CN103278404B - 一种用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置及方法，该试验装置包括冲击机构和围压加载机构，冲击机构包括气炮管、弹托和飞片，围压加载机构包括围压筒筒体，其筒盖的中部设有通孔，围压筒筒体的每个半圆筒体的内壁上均设有2个围压测试传感器，围压筒筒体中设有与其轴线垂直的挡片，待测样品夹在挡片与筒底之间，其外壁套设有卡箍，筒底上设有导线孔和用于注入膨胀水泥混合物的注浆孔，膨胀水泥混合物由膨胀水泥、水和铁砂或膨胀水泥、水和橡胶粉末组成；该方法包括试验装置的组装、调试及飞片撞击挡片。本发明通过调整膨胀水泥混合物中各原料的配比，以模拟深部岩体的环境，具有安全性高、密闭性能好、围压荷载稳定及操作方便快捷等优点。

Description

一种用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置及方法。

背景技术

在地下工程施工中，可采用爆破、隧道掘进机掘进和冲击钻孔等方式破岩，与地表破岩不同，由于深部岩体处于“三高”力学环境，即高温、高压和高渗透，其破岩速度和效率都大大降低。深部岩体的冲击破坏行为与其所处的力学环境密切相关，采用模型试验的方法研究深部岩体的冲击破坏行为，对了解其破岩效果有积极意义。

目前，在岩体的冲击试验中，对于岩体试样的围压加载方式有很多种，如霍普金森压杆冲击试验中采用了油压加载装置。其中，霍普金森压杆和油压加载装置测试系统应用最为普遍，一般用于霍普金森压杆实验的围压装置由围压缸、橡胶密封套和液压油等组成，其中围压缸为一密封的容器，内部充有高压油用于对试件施加围压，试件装入围压缸以及随后的充入液压油的过程中试件会偏离预设位置，一方面会引起较大的实验误差，另一方面试件与杆的偏向会在高液压的作用下产生剪切力，特别对大直径霍普金森压杆而言，这种剪切力会破坏围压缸的密封效果，液压油会通过剪切断口流出液压缸导致实验失败。同时，该方法冲击加载速率低，不能模拟更高应变率范围内岩石的破坏，该装置结构复杂，实验结束后对其拆装困难，易对试样造成破坏。

发明内容

为解决现有技术中因采用三轴霍普金森压杆，造成的实验误差大、冲击加载速率低及难以模拟更高应变率范围内岩体的破坏的缺陷，及存在结构复杂和拆装困难的问题，本发明提供了一种用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置及方法，该试验装置存在安全性能高、冲击机构中气炮的气室密闭性能好和围压荷载稳定的特点，该方法操作简单、安全可靠。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：一种用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置，包括冲击机构和围压加载机构，所述冲击机构包括气炮管、套设在气炮管中的弹托和粘接在弹托端面上的飞片，所述围压加载机构与气炮管的出口相对，围压加载机构包括围压筒筒体，围压筒筒体的两端分别设有筒盖和筒底，所述筒盖中部设有供飞片通过的通孔，所述围压筒筒体由两个半圆筒体组成，每个半圆筒体的内壁上均设有2个围压测试传感器，围压筒筒体中设有与其轴线垂直的挡片，挡片的一侧贴在筒盖上，待测样品夹在挡片与筒底之间，并且沿围压筒筒体的中轴线布置，在待测样品与围压筒筒体的内壁之间填充有膨胀水泥混合物，所述围压筒筒体的外壁套设有卡箍，筒底上设有供围压测试传感器的连接线通过的导线孔和用于向围压筒筒体内部注入膨胀水泥混合物的注浆孔，所述膨胀水泥混合物由质量比为                                                的膨胀水泥、水和铁砂组成，或者，膨胀水泥混合物由质量比为的膨胀水泥、水和橡胶粉末组成，其中，为膨胀水泥的密度，为铁砂的密度，为橡胶粉末的密度。

所述卡箍与围压筒筒体之间为过盈配合。

所述围压筒筒体中轴线和气炮管的中轴线相互重合。

所述筒盖和筒底分别通过螺栓与围压筒筒体的两端相连接，围压筒筒体的两端面上均布有若干螺栓连接孔。

所述待测样品通过胶水粘接在挡片的中心位置，在试验过程中待测样品不会产生位置偏差，克服因待测样品偏离预设位置这而造成的实验误差。

一种使用上述的模拟深部岩体冲击破坏的试验装置的方法，包括以下步骤：

步骤一、在围压筒筒体内壁固定好围压测试传感器，并在围压筒筒体内壁上涂刷脱模剂，将围压筒筒体、卡箍和筒盖安装好，将待测样品固定在挡片的中心位置并将其放入围压筒筒体内，然后安装好筒底，将围压测试传感器的导线从导线孔穿出；

