CN114964850B - 一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载***及方法，属于矿山与地下工程试验技术领域。包括相似材料模型架、机械化模板装卸***、高精度自动开挖***和液压伺服非均布加载***四个部分；通过水平滑轨、竖向凹槽、凹形滑块、凸型滑块与安装搭扣相配合，实现模型铺设挡板的快速装卸；通过液压控制***对液压泵与液压缸的独立控制，实现非均布液压伺服加载功能；通过激光扫描设备、纵横电动滑轨、升降钻机和高精度钻头的协同工作，实现对相似模型的高精度、自动化开挖。本发明在实现模板快速装卸的同时，又能实现高精度自动化开挖和非均布加载，具有结构简单、操作简便、开挖精度高和加载方式可控的优点。

Description

一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载***及方法

技术领域

本发明涉及一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载***及方法，适用于开展巷隧道开挖的相似材料模型实验，属于矿山与地下工程试验技术领域。

背景技术

在矿山、水利水电、隧道、国防洞室等地下工程领域，围岩变形与围岩应力始终是研究的重点难点之一。目前，使用最广泛的技术手段是现场实测，即利用各种压力与变形测量仪器通过现场测试的方式来得到围岩的变形与应力分布规律。然而，现场实测往往需要利用到大量的测量仪器，且观测时间普遍长达数月甚至数年，导致其时间成本、经济成本较大。同时由于现场实测受到各种条件限制，其测量数据精度较低，并且难以得到围岩体内部的变形与应力分布情况。考虑到以上现场实测的局限性，相似材料模型试验成为了当前研究地下工程整体稳定性方面的主流方法。

相似材料模型试验是以岩土力学和相似理论为基础，通过建立相似材料模型来观测研究难用数学描述的***特性及原型***与模型***间的相似特性。通过控制试验边界条件和材料物理与力学特性，制作与实际地质环境相似的物理模型(相似材料模型)，采用现代化的试验加载方式与监测手段开展有目的、多角度的实验室试验研究，从而达到降低试验规模、节约试验成本、缩短试验周期的研究目的。在相似条件得到较好遵守的条件下，理论上可通过相似材料模型试验得到实际问题的直接答案。因此，相似材料模型试验(地质力学模型试验)可直接观测到矿山压力显现现象的全过程，得到地下工程变形至破坏的演化规律及围岩变形与支护结构的受力状态，提供具有较高价值的参考数据，从而解决目前用理论分析和数值模拟方法尚不能解决的一些工程施工与支护技术难题。

但是，目前实验室平面相似材料模型试验仍存在一些不足之处：首先，在铺设相似材料时需要使用到一定数量的挡板(模具或夹板)以固定约束相似材料成型，而这些挡板在安装过程中通常需要花费大量的人力与时间进行安装固定，且存在掉落伤人的危险性和相邻挡板安装不密实存在空隙导致相似材料冒出掉落而浪费材料的问题；其次，当前平面相似材料模型试验的加载方式基本都是采用均布荷载(在模型顶板布单个或多个设液压千斤顶装置，通过油路进行一次性加载)，其局限性在于无法真实地模拟巷(隧)道的实际受力(应力)状态，如无法模拟浅埋偏压巷(隧)道、深部急倾斜煤层偏压巷道等的非均布应力分布状态；最后，相似材料模型试验在巷(隧)道断面开挖时基本采用人工开挖成巷的方式，采用人工方式开挖的巷(隧)道往往存在断面形状不规则、表面不光滑、位置不准确的情况，同时人工开挖难以准确地控制开挖路径(如分次开挖、分段开挖等)，无法真实地模拟实际地下工程中所采用的各种施工方法。

因此，亟需研发一种简便可行、操作安全、灵活加载、精准开挖的平面相似材料模型试验开挖与加载新技术。

发明内容

技术问题：为实现上述技术目的，本发明的一一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载***及方法，便于挡板便于安装和搬运，减少试验过程中的人力消耗，同时有效防止挡板掉落伤人。

