一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载系统及方法技术方案

本发明专利技术公开的一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载系统及方法，属于矿山与地下工程试验技术领域。包括相似材料模型架、机械化模板装卸系统、高精度自动开挖系统和液压伺服非均布加载系统四个部分；通过水平滑轨、竖向凹槽、凹形滑块、凸型滑块与安装搭扣相配合，实现模型铺设挡板的快速装卸；通过液压控制系统对液压泵与液压缸的独立控制，实现非均布液压伺服加载功能；通过激光扫描设备、纵横电动滑轨、升降钻机和高精度钻头的协同工作，实现对相似模型的高精度、自动化开挖。本发明专利技术在实现模板快速装卸的同时，又能实现高精度自动化开挖和非均布加载，具有结构简单、操作简便、开挖精度高和加载方式可控的优点。精度高和加载方式可控的优点。精度高和加载方式可控的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载系统及方法，适用于开展巷隧道开挖的相似材料模型实验，属于矿山与地下工程试验


技术介绍

[0002]在矿山、水利水电、隧道、国防洞室等地下工程领域，围岩变形与围岩应力始终是研究的重点难点之一。目前，使用最广泛的技术手段是现场实测，即利用各种压力与变形测量仪器通过现场测试的方式来得到围岩的变形与应力分布规律。然而，现场实测往往需要利用到大量的测量仪器，且观测时间普遍长达数月甚至数年，导致其时间成本、经济成本较大。同时由于现场实测受到各种条件限制，其测量数据精度较低，并且难以得到围岩体内部的变形与应力分布情况。考虑到以上现场实测的局限性，相似材料模型试验成为了当前研究地下工程整体稳定性方面的主流方法。
[0003]相似材料模型试验是以岩土力学和相似理论为基础，通过建立相似材料模型来观测研究难用数学描述的系统特性及原型系统与模型系统间的相似特性。通过控制试验边界条件和材料物理与力学特性，制作与实际地质环境相似的物理模型(相似材料模型)，采用现代化的试验加载方式与监测手段开展有目的、多角度的实验室试验研究，从而达到降低试验规模、节约试验成本、缩短试验周期的研究目的。在相似条件得到较好遵守的条件下，理论上可通过相似材料模型试验得到实际问题的直接答案。因此，相似材料模型试验(地质力学模型试验)可直接观测到矿山压力显现现象的全过程，得到地下工程变形至破坏的演化规律及围岩变形与支护结构的受力状态，提供具有较高价值的参考数据，从而解决目前用理论分析和数值模拟方法尚不能解决的一些工程施工与支护技术难题。
[0004]但是，目前实验室平面相似材料模型试验仍存在一些不足之处：首先，在铺设相似材料时需要使用到一定数量的挡板(模具或夹板)以固定约束相似材料成型，而这些挡板在安装过程中通常需要花费大量的人力与时间进行安装固定，且存在掉落伤人的危险性和相邻挡板安装不密实存在空隙导致相似材料冒出掉落而浪费材料的问题；其次，当前平面相似材料模型试验的加载方式基本都是采用均布荷载(在模型顶板布单个或多个设液压千斤顶装置，通过油路进行一次性加载)，其局限性在于无法真实地模拟巷(隧)道的实际受力(应力)状态，如无法模拟浅埋偏压巷(隧)道、深部急倾斜煤层偏压巷道等的非均布应力分布状态；最后，相似材料模型试验在巷(隧)道断面开挖时基本采用人工开挖成巷的方式，采用人工方式开挖的巷(隧)道往往存在断面形状不规则、表面不光滑、位置不准确的情况，同时人工开挖难以准确地控制开挖路径(如分次开挖、分段开挖等)，无法真实地模拟实际地下工程中所采用的各种施工方法。
[0005]因此，亟需研发一种简便可行、操作安全、灵活加载、精准开挖的平面相似材料模型试验开挖与加载新技术。

