用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置及使用方法与流程

1.本发明涉及地质模拟实验技术领域，尤其是涉及一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置及使用方法。


背景技术：

2.目前，地质试验通常在模型试验台上进行，通过构建地质力学模型进行地质试验是研究地下工程的重要手段。在现有技术中，简易的地质模型试验台不具备加载能力，仅能受重力作用，然而在实际上，地下岩体除受重力作用外，还会受到与重力呈一定比例关系的水平应力，由于重力随埋深递增，因此，水平应力也随埋深渐变，因此现有技术的简易地质模型试验台并不能真实地模拟地质模型体的受力状态，为了解决这个技术问题、实现地质力学模型试验的双向加载与水平渐变应力加载，现有技术出现一些较为复杂的地质模型试验台，该类地质模型试验台一般能具备双向或三向加载能力，但是需安装大量油缸，附加反力框架结构，致使设备尺寸巨大，造价高昂，维护困难。


技术实现要素：

3.本发明提供一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置及使用方法，有效克服传统复杂模型试验台造价高昂的难题，能够在不安装油缸的条件下实现地质力学模型试验的双向加载与水平渐变应力加载，大大降低地质力学模型试验设备的高昂成本。
4.本发明提供一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置，包括用于承托地质模型的支撑机构，所述支撑机构上形成有用于容纳地质模型的试验空间，所述试验空间的顶部和相对两侧分别固定设置有顶部反力板和侧向反力板，所述顶部反力板上螺纹连接有至少一个顶部加载螺栓，所述顶部加载螺栓的下端抵接有顶部加载板，通过旋转所述顶部加载螺栓推动所述顶部加载板从竖直方向向下压紧所述试验空间内的地质模型，各个所述侧向反力板上分别螺纹连接有若干个竖向排列的侧向加载螺栓，各个侧向加载螺栓的内端分别抵接有侧向加载板，各个侧向加载螺栓的外端分别传动连接有侧向加载轮，各个所述侧向加载轮相互联动旋转并且直径从上往下依次递减，通过转动其中一个侧向加载螺栓驱使各个侧向加载轮联动旋转，并通过各个侧向加载轮的联动旋转连带各个侧向加载螺栓转动，以使各个侧向加载螺栓轴向横移并分别推动各个侧向加载板紧压所述试验空间内的地质模型。
5.根据本发明提供的一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置，各个所述侧向加载轮分别为链轮，各个侧向加载轮传动连接有第一链条，各个侧向加载轮之间通过所述第一链条构成相互联动。
6.根据本发明提供的一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置，所述侧向反力板上设置有至少一个张紧链轮，所述张紧链轮与所述第一链条相互链传动并且
对所述第一链条施以张紧作用。
7.根据本发明提供的一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置，所述侧向加载螺栓和顶部加载螺栓分别传动连接有扭矩扳手。
8.根据本发明提供的一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置，所述顶部加载螺栓和顶部加载板的数量分别为多个并且分别横向排列，各个顶部加载螺栓的上端分别传动连接有顶部加载轮，各个顶部加载轮直径相等并且相互联动旋转。
9.根据本发明提供的一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置，各个所述顶部加载轮分别为链轮，各个顶部加载轮传动连接有第二链条，各个顶部加载轮之间通过所述第二链条构成相互联动。
10.根据本发明提供的一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置，所述支撑机构包括若干个支撑腿和底板，各个支撑腿向上支撑所述底板，所述底板用于向上支撑所述试验空间内的地质模型。