为实现上述技术目的，本发明的一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载***，其特征在于：包括用以放置相似材料模型的相似材料模型架，相似材料模型架前后两侧设有实现模型铺设挡板的快速安装与拆卸的机械化模板装卸***，相似材料模型架内的相似材料模型上设置有液压伺服非均布加载***，相似材料模型的前侧设有高精度自动开挖***；

其中相似材料模型架包括工作台、左立柱、右立柱、顶部横梁、扩大底座和混凝土基础，扩大底座设置在混凝土基础上，工作台设置在扩大底座上，左立柱和右立柱垂直设置在扩大底座上且对称固定在工作台左右两侧，顶部横梁设置在左立柱和右立柱的顶部，面向工作台的底部开有滑轨开槽，机械化模板装卸***设置在工作台前后两侧的地面上，相似材料模型根据提前制定的试验方案配置后依次分层铺设在工作台上；

机械化模板装卸***包括多片长度不等的模型铺设挡板、水平滑轨和竖向滑槽，相似材料模型设置在工作台上，左立柱和右立柱给相似材料模型提供测方向约束，其中多片长度不等的模型铺设挡板通过固定在左立柱和右立柱之间的不同高度位置从而在相似材料模型的前面形成快速安装高低可调的挡墙，在相似材料模型的后面可以使用整块的挡板或者与前面相似的多片长度不等的模型铺设挡板进行组合，多片长度不等的模型铺设挡板通过固定在左立柱和右立柱之间的不同高度位置从而在相似材料模型的前面形成挡墙，模型铺设挡板设置在相似材料模型的前后面提供前后方向的约束，工作台下方设有滑轨开槽，面对工作台布置有水平滑轨，水平滑轨的一端铺设入滑轨开槽内，便于模型铺设挡板的运输，水平滑轨上设有多个的凹形滑块，在安装模型铺设挡板以及铺设相似材料模型时使相似材料模型在水平滑轨上滑动，减少对人力的消耗，模型铺设挡板为矩形结构，模型铺设挡板左右两侧上方左右对称设有方形开槽，方形开槽内设有圆形开孔a，模型铺设挡板左右两侧的中部对称设有金属搭扣，竖向滑槽设置在左立柱和右立柱内侧，在竖向滑槽内设有匹配的凸形滑块，凸形滑块能够在竖向滑槽内竖向自由滑动，所述凸形滑块上设有带孔方块，带孔方块上下两侧设有对称且弹力较小的弹性拨片，弹性拨片可以在一定角度内自由摆动，其不受力时张开与竖直方向成夹角，受力时向后拨动完全贴合在凸形滑块上，在弹性拨片的作用下，已经固定在左立柱和右立柱上的模型铺设挡板完全贴合在左右立柱上，而下一个安装中的模型铺设挡板与左立柱和右立柱间存在距离，从而顺利越过前一片模型铺设挡板安装在上一块模型铺设挡板的上方，安装完成后的模型铺设挡板既可以在相似材料模型铺设过程中作为模板，又可以在加载过程中作为侧向约束。

进一步，液压伺服非均布加载***包括多个加载压板，多个加载压板平铺在摆放完毕的相似材料模型顶部，每个加载压板上均通过加载压杆设有液压油缸，加载压杆与加载压板之间采用球形连接；液压油缸通过加载压杆向加载压板施加垂直应力，通过加载压板将位移约束和垂直应力加在相似材料模型顶部，每个液压油缸分别通过管路与液压油泵连接，液压油泵通过管路连接有油罐，所有液压油泵均与液压控制***连接并通过液压控制***控制工作。

进一步，高精度自动开挖***包括激光扫描设备、数据接收及处理***、导轨控制***、纵向电动导轨、横向电动导轨、纵向滑板、横向滑板、液压升降杆和钻机，所述激光扫描设备置于相似材料模型架前侧，其扫描范围覆盖整个相似材料模型，激光扫描设备、数据接收及处理***和电脑通过线路依次连接，电脑通过导轨控制***分别连接纵向滑板和横向滑板，纵向滑板和横向滑板分别安装在纵向电动导轨和横向电动导轨上，利用电脑控制纵向滑板和横向滑板分别在纵向电动导轨和横向电动导轨上滑动；所述液压升降杆与液压油泵相连受控制升降，液压升降杆上端安装有与电脑相连接的钻机，钻机上装有高精度钻头，高精度钻头正面指向相似材料模型设置。

