一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置及加载试验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程模型试验领域，具体涉及一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置及加载试验方法。

背景技术

随着我国以隧道为代表的地下工程的不断推进，如何评估地下隧道工程的设计质量，如何确保工程结构设计的合理性，是一个越来越具有挑战性的问题。其研究涉及到岩土工程、结构工程以及渗流和振动等力学领域，交通载荷对工程的影响也非常显著。

目前国内外缺乏实用有效的分析方法，主要依靠工程经验进行估算，具有很大的盲目性；为了弥补理论分析的局限性和验证理论分析的合理性，特别是分析在不同载荷情况下地下工程的结构设计合理性，有必要采用模型试验的方法进行模拟试验。

在进行模型试验过程中，由于要模拟隧道等地下工程的受力状态，需要在隧道的横断面即铅垂面内实现三个方向的加载，即隧道顶部加载和隧道两侧加载，并需要对隧道模型内部的变形等参数进行观察，必须形成一个封闭的立体空间。那么在试验时如何非常便利的填充试验物料、进行压力加载、观察试验状态、卸除试验物料，都是迫切需要解决的问题；现有的方案如同济大学张子新CN102235942A《一种隧道及地下工程多功能模型试验系统》采用固定式的实验箱体，非常不方便。本发明就是在这个背景下提出的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，公开了一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置及加载试验方法，解决装卸试验填充物料不方便问题，能非常便利地实现三向加载试验，并对试验装置的各运动部分的位移进行精确控制。

本发明所采用的第一个技术方案是，一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置，包括固定框架、移动料车、加载装置、牵引系统、液压系统和电气系统，在固定框架上部设有竖向的加载装置，实现从上到下的第一个方向加载，在移动料车左侧设有加载装置，实现从左侧到右侧的第二个方向加载，在移动料车右侧设有加载装置，实现从右侧到左侧的第三方向加载，第二加载方向与第三加载方向正好相对，与竖向的第一个加载方向垂直，移动料车的下部设有牵引系统，实现移动料车的移进或移出固定框架，液压系统给加载装置提供压力载荷，电控系统用于实现加载试验装置的加载位移反馈控制。

上述方案中，所述电控系统包括若干加载位移传感器，加载装置包括加载头、加载杆、加载座，其中，因为在固定框架和移动料车上共有三个面具有加载装置，因此，加载装置的加载座分别安装在固定框架和移动料车的料车框架的两个侧面，加载杆上联接加载头，加载头将压力载荷施加到试验物料上，加载座将反力传递到固定框架或移动料车上，加载杆与加载座在液压系统的作用下可以实现相对运动，在加载头与加载座之间设有所述加载位移传感器，用来反馈加载头与加载座之间的位移信息。

进一步地，移动料车包括前门、后门及料车框架，当移动料车进入到固定框架里后，移动料车的前门、后门、移动料车左侧和右侧的加载装置的加载头、料车框架的底部、固定框架上部的加载装置一起构成一个封闭的立体空间，用于填充试验物料和对物料进行三个方向的加载试验。

移动料车的后门包括后门板、后门驱动油缸、导向轮、后门导轨；后门板与后门驱动油缸的活塞杆联接，后门驱动油缸的油缸座联接料车框架，导向轮设于后门板的下方，将后门板支撑在后门导轨上，后门导轨安装在移动料车的底部上方，后门驱动油缸驱动后门板实现相对于料车框架前后方向的移动，实现分区域加载试验；所述电控系统包括若干后门位移传感器，后门位移传感器设于后门板与料车框架之间，用来反馈后门板与料车框架之间的位移信息。

进一步地，移动料车的料车框架下部设有举升油缸和若干个支腿，移动料车下部联接的牵引系统包括牵引机、牵引架、滚轮、料车导轨；牵引系统的牵引架上部通过举升油缸与料车框架的下部联接，举升油缸可以驱动移动料车上下移动，料车导轨固定于固定框架上；所述电控系统包括若干料车位移传感器，料车位移传感器设在移动料车与固定框架之间，用来反馈移动料车与固定框架之间的位移信息；当举升油缸伸长时，牵引架与料车框架距离增大，直到牵引架上的滚轮与导轨接触，同时移动料车下部的支腿与固定框架脱离，滚轮可以在导轨上滚动，可以采用牵引系统进行移动料车的牵引，实现移动料车进入或离开固定框架；当举升油缸缩短时，牵引架与料车框架距离减小，直到移动料车下部的支腿与固定框架接触，牵引架上的滚轮与导轨脱离，使移动料车上的所有载荷通过支腿传递到固定框架上，便于减少在加载试验过程中牵引系统的滚轮及举升油缸受力。

