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一种完全平面应变并可施加梯度应力的相似试验系统

阅读：965发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种完全平面应变并可施加梯度应力的相似试验系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种完全平面应变并可施加梯度应力的相似试验系统，整个试验系统由多个组合模块、可拆卸组合模块、水平梯度应力伺服控制系统、竖向应力伺服控制系统、连接顶升控制系统、数据采集控制系统组成。本发明可以为城市地下工程和采矿工程提供更加符合实际的试验条件，该试验系统能够通过两侧模块随岩体自由滑动并限制垂直模型方向的移动来实现平面应变相似试验。并能够通过竖向应力伺服控制系统补偿深部地质条件下的上部压力，通过水平梯度应力伺服控制系统施加水平梯度应力。此试验系统试验条件与实际工程条件能够很好的吻合，试验所得结果更加真实可靠，可科学合理的指导设计与施工，为岩土工程稳定性研究提供科学的试验条件。，下面是一种完全平面应变并可施加梯度应力的相似试验系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种完全平面应变并可施加梯度应力的相似试验系统，其特征在于：
试验系统由多个第三组合模块(3)、可拆卸组合模块(2)、水平梯度应力伺服控制系统、竖向应力伺服控制系统、连接顶升控制系统、数据采集控制系统组成。
2.如权利要求1所述的一种完全平面应变并可施加梯度应力的相似试验系统，其特征在于：
第一组合模块(1)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组成；
可拆卸组合模块(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组成；第三组合模块(3)由第一组合模块(1)与部件11组成。
3.一种使用如权利要求1或2所述的一种完全平面应变并可施加梯度应力的相似试验系统的试验方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1)首先确定工程的研究部位，明确研究部位的地质条件、应力条件和施工工艺，根据相似理论确定模型的各相似量并选择相似材料，平面应变试验系统定位，接通电源开启控制系统；
2)操纵连接顶升控制系统使第二千斤顶组中第一层复位，带动第一组合模块(1)处于复位状态；操纵连接顶升控制系统使第一千斤顶组中第一层复位，带动部件11处于复位状态；
3)根据拟开挖位置由可拆卸组合模块(2)代替第一组合模块(1)，操纵水平梯度应力伺服控制系统复位，此时形成模型浇筑空间浇筑相似材料，并布设压力监测盒；
4)依次执行步骤2)和步骤3)将整个模型浇筑完毕；
5)待模型达到试验要求时，同时等比例通过水平梯度应力伺服系统施加水平梯度应力，如需竖向应力补偿也等比例通过竖向应力伺服系统施加竖向应力，让模型达到实际受力状态；
6)连接顶升控制系统第一千斤顶组顶升，带动部件11后移；连接顶升控制系统第二千斤顶组顶升，带动部件4后移；
7)拆除相应开挖部位的可拆卸模块，按照实际开挖情况开挖模型；
8)开采引起岩体移动带动第三组合模块(3)中的部件1和部件3在第三组合模块(3)中的部件2和部件11形成的平面上移动，位移量由部件8监测，压力变化由压力盒监测并由数据采集控制系统采集；
9)按照实际工程将开挖部位开挖完毕，关闭系统，根据获得的数据和破坏现象进行分析研究；
10)试验结束，规整仪器。

说明书全文

一种完全平面应变并可施加梯度应力的相似试验系统

技术领域

[0001] 本发明涉及煤矿、(非)金属矿山、城市地铁工程、铁路和高速公路隧道工程、边坡工程、尤其是深部开采的煤矿及其他矿山。按国际发明分类表(IPC)划分属于建筑物部，土层或岩层开采分部，矿山、隧道与边坡等岩土工程开采的试验系统，边坡与隧道围压稳定性、城市地铁施工安全性、深部矿山开采巷道稳定性以及开采顶板垮落规律和灾害研究的技术领域。

背景技术

[0002] 为了矿山的安全高效开采和对矿体开采顶板垮落规律与灾害机理的研究，为了确保重要的基建和市政工程的安全，提供科学设计和施工依据的需要，必须根据地质条件开展矿体开采过程的相似试验研究和重要基建市政工程施工模拟的相似试验研究。

[0003] 深部巷道、地铁、隧道以及边坡等的相似试验一般都是取出一些重要的横断面进行研究，按力学理论分析这些横断面应归属于平面应变状态，故对其进行相似试验也要满足平面应变的条件。

