一种相似材料模拟半柔性加载实验装置及其实验方法

1.一种相似材料模拟半柔性加载实验装置，整体呈扁平六面体形状，包括底座、立柱、底板、支撑柱和顶梁；其中，兼作左右两侧面的左右两根立柱分别竖立焊接在底座上，底板设置在底座上方并与底座平行，支撑柱数量为若干、其两端均分别与底座与底板焊接在一起；
顶梁的两端设置有连接部件，并通过螺栓或销轴固定在立柱上，形成可拆卸连接；
左右两侧立柱上沿纵向均分别设置凹槽，凹槽内自上向下插入钢板将实验装置的前后两个面围成一个封闭的腔室；
顶梁的下表面固定设置有加载装置；进行相似材料模拟实验时，待测试样模型置于底板上，加载装置自上向下对待测试样模型进行加载；
其特征在于，所述加载装置包括若干个半柔性加载单元；所述半柔性加载单元包括一箱型无底金属液压盒，所述金属液压盒的底部用橡胶膜封闭，形成一密闭空腔；
所述金属液压盒的侧壁上分别设置有进油管口和出油管口，所述进油管口和出油管口分别通过油管与实验装置外部的第一液压油泵和第二液压油泵连接；
所述第一液压油泵和第二液压油泵分别用于向所述密闭空腔内供送/抽吸出液压油；
所述立柱的不同的高度位置分别开设有若干定位孔；
所述顶梁可根据不同的实验需要，通过其连接部件用螺栓或销轴锁定在立柱上的不同高度位置。
2.根据权利要求1所述的相似材料模拟半柔性加载实验装置，其特征在于，所述橡胶模的各边通过硫化工艺粘结在所述金属液压盒的内侧壁上。
3.如权利要求1所述的相似材料模拟半柔性加载实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步；调节顶梁高度，至无底金属液压盒底部的橡胶膜与待测试样模型接触；
第二步；启动与进油管口连接的第一液压油泵向无底金属液压盒内密闭空腔定量供油，各半柔性加载单元同步向待测试样模型加载；
第三步；加载完成后，开启与出油管口连接的第二液压油泵将无底金属液压盒内密闭空腔的液压油抽吸排空。

一种相似材料模拟半柔性加载实验装置及其实验方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种模拟实验装置及其实验方法，尤其涉及一种相似材料模拟半柔性加载实验装置及其实验方法。\n背景技术\n[0002] 相似材料模拟实验是岩土、地质、采矿等领域进行科学技术研究的主要技术手段之一，其普遍用来模拟岩土及采矿现场开采环境下围岩的应力、位移和变形等，能够通过相似材料的开挖再现现场开采时所出现的各种矿山压力特征，同时也是岩土工程研究现场问题的有效方法之一。\n[0003] 随着人们在岩土、地质、采矿等领域的深入研究，对研究水平和计算精度要求越来越高，也就对相似材料模拟实验的方法和设备提出了更高的要求。\n[0004] 现有技术中，加载装置设置在相似材料模拟半柔性加载实验装置的顶部，加载装置一般采用重块加载、液压千斤顶加载或液囊加载。\n[0005] 然而，重块加载只能跳跃式的加载压力，不能精确加载；另外，由于实验架尺寸有限，重块不能堆叠过高；堆叠重块时劳动强度较大，高处的重块容易滑落，严重威胁实验人员的人身安全。\n[0006] 液压千斤顶加载的问题在于当模型加载面变形之后，液压千斤顶对模型的加载不能持续稳定地保持均匀。\n[0007] 而液囊加载无法控制囊体所施加压力的方向性与垂直向下方向上的施力均匀性，进而影响实验结果的准确性和真实性；此外，大尺寸的囊体，其成本高、加工制作比较困难。\n发明内容\n[0008] 本发明的目的之一是，提供一种结构简单、加载过程中所施加的压力大小调节灵活、简便；加载装置系统误差小、实验结果真实、准确的相似材料模拟半柔性加载实验装置。\n[0009] 本发明为实现上述目的需要解决的技术问题是，如何保证试样模型加载过程中，待测试样模型所受压力方向受控的前提下，所施加的压力大小调节灵活简便，以保证加载试验过程中试样模型受压均匀、一致性好的技术问题。