多功能地质力学模型试验系统的设计*

李剑光 邹会松 周梓燚 孙耿玉

（青岛科技大学 青岛 266100）

1 引言

地质力学模型试验被广泛应用于国防、采矿、交通、水利等岩土工程领域，是工程施工前稳定性分析的有效手段［1］。地质力学模型试验的成败依赖于试验系统，一般认为，试验系统包括框架、加载系统、监测系统和控制系统［2～4］。有关试验系统的研制，国内外有众多成功案例。陈安敏［5］等研制出一种岩土工程多功能模拟试验装置，可以进行平面地质力学模型试验，岩体模拟试件进行抗剪强度试验，进行抗弯强度试验等；张强勇等［6］研制了一种组合式地质力学模型试验系统，并应用于分岔隧道工程；李元海［7］等研制了一套结构紧凑、模型尺寸适中、稳压效果良好的双轴电机加载物理模拟试验系统，不仅可以用于中小型隧道物理模拟试验，还可完成普通相似材料的标准或非标准试件的单轴与双轴压缩试验研究等；邬爱清［8］等针对多因素交互影响的水岩作用机制试验研究，研制HMTS-1200 型裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统。现有的模型试验系统大多为人工手动操控，会产生额外的人工误差，最终结果与实际有偏差；另外大多模型试验系统试验台固定，只能做单一试验，试验效率低等问题，针对这种现状，本文设计一种与自动化控制技术相结合的新型的模型试验系统，该系统具有自动开采、自动清理废屑以及自动对洞壁进行支护等功能，并且还具有自动监测功能，通过PLC控制实现对工程模拟的一体化控制。

2 试验装置硬件组成

多功能的新型地质力学模型试验系统包括试验台、运动装置、多功能集成装置、液压加载装置以及控制装置，通过控制装置对系统发出指令，完成地质力学模型试验。该系统组成图如图1所示。

图1 多功能地质力学模型试验系统组成图

2.1 试验台

试验台采用框架结构，包括框架底座、主框架、模板、压板、压力传感器和液压缸，如图2 所示，框架选用带肋板的槽钢，不仅可以满足强度要求也能节约成本，框架各部件之间通过高强度螺栓连接，这样既容易安装，也便于后期系统的维护。

图2 地质力学模型试验台

2.2 加载装置

加载装置采用液压加载，通过液压站对其液压缸提供压力，由液压油泵、油管、液压阀、蓄能器和压力表等组成，在油管上接入三通连接，可以同时给两个液压缸进给压力，通过液压阀控制两个液压缸的压力输出，当两个液压阀开度一样时可以同步工作，当其中一个关闭时可以单独工作，当开度不一样时可以做两个试验，加载装置连接控制装置，用过控制器控制可以实现稳压状态，通过反馈调节，可以使系统压力保持恒定输出，解决液压加载不保压问题。

2.3 多功能集成装置

多功能集成装置是由多个功能装置组合而成，使得其具有开采、排屑、临时支护和监测四种功能，多功能集成装置包括集成底座、滑动导轨、旋转体、开采模块、排屑模块、支护模块和监测模块和电机等，如图3所示。

图3 多功能集成装置

在底座中设有两个的电机，一个电机通过齿轮方式带动滑动导轨移动，另一个电机带动旋转体转动，实现各功能之间的转换，在旋转体上设有燕尾槽为各模块运动提供导向和支撑作用，滑动导轨与各模块之间通过电磁方式连接，其中开采模块采用小型电钻对目标开采；排屑模块采用吸尘器方式将开采后的废屑吸出来；支护模块通过与混凝土喷射机连接对处理后的洞壁进行临时支护加固处理；监测模块通过内窥探头来实时观察处理完成后试件的裂隙与破坏形式。

2.4 运动装置

运动装置为多功能集成装置提供位移输出，主要由丝杠导轨、滑块、电机与手动控制器组成，如图4 所示，丝杠导轨由小型电机驱动，通过控制器控制，将多功能集成装置固定在运动装置上，通过三个丝杠中电机的协调运转，可以将多功能集成装置带入平面区域任意位置。在两个竖直摆放的丝杠导轨中加入螺栓杆，以便可以跟试验台连接。运动装置通过PLC控制运动，也可以通过手动调控方式来移动。

图4 运动导向装置

2.5 量测装置

对于模型试验一般观察模型的应变、应力和位移等，在本次系统设计主要观察围岩应力变化与开挖后洞室周围沉降量。对围岩应力变化采用动静态应变仪、计算机分析软件与土压力盒共同完成，该应变仪系统具有精度高、性能稳定与抗干扰性高等特点，洞室周围沉降量位移通过500 万高清摄像机与GOM 图片分析软件，通过对模型表面进行定时拍照，将照片导入GOM 分析软件，可观察关键点和区域的位移变化云图，该系统操作简单，易获取，准确度高等特点。除此之外在集成装置中有内窥探头，可以有效地观察洞壁的裂隙与破坏变化，在集成装置和运动装置中设有位移传感器，可以有效定位移动精度，也便于将位置信息传给控制系统，达到精准运动的目的。