进一步，每个金属搭扣上设有用以将使模型铺设挡板固定在左、右立柱上的固定销钉、保险销钉和方形金属环，通过固定销钉和模型铺设挡板上的带孔圆柱体a使金属搭扣固定在模型铺设挡板上，通过方形金属环与左、右立柱上的限位块使模型铺设挡板固定在左、右立柱上，通过保险销钉与模型铺设挡板上的带孔圆柱体b保证金属搭扣不会意外弹开。

一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载***的加载方法，其步骤如下：

步骤一：设计试验方案，根据试验方案中的参数配置相似材料，进行多片相似材料模型的堆叠安装，首先推动模型铺设挡板在水平滑轨上滑动直至预计安装相似材料模型的前面或者后面位置至圆形开孔a对准带孔方块上的圆孔，此时凸形滑块上的带孔方块***到模型铺设挡板上的方形开槽中，模型铺设挡板恰好与弹性拨片相接触，再将限位销钉穿过圆形开孔a***到带孔方块中以确保模型铺设挡板在安装过程中始终与凸形滑块固定在一起防止掉落，然后向上推动模型铺设挡板，此时凸形滑块在竖向滑槽内向上滑动，当凸形滑块在竖向滑槽内到达最高点时，模型铺设挡板也上升至指定位置，然后拔出限位销钉，将方形金属环挂到限位块上，扣上金属搭扣，将保险销钉穿过金属搭扣上的圆形开孔b插到带孔圆柱体b内，同时模型铺设挡板压着弹性拨片完全贴合在左立柱和右立柱上，以此类推依次完成各片模型铺设挡板在不同高度的安装从而形成铺设相似材料模型高度的挡墙；

步骤二：待相似材料模型铺设及养护完成后，在似材料模型的前面重复安装与相似材料模型(高度相匹配的挡墙，然后采用液压伺服非均布加载***对相似材料模型进行顶部位移约束和应力的施加，通过加载压板作为顶部位移约束的同时，将垂直应力加在相似材料模型顶部，通过模型铺设挡板和左立柱和右立柱提供侧向约束，加载过程中可以进行非均布加载，根据预设试验方案，利用电脑控制加载方式，包括均布加载方式或者非均布加载方式，通过液压控制***控制液压油泵进油，此时液压油缸下降带动着加载压杆和加载压板对相似材料模型进行加载，在此过程中每一个液压油泵均单独控制一个液压油缸已实现均布加载方式或者非均布加载方式，真实地模拟巷道的实际受力状态；

步骤三：拆除模型铺设挡板，首先托住模型铺设挡板，拔下保险销钉，打开金属搭扣，摘下方形金属环，弹性拨片恢复原状的同时将模型铺设挡板向外缓慢拨动至对应位置，此时圆形开孔a对准带孔方块，再***限位销钉使模型铺设挡板固定在凸形滑块上，缓慢降下模型铺设挡板使其落在凹形滑块上，向外推动模型铺设挡板使凹形滑块上的凹槽对准即将拆卸的下一块模型铺设挡板，然后依次完成所有模型铺设挡板的拆卸，并利用水平滑轨将模型铺设挡板搬运走；

