一种大型三维物理模型试验用高刚度预应力加载框架结构的制作方法

本发明属于大型三维物理模型试验技术领域，特别是涉及一种大型三维物理模型试验用高刚度预应力加载框架结构。

背景技术：

大型三维物理模型试验以相似理论为基础，通过配置与工程岩体性质相似的人工模型材料，开展不同边界加载条件下的开凿及监测试验，可有效揭示岩体在人类工程活动影响下的变形破裂演化机理。

目前，大型三维物理模型试验已得到较为广泛的应用，但是，随着地下工程建设与资源开采不断向深部进军，深部洞室群的体量和复杂程度也在不断提高，且深部高地应力下地下工程卸荷破坏及工程地质灾害更日益凸显，由于赋存条件的改变，岩体破坏规律和机理与浅部工程存在较大差异，为了规避工程风险，需要揭示高应力下深埋硬岩的变形破裂演化机理，而真三轴应力条件下的大型相似材料三维物理模型试验成为重要的研究手段，而物理模拟以相似理论为指导，并将现场工程地质条件简化后体现在模型中，再模拟现场开挖过程，同时借助多元信息监测手段，用以揭示开挖扰动下围岩体的变形破裂演化规律。

但是，随着模型尺寸及试验机加载吨位的不断增大，特别是模拟深埋硬岩脆性破裂的相似材料模型强度的增加，对于现有的三维物理模型试验机所采用的加载框架结构，已经无法有效地控制加载过程中试验机自身的变形，也就是说，加载框架的整体刚度已经无法满足大吨位硬岩相似材料加载系统的需求，这将导致监测获得的岩体变形破裂数据失真，也就无法为回答深部岩体的工程与科学问题提供支撑。

现有的三维物理模型加载框架结构，整体自动化程度低，试验过程往往需借助吊车等机械设备才能完成，这间接地增加了试验的难度，而且实验人员的劳动强度大，风险系数高，更重要的是人为操作也会导致试验精度降低。

另外，目前试验主机广泛采用箱体式设计，导致试样的制作只能在加载箱中进行，无法保证大尺寸试样的制备精度，不但给试验设备的日常维护带来不便，且在试验结束后，破坏形态试样的取出过程以及进一步研究都带来困难。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种大型三维物理模型试验用高刚度预应力加载框架结构，在大吨位加载过程中，能够有效控制加载过程中试验设备的自身变形，提高试验数据可信度；彻底摒弃了传统加载框架采用的螺栓连接方式，能够有效满足硬岩相似材料大吨位加载下的刚度要求；加载框架具有较高的自动化程度，且首次配备了人工模型试样的制备及运送机构，将人工模型试样的制备区域和加载区域有效分离，满足人工模型试样在制备阶段的精度检测，避免人工模型试样因制备精度不足导致对试验数据的影响，同时能够大幅度降低实验人员的劳动强度和作业风险，不但方便试验设备的日常维护，而且在试验结束后，也方便破坏形态试样的取出以及进一步研究。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种大型三维物理模型试验用高刚度预应力加载框架结构，包括底座、防变形预应力加载框架组件、载荷施加组件及模型试样制备与运送组件；所述防变形预应力加载框架组件及模型试样制备与运送组件均设置在底座上，所述载荷施加组件设置在防变形预应力加载框架组件上；所述防变形预应力加载框架组件包括中间框架、前端框架及后端框架，所述中间框架位于前端框架与后端框架之间；

所述中间框架采用多榀式口字型结构，每一榀的中间框架均由顶横梁、左立柱、右立柱及底横梁组成，且任意相邻的两榀中间框架均采用可拆装结构相连；在所述底横梁下表面安装有中间框架滑块，在所述底座上表面安装有框架导轨，通过中间框架滑块使中间框架在框架导轨上具有直线移动自由度；所述中间框架的口字型内腔为模型试样加载腔；

所述前端框架包括左反力竖梁、右反力竖梁、反力横梁及反力横梁支座；所述左反力竖梁和右反力竖梁对称固装在反力横梁上，所述反力横梁支座固连在反力横梁下表面，在反力横梁支座下表面安装有前端框架滑块，通过前端框架滑块使前端框架在框架导轨上具有直线移动自由度；在所述反力横梁的中部梁体上开设有一个通孔，该通孔作为模型试样开凿孔，且模型试样开凿孔与模型试样加载腔正对；在所述左反力竖梁及右反力竖梁底端与底座之间均连接有前端框架驱动液压缸，且前端框架驱动液压缸与框架导轨相平行；

