一種完全平面應變并可施加梯度應力的相似試驗系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種完全平面應變并可施加梯度應力的相似試驗系統，整個試驗系統由多個組合模塊、可拆卸組合模塊、水平梯度應力伺服控制系統、豎向應力伺服控制系統、連接頂升控制系統、數據采集控制系統組成。本發明可以為城市地下工程和采礦工程提供更加符合實際的試驗條件，該試驗系統能夠通過兩側模塊隨巖體自由滑動并限制垂直模型方向的移動來實現平面應變相似試驗。并能夠通過豎向應力伺服控制系統補償深部地質條件下的上部壓力，通過水平梯度應力伺服控制系統施加水平梯度應力。此試驗系統試驗條件與實際工程條件能夠很好的吻合，試驗所得結果更加真實可靠，可科學合理的指導設計與施工，為巖土工程穩定性研究提供科學的試驗條件。
【專利說明】一種完全平面應變并可施加梯度應力的相似試驗系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及煤礦、(非)金屬礦山、城市地鐵工程、鐵路和高速公路隧道工程、邊坡工程、尤其是深部開采的煤礦及其他礦山。按國際發明分類表(IPC)劃分屬于建筑物部，土層或巖層開采分部，礦山、隧道與邊坡等巖土工程開采的試驗系統，邊坡與隧道圍壓穩定性、城市地鐵施工安全性、深部礦山開采巷道穩定性以及開采頂板垮落規律和災害研究的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]為了礦山的安全高效開采和對礦體開采頂板垮落規律與災害機理的研究，為了確保重要的基建和市政工程的安全，提供科學設計和施工依據的需要，必須根據地質條件開展礦體開采過程的相似試驗研究和重要基建市政工程施工模擬的相似試驗研究。
[0003]深部巷道、地鐵、隧道以及邊坡等的相似試驗一般都是取出一些重要的橫斷面進行研究，按力學理論分析這些橫斷面應歸屬于平面應變狀態，故對其進行相似試驗也要滿足平面應變的條件。
[0004]而目前所有的相似試驗裝置并不是完全平面應變試驗裝置，原因在于沒有限制垂直橫斷面方向應變，實質上是平面應力試驗裝置，也有采用擋板將垂直橫斷面方向的應變限制，但是同時由于擋板與模型之間存在較大摩擦約束了模型在橫斷面平面內的應變，也不符合平面應變變形條件。并且目前相似試驗是在沒有考慮水平梯度應力的情況下進行的，這些都與實際工程的受力狀態不符，且隨著地下工程深度的增加水平應力的影響很顯著，不能再忽略。因而，開發研制一種完全平面應變并考慮水平梯度應力的相似試驗系統很有必要，可精確的分析研究深部采礦、地鐵、隧道、邊坡等工程穩定性和災害機理問題，為設計和施工提供科學依據。
【發明內容】
[0005]為了準確揭示地下工程修建和礦山開采等巖土工程的穩定性，本發明提供一種完全平面應變并可考慮水平應力的梯度變化試驗系統。該系統能夠實現完全平面應變相似試驗，考慮水平構造應力的梯度變化，并有豎向應力伺服控制系統，不僅能對淺部工程進行試驗，而且也能滿足深部巖土工程試驗的要求。該系統提供的實驗條件更加符合實際工程受力狀態，結果更加真實可靠。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0007]整個試驗系統由多個組合模塊3、可拆卸組合模塊2、水平梯度應力伺服控制系統、豎向應力伺服控制系統、連接頂升控制系統、數據采集控制系統組成。本發明的有益效果是:
[0008]本發明可以為城市地下工程和采礦工程提供更加符合實際的試驗條件，該試驗系統能夠通過兩側模塊隨巖體自由滑動并限制垂直模型方向的移動來實現平面應變相似試驗。并能夠通過豎向應力伺服控制系統補償深部地質條件下的上部壓力，通過水平梯度應力伺服控制系統施加水平梯度應力。此試驗系統試驗條件與實際工程條件能夠很好的吻合，試驗所得結果更加真實可靠，可科學合理的指導設計與施工，為巖土工程穩定性研究提供科學的試驗條件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]通過參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例，本發明的以上和其它方面及優點將變得更加易于清楚，在附圖中:
[0010]圖1為組合模塊I左視示意圖，圖2為組合模塊I的俯視示意圖，圖3為可拆卸組合模塊2示意圖，圖4為組合模塊3復位示意圖，圖5為組合模塊3頂升示意圖，圖6為平面應變試驗系統總體示意圖。
【具體實施方式】
[0011]在下文中，現在將參照附圖更充分地描述本發明，在附圖中示出了各種實施例。然而，本發明可以以許多不同的形式來實施，且不應該解釋為局限于在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例使得本公開將是徹底和完全的，并將本發明的范圍充分地傳達給本領域技術人員。