步骤四：当前后两面的模型铺设挡板拆卸完毕后，在相似材料模型表面涂抹白色乳胶漆，绘制开挖断面轮廓，此时通过激光扫描设备获取开挖断面轮廓的位置信息，再通过数据接收与处理***转化为坐标传输给电脑，然后通过与电脑相连接的导轨控制***和液压控制***调整钻机的位置与高度，使高精度钻头对准开挖断面进行精确开挖，在开挖过程中，可以通过电脑控制高精度钻头开挖的路径以实现对不同开挖方法的模拟。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明通过在铺设相似材料模型时通过使用水平滑轨、竖向凹槽、凹形滑块、凸型滑块、安装搭扣和长度不同的模型铺设挡板，实现了模型铺设挡板快速、简便装卸的功能，即减少了对人力的需要，又缩短了挡板装卸过程所需的时间；在加载时，通过液压控制***的控制，每一个液压泵都独立控制一个液压缸，以此实现了非均布液压伺服加载的功能，可在相似材料模型顶部施加非均布荷载，真实地模拟巷(隧)道的实际受力(应力)状态，如浅埋偏压巷(隧)道、深部急倾斜煤层偏压巷道等；在巷道开挖时，通过激光扫描设备、纵横电动滑轨、升降钻机和高精度钻头的协同工作，先扫描得到开挖断面轮廓的位置信息，再将其转化为坐标，然后由电脑控制钻机进行开挖，既做到了高精度、自动化开挖，又可以选择不同的开挖路径(如分次开挖、分段开挖等)，真实地模拟实际地下工程中所采用的各种施工方法。本发明在实现模板快速装卸的同时，又能实现高精度自动化开挖和非均布加载，具有结构简单、操作简便、开挖精度高和加载方式可控等优点，为相似材料模型试验提供了一种新方法。

附图说明

图1为本发明平面模型试验台自动开挖与非均布加载***的使用结构示意图；

图2为本发明平面模型试验台自动开挖与非均布加载***的使用结构示意图；

图3为本发明平面模型试验台自动开挖与非均布加载***的使用结构示意图；

图4为本发明平面模型试验台自动开挖与非均布加载***的使用结构示意图；

图5为水平滑轨搬运模型铺设挡板的示意图；

图6为竖向滑槽和凸形滑块的匹配示意图；

图7为滑轨开槽的结构示意图；

图8为本发明的金属搭扣结构示意图。

图中：1-工作台，2-左立柱，3-右立柱，4-顶部横梁，5-扩大底座，6-混凝土基础，7-固定螺栓，8-模型铺设挡板，9-水平滑轨，10-竖向滑槽，11-凹形滑块，12-金属搭扣，13-固定销钉，14-保险销钉，15-方形金属环，16-带孔圆柱体a，17-限位块，18-带孔圆柱体b，19-凸形滑块，20-带孔方块，21-限位销钉，22-方形开槽，23-弹性拨片，24-液压油缸，25-液压油泵，26-加载压杆，27-加载压板，28-油罐，29-液压控制***，30-激光扫描设备，31-数据接收及处理***，32-导轨控制***，33-纵向电动导轨，34-横向电动导轨，35-纵向滑板，36-横向滑板，37-液压升降杆，38-钻机，39-相似材料模型，40-开挖断面，41-高精度钻头，42-电脑，43-圆形开孔a，44-圆形开孔b，45-滑轨开槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1～6所示，本发明的一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载***，主要由相似材料模型架、机械化模板装卸***、液压伺服非均布加载***和高精度自动开挖***四个部分组成，其中相似材料模型架用以放置相似材料模型，液压伺服非均布加载***设置在相似材料模型架内相似材料模型上方，高精度自动开挖***设置在相似材料模型的前侧；

所述的相似材料模型架主要包括工作台1、左立柱2、右立柱3、顶部横梁4、扩大底座5和混凝土基础6，所述扩大底座5设置在混凝土基础6上，通过固定螺栓7与位于地面以下的混凝土基础6连接，所述左立柱2和右立柱3垂直设置在扩大底座5上且对称固定在工作台1左右两侧，顶部横梁4设置在左立柱2和右立柱3的顶部，工作台1前后两侧底部设有滑轨开槽45，机械化模板装卸***设置在工作台1前后两侧的地面上；