11.根据本发明提供的一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置，各个所述顶部反力板和侧向反力板内分别开设有多个螺孔，所述顶部加载螺栓和侧向加载螺栓分别通过所述螺孔螺纹连接于顶部反力板和侧向反力板。
12.根据本发明提供的一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置，各个所述侧向加载轮分别为齿轮，各个侧向加载轮之间通过相互啮合构成相互联动，相邻的两个所述侧向加载螺栓的螺纹方向相反，以使各个侧向加载轮在联动旋转的过程中，各个侧向加载螺栓的轴向移动方向一致。
13.本发明还提供一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置的使用方法，包括上述的一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置，还包括以下步骤：
14.s1，根据相似材料的配比在试验空间内铺设地质模型；
15.s2，根据地质受力的相似比确定试验空间内竖向的加载应力和水平方向的加载应力，并计算水平方向渐变应力的确切变化关系；
16.s3，将各个顶部加载螺栓、顶部加载轮以及顶部加载板分别安装到顶部反力板，使顶部加载板从竖直方向向下压紧地质模型，并预设其中一个顶部加载螺栓为主动顶部加载螺栓；
17.s4，将各个侧向加载螺栓、侧向加载轮以及侧向加载板分别安装到相对两侧的侧向反力板，使相对两侧的各个侧向加载板从水平方向共同向内压紧地质模型，并预设其中一个侧向加载螺栓为主动侧向加载螺栓；
18.s5，根据目标加载应力，分别计算对主动顶部加载螺栓和主动侧向加载螺栓应施加的目标加载扭矩；
19.s6，分别使用扭矩扳手旋转主动顶部加载螺栓以及主动侧向加载螺栓，直至扭矩扳手的示数达到目标加载扭矩，卸下扭矩扳手；
20.s7，重复步骤s5和s6，完成对地质模型的顶面以及相对两侧面的应力加载；
21.s8，进行地质模型的开挖，开展地质试验。
22.本发明提供的一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置，通过在所述试验空间的顶部和相对两侧分别固定设置顶部反力板和侧向反力板，能够预先在所述
试验空间的顶部和相对两侧形成支撑；然后在所述顶部反力板上螺纹连接有至少一个顶部加载螺栓，并且在所述顶部加载螺栓的下端抵接顶部加载板，当操作所述顶部加载螺栓旋转时，所述顶部加载螺栓能够沿着轴线方向直线向下运动，进而推动下端的顶部加载板向下移动，因此通过旋转所述顶部加载螺栓便可以推动所述顶部加载板从竖直方向向下压紧所述试验空间内的地质模型，方便地模拟出对地质模型的顶部加载应力；另一方面，在相对两侧的侧向反力板上分别螺纹连接若干个竖向排列的侧向加载螺栓，然后在各个侧向加载螺栓的内端分别抵接侧向加载板，当操作各个所述侧向加载螺栓旋转时，各个所述侧向加载螺栓能够沿着轴线从水平方向直线运动，进而推动内端的各个侧向加载板水平移动，因此通过旋转各个所述侧向加载螺栓便可以推动各个所述侧向加载板从水平方向向内压紧所述试验空间内的地质模型，方便地模拟出对地质模型的相对两侧加载应力，另外，为了模拟水平方向的加载应力随埋深递增的渐变变化，各个所述侧向加载螺栓的外端分别传动连接有侧向加载轮，同样竖向排列的各个所述侧向加载轮相互联动旋转并且直径从上往下依次递减，由于各个侧向加载轮相互联动旋转，使用时预设其中一个侧向加载轮为主动侧向加载轮，在主动侧向加载轮的旋转带动下，其余各个从动的侧向加载轮旋过的距离一致，但是较大直径的侧向加载轮的旋转角度较小，从而相对应的侧向加载螺栓的旋进深度较小，即水平方向上的移动距离较小，因此对地质模型的加载力也随之较小，相反地，较大直径的侧向加载轮的旋转角度较大，从而相对应的侧向加载螺栓的旋进深度较大，即水平方向上的移动距离较大，因此对地质模型的加载力也随之较大，因此当各个相互联动的侧向加载轮的直径从上往下依次递减时，便可以模拟水平方向的加载应力随埋深递增的渐变变化，实现在水平方向上对地质模型施加渐变应力。因此本发明的装置能够在不安装油缸的条件下实现地质力学模型试验的双向加载与水平渐变应力加载，大大降低地质力学模型试验设备的高昂成本，有效克服传统复杂模型试验台造价高昂的难题。
