專利名稱：適用于地質力學模型試驗的柔性均布壓力加載裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種加載裝置，尤其是一種適用于地質力學模型試驗的柔性均布壓 力加載裝置。
背景技術：
地質力學模型試驗有利于在復雜的試驗過程中突出主要矛盾，便于把握、發現 現象的內在聯系。在國外，以弗曼格林為首的專家在意大利結構模型試驗所開創了工程 地質力學模型試驗技術。隨后，美國、德國、法國、英國和日本等國也開展了大量模型 試驗研究。在國內，清華大學、總參工程兵科研三所、山東大學等眾多科研院所，先后 對國內許多大型工程項目進行了地質力學模型試驗研究。模型邊界加載技術是地質力學模型試驗中的一項關健技術，因為它直接關系到 模型邊界加載效果和精度，對模型試驗加載地應力能否真實模擬工程實際受力狀態起著 至關重要的作用，也直接影響模型體內所形成的應力(應變)場的均勻程度和實驗結果 的真實性。為保證試驗結果準確性，真實模擬原始地應力的試驗加載條件尤為重要，因 此，保證模型中產生均勻應力場，盡量減小模型表面不均勻應力場的范圍和深度對模型 試驗結果十分重要。從現有模型加載技術看，模型表面荷載的施加主要有三種方式
(1)液壓油缸通過剛性推力器加載，剛性推力器可為三角形分布塊或梯形分布塊。 該方法具有加載荷載大、行程大、容易操控等特點，但加載壓力均勻性偏差較大，導致 模型內應變場均勻性很差，很難如實反映工程受力狀態。特別由于模型中間洞室的開 挖，導致模型邊界變形必然不均勻，該方法加載使得邊界荷載的不均勻性更加明顯，同 時也不利于解決加載壓頭與邊界橫向變形的同步，所以模型邊界加載精度低。(2)采用傳統的液壓橡膠囊加載，可實現對模型表面的柔性均勻加載，特別是 當模型表面產生不均勻變形時仍能進行均勻加載。但由于加載荷載強度偏低，行程小， 無法滿足模型較大變形和較高強度的要求，達不到深部開采試驗的高應力加載要求；再 者，其制作麻煩，使用壽命短，一般只能滿足一次試驗需要。(3)以上兩種方式在試驗精度要求不高的情況下也能解決一些工程問題。 隨著工程規模的逐漸擴大，要求精度不斷提高，這兩種加載方式日益暴露出其存在 的弊端。為解決上述問題，總參工程兵科研三所設計了活塞式均布壓力加載器(ZL 02213775.0)，既可在模型上加均布荷載，又解決了模型試驗中柔性傳力均勻加載難 題。但活塞式均布壓力加載器結構比較復雜，加工制造精度要求高，價格也相對偏高。綜合分析上述單位的模型試驗加載系統，主要存在以下不足之處
1.多數加載系統實際上都是液壓油缸+推力器的剛性加載系統，荷載偏差較大，容 易引起應力集中，不能達到模型表面荷載均勻分布的目的。
2.液壓囊加載由于具有行程小、易漏油、耐久性差、只能單向加載、不易在其 上穿孔布線等缺點，無法滿足大型模型試驗的需要。3.活塞式均布壓力加載器結構復雜，價格偏高，也不利于模型內埋設測線的引
出ο4.多數油缸加載方式為油缸+推力器的形式，需要預留較大的加載空間，對于 加載空間有限的情況適應性差。
發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種均布加載性能高、組裝 靈活、操作簡單、耐久性好的適用于地質力學模型試驗的柔性均布壓力加載裝置。為實現上述目的，本發明采用下述技術方案