通过采用上述第一个技术方案，本发明可以取得以下技术效果。

本发明提供的一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置，包括固定框架，移动料车，加载装置，牵引系统，液压系统，电控系统等，加载装置分别布置在固定框架的上部、移动料车的两侧，一起构成三个方向的加载功能，可以模拟隧道等地下工程的顶部和两侧的真实受力状态。优选的，电控系统包括料车位移传感器、加载位移传感器、后门位移传感器；移动料车和牵引系统配合可以从固定框架里移出，便于填充试验物料和安装试验仪器，通过料车位移传感器的反馈信息控制料车与固定框架之间的垂直方向的位移；加载装置的加载位移可以通过加载位移传感器的反馈信息进行精确控制；移动料车配置的后门可以相对料车框架前后平移，便于调整试验区域，满足不同试验的要求，利用后门位移传感器的反馈位移信息可以精确控制后门板的相对位置。

本发明的第二个技术方案是，一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验方法，采用上述地下工程三向加载试验装置的优选组合方案，其加载试验方法包括四个步骤：

第一步，在试验准备时，移动料车在固定框架外侧，在移动料车里充填试验物料和预埋试验模型及相关试验传感器；

第二步，将移动料车通过牵引系统牵引到固定框架里的预定位置后，再将移动料车下的举升油缸缩短，移动料车缓慢下降，通过料车位移传感器检测移动料车与固定框架之间的位移信息并进行反馈控制，使支腿接触固定框架，并使滚轮脱离导轨，移动料车的载荷通过支腿传递到固定框架上；

第三步，分别或同时从三个方向对试验物料进行加载，通过加载位移传感器反馈加载位移信息，记录试验数据，加载试验完成后，顶部的加载装置复位；

第四步，将移动料车下部的举升油缸伸长，通过料车位移传感器检测移动料车与固定框架之间的位移信息并进行反馈控制，直到每个滚轮接触导轨并使支腿脱离固定框架，使移动料车的载荷通过滚轮和导轨均匀传递到固定框架上，将移动料车通过牵引系统牵引到固定框架的外侧，对试验物料进行清理，为下次试验做好准备。

优选的，采用上述具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置，采用可前后方向平行移动后门板的结构，其加载试验方法包括五个步骤：

在上述四个步骤之前，增加一个预先操作步骤，采用后门位移传感器的反馈信息，将后门板平行移动到设定的位置，再进行上述四个步骤。

通过采用上述第二个技术方案，本发明可以取得以下技术效果。

本发明提供的一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验方法，通过检测料车位移传感器的位移反馈信息，精准反馈控制在移动料车和牵引架之间的举升油缸缩短，可以将加载时的垂直方向产生的加载载荷通过支腿均匀传递到固定框架上，避免滚轮过载；通过精准反馈控制在移动料车和牵引架之间的举升油缸伸长，可以使移动料车在移出固定框架时采用滚轮滚动移出，减少牵引力；使添加和清理试验物料及试验仪器方便快捷，使试验加载过程受力传递安全可靠。优选的，通过检测后门位移传感器的反馈信息，精准反馈控制平行移动后门板到预定位置，可以缩小试验区域到一定范围，降低试验成本。

附图说明

图1 是本发明一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置的结构总体装配示意图；

图2 是本发明一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置的移动料车、加载装置及牵引部分等的前部结构示意图；

图3是本发明一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置的移动料车及加载装置等的后部结构示意图；

图4 是本发明一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置的加载装置、前门、后门、料车框架底座等的结构示意图；

图5 是本发明一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置的固定框架、加载装置及传感器等的结构示意图；

图6 是本发明一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置的后门平移三分之一位置示意图；

图7 是本发明一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置的后门平移三分之二位置示意图；

图8 是本发明一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验方法的第一种步骤流程图；

图9 是本发明一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验方法的第二种步骤流程图；

图中，1为固定框架、2为移动料车、21为前门、22为后门、221为后门板，222为后门驱动油缸，223为导向轮，224为后门导轨、23为料车框架、24举升油缸、25支腿、3为加载装置、31为加载头、32为加载杆、33为加载座、4为牵引系统、41为牵引机、42为牵引架、43为滚轮、44为料车导轨、5为液压系统、6为电控系统、61为加载位移传感器、62为后门位移传感器、63为料车位移传感器。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“底部”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

现结合图1至图9对本申请的方案的结构、功能以及加载试验方法进行详细的说明。

优选实施例1：

本发明的优选实施例1是提供一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置，参考图1至图7，其包括固定框架1、移动料车2、加载装置3、牵引系统4、液压系统5，电控系统6，在固定框架1上部设有竖向的加载装置3，实现从上到下的第一个方向加载，在移动料车2左侧设有加载装置3，实现从左侧到右侧的第二个方向加载，在移动料车2右侧设有加载装置3，实现从右侧到左侧的第三方向加载，第二加载方向与第三加载方向正好相对，与竖向的第一个加载方向垂直并在同一投影面上，移动料车2的下部设有牵引系统4，实现移动料车2的移进或移出固定框架1，液压系统5分别给三个方向的加载装置3提供压力载荷，电控系统6用于实现加载试验装置的加载位移反馈控制。