所述的机械化模板装卸***包括模型铺设挡板8、水平滑轨9和竖向滑槽10，所述水平滑轨9布置在工作台1前后两侧，其靠近工作台1的一端布置在滑轨开槽45中，水平滑轨9上设有多个用以放置模型铺设挡板8的凹形滑块11，这些凹形滑块11等间距固定在一起且可以同时滑动，所述模型铺设挡板8放置在凹形滑块11上，在相似材料模型39铺设过程中第一片模型铺设挡板8安装在最下层，其它的模型铺设挡板8依次紧挨着向上安装，每一层模型铺设挡板8的长度至上而下依次变短，模型铺设挡板8左右两端设置有金属搭扣12，所述竖向滑槽10设置在左立柱2和右立柱3上，在竖向滑槽10内设有凸形滑块19，凸形滑块19可在竖向滑槽10内竖向自由滑动，所述凸形滑块19上设有带孔方块20，通过带孔方块20、限位销钉21和模型铺设挡板8上对应的方形开槽22可以使模型铺设挡板8与凸形滑块19相固定，防止模型铺设挡板安装过程中不慎掉落，带孔方块20上下两侧设有对称且弹力较小的弹性拨片23，弹性拨片23可以在一定角度内自由摆动，其不受力时张开与竖直方向成一定角度，受力时向后拨动可完全贴合在凸形滑块19上，在弹性拨片23的作用下，已经固定在左右立柱上的模型铺设挡板8完全贴合在左右立柱上，而正在安装中的模型铺设挡板8与左右立柱间存在距离，由此可以顺利越过前一片模型铺设挡板8继续向上安装，安装完成后的模型铺设挡板8既可以在相似材料模型39铺设过程中作为模板，又可以在加载过程中作为侧向约束；

液压伺服非均布加载***包括多个平铺在相似材料模型39顶部的加载压板27，每个加载压板27上均通过加载压杆26设有液压油缸24，加载压杆26与加载压板27之间采用球形连接以确保能够适应模型顶部在加载过程中出现的不均匀变形，液压油缸24通过加载压杆26向加载压板27施加垂直应力，通过加载压板27将位移约束和垂直应力加在相似材料模型39顶部，每个液压油缸24分别通过管路与液压油泵25连接，液压油泵25通过管路连接有油罐28，所有液压油泵25均与液压控制***29连接并通过液压控制***29控制工作，所述液压油缸24、液压油泵25和油罐28之间均为单独连接，保证各液压油缸24能够单独施加荷载以实现非均布加载功能；

所述的高精度自动开挖***包括激光扫描设备30、数据接收及处理***31、导轨控制***32、纵向电动导轨33、横向电动导轨34、纵向滑板35、横向滑板36、液压升降杆37和钻机38，所述激光扫描设备30可以通过激光扫描获取相似材料模型39上开挖断面40的位置信息，然后通过数据接收及处理***31传输给电脑42，所述导轨控制***32与电脑42相连，可根据电脑42发送的指令控制纵向滑板35和横向滑板36分别在纵向电动导轨33和横向电动导轨34上滑动，所述液压升降杆37与液压油泵25相连，可以通过升降调整钻机38高度，所述钻机38与电脑42相连上，钻机38上装有高精度钻头41，高精度钻头41正面朝向相似材料模型39，高精度钻头41可以在电脑42控制下精确模拟不同的开挖方法；

所述金属搭扣12包括固定销钉13、保险销钉14和方形金属环15，通过固定销钉13和模型铺设挡板8上的带孔圆柱体a16使金属搭扣12固定在模型铺设挡板8上，通过方形金属环15与左、右立柱上的限位块17使模型铺设挡板8固定在左、右立柱上，通过保险销钉14与模型铺设挡板8上的带孔圆柱体b18保证金属搭扣12不会意外弹开。

一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载***的加载方法，包括以下步骤：

步骤一：设计试验方案，根据试验方案中的参数配置相似材料，进行模型铺设，首先推动第一块模型铺设挡板8在水平滑轨9上滑动至对应位置，此时凸形滑块19上的带孔方块20***到模型铺设挡板8上的方形开槽22中，圆形开孔a43对准带孔方块20上的圆孔，模型铺设挡板8恰好与弹性拨片23相接触，再将限位销钉21穿过圆形开孔a43***到带孔方块20中以确保模型铺设挡板8在安装过程中始终与凸形滑块19固定在一起，然后向上推动模型铺设挡板8，此时凸形滑块19在竖向滑槽10内向上滑动，当凸形滑块19在竖向滑槽10内到达最高点时，模型铺设挡板(8)也上升至指定位置，然后拔出限位销钉21，将方形金属环15挂到限位块17上，扣上金属搭扣12，将保险销钉14穿过金属搭扣12上的圆形开孔b44插到带孔圆柱体b18内，同时模型铺设挡板8压着弹性拨片23完全贴合在左、右立柱上，以此类推依次完成各片模型铺设挡板8的安装并依次分层铺设相似材料模型39至所需高度。