一種適用于地質力學模型試驗的柔性均布壓力加載裝置，包括液壓油缸推力器，液 壓油缸推力器上端通過球鉸與液壓油缸相連，液壓油缸推力器底部設有柔性傳力墊層。所述液壓油缸推力器包括上板和下板，上、下板之間通過若干均布的加勁肋連 接，加勁肋為梯形；上板上設有球鉸卡槽。所述液壓油缸的活塞頂部連接有球鉸，球鉸卡于上板的球鉸卡槽內，液壓油缸 前端或后端上設有法蘭，法蘭上設有螺栓孔。所述液壓油缸推力器底部設有柔性傳力墊層，柔性傳力墊層通過超強黏膠固定 在下板上。所述柔性傳力墊層為邵氏硬度20度的柔性聚氨酯橡膠板，柔性聚氨酯橡膠板厚 度為50mm，外部包裹一層橡膠約束層，橡膠約束層內設有柔軟鋼絲經緯網。本發明的橡膠約束層內包含一層鋼絲網，可限制高壓條件下柔性橡膠層變形外 溢現象。該加載系統可施加的最大荷載為50t，模型表面可達到的最大荷載集度為 4.5MPa,荷載集度偏差55%，模型表面應力不均勻深度小于100mm。本發明能給模型表 面柔性均勻加載，大大提高加載精度，可廣泛應用于各種地質力學模型試驗加載。本發明具有以下優點
1.該裝置可實現對模型表面的柔性均布壓力加載，柔性傳力墊層性能優越，施 加的荷載集度大，可達4.5MPa，荷載集度偏差低于5%，模型表面應力不均勻深度小于 IOOmm02.配合液壓站和液壓自動控制系統，可較好的模擬工程地質的原始受力條件， 實現模型表面應力的精確控制，加載偏差士O.lMPa。3.該裝置組裝靈活，操作方便，單個加載單元尺寸合理，可根據需要加工不同 尺寸的加載單元；同時可進行不同的排列方式組合，實現梯度加載。4.將液壓油缸、球鉸、推力器、柔性傳力墊層有機的融合在一起，通過球鉸的 調整，推力器的加載方向可根據模型表面的傾斜方向調整，均布加載效果更好。5.可將加載油缸前法蘭固定于反力架上，通過活塞桿穿過鋼板出力，壓縮了加 載空間，節省材料，適應性更強。也可通過后法蘭方便的將加載裝置安裝在模型反力框架上
6.整套加載裝置結構簡單，加工方便，易于維修，容易實現精確控制荷載，且 使用壽命長，容易穿孔將模型內的測線引出。
圖1是本發明剖面結構示意圖； 圖2是本發明俯視其中1、柔性橡膠層，2、上板，3、球鉸卡槽，4、螺栓孔，5出油口，6、液壓油 缸，7、進油口，8、橡膠約束層，9、下板，10、加勁肋，11、球鉸，12、法蘭，13、油 缸活塞，14、密封圈，15、液壓油缸推力器，16、柔性傳力墊層。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。如圖1、圖2所示，本發明為一種適用于地質力學模型試驗的柔性均布壓力加載 裝置，包括液壓油缸6、球鉸11、液壓油缸推力器15和柔性傳力墊層16，液壓油缸推力 器15上端通過球鉸11連接液壓油缸6，底部設有一層柔性傳力墊層16。推力器15包括上板2和下板9，上、下板之間通過若干均布的梯形加勁肋10連 接，上板2上部設有球鉸卡槽3，液壓油缸推力器15通過球鉸卡槽3與液壓油缸6的油缸 活塞13端部的球鉸11相連，這種連接方式保證不加載時液壓油缸推力器15與液壓油缸 活塞13連接在一起，同時又保證在加載時液壓油缸推力器15可微調。柔性傳力墊層16通過超強黏膠固定在下板9上，柔性傳力墊層16包括設置于液 壓油缸推力器15底部下板9上的柔性橡膠層1和外部包裹的一層橡膠約束層8，橡膠約束 層8內設有一層鋼絲經緯網，鋼絲經緯網可限制高壓條件下柔性橡膠層變形外溢現象。 柔性橡膠層1為邵氏硬度20度的柔性聚氨酯橡膠板，柔性聚氨酯橡膠板厚度為50mm，