所述后端框架包括左支撑竖梁、右支撑竖梁、支撑横梁及支撑横梁支座；所述左支撑竖梁和右支撑竖梁对称固装在支撑横梁上，所述支撑横梁支座固连在支撑横梁下表面，在支撑横梁支座下表面安装有后端框架滑块，通过后端框架滑块使后端框架在框架导轨上具有直线移动自由度；在所述左支撑竖梁及右支撑竖梁底端与中间框架底横梁之间均连接有中后端框架驱动液压缸，且中后端框架驱动液压缸与框架导轨相平行；

在所述左反力竖梁与左支撑竖梁之间、在右反力竖梁与右支撑竖梁之间、反力横梁与支撑横梁之间均通过预应力拉杆相连，在所述顶横梁、左立柱、右立柱及底横梁上均开设有拉杆通过孔；通过对预应力拉杆施加预紧力，实现中间框架、前端框架及后端框架之间的预应力锁紧。

所述载荷施加组件包括第一水平作动器组、第二水平作动器组、第三水平作动器组及竖直作动器组；所述第一水平作动器组设置在中间框架的左立柱内侧面，所述第二水平作动器组设置在中间框架的右立柱内侧面，所述第三水平作动器组设置在后端框架的支撑横梁内侧面，所述竖直作动器组设置在中间框架的顶横梁下表面；所述第一水平作动器组、第二水平作动器组、第三水平作动器组及竖直作动器组内均包含有若干均布设置且结构相同的单体作动器；所述单体作动器包括反力液压缸、矩形加载板及磁致伸缩位移传感器；所述反力液压缸通过缸筒固连在框架上，所述矩形加载板垂直固装在反力液压缸的活塞杆顶端，在矩形加载板上开设有声发射探头布设孔；所述磁致伸缩位移传感器连接在反力液压缸缸筒与矩形加载板之间。

所述模型试样制备与运送组件包括模型试样制备箱、模型试样承载台、模型试样运送架、运送架驱动液压缸及承载台驱动液压缸；在所述底座上表面安装有运送架导轨，运送架导轨与框架导轨相垂直，运送架导轨的安装高度大于框架导轨，且与框架导轨交汇处的运送架导轨采用拼接式可拆装结构；在所述模型试样运送架下表面安装有运送架滑块，通过运送架滑块使模型试样运送架在运送架导轨上具有直线移动自由度；所述模型试样承载台设置在模型试样运送架上，在模型试样运送架上表面安装有承载台导轨，在模型试样承载台下表面安装有承载台滚轮，通过承载台滚轮使模型试样承载台在承载台导轨上具有直线移动自由度；在所述中间框架的模型试样加载腔内的底横梁上表面安装有承载台转接导轨，通过承载台滚轮使模型试样承载台在承载台导轨上具有直线移动自由度；所述运送架驱动液压缸连接在底座与模型试样运送架之间，运送架驱动液压缸与运送架导轨相平行；所述承载台驱动液压缸连接在模型试样运送架与模型试样承载台之间，承载台驱动液压缸与承载台导轨及承载台转接导轨相平行，在承载台驱动液压缸的活塞杆与模型试样承载台之间通过锁具相连；所述模型试样制备箱位于模型试样承载台上表面。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，在大吨位加载过程中，能够有效控制加载过程中试验设备的自身变形，提高试验数据可信度；彻底摒弃了传统加载框架采用的螺栓连接方式，能够有效满足硬岩相似材料大吨位加载下的刚度要求；加载框架具有较高的自动化程度，且首次配备了人工模型试样的制备及运送机构，将人工模型试样的制备区域和加载区域有效分离，满足人工模型试样在制备阶段的精度检测，避免人工模型试样因制备精度不足导致对试验数据的影响，同时能够大幅度降低实验人员的劳动强度和作业风险，不但方便试验设备的日常维护，而且在试验结束后，也方便破坏形态试样的取出以及进一步研究。