[0012]在下文中，將參照附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例。
[0013]參考附圖1-6，組合模塊I由部件1、部件2、部件3、部件4、部件5、部件6、部件7、部件8組成；可拆卸組合模塊2由部件1、部件2、部件4、部件5、部件6、部件7、部件8、部件9和部件10組成；組合模塊3由組合模塊I與部件11組成。
[0014]整個試驗系統由多個組合模塊3、可拆卸組合模塊2、水平梯度應力伺服控制系統、豎向應力伺服控制系統、連接頂升控制系統、數據采集控制系統組成。
[0015]本試驗系統的工作方法如下:
[0016]I)首先確定工程的研究部位，明確研究部位的地質條件、應力條件和施工工藝，根據相似理論確定模型的各相似量并選擇相似材料，平面應變試驗系統定位，接通電源開啟控制系統。
[0017]2)操縱連接頂升控制系統使千斤頂組2中第一層復位，帶動組合模塊I處于復位狀態；操縱連接頂升控制系統使千斤頂組I中第一層復位，帶動部件11處于復位狀態。組合模塊I和部件11的復位狀態如圖4所示。
[0018]3)根據擬開挖位置由可拆卸組合模塊2代替組合模塊1，操縱水平梯度應力伺服控制系統復位，此時形成模型澆筑空間澆筑相似材料，并布設壓力監測盒。
[0019]4)依次執行步驟2)和步驟3)將整個模型澆筑完畢。
[0020]5)待模型達到試驗要求時，同時等比例通過水平梯度應力伺服系統施加水平梯度應力。如需豎向應力補償也等比例通過豎向應力伺服系統施加豎向應力。讓模型達到實際受力狀態。
[0021]6)連接頂升控制系統千斤頂組I頂升，帶動部件11后移；連接頂升控制系統千斤頂組2頂升，帶動部件4后移。使組合模塊3變為圖5所示狀態。
[0022]7)拆除相應開挖部位的可拆卸模塊，按照實際開挖情況開挖模型。
[0023]8)開采引起巖體移動帶動組合模塊3中的部件I和部件3在組合模塊3中的部件2和部件11形成的平面上移動。位移量由部件8監測，壓力變化由壓力盒監測并由數據采集控制系統米集。
[0024]9)按照實際工程將開挖部位開挖完畢，關閉系統。根據獲得的數據和破壞現象進行分析研究。
[0025]10)試驗結束，規整儀器。
[0026]以上所述僅為本發明的實施例而已，并不用于限制本發明。本發明可以有各種合適的更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種完全平面應變并可施加梯度應力的相似試驗系統，其特征在于: 試驗系統由多個第三組合模塊(3)、可拆卸組合模塊(2)、水平梯度應力伺服控制系統、豎向應力伺服控制系統、連接頂升控制系統、數據采集控制系統組成。
2.如權利要求1所述的一種完全平面應變并可施加梯度應力的相似試驗系統，其特征在于: 第一組合模塊(I)由部件1、部件2、部件3、部件4、部件5、部件6、部件7、部件8組成；可拆卸組合模塊(2)由部件1、部件2、部件4、部件5、部件6、部件7、部件8、部件9和部件10組成；第三組合模塊(3)由第一組合模塊(I)與部件11組成。
3.一種使用如權利要求1或2所述的一種完全平面應變并可施加梯度應力的相似試驗系統的試驗方法，其特征在于所述方法包括如下步驟: 1)首先確定工程的研究部位，明確研究部位的地質條件、應力條件和施工工藝，根據相似理論確定模型的各相似量并選擇相似材料，平面應變試驗系統定位，接通電源開啟控制系統； 2)操縱連接頂升控制系統使第二千斤頂組中第一層復位，帶動第一組合模塊(I)處于復位狀態；操縱連接頂升控制系統使第一千斤頂組中第一層復位，帶動部件11處于復位狀態； 3)根據擬開挖位置由可拆卸組合模塊(2)代替第一組合模塊(I)，操縱水平梯度應力伺服控制系統復位，此時形成模型澆筑空間澆筑相似材料，并布設壓力監測盒； 4)依次執行步驟2)和步驟3)將整個模型澆筑完畢； 5)待模型達到試驗要求時，同時等比例通過水平梯度應力伺服系統施加水平梯度應力，如需豎向應力補償也等比例通過豎向應力伺服系統施加豎向應力，讓模型達到實際受力狀態； 6)連接頂升控制系統第一千斤頂組頂升，帶動部件11后移；連接頂升控制系統第二千斤頂組頂升，帶動部件4后移； 7)拆除相應開挖部位的可拆卸模塊，按照實際開挖情況開挖模型； 8)開采引起巖體移動帶動第三組合模塊(3)中的部件I和部件3在第三組合模塊(3)中的部件2和部件11形成的平面上移動，位移量由部件8監測，壓力變化由壓力盒監測并由數據采集控制系統采集； 9)按照實際工程將開挖部位開挖完畢，關閉系統，根據獲得的數據和破壞現象進行分析研究； 10)試驗結束，規整儀器。
【文檔編號】G01N3/08GK103760020SQ201410001118
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月2日 優先權日:2014年1月2日
【發明者】王云飛, 鄭曉娟, 王立平, 崔芳, 王利 申請人:河南理工大學