第4章 模型试验装置和加载系统

4.1 模型试验装置

无论是采用哪种模型砌筑技术，都需要能用于砌筑模型的结构试验平台。试验平台是承载模型及进行加载的试验台，可分为多种类型。按照功能分类，试验台可以分为静力模型试验台和震动模型试验台；按照是否能移动，试验台可分为固定式试验台和移动式试验台；按照结构分类，试验台可分为基座式试验台和组合钢架式试验台。

试验平台对模型试验至关重要，试验台的大小是确定模型几何比尺时必须考虑的因素，也直接决定了模拟范围。一个好的模型试验平台一般需要满足如下几个要求：

（1）要有足够的空间。试验台必须有足够的空间，能容纳实际工程需要模拟的范围经过缩尺以后的模型大小。

（2）要有足够的刚度。试验台必须是牢固可靠的一个整体。无论是在砌筑模型时，还是在试验加载过程中，模型的边界条件不会发生明显改变，保证试验的顺利进行。

（3）试验台结构受力合理。试验台整体受力应该均匀、合理，避免部分地方受力很大，另外一部分受力很少。另外，试验台一般要为加载设备提供反力，因此试验台的受力应该是自平衡的。

需要注意的是，模型试验平台也不是越大越好。平台应该尽可能地接近模型模拟范围，这样能避免不必要的模型砌筑，可以节省试验成本和时间。

地质力学模型试验一般是静力或拟静力试验，采用的试验台大多也都是固定式的试验平台。固定试验平台不仅造价便宜，且可以做得很牢固，有足够的刚度。但固定试验平台不方便拆卸，也可能满足不了大比尺的试验的需要。因此目前的试验平台应该设计成三维数控材料结构破坏试验平台，以可移动式替代目前的固定式，虽然一次性投入增加，但可以一劳永逸，以满足不同模型比尺试验的需要。

本章重点介绍目前拱坝地质力学模型试验中运用比较广泛的基座式和钢架式试验台，分析其各自的特点。同时介绍清华大学水工结构实验室多功能模型试验平台以及其他新型模型试验平台。

4.1.1 基座式试验槽

模型试验平台的主体是用混凝土或者钢筋混凝土砌筑成的试验基座，基座上部大多会设计成两端或者四周高起，中间下凹的结构，并在基座上架设辅助钢架以方便模型砌筑和加载及监测设备的布置，这样的试验平台常被称为基座式试验槽。

试验槽的优点是，采用钢筋混凝土或者混凝土砌筑的基座整体性和刚度较高，能满足拱坝模型试验的承载和提供加载设备反力的要求；另外试验槽的结构开放，能为模型砌筑提供足够的操作空间，也不会影响其他设备的安装。

基座试验槽是一种典型的固定式静力试验平台，试验台的空间位置固定不变，对模型试验比尺的选择有影响。另外，在基座式试验槽里面的拱坝模型的砌筑位置比较固定，因此加载设备尺寸和加载反力装置的尺寸和位置固定，模型试验有时候难以灵活开展。另外，虽然基座式试验槽的修建非常方便，但是拆卸非常麻烦，因此在修筑之前必须谨慎思考，合理规划。

虽然国内采用基座式试验槽越来越少，但仍然有部分科研单位采用这种模型试验台。图4.1所示为清华大学[1]和四川大学[2]的拱坝地质力学模型基座式试验台。

4.1.2 钢架式试验槽

钢架式试验槽是指采用钢材，如型钢和钢板等，制成的钢梁、钢柱和钢桁架等构件，各构件和钢部件之间采用焊接、螺栓或者铆钉连接而成的钢结构试验台。因为钢架式试验台常采用镂空的“牢笼”式，即用钢材围成一个相对独立空间，模型砌筑和试验在该空间中进行，因此钢架式试验台也叫做钢架式试验槽。钢架式试验槽具有如下优点：

（1）强度和刚度较高。

（2）自重轻，对试验槽的场地要求不会很严苛。

（3）结构受力简单，能基本满足自平衡条件。

（4）砌筑和拆卸均比较方便，砌筑工期短。

（5）结构搭建比较灵活，适合多种模型试验。

（6）造价相对较低，且钢材可回收利用。

因为具有如上优点，钢架式试验槽是目前使用最广泛的模型试验平台，图4.2所示为清华大学水工结构实验室的高拱坝地质力学模型试验钢架。

不过钢架式试验槽也有一些缺点。首先，试验槽的空间相对较为封闭，可能会给砌筑模型带来不便。另外，钢架式试验槽和基座式试验槽一样，是一种固定式的静力试验台，对模型试验的几何比尺的选择有一定影响。如果比尺较大，钢架空间可能会比试验要求的模拟范围小；如果比尺太小，则需要花费大量的模型材料、人力和时间去砌筑模拟模型范围以外部分，这实际是一种浪费。另外，钢架式试验槽对制作、安装以及焊接、螺栓和铆钉连接的装配水平要求较高。