附图说明

图1为本发明的一种大型三维物理模型试验用高刚度预应力加载框架结构(开启状态)结构示意图；

图2为本发明的一种大型三维物理模型试验用高刚度预应力加载框架结构(封闭状态)结构示意图；

图3为本发明的防变形预应力加载框架组件的中间框架结构示意图；

图4为本发明的防变形预应力加载框架组件的前端框架结构示意图；

图5为本发明的防变形预应力加载框架组件的后端框架结构示意图；

图6为本发明的载荷施加组件的单体作动器结构示意图；

图7为本发明的模型试样制备与运送组件结构示意图；

图8为图1中i部放大图；

图中，1—底座，2—防变形预应力加载框架组件，3—载荷施加组件，4—模型试样制备与运送组件，5—顶横梁，6—左立柱，7—右立柱，8—底横梁，9—中间框架滑块，10—框架导轨，11—模型试样加载腔，12—左反力竖梁，13—右反力竖梁，14—反力横梁，15—反力横梁支座，16—前端框架滑块，17—模型试样开凿孔，18—左支撑竖梁，19—右支撑竖梁，20—支撑横梁，21—支撑横梁支座，22—后端框架滑块，23—第一水平作动器组，24—第二水平作动器组，25—第三水平作动器组，26—竖直作动器组，27—反力液压缸，28—矩形加载板，29—磁致伸缩位移传感器，30—声发射探头布设孔，31—模型试样制备箱，32—模型试样承载台，33—模型试样运送架，34—运送架驱动液压缸，35—承载台驱动液压缸，36—运送架导轨，37—运送架滑块，38—承载台导轨，39—承载台滚轮，40—承载台转接导轨，41—锁具，42—前端框架驱动液压缸，43—中后端框架驱动液压缸，44—预应力拉杆，45—拉杆通过孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～8所示，一种大型三维物理模型试验用高刚度预应力加载框架结构，包括底座1、防变形预应力加载框架组件2、载荷施加组件3及模型试样制备与运送组件4；所述防变形预应力加载框架组件2及模型试样制备与运送组件4均设置在底座1上，所述载荷施加组件3设置在防变形预应力加载框架组件2上；所述防变形预应力加载框架组件2包括中间框架、前端框架及后端框架，所述中间框架位于前端框架与后端框架之间；

所述中间框架采用多榀式口字型结构，每一榀的中间框架均由顶横梁5、左立柱6、右立柱7及底横梁8组成，且任意相邻的两榀中间框架均采用可拆装结构相连；在所述底横梁8下表面安装有中间框架滑块9，在所述底座1上表面安装有框架导轨10，通过中间框架滑块9使中间框架在框架导轨10上具有直线移动自由度；所述中间框架的口字型内腔为模型试样加载腔11；

所述前端框架包括左反力竖梁12、右反力竖梁13、反力横梁14及反力横梁支座15；所述左反力竖梁12和右反力竖梁13对称固装在反力横梁14上，所述反力横梁支座15固连在反力横梁14下表面，在反力横梁支座15下表面安装有前端框架滑块16，通过前端框架滑块16使前端框架在框架导轨10上具有直线移动自由度；在所述反力横梁14的中部梁体上开设有一个通孔，该通孔作为模型试样开凿孔17，且模型试样开凿孔17与模型试样加载腔11正对；在所述左反力竖梁12及右反力竖梁13底端与底座1之间均连接有前端框架驱动液压缸42，且前端框架驱动液压缸42与框架导轨10相平行；

所述后端框架包括左支撑竖梁18、右支撑竖梁19、支撑横梁20及支撑横梁支座21；所述左支撑竖梁18和右支撑竖梁19对称固装在支撑横梁20上，所述支撑横梁支座21固连在支撑横梁20下表面，在支撑横梁支座21下表面安装有后端框架滑块22，通过后端框架滑块22使后端框架在框架导轨10上具有直线移动自由度；在所述左支撑竖梁18及右支撑竖梁19底端与中间框架底横梁8之间均连接有中后端框架驱动液压缸43，且中后端框架驱动液压缸43与框架导轨10相平行；

在所述左反力竖梁12与左支撑竖梁18之间、在右反力竖梁13与右支撑竖梁19之间、反力横梁14与支撑横梁20之间均通过预应力拉杆44相连，在所述顶横梁5、左立柱6、右立柱7及底横梁8上均开设有拉杆通过孔45；通过对预应力拉杆44施加预紧力，实现中间框架、前端框架及后端框架之间的预应力锁紧。

所述载荷施加组件3包括第一水平作动器组23、第二水平作动器组24、第三水平作动器组25及竖直作动器组26；所述第一水平作动器组23设置在中间框架的左立柱6内侧面，所述第二水平作动器组24设置在中间框架的右立柱7内侧面，所述第三水平作动器组25设置在后端框架的支撑横梁20内侧面，所述竖直作动器组26设置在中间框架的顶横梁5下表面；所述第一水平作动器组23、第二水平作动器组24、第三水平作动器组25及竖直作动器组26内均包含有若干均布设置且结构相同的单体作动器；所述单体作动器包括反力液压缸27、矩形加载板28及磁致伸缩位移传感器29；所述反力液压缸27通过缸筒固连在框架上，所述矩形加载板28垂直固装在反力液压缸27的活塞杆顶端，在矩形加载板28上开设有声发射探头布设孔30；所述磁致伸缩位移传感器29连接在反力液压缸27缸筒与矩形加载板28之间。