23.另外，本发明提供的一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置的使用方法，基于本发明的地质力学模型试验装置，通过预先计算地质模型的在竖直方向的加载应力和水平方向的加载应力，同时计算水平方向渐变应力的确切变化关系，并根据目标加载应力，分别计算对主动顶部加载螺栓和主动侧向加载螺栓应施加的目标加载扭矩，最后分别使用扭矩扳手旋转主动顶部加载螺栓以及主动侧向加载螺栓，最终使顶部的各个顶部加载板从竖直方向向下压紧试验空间内的地质模型，模拟对地质模型的顶部加载应力，同时也使各个所述侧向加载螺栓分别推动各个所述侧向加载板从水平方向向内压紧所述试验空间内的地质模型，模拟对对地质模型的相对两侧的水平加载应力，并且利用竖向排列的各个相互联动旋转的侧向加载轮，促使各个侧向加载板对地质模型的水平加载应力呈上下渐变，有效模拟水平方向的加载应力随埋深递增的渐变变化，直至扭矩扳手的示数达到目标加载扭矩，如此便可以完成对地质模型的顶面以及相对两侧面的应力加载，当完成上述各个方向的加载应力后，便可以进行地质模型的开挖，开展地质试验，无需安装油缸等昂贵复杂的设备，有效克服传统复杂模型试验台造价高昂的难题。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些
实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明的整体结构示意图；
26.图2是本发明进一步方案的整体结构示意图；
27.图3是本发明进一步方案的整体结构示意图；
28.图4是本发明进一步方案的整体结构示意图；
29.图5是本发明进一步方案的整体结构示意图；
30.图6是本发明进一步方案的整体结构示意图；
31.图7是本发明进一步方案的整体结构示意图。
32.附图标记：
[0033]1‑
支撑机构；2
‑
试验空间；3
‑
顶部反力板；4
‑
侧向反力板；5
‑
顶部加载螺栓；6
‑
顶部加载板；7
‑
侧向加载螺栓；8
‑
侧向加载板；9
‑
侧向加载轮；10
‑
第一链条；11
‑
张紧链轮；12
‑
扭矩扳手；13
‑
顶部加载轮；14
‑
第二链条；15
‑
支撑腿；16
‑
底板。
具体实施方式
[0034]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
实施例一
[0036]
下面结合图1描述本发明的一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置，包括用于承托地质模型的支撑机构1，支撑机构1的上方形成有用于容纳地质模型的试验空间2，试验空间2的顶部和左、右两侧分别固定设置有顶部反力板3和侧向反力板4，顶部反力板3上螺纹连接有至少一个顶部加载螺栓5，顶部加载螺栓5呈竖直放置，即顶部加载螺栓5的轴线为竖直设置，顶部加载螺栓5的下端抵接有顶部加载板6，通过旋转顶部加载螺栓5，使得顶部加载螺栓5轴向下移，便可以推动顶部加载板6从竖直方向向下压紧试验空间2内的地质模型，处于左、右两侧的各个侧向反力板4上分别螺纹连接有四个竖向排列的侧向加载螺栓7，各个侧向加载螺栓7呈横向放置，即侧向加载螺栓7的轴线为横向设置，各个侧向加载螺栓7的内端分别抵接有侧向加载板8，各个侧向加载螺栓7的外端分别传动连接有侧向加载轮9，各个侧向加载轮9相互联动旋转并且直径从上往下依次递减，通过转动其中一个侧向加载螺栓7驱使各个侧向加载轮9一起联动旋转，并通过各个侧向加载轮9的联动旋转连带各个侧向加载螺栓7转动，以使各个侧向加载螺栓7轴向横移并分别推动各个侧向加载板8向内侧紧压试验空间2内的地质模型。
[0037]