技术实现思路

[0006]技术问题：为实现上述技术目的，本专利技术的一一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载系统及方法，便于挡板便于安装和搬运，减少试验过程中的人力消耗，同时有效防止挡板掉落伤人。
[0007]为实现上述技术目的，本专利技术的一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载系统，其特征在于：包括用以放置相似材料模型的相似材料模型架，相似材料模型架前后两侧设有实现模型铺设挡板的快速安装与拆卸的机械化模板装卸系统，相似材料模型架内的相似材料模型上设置有液压伺服非均布加载系统，相似材料模型的前侧设有高精度自动开挖系统；
[0008]其中相似材料模型架包括工作台、左立柱、右立柱、顶部横梁、扩大底座和混凝土基础，扩大底座设置在混凝土基础上，工作台设置在扩大底座上，左立柱和右立柱垂直设置在扩大底座上且对称固定在工作台左右两侧，顶部横梁设置在左立柱和右立柱的顶部，面向工作台的底部开有滑轨开槽，机械化模板装卸系统设置在工作台前后两侧的地面上，相似材料模型根据提前制定的试验方案配置后依次分层铺设在工作台上；
[0009]机械化模板装卸系统包括多片长度不等的模型铺设挡板、水平滑轨和竖向滑槽，相似材料模型设置在工作台上，左立柱和右立柱给相似材料模型提供测方向约束，其中多片长度不等的模型铺设挡板通过固定在左立柱和右立柱之间的不同高度位置从而在相似材料模型的前面形成快速安装高低可调的挡墙，在相似材料模型的后面可以使用整块的挡板或者与前面相似的多片长度不等的模型铺设挡板进行组合，多片长度不等的模型铺设挡板通过固定在左立柱和右立柱之间的不同高度位置从而在相似材料模型的前面形成挡墙，模型铺设挡板设置在相似材料模型的前后面提供前后方向的约束，工作台下方设有滑轨开槽，面对工作台布置有水平滑轨，水平滑轨的一端铺设入滑轨开槽内，便于模型铺设挡板的运输，水平滑轨上设有多个的凹形滑块，在安装模型铺设挡板以及铺设相似材料模型时使相似材料模型在水平滑轨上滑动，减少对人力的消耗，模型铺设挡板为矩形结构，模型铺设挡板左右两侧上方左右对称设有方形开槽，方形开槽内设有圆形开孔a，模型铺设挡板左右两侧的中部对称设有金属搭扣，竖向滑槽设置在左立柱和右立柱内侧，在竖向滑槽内设有匹配的凸形滑块，凸形滑块能够在竖向滑槽内竖向自由滑动，所述凸形滑块上设有带孔方块，带孔方块上下两侧设有对称且弹力较小的弹性拨片，弹性拨片可以在一定角度内自由摆动，其不受力时张开与竖直方向成夹角，受力时向后拨动完全贴合在凸形滑块上，在弹性拨片的作用下，已经固定在左立柱和右立柱上的模型铺设挡板完全贴合在左右立柱上，而下一个安装中的模型铺设挡板与左立柱和右立柱间存在距离，从而顺利越过前一片模型铺设挡板安装在上一块模型铺设挡板的上方，安装完成后的模型铺设挡板既可以在相似材料模型铺设过程中作为模板，又可以在加载过程中作为侧向约束。
[0010]进一步，液压伺服非均布加载系统包括多个加载压板，多个加载压板平铺在摆放完毕的相似材料模型顶部，每个加载压板上均通过加载压杆设有液压油缸，加载压杆与加载压板之间采用球形连接；液压油缸通过加载压杆向加载压板施加垂直应力，通过加载压板将位移约束和垂直应力加在相似材料模型顶部，每个液压油缸分别通过管路与液压油泵连接，液压油泵通过管路连接有油罐，所有液压油泵均与液压控制系统连接并通过液压控制系统控制工作。
[0011]进一步，高精度自动开挖系统包括激光扫描设备、数据接收及处理系统、导轨控制系统、纵向电动导轨、横向电动导轨、纵向滑板、横向滑板、液压升降杆和钻机，所述激光扫描设备置于相似材料模型架前侧，其扫描范围覆盖整个相似材料模型，激光扫描设备、数据接收及处理系统和电脑通过线路依次连接，电脑通过导轨控制系统分别连接纵向滑板和横向滑板，纵向滑板和横向滑板分别安装在纵向电动导轨和横向电动导轨上，利用电脑控制纵向滑板和横向滑板分别在纵向电动导轨和横向电动导轨上滑动；所述液压升降杆与液压油泵相连受控制升降，液压升降杆上端安装有与电脑相连接的钻机，钻机上装有高精度钻头，高精度钻头正面指向相似材料模型设置。