步骤二：待相似材料模型39铺设及养护完成后，采用液压伺服非均布加载***对相似材料模型39进行顶部位移约束和应力的施加，根据试验方案，在电脑42上设置加载方式，通过液压控制***29控制液压油泵25进油，此时液压油缸24下降带动着加载压杆26和加载压板27对相似材料模型39进行加载，在此过程中每一个液压油泵24均单独控制一个液压油缸24；

步骤三：拆除模型铺设挡板8，首先，试验操作人员托住模型铺设挡板8，拔下保险销钉(14)，打开金属搭扣12，摘下方形金属环15，弹性拨片23恢复原状的同时将模型铺设挡板8向外缓慢拨动至对应位置，此时圆形开孔a43对准带孔方块20，再***限位销钉21使模型铺设挡板8固定在凸形滑块19上，缓慢降下模型铺设挡板8使其落在凹形滑块11上，向外推动模型铺设挡板使凹形滑块上的凹槽对准即将拆卸的下一块模型铺设挡板8，然后依次完成所有模型铺设挡板8的拆卸；

步骤四：当两侧的模型铺设挡板8拆卸完毕后，在相似材料模型39表面涂抹白色乳胶漆，绘制开挖断面40轮廓，此时通过激光扫描设备30获取开挖断面40轮廓的位置信息，再通过数据接收与处理***31转化为坐标传输给电脑42，然后通过与电脑42相连接的导轨控制***32和液压控制***29调整钻机38的位置与高度，使高精度钻头41对准开挖断面40进行精确开挖。

综上所述，通过采用机械化模板装卸***、高精度自动开挖***和液压伺服非均布加载***的组合，本发明实现了模型铺设挡板便捷装卸、液压伺服加载方式可控以及高精度自动化开挖的功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于在本领域的技术和施工人员来说，在不脱离本发明技术原理前提下，还可以做出若干改进或替换，这些改进或替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种平面模型试验台自动开挖与非均布加载***，其特征在于：包括用以放置相似材料模型（39）的相似材料模型架，相似材料模型架前后两侧设有实现模型铺设挡板的快速安装与拆卸的机械化模板装卸***，相似材料模型架内的相似材料模型（39）上设置有液压伺服非均布加载***，相似材料模型（39）的前侧设有高精度自动开挖***；

其中相似材料模型架包括工作台（1）、左立柱（2）、右立柱（3）、顶部横梁（4）、扩大底座（5）和混凝土基础（6），扩大底座（5）设置在混凝土基础（6）上，工作台（1）设置在扩大底座（5）上，左立柱（2）和右立柱（3）垂直设置在扩大底座（5）上且对称固定在工作台（1）左右两侧，顶部横梁（4）设置在左立柱（2）和右立柱（3）的顶部，面向工作台（1）的底部开有滑轨开槽（45），机械化模板装卸***设置在工作台（1）前后两侧的地面上，相似材料模型（39）根据提前制定的试验方案配置后依次分层铺设在工作台（1）上；