在本实施例中，通过在试验空间2的顶部和左右两侧分别固定设置顶部反力板3和侧向反力板4，能够预先在试验空间2的顶部和左右两侧形成支撑；然后在顶部反力板3上螺纹连接至少一个顶部加载螺栓5，并且在顶部加载螺栓5的下端抵接顶部加载板6，当操作顶部加载螺栓5旋转时，顶部加载螺栓5能够沿着轴线方向直线向下运动，进而推动下端的顶部加载板6向下移动，因此通过旋转顶部加载螺栓5便可以推动顶部加载板6从竖直方向向下压紧试验空间2内的地质模型，方便地模拟出对地质模型的顶部加载应力；另一方面，在
左、右两侧的侧向反力板4上分别螺纹连接四个竖向排列的侧向加载螺栓7，然后在各个侧向加载螺栓7的内端分别抵接侧向加载板8，当操作各个侧向加载螺栓7旋转时，各个侧向加载螺栓7能够沿着轴线从水平方向直线运动，进而推动内端的各个侧向加载板8水平移动，因此通过旋转各个侧向加载螺栓7便可以推动各个侧向加载板8从水平方向向内压紧试验空间2内的地质模型，方便地模拟出对地质模型的左、右两侧加载应力，另外，为了模拟水平方向的加载应力随地底埋深递增的渐变变化，各个侧向加载螺栓7的外端分别传动连接有侧向加载轮9，同样竖向排列的各个侧向加载轮9相互联动旋转，并且直径从上往下依次递减，由于各个侧向加载轮9相互联动旋转，使用时可以预设其中一个侧向加载轮9为主动侧向加载轮，在主动侧向加载轮的旋转带动下，其余各个从动的侧向加载轮9旋过的距离一致，但是较大直径的侧向加载轮9的旋转角度较小，从而相对应的侧向加载螺栓7的旋进深度较小，即水平方向上的移动距离较小，因此对地质模型的加载力也随之较小，相反地，较大直径的侧向加载轮9的旋转角度较大，从而相对应的侧向加载螺栓7的旋进深度较大，即水平方向上的移动距离较大，因此对地质模型的加载力也随之较大，因此当各个相互联动的侧向加载轮9的直径从上往下依次递减时，便可以模拟水平方向的加载应力随地底埋深递增的渐变变化，实现在水平方向上对地质模型施加渐变应力。因此本发明的装置能够在不安装油缸的条件下实现地质力学模型试验的双向加载与水平渐变应力加载，大大降低地质力学模型试验设备的高昂成本，有效克服传统复杂模型试验台造价高昂的难题。
[0038]
作为对本实施例的可选方案，如图2所示，各个侧向加载轮9分别为链轮，各个侧向加载轮9传动连接有第一链条10，各个侧向加载轮9之间通过第一链条10构成相互联动。因此可以实现各个侧向加载轮9的相互传动连接以实现各轮一起联动旋转，通过链传动的方式也使得各个侧向加载轮9之间得传动结构更为简单，维护方便，传动也稳定。
[0039]
作为对本实施例的可选方案，如图3所示，侧向反力板4上安装有两个张紧链轮11，张紧链轮11与第一链条10相互链传动，并且两个张紧链轮11对第一链条10施以张紧作用，通过张紧链轮11可以有效调节第一链条10得张紧程度，使各个链轮能更稳定地连接，传动更为紧凑，操作时也便于调整链条传动方向。
[0040]
作为对本实施例的可选方案，如图4所示，侧向加载螺栓7和顶部加载螺栓5分别传动连接有扭矩扳手12。通过扭矩扳手12可以对侧向加载螺栓7和顶部加载螺栓5施加加载扭矩，并可以方便使用者通过观察扭矩扳手12的示数准确控制加载扭矩，从而使用者可以准确控制对侧向加载螺栓7和顶部加载螺栓5的目标加载扭矩，操作方便易用，有助于把控地质模拟试验的准确性。
[0041]
作为对本实施例的可选方案，如图5所示，顶部加载螺栓5和顶部加载板6的数量分别为四个并且分别横向排列，各个顶部加载螺栓5的上端分别传动连接有顶部加载轮13，各个顶部加载轮13直径相等并且相互联动旋转。由于各个顶部加载轮13直径相等并且相互联动旋转，使用时可以预设其中一个顶部加载轮13为主动顶部加载轮，在主动顶部加载轮的旋转带动下，其余各个从动的顶部加载轮13旋过的距离一致，从而各个顶部加载轮13的旋进深度也一致，因此各个顶部加载轮13对各个顶部加载板6的推移行程也随之相同，让各个顶部加载板6可以同步向下紧压试验空间2内的地质模型，通过多个顶部加载板6同时紧压地质模型，使得地质模型的顶部可以更为均匀地受到加载应力，有助于提高地质试验的准确性。
