CN102662041B - 用于模型实验的震动模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于模型实验的震动模拟系统，可应用于深埋、高应力状态下的深部岩石工程的模型试验研究，属于岩土工程技术领域。震动模拟系统由液压伺服控制装置、往复式液压千斤顶和传力柱构成，往复式液压千斤顶的活塞呈梯形状，往复式液压千斤顶的油缸缸体上设置有第一油路和第二油路，传力柱呈圆柱状，传力柱一端开有圆柱形凹孔，往复式液压千斤顶的活塞活动的置于传力柱上的凹孔中，往复式液压千斤顶上的第一油路和第二油路经导线连接液压伺服控制装置。本发明可用来来模拟地震或钻爆法开挖产生的地震波对地下厂房、硐室、巷道等围岩造成的扰动影响。本发明可广泛应用于水利水电、交通、能源和国防等深埋地下工程的地质力学模型试验中。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于模型实验的震动模拟系统，可应用于深埋、高应力状态下的深部岩石工程的模型试验研究，属于岩土工程技术领域。
背景技术
模型试验是根据相似原理和相似准则，制造缩尺实物模型，用于预测原型工作性态，验证设计和计算的结果的测试技术，目前广泛应用于航空航天、结构工程、地质工程等领域。在中国，地质力学模型试验开始于20世纪70年代末80年代初期，随着一大批地下厂房、硐室的建设的而发展起来。模型实验方法可定性或定量地反映天然岩体受力特性和与之相联系建筑物的相互影响，可与数值分析方法相互验证。而且它可以比较全面真实地模拟复杂的地质构造，发现一些新的力学现象和规律，为建立新的理论和数学模型提供依据。尤为重要的是，模型实验可以模拟施工工艺，研究在一定原岩应力场的岩体中开挖硐室时，围岩应力的调整过程及其分布、变形和破坏形态、破坏机制，围岩的应力分布特征、位移分布特征、位移最大值及发生部位和支护效果等。
当前钻爆法仍然是地下隧洞开挖广泛使用的一种方法，相应的岩体爆破过程中也可能会对已开挖完成的相邻隧道或硐室造成影响，主要表现在爆破震动影响(应力波的传播)和开挖引起围岩应力重分布影响。爆破地震波在传播过程中，当遇到完整岩体、节理裂隙面等不同的地质结构时会发生反射、透射和绕射、衍射、波形转换、波导、层间波等复杂现象，使岩体受压、受拉，由于围岩一般具有较低的抗拉强度，再加上一些原生微裂隙损伤，很容易造成围岩拉破坏，进而可能产生一些特殊的围岩破坏现象，如围岩的分区破裂、板裂破坏等。对于爆破地震波和地震作用对深部围岩的破坏模拟，国内外研究者主要通过以下几种方式：
(1)岩石力学与工程学报(2012年，第1期)提到了在模型试件所开挖洞子的上部放炮，研究硐室锚杆的破坏形式和破坏机制；
(2)岩石力学与工程学报(2008年，第4期)中，在模型开挖巷道的上部放炮，模拟研究了爆炸波作用下锚杆间距对围岩加固效果；
(3)岩石力学与工程学报(2011年，第4期)提到了在模型试验中用大型振动台模拟地震波，研究了隧道洞口围岩和衬砌的破坏情况。
以上提到的模型试验中对爆破、地震作用的模拟主要存在以下缺点：
(1)上述提到的前两种对爆破的模拟都是通过按照一定相似比例在模型材料中埋放一定数量炸药研究对硐室围岩的破坏作用，但当利用模型试验模拟深埋地下岩石工程时，地下硐室厂房处于高应力状态，且一般是三向受力，故要求对模型材料进行真三维的大吨位独立加载，而在此种加载条件下进行炸药埋设、引爆等是难以实现的；
(2)振动台是现在模拟地震对建筑物或地下工程影响最常用的方法，而同样对于深埋岩石工程要求三向独立、大吨位加载的模型试验，在这种加载条件下再实现振动台震动也是难以实现的。
发明内容
针对上述现在模型试验中爆破、地震模拟系统所存在的缺点，本发明的目的在于提供一种新型震动模拟系统，模拟系统可实现对模型试件在三向加载条件下提供动力扰动，用于模拟爆破作用产生的应力波和地震作用产生的地震波。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的，用于模型实验的震动模拟系统，由液压伺服控制装置、往复式液压千斤顶和传力柱构成，往复式液压千斤顶的活塞呈梯形状，往复式液压千斤顶的油缸缸体上设置有第一油路和第二油路，第一油路位于活塞尾端，第二油路位于活塞前端，传力柱呈圆柱状，传力柱一端开有圆柱形凹孔，往复式液压千斤顶的活塞活动的置于传力柱上的凹孔中，往复式液压千斤顶上的第一油路和第二油路经导线连接液压伺服控制装置，往复式液压千斤顶的油缸外径与传力柱外径相等。
本发明中，往复式液压千斤顶的活塞能以一定的频率震动，对传力柱施加一定的震动荷载，是靠以下技术手段实现的：首先通过液压伺服控制系统输入一定频率和振幅的波形，系统通过控制油的进出量和进出速度推动活塞杆按一定频率周期性运动，活塞杆端部撞击传力柱，实现对物理模型的震动。