机械化模板装卸***包括多片长度不等的模型铺设挡板（8）、水平滑轨（9）和竖向滑槽（10），相似材料模型（39）设置在工作台（1）上，左立柱（2）和右立柱（3）给相似材料模型（39）提供侧方向约束，其中多片长度不等的模型铺设挡板（8）通过固定在左立柱（2）和右立柱（3）之间的不同高度位置从而在相似材料模型（39）的前面形成快速安装高低可调的挡墙，在相似材料模型（39）的后面可以使用整块的挡板或者与前面相似的多片长度不等的模型铺设挡板（8）进行组合，模型铺设挡板（8）设置在相似材料模型（39）的前后面提供前后方向的约束，工作台（1）下方设有滑轨开槽（45），面对工作台（1）布置有水平滑轨（9），水平滑轨（9）的一端铺设入滑轨开槽（45）内，便于模型铺设挡板（8）的运输，水平滑轨（9）上设有多个的凹形滑块（11），在安装模型铺设挡板（8）以及铺设相似材料模型（39）时使相似材料模型（39）在水平滑轨（9）上滑动，减少对人力的消耗，模型铺设挡板（8）为矩形结构，模型铺设挡板（8）左右两侧上方左右对称设有方形开槽（22），方形开槽（22）内设有圆形开孔a（43），模型铺设挡板（8）左右两侧的中部对称设有金属搭扣（12），竖向滑槽（10）设置在左立柱（2）和右立柱（3）内侧，在竖向滑槽（10）内设有匹配的凸形滑块（19），凸形滑块（19）能够在竖向滑槽（10）内竖向自由滑动，所述凸形滑块（19）上设有带孔方块（20），带孔方块（20）上下两侧设有对称且弹力较小的弹性拨片（23），弹性拨片（23）可以在一定角度内自由摆动，其不受力时张开与竖直方向成夹角，受力时向后拨动完全贴合在凸形滑块（19）上，在弹性拨片（23）的作用下，已经固定在左立柱（2）和右立柱（3）上的模型铺设挡板（8）完全贴合在左右立柱上，而下一个安装中的模型铺设挡板（8）与左立柱（2）和右立柱（3）间存在距离，从而顺利越过前一片模型铺设挡板（8）安装在上一块模型铺设挡板（8）的上方，安装完成后的模型铺设挡板（8）既可以在相似材料模型（39）铺设过程中作为模板，又可以在加载过程中作为侧向约束。

2.根据权利要求1所述的平面模型试验台自动开挖与非均布加载***，其特征在于：液压伺服非均布加载***包括多个加载压板（27），多个加载压板（27）平铺在摆放完毕的相似材料模型（39）顶部，每个加载压板（27）上均通过加载压杆（26）设有液压油缸（24），加载压杆（26）与加载压板（27）之间采用球形连接；液压油缸（24）通过加载压杆（26）向加载压板（27）施加垂直应力，通过加载压板（27）将位移约束和垂直应力加在相似材料模型（39）顶部，每个液压油缸（24）分别通过管路与液压油泵（25）连接，液压油泵（25）通过管路连接有油罐（28），所有液压油泵（25）均与液压控制***（29）连接并通过液压控制***（29）控制工作。

3.根据权利要求2所述的平面模型试验台自动开挖与非均布加载***，其特征在于：高精度自动开挖***包括激光扫描设备（30）、数据接收及处理***（31）、导轨控制***（32）、纵向电动导轨（33）、横向电动导轨（34）、纵向滑板（35）、横向滑板（36）、液压升降杆（37）和钻机（38），所述激光扫描设备（30）置于相似材料模型架前侧，其扫描范围覆盖整个相似材料模型（39），激光扫描设备（30）、数据接收及处理***（31）和电脑（42）通过线路依次连接，电脑（42）通过导轨控制***（32）分别连接纵向滑板（35）和横向滑板（36），纵向滑板（35）和横向滑板（36）分别安装在纵向电动导轨（33）和横向电动导轨（34）上，利用电脑（42）控制纵向滑板（35）和横向滑板（36）分别在纵向电动导轨（33）和横向电动导轨（34）上滑动；所述液压升降杆（37）与液压油泵（25）相连受控制升降，液压升降杆（37）上端安装有与电脑（42）相连接的钻机（38），钻机（38）上装有高精度钻头（41），高精度钻头（41）正面指向相似材料模型（39）设置。

4.根据权利要求1所述的平面模型试验台自动开挖与非均布加载***，其特征在于：每个金属搭扣（12）上设有用以将使模型铺设挡板（8）固定在左、右立柱上的固定销钉（13）、保险销钉（14）和方形金属环（15），通过固定销钉（13）和模型铺设挡板（8）上的带孔圆柱体a（16）使金属搭扣（12）固定在模型铺设挡板（8）上，通过方形金属环（15）与左、右立柱上的限位块（17）使模型铺设挡板（8）固定在左、右立柱上，通过保险销钉（14）与模型铺设挡板（8）上的带孔圆柱体b（18）保证金属搭扣（12）不会意外弹开。