3 试验装置控制系统设计

3.1 PLC控制系统

本装置采用是PLC控制，可以进行手动和自动控制两种方式，控制装置包括控制器外壳，三菱FX2N 系列PLC，操作面板，USB 接口和液晶显示屏等。该PLC 具有指令快、模块化配置、扩展灵活等特点，可以通过RS.485 总线与计算机相连，可以将指令传给PLC 也可以将工作状态与位移传感器的信号显示在屏幕上，控制指挥各装置的协调运转；在操作面板中加入急停按钮，以防出错时能及时处理错误。PlC通过控制各电机之间的协调运转实现各种功能，输入，输出点分配表如表1 所示，具体PLC与外围元件接线如图5所示［9～11］。

表1 I/O地址分配表

图5 PLC外部接线图

3.2 地质力学模型试验系统控制流程

在地质力学模型试验装置系统主要包括试验台、运动装置、集成装置、加载装置以及控制装置等部分，通过PLC控制各装置之间的协调工作可以实现对物理模型的自动化工作，包括自动开采、自动处理开采后产生的废屑、自动对处理后的洞壁进行临时支护以及后续的监测工作，可以很好地完成工程模拟自动一体化工程。

此设计的模型试验系统分为两部分控制，包括位移控制与压力控制。控制流程如图6 所示，其中压力控制方案流程为在计算机软件中输入预设压力值，传给控制装置，对液压缸给油，传出地质力学模型装置试验台的压力值，与设定的值比较，控制回油进油，进而达到精准压力输出目的；位移控制方案流程：在计算机输入控制程序，将程序导入控制装置，集成装置安装在运动装置上控制集成装置的运动，通过位移传感器将集成装置的位置在反馈给控制装置，通过微调将集成装置准确置入，随后进行下一步的开采、排屑、临时支护与监测各种工作，直至到试验结果。

图6 模型试验系统控制流程图

3.3 含PID控制调节系统

通过PLC 控制模型试验系统，可以实现自动化，由于PLC的I/O端口存在响应滞后，存在定位误差，所以在模型试验系统中加入PID 控制算法来提高定位精度。PID 调节是比例（P）、积分（I）、微分（D）控制的简称，不需要精确的数学控制模型，具有较强的灵活性和实用性，程序设计简单，易实现等特点［12］。

首先PLC根据所采集的信号得出位移偏差en，根据通过PID 控制算法［13～14］计算出控制量，并输出控制量M（t）。具体历程见图7。其中pn 为设定位移量，pvn 为反馈位移量。输出控制量M（t）需要通过D/A转换，D/A转换采用PLC内模块完成，转换后的数据存入PLC 内部数据存储器。经过PLC 的D/A 转换成4mA～20mA 的模拟量输出信号传送给变频器，驱动电机转动，控制滑动导轨位移，达到精准控制滑动导轨位置的目的。

图7 PID闭环控制算法原理图

PLC 中的PID 是一种连续的PID 控制［15～16］，通过采样控制获取偏差计算控制量，具体输入输出关系如下。

第n次采样控制控制的输出：

简化的：

PID 算法流程：将滑动导轨的设定前进位移输入PLC 中，通过D/A 和A/D 模块接受由位移传感器接收出来的反馈信号与预定值作比较，若偏差大于1mm，启动PID 控制算法，采用比例调节和积分调节一起，快速将偏差将至1mm 内，当偏差小于1mm，然后采用积分调节，直至偏差为零。PID 控制流程如图8所示。

图8 PID控制流程图

4 模型装置稳定性分析

对模型试验系统设计的稳定性是个需要考虑的问题，通过力学分析可知，系统受力最大部位出现在顶梁上，而顶梁两端点又相距较远，顶梁会出现最大挠度变形，因此需要对顶梁稳定性做出判断，通过ANSYS Workbench有限元分析软件对模型试验的试验台惊醒简化分析，根据液压缸所能提供最大力对试验台加载，进行静力学分析，试验台的应力和位移模拟结果如图9、10 所示。根据模拟结果可知试验台的最大应力出现在顶梁上为176.64MP，而最大变形量出现在液压缸的法兰上为3.75125mm，因此需要对这些地方进行加固处理，对顶梁中间的变形变为在3mm～4mm 之间，满足试验要求，通过模拟分析，试验台变化量较小，试验台的强度和刚度满足设计需求，整体稳定性较好。

图9 试验台的等效应力云图

图10 试验台的总变形云图

5 结语

1）试验台具有多种组合方式，可以做不同试件大小的试验，也可以做对比模型试验，使试验更具有灵活性，提高利用率。该装置具有便于安装、占地空间小、操作简单等特点。

2）在本系统中加入开采、排屑、临时支护以及监测等功能，是系统具有多功能，更好地模拟工程一体化操作，在系统中加入PLC 控制系统，可以完成工程自动一体化，提高试验精度，减小人工误差，使模型试验更加接近实际。

3）在试验装置中加入PID 控制，通过反馈调节，提高了位移移动的精准性，对于模型试验而言，比例尺较大，一般较小的位移偏差就会产生较大的位移偏量，所以对提高位移精度对模型试验结果有着重要影响。

4）该系统可以应用于各种交通隧道、地下洞室等岩土问题的地质模型试验，对系统加入自动化操作，对未来自动化操作的模型试验提供有力的借鉴，也相信自动化的模型试验系统在不久的将来能实现。