本发明中，施加的震动荷载是在整个加载系统施加一初始应力的基础上施加的，所以往复式液压千斤顶兼起到传递荷载的作用。
所述的第一油路和第二油路上分别设有伺服阀，伺服阀的作用是在液压伺服控制系统的控制下精确控制油的进出。
所述的往复式液压千斤顶承载力≥1000吨，可承受加载系统对其施加的较大荷载作用。
所述的往复式液压千斤顶、油缸、活塞和传力柱均为圆柱形，且活塞为变径活塞。
本发明的震动模拟系统具有以下优点：
(1)可实现大吨位加载过程中对模型材料进行震动试验，不但能模拟深部岩体所处的高应力状态，而且可以模拟初始高应力状态下爆炸应力波对围岩的作用，研究应力波或地震波对深埋地下工程稳定性的影响；
(2)可同时具备静力和动力模型试验的加载要求：由于往复式液压千斤顶外径和传力柱外径相同且是面接触，当试验中不需要模拟扰动时可以把往复式液压千斤顶当做一个传力装置；当试验中需要模拟动力扰动时，通过液压伺服控制装置控制往复式液压千斤顶施加震动荷载；
(3)可以在三向加载试验中，水平方向的左侧或右侧安装此震动系统对模型提供水平方向扰动，在垂直方向的上侧或下侧安装此震动系统对模型提供垂直方向扰动。研究这两种动力扰动下已开挖硐室围岩的破坏规律和机理及其支护措施和支护效果，研究爆破扰动条件下对岩爆的诱发机理等。
附图说明
图1本发明的结构示意图；
图2为模型材料受的初始应力状态；
图3为通过液压伺服装置输入的震荡波形；
图4为模型材料在两种荷载叠加后的最终受力状态
具体实施方式
下面结合附图对本发明-用于模型实验的震动模拟系统作进一步详细描述。
见附图
用于模型实验的震动模拟系统，由液压伺服控制装置、往复式液压千斤顶和传力柱4构成，往复式液压千斤顶的活塞2采用变径活塞，变径活塞呈梯形状，往复式液压千斤顶的油缸1缸体上设置有第一油路5和第二油路6，第一油路5位于活塞2尾端，第二油路6位于活塞2前端，传力柱4呈圆柱状，传力柱4一端开有圆柱形凹孔3，往复式液压千斤顶的活塞活动的置于传力柱4上的凹孔3中，往复式液压千斤顶上的第一油路5和第二油路6经导线连接液压伺服控制装置。往复式液压千斤顶的油缸1外径与传力柱4外径相等。
所述的第一油路5和第二油路6上分别设有伺服阀，伺服阀的作用是在液压伺服控制系统的控制下精确控制油的进出，可以使往复式液压千斤顶的活塞对传力柱做振动频率≤10赫兹的震动，传力柱将震动荷载经过承压板传递到试验的物理模型上。
所述的往复式液压千斤顶承载力≥1000吨，可承受加载系统对其施加的较大荷载作用。
模型实验的震动模拟系统在试验过程中置于加载系统和物理模型之间。首先通过加载系统施加试验要求的初始静荷载F(如图2所示)作用到往复式液压千斤顶的左侧，如果只做静力模型试验，液压伺服控制系统将不参与试验，往复式液压千斤顶仅作为传力装置，活塞2与传力柱4没有力的接触；如果在静力模型试验的基础上进行动力扰动试验，则在初始静荷载F基础上，首先通过液压伺服控制系统输入要模拟的阶跃波形信号(如图3所示)，设置包括频率、振幅等参数(可以模拟振动频率≤10赫兹的震动)。在液压伺服控制系统的作用下，油通过第一油路5进入左侧油缸，此时左伺服阀向下开，右侧油缸中的油通过第二油路6流出，此时右伺服阀向上开，这样活塞2端部在左侧油压作用下快速撞击与之相邻的传力柱4，传力柱4通过与模型接触的承压板将震动荷载传递至模型上，之后左伺服阀向上开，允许左侧油缸内具有较高压力的油流出油缸，然后通过第二油路进油将活塞杆推回原处。如此往复循环，对模型施加周期性动荷载。在静力荷载和震动荷载叠加作用下，模拟处于高应力的深部岩体在爆破扰动或地震震动作用下的受力(如图4所示)。
Claims (4)
1.用于模型实验的震动模拟系统，其特征在于：所述震动模拟系统由液压伺服控制装置、往复式液压千斤顶和传力柱(4)构成，往复式液压千斤顶的活塞(2)呈梯形状，往复式液压千斤顶的油缸(1)缸体上设置有第一油路(5)和第二油路(6)，第一油路(5)位于活塞(2)尾端，第二油路(6)位于活塞(2)前端，传力柱(4)呈圆柱状，传力柱(4)一端开有圆柱形凹孔(3)，往复式液压千斤顶的活塞活动的置于传力柱(4)上的凹孔(3)中，往复式液压千斤顶上的第一油路(5)和第二油路(6)经导线连接液压伺服控制装置。
2.根据权利要求1所述的用于模型实验的震动模拟系统，其特征在于：所述的第一油路(5)和第二油路(6)上分别设有伺服阀。
3.根据权利要求1所述的用于模型实验的震动模拟系统，其特征在于：往复式液压千斤顶的油缸(1)外径与传力柱(4)外径相等。
4.根据权利要求1所述的用于模型实验的震动模拟系统，其特征在于：所述的往复式液压千斤顶承载力≥1000吨。
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