所述模型试样制备与运送组件4包括模型试样制备箱31、模型试样承载台32、模型试样运送架33、运送架驱动液压缸34及承载台驱动液压缸35；在所述底座1上表面安装有运送架导轨36，运送架导轨36与框架导轨10相垂直，运送架导轨36的安装高度大于框架导轨10，且与框架导轨10交汇处的运送架导轨36采用拼接式可拆装结构；在所述模型试样运送架33下表面安装有运送架滑块37，通过运送架滑块37使模型试样运送架33在运送架导轨36上具有直线移动自由度；所述模型试样承载台32设置在模型试样运送架33上，在模型试样运送架33上表面安装有承载台导轨38，在模型试样承载台32下表面安装有承载台滚轮39，通过承载台滚轮39使模型试样承载台32在承载台导轨38上具有直线移动自由度；在所述中间框架的模型试样加载腔11内的底横梁8上表面安装有承载台转接导轨40，通过承载台滚轮39使模型试样承载台32在承载台导轨38上具有直线移动自由度；所述运送架驱动液压缸34连接在底座1与模型试样运送架33之间，运送架驱动液压缸34与运送架导轨36相平行；所述承载台驱动液压缸35连接在模型试样运送架33与模型试样承载台32之间，承载台驱动液压缸35与承载台导轨38及承载台转接导轨40相平行，在承载台驱动液压缸35的活塞杆与模型试样承载台32之间通过锁具41相连；所述模型试样制备箱31位于模型试样承载台32上表面。

本实施例中，所有作动器组一共配置有12个独立的控制通道，其中，第一水平作动器组23、第二水平作动器组24及竖直作动器组26内均包含12个单体作动器，共分为4层，每层有3个；第三水平作动器组25内包含16个单体作动器，共分为4层，每层有4个；由于第一水平作动器组23与第二水平作动器组24对称分布，设定两个作动器组内位于同层的共6个单体作动器共用一个控制通道，则该两个作动器组共分配4个控制通道；竖直作动器组26每层3个单体作动器分配一个控制通道，共计分配4个控制通道；第三水平作动器组25每层4个单体作动器分配一个控制通道，共计分配4个控制通道。

本实施例中，模型试样制备箱31采用精加工的小部件分层分片拼装而成，各个零部件的尺寸偏差要小于1mm，模型试样制备箱31在高度方向上共分为8层，每层高250mm，总高为2000mm；宽度方向上包含3片小部件，可分别拼装成尺寸为2000×2000mm×500mm、2000×2000mm×1000mm及2000mm×2000mm×1500mm的模型试样制备箱31，进而可制备相应尺寸的模型试样。模型试样制备箱31采用了高刚度侧向约束，可以保证在模型试样的自重作用下，模型试样制备箱31的自身变形得到有效控制。模型试样制备箱31的箱体侧向预留有监测用传感器的出线口，在箱体内表面设置有减摩层。模型试样承载台32采用厚度不小于300mm的高刚度钢板制成，可有效控制在模型试样自重作用下的变形。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

以采用本发明的试验机为例。根据试验要求选取相似材料，在模型试样制备箱31中利用相似材料进行模型试样的制备，且模型试样中预埋监测用传感器；待模型试样达到初始强度后，对模型试样进行脱模，同时检测模型试样的平整度、垂直度和密实度，确保模型试样的所有指标合格；通过运送架驱动液压缸34的驱动作用和运送架导轨36的导向作用，先将模型试样运送架33移动到模型试样加载腔11正前方，再通过承载台驱动液压缸35的驱动作用和承载台导轨38及承载台转接导轨40的导向作用，将模型试样承载台32移动到模型试样加载腔11内，此时模型试样随着模型试样承载台32进入模型试样加载腔11中，然后解除承载台驱动液压缸35与模型试样承载台32之间锁具41的锁定，再控制承载台驱动液压缸35缩回，最后将模型试样运送架33移动回试样制备时的初始位置。

先通过中后端框架驱动液压缸43的驱动作用和框架导轨10的导向作用，使中间框架和后端框架闭合在一起，同时预应力拉杆44将全部穿过拉杆通过孔45并从中间框架另一侧穿出；然后通过前端框架驱动液压缸42的驱动作用和框架导轨10的导向作用，使中间框架和前端框架闭合在一起，同时预应力拉杆44将进一步穿过前端框架，使预应力拉杆44从前端框架另一侧穿出，最后对预应力拉杆44施加外部预紧力，以使前端框架、中间框架及后端框架三种完全闭合锁死，此时框架便完成了预应力加载。

在框架完成预应力加载后，即可对模型试样加载腔11中试样施加载荷，同时通过前端框架上的模型试样开凿孔17对模型试样进行开凿，并在加载过程中观测模型试样的变形破裂演化情况，直到试验结束。试验结束后，首先卸去预应力拉杆44上的外部预紧力，反向执行框架的闭合操作，直到框架恢复开启状态，然后反向执行试样安装过程，直到将模型试样从模型试样加载腔11中移动到试样制备时的初始位置，最后便可对破坏后的模型试样作进一步研究了。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。