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1、(10)申请公布号 CN 104297067 A (43)申请公布日 2015.01.21 CN 104297067 A (21)申请号 201410486263.8 (22)申请日 2014.09.22 G01N 3/12(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (71)申请人 山东科技大学 地址 266590 山东省青岛市经济技术开发区 前湾港路 579 号 (72)发明人 陈绍杰 朱彦 刘小岩 尹大伟 曹俸玮 王怀远 闵瑞 (74)专利代理机构 济南舜源专利事务所有限公 司 37205 代理人 毛胜昔 (54) 发明名称 一种相似材料模拟半柔性加载实验装置及其 实验方法 。
2、(57) 摘要 本发明公开了一种相似材料模拟半柔性加载 实验装置及其实验方法， 其在现有技术的基础上， 通过采用由若干个半柔性加载单元共同组成的加 载装置， 该半柔性加载单元采用仅底面可发生弹 性形变、 其他各面均为刚性材质的六面体结构形 式， 通过传递液压油所施压力的加载方式 ； 并通 过在顶梁的两端设置连接部件， 并通过螺栓固定 在立柱上形成可拆卸连接 ； 在立柱的不同的高度 位置分别开设有若干定位孔， 使得顶梁可根据不 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等技术手段 , 较好地 解决了现有技术中试样模型加载受力不均等系统 误差、 调节不便以及操作费时费力。
3、等问题。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104297067 A CN 104297067 A 1/1 页 2 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。
4、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。
5、油泵分别用于向所述密闭空腔内供送 / 抽吸出液压油。 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。 3. 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。 4. 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 ； 。
6、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。 权 利 要 求 书 CN 104297067 A 2 1/4 页 3 一种相似材料模拟半柔性加载实验装置及其实验方法 技术领域 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。 背景技术 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。
7、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。 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。 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。 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。
8、的重块容易滑落， 严重威胁实验人 员的人身安全。 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。 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。 发明内容 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。 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。
9、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。 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 ； 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 ； 0012 左右两侧立柱上沿纵向均分别设置。
10、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 ； 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 说 明 书 CN 104297067 A 3 2/4 页 4 于底板上， 加载装置自上向下对待测试样模型进行加载 ； 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 ； 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。
11、 ； 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。 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 ； 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 ； 。
12、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 ； 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。 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。
13、在立柱上的不同高度位置。 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。 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。 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。 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。
14、在凹槽位置， 也能实现牢固且密封连接。 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。 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。 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。 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 说 明。
15、 书 CN 104297067 A 4 3/4 页 5 装置的实验方法， 其特征在于， 包括以下步骤 ： 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 ； 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 ； 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。 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 ； 0034 由于加载过程中， 所施加的压力方向始终如一， 且。
16、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。 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。 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。 附图说明 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 ； 0038 图。
17、 2 为本发明的半柔性加载单元的结构示意图。 具体实施方式 0039 下面结合附图， 对本发明进行详细说明。 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 ； 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 ； 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。
18、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 ； 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 ； 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 ； 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 ； 0046 上述加载装置包括若干个半柔性加载单元 ； 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 ； 0048 该金。
19、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 说 明 书 CN 104297067 A 5 4/4 页 6 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 ； 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。 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。 0051 当然， 还可以借鉴现有技术。
20、的其他手段， 实现其他形式的牢固且密封连接。 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。 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 ： 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 ； 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 ； 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。 说 明 书 CN 104297067 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104297067 A 7 。