[发明专利]一种大型三维物理模型长时间保载试验系统及方法

说明书

一种大型三维物理模型长时间保载试验系统及方法，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控制下的长时间保载。本发明具备多面多点协同控制下的大型三维物理模型长时间保载能力，采用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长时间保载试验系统及方法。

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。

根据现场监测结果证实，在一定时间内，围岩体的变形与破裂会随着时间而增长，特别是在深部地下工程中，由于围岩赋存的高地应力环境，导致围岩体变形常常需要数月甚至更长时间才会完全收敛，即深埋硬岩在长时间载荷作用下会产生时效破裂现象，因此针对深埋硬岩时效破裂规律的研究具有重要的理论与实际意义，也直接关乎深埋地下工程的长期安全运营。

目前，针对岩体时效破裂机理的研究，通常借助于岩石常规三轴流变试验机来开展，也有设备针对真三轴条件下的岩石流变力学特性开展研究，但不论是常规三轴，亦或是真三轴流变试验机，均是基于小尺寸岩石试样开展的，试样尺寸仅为50mm×50mm×100mm或φ50mm×100mm。而在米级尺度的相似材料三维物理模型试验领域，尚无具备长时间保载能力的三维加载试验机，以致无法开展多应力梯度下大尺寸三维物理模型时效破裂方面的研究；同时，由于岩体的流变力学特性与岩体内赋存的不同尺度结构面有着密不可分的关系，这些科学问题的研究，也亟需借助大型三维物理模型试验来开展。

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长时间保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长时间保载试验系统及方法，首次具备了多面多点协同控制下的长时间保载能力，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。

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长时间保载试验系统，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；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控制下的长时间保载。

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；