\n[0010] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种相似材料模拟半柔性加载实验装置，整体呈扁平六面体形状，包括底座、立柱、底板、支撑柱和顶梁；其中，兼作左右两侧面的左右两根立柱分别竖立焊接在底座上，底板设置在底座上方并与底座平行，支撑柱数量为若干、其两端均分别与底座与底板焊接在一起；\n[0011] 顶梁的两端设置有连接部件，并通过螺栓或销轴固定在立柱上，形成可拆卸连接；\n[0012] 左右两侧立柱上沿纵向均分别设置凹槽，凹槽内自上向下插入钢板将实验装置的前后两个面围成一个封闭的腔室；\n[0013] 顶梁的下表面固定设置有加载装置；进行相似材料模拟实验时，待测试样模型置于底板上，加载装置自上向下对待测试样模型进行加载；\n[0014] 其特征在于，所述加载装置包括若干个半柔性加载单元；所述半柔性加载单元包括一箱型无底金属液压盒，所述金属液压盒的底部用橡胶膜封闭，形成一密闭空腔；\n[0015] 所述金属液压盒的侧壁上分别设置有进油管口和出油管口，所述进油管口和出油管口分别通过油管与实验装置外部的第一液压油泵和第二液压油泵连接；\n[0016] 所述第一液压油泵和第二液压油泵分别用于向所述密闭空腔内供送/抽吸出液压油。\n[0017] 上述技术方案直接带来的技术效果是，通过控制液压油压，可以实现在试样模型加载过程中，加载装置所施加的压力大小调节的灵活简便；\n[0018] 采用金属液压盒的底部用橡胶膜封闭，形成一密闭空腔这种结构形式的半柔性加载单元，由于金属液压盒处底部之外的各壁面均为刚性材质，液压油所产生的压力只能通过金属液压盒底部的橡胶膜变形后向下传递；这有效地控制了半柔性加载单元对待测试样模型加载过程中，各半柔性加载单元同步向待测试样模型加载，且加载装置所施加的压力方向始终垂直向下；\n[0019] 而且，由于橡胶膜的弹性变形，使得半柔性加载单元的底部表面能随着待测试样模型的上表面的沉降变形始终保持相互贴合，这有效地保证了试样模型加载过程中，待测试样模型所受压力方向受控的前提下，试样模型受压均匀、一致；\n[0020] 进一步地，加载装置由若干个半柔性加载单元组成，使得加载装置可以根据待测式样横向长度进行半柔性加载单元的数量选择与组合，以实现半柔性加载单元可以无死角的覆盖在待测试样模型的顶部表面，进而更好地保证加载效果。\n[0021] 作为优选，上述立柱的不同的高度位置分别开设有若干定位孔；所述顶梁可根据不同的实验需要，通过其连接部件用螺栓或销轴锁定在立柱上的不同高度位置。\n[0022] 该优选技术方案直接带来的技术效果是，配合由若干个半柔性加载单元组成的加载装置，并根据不同待测试样模型在竖直高度上的不同，进行加载装置位置的上下调节，可以满足不同相似材料模拟加载实验需要。\n[0023] 进一步优选，上述橡胶模的各边通过硫化工艺粘结在所述金属液压盒的内侧壁上。\n[0024] 该优选技术方案直接带来的技术效果是，橡胶膜的各边通过硫化工艺粘结在金属液压盒的内侧壁上，可以更好地保证粘结的牢度，提高其耐压能力。\n[0025] 实际上，上述橡胶膜的固定方式多种多样，还可以将金属液压盒侧面设置凹槽，将橡胶膜包裹覆盖之后，再通过卡箍卡接在凹槽位置，也能实现牢固且密封连接。\n[0026] 当然，还可以借鉴现有技术的其他手段，实现其他形式的牢固且密封连接。\n[0027] 相对而言，将橡胶膜的各边通过硫化工艺粘结在金属液压盒的内侧壁上。这种密封连接方式，可以保证在半柔性加载单元内液压油的加压时，橡胶模弹性变形的情况下，半柔性加载单元的底面积的增量(向底部四条边外侧的膨胀量)尽可能小，进而使得加载过程更加精确，进一步减小系统误差。\n[0028] 本发明的目的之二是，提供一种上述相似材料模拟半柔性加载实验装置的实验方法。