5.一种使用权利要求1-4任一项所述的平面模型试验台自动开挖与非均布加载***的加载方法，其特征在于步骤如下：

步骤一：设计试验方案，根据试验方案中的参数配置相似材料，进行多片相似材料模型（39）的堆叠安装，首先推动模型铺设挡板（8）在水平滑轨（9）上滑动直至预计安装相似材料模型（39）的前面或者后面位置至圆形开孔a（43）对准带孔方块（20）上的圆孔，此时凸形滑块（19）上的带孔方块（20）***到模型铺设挡板（8）上的方形开槽（22）中，模型铺设挡板（8）恰好与弹性拨片（23）相接触，再将限位销钉（21）穿过圆形开孔a（43）***到带孔方块（20）中以确保模型铺设挡板（8）在安装过程中始终与凸形滑块（19）固定在一起防止掉落，然后向上推动模型铺设挡板（8），此时凸形滑块（19）在竖向滑槽（10）内向上滑动，当凸形滑块（19）在竖向滑槽（10）内到达最高点时，模型铺设挡板（8）也上升至指定位置，然后拔出限位销钉（21），将方形金属环（15）挂到限位块（17）上，扣上金属搭扣（12），将保险销钉（14）穿过金属搭扣（12）上的圆形开孔b（44）插到带孔圆柱体b（18）内，同时模型铺设挡板（8）压着弹性拨片（23）完全贴合在左立柱（2）和右立柱（3）上，以此类推依次完成各片模型铺设挡板（8）在不同高度的安装从而形成铺设相似材料模型（39）高度的挡墙；

步骤二：待相似材料模型（39）铺设及养护完成后，在相似材料模型（39）的前面重复安装与相似材料模型（39）高度相匹配的挡墙，然后采用液压伺服非均布加载***对相似材料模型（39）进行顶部位移约束和应力的施加，通过加载压板（27）作为顶部位移约束的同时，将垂直应力加在相似材料模型（39）顶部，通过模型铺设挡板（8）和左立柱（2）和右立柱（3）提供侧向约束，加载过程中可以进行非均布加载，根据预设试验方案，利用电脑（42）控制加载方式，包括均布加载方式或者非均布加载方式，通过液压控制***（29）控制液压油泵（25）进油，此时液压油缸（24）下降带动着加载压杆（26）和加载压板（27）对相似材料模型（39）进行加载，在此过程中每一个液压油泵（25）均单独控制一个液压油缸（24）已实现均布加载方式或者非均布加载方式，真实地模拟巷道的实际受力状态；

步骤三：拆除模型铺设挡板（8），首先托住模型铺设挡板（8），拔下保险销钉（14），打开金属搭扣（12），摘下方形金属环（15），弹性拨片（23）恢复原状的同时将模型铺设挡板（8）向外缓慢拨动至对应位置，此时圆形开孔a（43）对准带孔方块（20），再***限位销钉（21）使模型铺设挡板（8）固定在凸形滑块（19）上，缓慢降下模型铺设挡板（8）使其落在凹形滑块（11）上，向外推动模型铺设挡板（8）使凹形滑块上的凹槽对准即将拆卸的下一块模型铺设挡板（8），然后依次完成所有模型铺设挡板（8）的拆卸，并利用水平滑轨（9）将模型铺设挡板（8）搬运走；

步骤四：当前后两面的模型铺设挡板（8）拆卸完毕后，在相似材料模型（39）表面涂抹白色乳胶漆，绘制开挖断面（40）轮廓，此时通过激光扫描设备（30）获取开挖断面（40）轮廓的位置信息，再通过数据接收与处理***（31）转化为坐标传输给电脑（42），然后通过与电脑（42）相连接的导轨控制***（32）和液压控制***（29）调整钻机（38）的位置与高度，使高精度钻头（41）对准开挖断面（40）进行精确开挖，在开挖过程中，可以通过电脑（42）控制高精度钻头（41）开挖的路径以实现对不同开挖方法的模拟。

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