液壓油缸6的活塞桿13與缸體之間設有密封圈14，防止液壓油滲漏。缸體的前后端 分別設有進油口 7和出油口 5。液壓油缸6的活塞頂部連接有球鉸11，球鉸11卡于上板 2的球鉸卡槽3內，液壓油缸6前端或后端上設有法蘭12，法蘭12上設有螺栓孔4。本發明工作原理配合液壓站和液壓自動控制系統，液壓自動控制系統控制液 壓油由進油口7進入圖1所示液壓油缸底部腔體，隨著壓力的增大，上部腔體中的液壓油 由出油孔5排出腔體，油缸活塞13隨之向前推進，并通過球鉸11和液壓油缸推力器15傳 遞到由超柔性橡膠層1和橡膠約束層8組成的柔性傳力墊層16上，球鉸11可根據模型表 面的傾斜程度對加載方向進行微調，最后由柔性傳力墊層將作用力傳遞給加載對象。通 過調節進出油的壓力來調整加載系統作用在物體上的壓力。該加載系統可施加的最大荷載為50t，模型表面可達到的最大荷載集度為 4.5MPa,荷載集度偏差55%，模型表面應力不均勻深度小于100mm。本發明可廣泛應用 于各種地質力學模型試驗加載。
權利要求
1.一種適用于地質力學模型試驗的柔性均布壓力加載裝置，其特征在于包括液壓 油缸推力器，液壓油缸推力器上端通過球鉸與液壓油缸相連，液壓油缸推力器底部設有 柔性傳力墊層。
2.根據權利要求1所述的適用于地質力學模型試驗的柔性均布壓力加載裝置，其特 征在于所述液壓油缸推力器包括上板和下板，上、下板之間通過若干均布的加勁肋連 接，加勁肋為梯形；上板上設有球鉸卡槽。
3.根據權利要求1所述的適用于地質力學模型試驗的柔性均布壓力加載裝置，其特征 在于所述液壓油缸的活塞頂部連接有球鉸，球鉸卡于上板的球鉸卡槽內，液壓油缸前 端或后端上設有法蘭，法蘭上設有螺栓孔。
4.根據權利要求1所述的適用于地質力學模型試驗的柔性均布壓力加載裝置，其特征 在于所述液壓油缸推力器底部設有柔性傳力墊層，柔性傳力墊層通過超強黏膠固定在 下板上。
5.根據權利要求4所述的適用于地質力學模型試驗的柔性均布壓力加載裝置，其特征 在于所述柔性傳力墊層為邵氏硬度20度的柔性聚氨酯橡膠板，柔性聚氨酯橡膠板厚度 為50mm，外部包裹一層橡膠約束層，橡膠約束層內設有柔軟鋼絲經緯網。
全文摘要
本發明涉及一種適用于地質力學模型試驗的柔性均布壓力加載裝置，包括液壓油缸推力器，液壓油缸推力器上端通過球鉸與液壓油缸相連，液壓油缸推力器底部設有柔性傳力墊層。該加載裝置可通過液壓油缸的前置法蘭或后置法蘭與反力架連接，可施加的最大荷載為50t，模型表面的最大荷載集度為最大為4.5MPa，荷載集度偏差≤5%，模型表面應力不均勻深度小于100mm。本發明可實現對模型表面的柔性均布壓力加載；結構簡單、組裝靈活，操作方便，單個加載單元尺寸合理，液壓油缸配合液壓站和液壓自動控制系統可實現加載和卸載；同時多個加載裝置可進行不同排列方式組合，實現梯度加載。本發明將液壓油缸、球鉸、推力器、柔性傳力墊層有機的融合在一起，均布加載效果更好。
文檔編號G01N3/12GK102012337SQ20101058946
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月15日 優先權日2010年12月15日
發明者張慶松, 李為騰, 李智, 李術才, 王漢鵬, 王 琦 申請人:山東大學