[0012]进一步，每个金属搭扣上设有用以将使模型铺设挡板固定在左、右立柱上的固定销钉、保险销钉和方形金属环，通过固本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载系统，其特征在于：包括用以放置相似材料模型(39)的相似材料模型架，相似材料模型架前后两侧设有实现模型铺设挡板的快速安装与拆卸的机械化模板装卸系统，相似材料模型架内的相似材料模型(39)上设置有液压伺服非均布加载系统，相似材料模型(39)的前侧设有高精度自动开挖系统；其中相似材料模型架包括工作台(1)、左立柱(2)、右立柱(3)、顶部横梁(4)、扩大底座(5)和混凝土基础(6)，扩大底座(5)设置在混凝土基础(6)上，工作台(1)设置在扩大底座(5)上，左立柱(2)和右立柱(3)垂直设置在扩大底座(5)上且对称固定在工作台(1)左右两侧，顶部横梁(4)设置在左立柱(2)和右立柱(3)的顶部，面向工作台(1)的底部开有滑轨开槽(45)，机械化模板装卸系统设置在工作台(1)前后两侧的地面上，相似材料模型(39)根据提前制定的试验方案配置后依次分层铺设在工作台上(1)；机械化模板装卸系统包括多片长度不等的模型铺设挡板(8)、水平滑轨(9)和竖向滑槽(10)，相似材料模型(39)设置在工作台(1)上，左立柱(2)和右立柱(3)给相似材料模型(39)提供测方向约束，其中多片长度不等的模型铺设挡板(8)通过固定在左立柱(2)和右立柱(3)之间的不同高度位置从而在相似材料模型(39)的前面形成快速安装高低可调的挡墙，在相似材料模型(39)的后面可以使用整块的挡板或者与前面相似的多片长度不等的模型铺设挡板(8)进行组合，多片长度不等的模型铺设挡板(8)通过固定在左立柱(2)和右立柱(3)之间的不同高度位置从而在相似材料模型(39)的前面形成挡墙，模型铺设挡板(8)设置在相似材料模型(39)的前后面提供前后方向的约束，工作台(1)下方设有滑轨开槽(45)，面对工作台(1)布置有水平滑轨(9)，水平滑轨(9)的一端铺设入滑轨开槽(45)内，便于模型铺设挡板(8)的运输，水平滑轨(9)上设有多个的凹形滑块(11)，在安装模型铺设挡板(8)以及铺设相似材料模型(39)时使相似材料模型(39)在水平滑轨(9)上滑动，减少对人力的消耗，模型铺设挡板(8)为矩形结构，模型铺设挡板(8)左右两侧上方左右对称设有方形开槽(22)，方形开槽(22)内设有圆形开孔a(43)，模型铺设挡板(8)左右两侧的中部对称设有金属搭扣(12)，竖向滑槽(10)设置在左立柱(2)和右立柱(3)内侧，在竖向滑槽(10)内设有匹配的凸形滑块(19)，凸形滑块(19)能够在竖向滑槽(10)内竖向自由滑动，所述凸形滑块(19)上设有带孔方块(20)，带孔方块(20)上下两侧设有对称且弹力较小的弹性拨片(23)，弹性拨片(23)可以在一定角度内自由摆动，其不受力时张开与竖直方向成夹角，受力时向后拨动完全贴合在凸形滑块(19)上，在弹性拨片(23)的作用下，已经固定在左立柱(2)和右立柱(3)上的模型铺设挡板(8)完全贴合在左右立柱上，而下一个安装中的模型铺设挡板(8)与左立柱(2)和右立柱(3)间存在距离，从而顺利越过前一片模型铺设挡板(8)安装在上一块模型铺设挡板(8)的上方，安装完成后的模型铺设挡板(8)既可以在相似材料模型(39)铺设过程中作为模板，又可以在加载过程中作为侧向约束。2.根据权利要求1所述的平面模型试验台自动开挖与非均布加载系统，其特征在于：液压伺服非均布加载系统包括多个加载压板(27)，多个加载压板(27)平铺在摆放完毕的相似材料模型(39)顶部，每个加载压板(27)上均通过加载压杆(26)设有液压油缸(24)，加载压杆(26)与加载压板(27)之间采用球形连接；液压油缸(24)通过加载压杆(26)向加载压板(27)施加垂直应力，通过加载压板(27)将位移约束和垂直应力加在相似材料模型(39)顶部，每个液压油缸(24)分别通过管路与液压油泵(25)连接，液压油泵(25)通过管路连接有油罐(28)，所有液压油泵(25)均与液压控制系统(29)连接并通过液压控制系统(29)控制工
作。3.根据权利要求2所述的平面模型试验台自动开挖与非均布加载系统，其特征在于：高精度自动开挖系统包括激光扫描设备(30)、数据接收及处理系统(31)、导轨控制系统(32)、纵向电动导轨(33)、横向电动导轨(34)、纵向滑板(35)、横向滑板(36)、液压升降杆(37)和钻机(38)，所述激光扫描设备(30)置于相似材料模型架前侧，其扫描范围覆盖整个相似材料模型(39)，激光扫描设备(30)、数据接收及处理系统(31)和电脑(42)通过线路依次连接，电脑(42)通过导轨控制系统(32)分别连接纵向滑板(35)和横向滑板(36)，纵向滑板...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆彬，戚振豪，黄炳香，陈梁，宋子鸣，辛学奎，巨峰，张凯，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：