[发明专利]一种大型三维物理模型位移控制超载试验系统及方法

说明书

一种大型三维物理模型位移控制超载试验系统及方法，系统包括底座、防变形预应力加载框架组件、载荷施加组件、模型试样制备与运送组件及液压加载系统组件；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，载荷施加组件设置在防变形预应力加载框架组件上，载荷施加组件与液压加载系统组件相连，通过载荷施加组件与液压加载系统组件配合，对模型试样进行多面多点协同位移控制下的超载。本发明具备多面多点协同位移控制下的大型三维物理模型超载能力，采用了全新设计的框架结构，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；首次配备了人工模型试样的制备及运送机构，满足人工模型试样在制备阶段的精度检测。

技术领域

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位移控制超载试验系统及方法。

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，在科学研究和工程应用中，对大型三维物理模型试验的技术要求也越来越高。

由于试验机加载方式可分为力控制方式和位移控制方式，所谓力控制方式，则是以力作为自变量，并以恒定的加载率施加荷载；所谓位移控制方式，则是以恒定的位移速率施加荷载。在力控制的加载模式下，模型试样将在荷载-位移曲线的峰值处出现突然的失稳和断裂，导致无法获得试样峰值强度后的荷载-位移曲线，而事实证明，当岩石材料发生破裂之后，仍能承受相当大的负荷，也就是说，岩石材料是具有峰后强度的，基于这种情况，以位移作为控制变量的岩石压力试验机应运而生。而对于位移控制方式来说，其优点是岩石的破裂可控，并且能够获得包括破裂后期力学特征在内的岩石荷载-位移全过程曲线，进而才可开展岩石峰后的力学行为研究。

目前，位移控制加载方式已在厘米级岩石试样的峰后力学行为研究方面取得了较好的成果，但是在米级尺度的相似材料三维物理模型试验领域，尚无可实现高精度位移控制加载功能的试验机，也就无法获得模型试样加载全过程的荷载-位移曲线，这极大的限制了三维物理模型试验领域内对模型试样峰后力学行为的研究。

另外，位移控制加载作为一种重要的载荷施加方式，其尚未在三维物理模型试验领域得到应用，这主要是由于三维物理模型试样尺寸达到米级尺度，常规的单点位移控制无法满足米级尺度加载面的需要，而且当多个加载面同时采用位移控制加载时，对不同加载面之间的协同配合与精准控制提出了很高的要求。

另外，随着人工模型尺寸和试验机加载吨位的不断提高，特别是人工模型材料强度的不断提高，现有的三维物理模型试验机的反力框架结构，已经无法有效地控制加载过程中试验机自身的变形；同时，由于人工模型的制备和加载是在同一个箱体中开展的，导致人工模型的制备精度无法检测。

因此，研发一套能够面向深部工程岩体力学问题的大型深部洞室群三维物理模型位移控制超载试验系统及方法已势在必行。

发明内容

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位移控制超载试验系统及方法，首次具备了多面多点协同位移控制下的超载能力，并且采用了全新设计的预应力框架结构，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；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。