\n[0029] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种相似材料模拟半柔性加载实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：\n[0030] 第一步；调节顶梁高度，至无底金属液压盒底部的橡胶膜与待测试样模型接触；\n[0031] 第二步；启动与进油管口连接的液压油泵向无底金属液压盒内密闭空腔定量供油，各半柔性加载单元同步向待测试样模型加载；\n[0032] 第三步；加载完成后，开启与出油管口连接的液压油泵将无底金属液压盒内密闭空腔的液压油抽吸排空。\n[0033] 上述技术方案直接带来的技术效果是，通过调节或控制液压泵即可实现加载施力大小的调节；\n[0034] 由于加载过程中，所施加的压力方向始终如一，且由于与待测式样上表面始终贴合并随待测式样顶部表面变形而同步变形，因而有效解决了现有技术中存在的因待测式样被压缩后其顶部不同位置处所受压力可能出现方向上的偏差，进而造成压实不均等系列问题。\n[0035] 即，可有效地解决现有技术存在的因施力方向上的偏差所致的加载试验装置的系统误差，保证了加载试验实验结果的真实性和准确性。\n[0036] 综上所述，本发明相对于现有技术，具有结构简单、加载过程中所施加的压力大小调节灵活、简便；加载装置系统误差小、实验结果真实准确等有益效果。\n附图说明\n[0037] 图1为本发明的相似材料模拟半柔性加载实验装置的主视结构示意图；\n[0038] 图2为本发明的半柔性加载单元的结构示意图。\n具体实施方式\n[0039] 下面结合附图，对本发明进行详细说明。\n[0040] 如图1所示，本发明的相似材料模拟半柔性加载实验装置，整体呈扁六面体形状，包括底座1、立柱2、底板3、支撑柱4和顶梁5；其中，立柱2分别竖立焊接在底座1上，底板3设置在底座上方并与底座1平行，支撑柱4数量为若干、其两端均分别与底座1与底板3焊接在一起；\n[0041] 顶梁5的两端通过螺栓7固定在立柱2上形成可拆卸连接；\n[0042] 左右两侧立柱上沿纵向均分别设置凹槽，凹槽内自上向下插入钢板(图中未示出)将实验装置的前后左右四个面围成一个封闭的腔室；\n[0043] 顶梁下表面固定设置有加载装置；进行相似材料模拟实验时，待测试样模型置于底板上，加载装置自上向下对待测试样模型进行加载；\n[0044] 上述立柱2的不同的高度位置分别开设有若干定位孔8；\n[0045] 上述顶梁5可根据不同的实验需要，通过其连接部件用螺栓或销轴锁定在立柱上的不同高度位置；\n[0046] 上述加载装置包括若干个半柔性加载单元；\n[0047] 如图2所示，上述半柔性加载单元包括一箱型无底金属液压盒10，该金属液压盒10的底部用橡胶膜11封闭，形成一密闭空腔；\n[0048] 该金属液压盒10的侧壁上分别设置进油管口12和出油管口13，该进油管口12和出油管口13分别通过油管与装置外部的第一液压油泵和第二液压油泵连接；\n[0049] 第一液压油泵和第二液压油泵分别用于向上述密闭空腔内供送/抽吸出液压油。\n[0050] 上述橡胶膜11最好是通过硫化工艺，将橡胶模11的各边牢固粘结在金属液压盒10的内侧壁上。也可以在金属液压盒侧面设置凹槽，将橡胶膜11包裹金属液压盒覆盖过该凹槽之后，再通过卡箍卡接在橡胶膜外、凹槽所在位置，也能实现牢固且密封连接。\n[0051] 当然，还可以借鉴现有技术的其他手段，实现其他形式的牢固且密封连接。\n[0052] 为更好地理解本发明，下面详细说明其加载实验过程中的实验方法。\n[0053] 上述相似材料模拟半柔性加载实验装置的实验方法，其包括以下步骤：\n[0054] 第一步；调节顶梁高度，至无底金属液压盒底部的橡胶膜与待测试样模型接触；\n[0055] 第二步；启动与进油管口连接的第一液压油泵向无底金属液压盒内密闭空腔定量供油，各半柔性加载单元同步向待测试样模型加载；\n[0056] 第三步；加载完成后，开启与出油管口连接的液压油泵将无底金属液压盒内密闭空腔的液压油抽吸排空。