[0004] 而目前所有的相似试验装置并不是完全平面应变试验装置，原因在于没有限制垂直横断面方向应变，实质上是平面应力试验装置，也有采用挡板将垂直横断面方向的应变限制，但是同时由于挡板与模型之间存在较大摩擦约束了模型在横断面平面内的应变，也不符合平面应变变形条件。并且目前相似试验是在没有考虑水平梯度应力的情况下进行的，这些都与实际工程的受力状态不符，且随着地下工程深度的增加水平应力的影响很显著，不能再忽略。因而，开发研制一种完全平面应变并考虑水平梯度应力的相似试验系统很有必要，可精确的分析研究深部采矿、地铁、隧道、边坡等工程稳定性和灾害机理问题，为设计和施工提供科学依据。

发明内容

[0005] 为了准确揭示地下工程修建和矿山开采等岩土工程的稳定性，本发明提供一种完全平面应变并可考虑水平应力的梯度变化试验系统。该系统能够实现完全平面应变相似试验，考虑水平构造应力的梯度变化，并有竖向应力伺服控制系统，不仅能对浅部工程进行试验，而且也能满足深部岩土工程试验的要求。该系统提供的实验条件更加符合实际工程受力状态，结果更加真实可靠。

[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0007] 整个试验系统由多个组合模块3、可拆卸组合模块2、水平梯度应力伺服控制系统、竖向应力伺服控制系统、连接顶升控制系统、数据采集控制系统组成。本发明的有益效果是：

[0008] 本发明可以为城市地下工程和采矿工程提供更加符合实际的试验条件，该试验系统能够通过两侧模块随岩体自由滑动并限制垂直模型方向的移动来实现平面应变相似试验。并能够通过竖向应力伺服控制系统补偿深部地质条件下的上部压力，通过水平梯度应力伺服控制系统施加水平梯度应力。此试验系统试验条件与实际工程条件能够很好的吻合，试验所得结果更加真实可靠，可科学合理的指导设计与施工，为岩土工程稳定性研究提供科学的试验条件。附图说明

[0009] 通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中：

[0010] 图1为组合模块1左视示意图，图2为组合模块1的俯视示意图，图3为可拆卸组合模块2示意图，图4为组合模块3复位示意图，图5为组合模块3顶升示意图，图6为平面应变试验系统总体示意图。

具体实施方式

[0011] 在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

[0012] 在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。

[0013] 参考附图1-6，组合模块1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组成；可拆卸组合模块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组成；组合模块3由组合模块1与部件11组成。

[0014] 整个试验系统由多个组合模块3、可拆卸组合模块2、水平梯度应力伺服控制系统、竖向应力伺服控制系统、连接顶升控制系统、数据采集控制系统组成。

[0015] 本试验系统的工作方法如下：

[0016] 1)首先确定工程的研究部位，明确研究部位的地质条件、应力条件和施工工艺，根据相似理论确定模型的各相似量并选择相似材料，平面应变试验系统定位，接通电源开启控制系统。

[0017] 2)操纵连接顶升控制系统使千斤顶组2中第一层复位，带动组合模块1处于复位状态；操纵连接顶升控制系统使千斤顶组1中第一层复位，带动部件11处于复位状态。组合模块1和部件11的复位状态如图4所示。

[0018] 3)根据拟开挖位置由可拆卸组合模块2代替组合模块1，操纵水平梯度应力伺服控制系统复位，此时形成模型浇筑空间浇筑相似材料，并布设压力监测盒。

[0019] 4)依次执行步骤2)和步骤3)将整个模型浇筑完毕。

[0020] 5)待模型达到试验要求时，同时等比例通过水平梯度应力伺服系统施加水平梯度应力。如需竖向应力补偿也等比例通过竖向应力伺服系统施加竖向应力。让模型达到实际受力状态。

[0021] 6)连接顶升控制系统千斤顶组1顶升，带动部件11后移；连接顶升控制系统千斤顶组2顶升，带动部件4后移。使组合模块3变为图5所示状态。

[0022] 7)拆除相应开挖部位的可拆卸模块，按照实际开挖情况开挖模型。

[0023] 8)开采引起岩体移动带动组合模块3中的部件1和部件3在组合模块3中的部件2和部件11形成的平面上移动。位移量由部件8监测，压力变化由压力盒监测并由数据采集控制系统采集。

[0024] 9)按照实际工程将开挖部位开挖完毕，关闭系统。根据获得的数据和破坏现象进行分析研究。

[0025] 10)试验结束，规整仪器。

[0026] 以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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