别固定在组合式台架反力装置的上、下、左、右、后五个面上进行主动真三维加载，模型正面采用位移约束的被动加载方式。5.如权利要求4所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，所述的加载单元有33个，其被分成8组，其中模型顶部设置的6个加载单元为第1组，模型底部设置的6个加载单元为第2组，模型左右两面分别设置6个加载单元，从上往下被分成3组，每组包含4个加载单元；模型后面设置9个加载单元，从上往下被分成3组，每组包含3个加载单元。6.如权利要求5所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，8组加载单元分别由智能液压加卸载与稳压数控系统控制的8个油路通道进行独立、同步非均匀加卸载与稳压控制。7.如权利要求5所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，每个加载单元包含1个液压千斤顶和1个台形传力加载模块；台形传力加载模块的底部紧贴模型表面的加载钢板，台形传力加载模块的顶部采用连接装置与液压千斤顶前端相连，液压千斤顶的后端通过连接装置连接在组合式台架反力装置的内壁上；利用台形传力加载模块和组合式台架反力装置可将液压千斤顶的荷载均匀施加到试验模型体上。8.如权利要求1所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，紧靠试验模型外面设置了三维加载导向框装置，三维加载导向框装置由不锈钢方管焊接而成；加载前，模型加载钢板紧贴试验模型表面并嵌入导向框装置内一定深度。9.如权利要求1所述的智能数控超高压真三维非均匀加卸载与稳压模型试验系统，其特征在于，所述的智能液压加卸载与稳压数控系统主要由可视化人机交互系统、PLC液压数控系...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强勇，李术才，刘传成，吴冬，向文，张岳，任明洋，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37