4.1.3 新型多功能模型试验平台

根据上一节的分析知道，钢架式试验槽虽然具有较多优点，但仍然有一些缺点。为了便于模型试验更好地开展，需要对钢架式试验槽进行改造，设计出一种范围可调，组装灵活，适应性好的多功能模型试验平台。

试验平台的设计思路是，地板上并排铺设一定长度的工字钢，工字钢之间采用带有螺栓孔的连接板并用螺栓相连，组成试验平台基本的受力底架。为了增加底架的整体性，在工字钢之间采用槽钢连接。在连接板上通过螺栓或者焊接设置若干钢梁。钢梁之间也通过槽钢相连接以增强钢架整体性。为了增加钢梁稳定性，改善结构受力，在钢梁与连接板交接处设置勒板。图4.3为新型钢架模型试验台。

与普通钢架式试验槽相比，该新型钢架试验台还有其他优点：

（1）试验台范围可调。在模型试验前，根据模拟要求和模拟范围选定合适的试验台空间。因为钢梁设置在连接板上，所以根据所需的试验范围选择钢梁的安装位置，这样砌筑的钢架试验台即能保证有合适的空间砌筑模型和进行模型试验，不会因为几何比尺的大小造成钢架试验台尺寸的不足或浪费。

（2）组装灵活。连接板事先设计有螺栓连接孔，钢架主要依靠高强度螺栓连接，组装灵活方便。

（3）适应性好。一般的钢架试验台只能满足某一类模型试验的要求。因为新型钢架试验台组装方便，灵活多样，整体性较高，不仅能做拱坝、地下洞室的模型试验，还开展边坡、隧道的模型试验。图4.4为基于新型钢架试验平台的边坡模型试验示意图。

4.1.4 其他新型模型试验平台

为了克服传统模型试验台的缺点，或者针对某种类型的模型试验而要求实现某些特殊功能，需要研制新型的模型试验平台。这些特殊功能包括高拱坝模型试验中降强模拟，地下储气库洞群模型试验的地应力模拟，水电站地下洞群开挖模型试验的初始地应力场、渗流以及开挖过程模拟，深部洞室的三维梯度非均匀地应力场模拟等。本节将介绍两种新型的模型试验平台，这两类试验平台具有结构新颖、功能多样并能实现特定模拟要求的特点。

清华大学水工结构实验室建造了引水隧道地质力学模型试验钢架台[3]，如图4.5所示，试验台架内空尺寸为长×高×宽=6.20m×4.50m×1.83m；下部为钢筋混凝土底板，埋设有地脚螺栓；两侧各为五排工字钢立柱，通过地脚螺栓与底板相连；顶部用五根工字钢与两侧立柱相连，形成整体框架。为了模拟初始地应力场和渗透压力，需要在该钢架试验台的基础上进行加固。在前后两块钢板外侧均增加若干横向或竖向钢支撑。将试验台架围成的内空分隔成三个空间，两侧空间下部作为水箱，储存有压水以便于向模型材料内部供水，模型侧面位于水箱上部的钢板采用槽钢加固支护。

在该试验钢架基础上，采用“离散化多主应力面加载及控制系统”模拟三维地应力场[4]，保证模型试验初始条件，该加载系统由高压气囊、反推力板、限位千斤顶、空气压缩机等组成。通过在模型材料两侧加有压水的水箱，水箱上部是供水管道；水箱的供水管和埋设在模型材料上部的花管相联，花管上的每个小孔作为渗流的源头，持续稳定地向模型材料中提供一定压力的水，模型材料内的渗流场便是若干根细小的花管形成。

本章前面提到，传统的钢架试验台具备尺寸固定、模型试验范围不能灵活调整、加载反力装置尺寸固定等缺点。为了克服这些缺点，山东大学研发了组合式三维地质力学模型试验台架装置[5-7]。该装置主要由盒式钢台架体和钢台架底盘两大主体部分组成。其中台架体由不同尺寸的盒式铸钢构件通过高强度螺栓连接而成，盒式铸钢在铸造厂一次制模整体铸造而成。台架底盘由带有螺栓槽的型钢钢板并列拼接而成。通过底盘高强螺栓可将盒式台架体和台架底盘在所要求的螺栓槽位固定，形成组合式三维地质力学模型试验台架装置，该装置主要用于承载模型并且是加载设备的反力装置。图4.6为组合式三维地质力学模型试验台架装置[6]。

与传统钢架试验台相比，该组合式台架装置具有显著特点。首先该试验台装置尺寸可以通过调节底盘连接螺栓在螺栓槽中的位置任意调整模型架的长、宽尺寸。该试验台刚度高、整体性好，组装和拆卸灵活方便，功能多样，既能开展三维模型试验，也能开展平面模型试验。