[0042]
作为对本实施例的可选方案，如图6所示，各个顶部加载轮13分别为链轮，各个顶部加载轮13传动连接有第二链条14，各个顶部加载轮13之间通过所述第二链条14构成相互联动。因此可以实现各个顶部加载轮13的相互传动连接以实现各轮一起联动旋转，通过链传动的方式也使得各个顶部加载轮13之间得传动结构更为简单，维护方便，传动也稳定。
[0043]
作为对本实施例的可选方案，如图7所示，支撑机构1包括多个支撑腿15和底板16，各个支撑腿15向上支撑底板16，底板16用于向上支撑试验空间2内的地质模型。
[0044]
作为对本实施例的可选方案，各个顶部反力板3和侧向反力板4内分别开设有多个螺孔图中未标出，顶部加载螺栓5和侧向加载螺栓7分别通过螺孔螺纹连接于顶部反力板3和侧向反力板4，实现螺纹连接。
[0045]
基于上述实施方式，本发明还提供一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置的使用方法，包括上述的一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置，还包括以下步骤：
[0046]
s1，根据相似材料的配比在试验空间2内铺设地质模型；
[0047]
s2，根据地质受力的相似比确定试验空间2内竖向的加载应力和水平方向的加载应力，并计算水平方向渐变应力的确切变化关系；
[0048]
s3，将各个顶部加载螺栓5、顶部加载轮13以及顶部加载板6分别安装到顶部反力板3，使顶部加载板6从竖直方向向下压紧地质模型，并预设其中一个顶部加载螺栓5为主动顶部加载螺栓；
[0049]
s4，将各个侧向加载螺栓7、侧向加载轮9以及侧向加载板8分别安装到相对两侧的侧向反力板4，使相对两侧的各个侧向加载板8从水平方向共同向内压紧地质模型，并预设其中一个侧向加载螺栓7为主动侧向加载螺栓；
[0050]
s5，根据目标加载应力，分别计算对主动顶部加载螺栓和主动侧向加载螺栓应施加的目标加载扭矩；
[0051]
s6，分别使用扭矩扳手旋转主动顶部加载螺栓以及主动侧向加载螺栓，直至扭矩扳手的示数达到目标加载扭矩，卸下扭矩扳手；
[0052]
s7，重复步骤s5和s6，完成对地质模型的顶面以及相对两侧面的应力加载；
[0053]
s8，进行地质模型的开挖，开展地质试验。
[0054]
本实施例的一种用于实现渐变应力加载的简易地质力学模型试验装置的使用方法，基于本实施例的地质力学模型试验装置，通过预先计算地质模型的在竖直方向的加载应力和水平方向的加载应力，同时计算水平方向渐变应力的确切变化关系，并根据目标加载应力，分别计算对主动顶部加载螺栓和主动侧向加载螺栓应施加的目标加载扭矩，最后分别使用扭矩扳手旋转主动顶部加载螺栓以及主动侧向加载螺栓，最终使顶部的各个顶部加载板6从竖直方向向下压紧试验空间2内的地质模型，模拟对地质模型的顶部加载应力，同时也使各个侧向加载螺栓7分别推动各个侧向加载板8从水平方向向内压紧试验空间2内的地质模型，模拟对对地质模型的相对两侧的水平加载应力，并且利用竖向排列的各个相互联动旋转的侧向加载轮9，促使各个侧向加载板8对地质模型的水平加载应力呈上下渐变，有效模拟水平方向的加载应力随埋深递增的渐变变化，直至扭矩扳手的示数达到目标加载扭矩，如此便可以完成对地质模型的顶面以及相对两侧面的应力加载，当完成上述各个方向的加载应力后，便可以进行地质模型的开挖，开展地质试验，无需安装油缸等昂贵复
杂的设备，有效克服传统复杂模型试验台造价高昂的难题。
[0055]
实施例二
[0056]
本实施例与实施例一相似，其不同之处在于，各个侧向加载轮9分别为齿轮，各个侧向加载轮9之间通过相互啮合构成相互联动，在竖向方向上，相邻的两个侧向加载螺栓7的螺纹方向相反，以使各个侧向加载轮9在联动旋转的过程中，各个侧向加载螺栓7的轴向移动方向一致，也就是可以确保各个侧向加载螺栓7同步水平移动，各轮的移动方向保持一致。
[0057]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。