优选的，在本实施例中，如图3、图4和图5所示，加载装置3包括加载头31、加载杆32、加载座33，其中，因为在固定框架1和移动料车2上共有三个面设有加载装置3，因此，加载装置3的加载座分别安装在固定框架1上和在移动料车2的料车框架23的两个侧面上，加载杆32上联接加载头31，加载头31将压力载荷分别从三个方向施加到试验物料上，三个方向的加载座33将反力分别传递到固定框架1或移动料车2上；加载杆32与加载座33在液压系统5的作用下可以实现相对运动；当加载杆32从加载座33里伸长出来时，进行加载；当加载杆32往加载座33里缩进时，进行卸载；在加载头31与加载座33之间设有所述加载位移传感器61，用来反馈加载头31与加载座33之间的位移信息。优选的，在本实施例中，如图4所示，在移动料车2的左右两侧成阵列方式布置3行3列的加载装置3，对应的在固定框架1上部成阵列方式布置3行3列的加载装置3，一起组成三个加载面。每个加载面有9个加载装置3，一共27个，每个加载装置可以单独加载，也可以联合加载。

优选的，在本实施例中，如图1、图2和图3所示，移动料车2还包括举升油缸24和9个支腿25；牵引系统4包括牵引机41、牵引架42、滚轮43、料车导轨44；移动料车2的下部联接有牵引架42，牵引架42上部通过举升油缸24与料车框架23的下部联接，举升油缸24可以驱动移动料车2上下移动；当举升油缸24伸长时，牵引架42与料车框架23距离增大，直到牵引架42上的滚轮43与料车导轨44接触；同时移动料车2下部的支腿25与固定框架1脱离，滚轮43可以在料车导轨44上滚动，可以采用牵引系统对移动料车进行2牵引，实现移动料车2进入或离开固定框架1；当举升油缸24缩短时，牵引架42与料车框架23距离减小，直到移动料车2下部的支腿25与固定框架1的下部接触，牵引架42上的滚轮43与料车导轨44脱离，使移动料车2上的所有载荷通过支腿25传递到固定框架1上，便于在加载试验过程中避免滚轮42及举升油缸24受力过载损坏，在移动料车与固定框架之间设有料车位移传感器63，用来反馈移动料车2与固定框架1之间的位移信息。

采用本实施例1的加载试验方法是，如图8所示，分为四个步骤：

第一步，在试验准备时，移动料车2在固定框架1外侧，在移动料车2里充填试验物料和预埋试验模型及相关试验传感器；

第二步，将移动料车2通过牵引系统4牵引到固定框架1里的预定位置后，再将移动料车2下的举升油缸24缩短，移动料车2缓慢下降，通过料车位移传感器63检测移动料车2与固定框架1之间的位移并进行反馈控制，使支腿25接触固定框架1，并使滚轮43脱离导轨，移动料车2的载荷通过支腿25传递到固定框架1上；

第三步，分别或同时从三个方向对试验物料进行加载，通过加载位移传感器61反馈加载位移信息，记录试验数据，加载试验完成后，顶部的加载装置3复位；

第四步，将移动料车2下部的举升油缸24伸长，通过料车位移传感器63检测移动料车2与固定框架1之间的位移并进行反馈控制，直到每个滚轮43接触导轨44并使支腿25脱离固定框架1，使移动料车2的载荷通过滚轮43和导轨44均匀传递到固定框架1上，将移动料车2通过牵引系统4牵引到固定框架1的外侧，对试验物料进行清理，为下次试验做好准备。

优选实施例2：

在优选实施例1的基础上，如图4所示，进一步的，后门22包括后门板221，后门驱动油缸222，后门导向轮223，后门导轨224。后门板221与后门驱动油缸222的活塞杆联接，后门驱动油缸222的油缸座联接料车框架23，导向轮223设于后门板221的下方，将后门板221支撑在后门导轨224上，后门导轨224安装在移动料车2的底部上方，后门驱动油缸222驱动后门板221实现相对于料车框架23前后方向的移动，实现分区域加载试验；如图6所示是本发明一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置的后门板221平移三分之一位置示意图，如图7所示是本发明一种具有位移反馈的地下工程三向加载试验装置的后门板221平移三分之二位置示意图；后门板221与料车框架23之间设有后门位移传感器62，用来反馈后门板221与料车框架23之间的位移信息；加载试验前，需要检测后门位移传感器62反馈的位移信息，先将后门板221移动到一个预定的位置。这样设置有利于满足不同大小区域进行加载试验的需求。

优选的，优选实施例2未提及的其他结构或效果可以参考优选实施例1。

采用本实施例2的加载试验方法是，如图9所示，分为五个步骤：即在优选实施例1的加载方法的基础上，增加一个预先步骤，通过检测后门位移传感器62反馈的位移信息，精准反馈控制平行移动后门板221到预定位置，再进行后续的四个步骤。这样可以根据试验需要改变试验区域的范围大小，有利于降低试验成本或对特定结构模型进行试验。

以上所述优选实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。