[發明專利]大噸位均布-集中式加載系統

有效

• 申請號: 201210138336.5
• 申請日: 2012-05-07
• 公開（公告）號: CN102636386A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 周輝;孟凡震;劉繼光
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種隧道、深埋水電站、深埋礦山等巖土工程地質力學模型試驗的大噸位、均布-集中式加載系統，屬于巖土工程技術領域。

背景技術

隨著中國經濟的高速發展，國家對能源、交通、國防和生存空間等的需求日益增多，許多工程建設如采礦、引水隧洞、交通隧道、核廢料處置等都面臨高埋深、高地應力等新特點，隨之產生的是一些新的地質力學現象，如硬巖巖爆、軟巖大變形、圍巖分區破裂化現象等，而對于這些不同于淺部巖石工程的現象人們對于其發生的機理還把握不清，防治效果也不甚理想，而缺少合適的試驗方法是造成認識缺乏的原因之一。由于相似材料模型實驗可以模擬巖體的初始應力場、模擬多樣的加載方式和開挖方式、再現深部巖石工程中如巖爆等破壞現象、便于量測物理量(位移、應力、應變等)的變化以及觀察材料從彈性、塑性直至破壞的全過程，因此模型實驗方法在巖土工程中獲得了廣泛的應用。由于深部巖體處于高埋深、高應力狀態，模型試驗模擬深部巖石工程，加載系統必須能提供較大的荷載才能準確模擬初始應力場，而且載荷施加過程中必須保證模型表面的受力均勻，否則試驗結果將與實際巖體受力偏差較大，對實際的地下工程施工失去了指導意義。在模型試驗的加載方式上，國內外研究者主要通過以下幾種方式：

(1)巖石力學與工程學報(2004年，第3期)設計了一種新的活塞式均布壓力加載器，9個方形小千斤頂組成一個小的方形加載單元，每個模型加載面通過布置3個加載單元施加荷載；

(2)巖石力學與工程學報(2011年，第3期)提到了一種由空氣壓縮機、空氣過濾器、調壓閥和橡膠氣囊組成的氣囊式的加載系統；

(3)巖石力學與工程學報(2010年，第1期)提到了液壓加載控制系統，每個面上通過幾個千斤頂直接作用模型表面。

上述加載系統主要存在以下缺點：

(1)活塞式均布壓力加載器中，由于加工精度和加工誤差的原因，每一個小千斤頂表面可能存在不同的起伏和粗糙度等，都會導致施加在模型表面的受力不均勻；而且出力過程中也難保證每個千斤頂出力完全相同；

(2)柔性囊加載則會存在加載行程偏小、荷載強度偏低等問題，不能滿足大荷載的加載要求；

(3)由于施加荷載必須垂直于模型表面，否則模型將受力不均衡，影響試驗結果的準確性。上文中提到的第三種加載方式也會由于小千斤頂表面的加工誤差，使千斤頂表面的平整度不同導致施加在模型表面的受力不均勻；而且每一個千斤頂由獨立的液壓系統控制，出力大小也不能保證完全相同，都會導致模型表面的受力不均勻，這與實際所受應力不符。

發明內容

為克服上述模型試驗加載系統中的缺點，本發明的目的在于提供一種先均布后集中的加載方式，即使千斤頂表面存在一定程度的加工誤差，也能保證最終作用在模型表面的荷載均勻，且可以提供大噸位的荷載。

為了實現上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的：

大噸位均布-集中式加載系統，包括固定設置在垂直支架上的液壓千斤頂群，承壓板，反力架及基座，所述基座上固定設置有導向臺架，導向臺架上開有水平通孔，水平通孔的兩個端口底部開有對稱的凹槽，凹槽中設置有均勻排列的滾珠，傳力柱活動地置于導向臺架上的水平通孔中，集力板設置在千斤頂群和傳力柱之間，集力板的下端面設置有對稱的輥軸，集力板的前端面設置有球形觸頭，球形觸頭位于傳力柱的中心線上，承壓板呈梯形狀，其底部設有輥軸，承壓板位于傳力柱的前方。

設置在垂直支架上的液壓千斤頂群為四個以上。

由于采用了以上技術方案，本發明大噸位均布-集中式加載系統的荷載由液壓千斤頂群作用在集力板上，荷載施加過程中，各個液壓千斤頂與集力板的接觸表面可能存在加工誤差，使接觸表面平整度不同，導致與之直接接觸的集力板受力不均衡，亦或集力板由于受力不均勻發生了微小的傾斜，圓形球頭的設計方法也能及時糾正，使最終通過傳力柱傳到模型表面的荷載均衡：因為高強度的球形觸頭與傳力柱表面點接觸，因此傳力柱的受力方向始終與其表面垂直，即保持水平方向，因此最后與模型接觸的承壓板和模型表面受力均保持水平方向(即與接觸面垂直)。

本發明中，圓柱形的傳力柱始終保持水平方向是荷載始終垂直于模型表面的必要條件，導向臺架不僅起到支撐傳力柱的作用，還起到導向的作用，臺架內部開一水平通孔，圓柱形傳力柱恰好可以穿過通孔，而在通孔的底部設計有兩排對稱的凹槽，凹槽中設置有均勻排列的滾珠，起到減小摩擦作用，保證傳力柱能在水平方向自由運動。

本發明具有以下優點：

(1)可提供大噸位的荷載滿足深埋高應力條件下的模型試驗的加載要求；