步骤二、通过筒底上的注浆孔将膨胀水泥混合物注入待测样品和围压筒筒体之间，在围压测试传感器测试得到的压力达到设定的围压荷载后，将围压加载机构安放在与冲击机构中气炮管的出口相对设置的位置；

步骤三、从冲击机构中发射飞片，使其以100-800m/s的速度撞击挡片，试验结束后，观察待测样品的破坏情况。

本发明采用轻气炮作为冲击设备，可提供更高的冲击加载速率，利用膨胀水泥水化反应后膨胀加压的原理，对待测样品提供围压荷载，通过调整膨胀水泥、水和铁砂或膨胀水泥、水和橡胶粉末的比例，使膨胀水泥混合物与待测样品的波阻抗保持一致，避免侧稀疏波对待测样品的重复加载，保证试验结果的准确性；同时，在待测样品和围压筒筒体之间注入膨胀水泥混合物，模拟深层岩体中的围压荷载，克服传统的油压加载系统存在的安全风险，避免因采用油压加载系统的油路对气炮中气室的密闭性和安全性造成影响，具有安全性高、密闭性能好及围压荷载稳定等优点。

有益效果：该装置利用膨胀水泥水化反应后膨胀加压的原理，能够在轻气炮封闭的气室内提供安全、稳定的待测样品围压荷载，具有安全性高、密闭性能好、围压荷载稳定及操作方便快捷等优点；试验过程中，通过调整膨胀水泥、水和铁砂或膨胀水泥、水和橡胶粉末的比例，可以模拟深层岩体的环境，由于膨胀水泥混合物与待测样品的波阻抗一致，能够克服试验过程中侧向稀疏波对待测样品的重复加载；当冲击试验完成后，可将装配的螺栓卸下，反向敲击卡箍卸除其对围压筒筒体的环向限制，该发明的围压筒筒体由两个半圆筒体组成，易于脱模，实现测试装置的重复利用，还能够最大限度避免了脱模对待测样品造成的破坏；该试验装置结构简单，试验方法易于操作，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中围压筒筒体沿A-A线的剖视图；

图3为图2的B向视图；

图4为本发明中筒底的结构示意图；

图5为本发明的应用示意图。

附图标记：1、弹托，2、气炮管，3、飞片，4、筒盖，5、卡箍，6、筒底，7、围压筒筒体，8、挡片，9、围压测试传感器，10、导线孔，11、注浆孔，12、待测样品，13、膨胀水泥混合物，14、螺栓连接孔。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明的一种用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置及方法作详细说明。

如附图所示，一种用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置，包括冲击机构和围压加载机构，所述冲击机构包括气炮管2、套设在气炮管2中的弹托1和粘接在弹托1端面上的飞片3，所述围压加载机构与气炮管2的出口相对，围压加载机构包括围压筒筒体7，围压筒筒体7的两端分别设有筒盖4和筒底6，所述筒盖4中部设有供飞片3通过的通孔，所述围压筒筒体7由两个半圆筒体组成，每个半圆筒体的内壁上均设有2个围压测试传感器9，围压筒筒体7中设有与其轴线垂直的挡片8，挡片8的一侧贴在筒盖4上，待测样品12夹在挡片8与筒底6之间，并且沿围压筒筒体7的中轴线布置，在待测样品12与围压筒筒体7的内壁之间填充有膨胀水泥混合物13，所述围压筒筒体7的外壁套设有卡箍5，卡箍5与围压筒筒体7之间为过盈配合，筒底6上设有供围压测试传感器9的连接线通过的导线孔10和用于向围压筒筒体7内部注入膨胀水泥混合物13的注浆孔11，所述膨胀水泥混合物13由质量比为的膨胀水泥、水和铁砂组成，或者，膨胀水泥混合物13由质量比为的膨胀水泥、水和橡胶粉末组成，其中，为膨胀水泥的密度，为铁砂的密度，为橡胶粉末的密度。

上述的围压筒筒体7中轴线和气炮管2的中轴线相互重合。

上述筒盖4和筒底6分别通过螺栓与围压筒筒体7的两端相连接，围压筒筒体7的两端面上均布有若干螺栓连接孔14。

如图3所示，上述围压筒筒体7与筒底6相互配合的端面上设有若干螺栓连接孔14，每半圆筒体的端面上均设有6个螺栓连接孔14，该螺栓连接孔14为沉头螺栓连接孔；如图1和图3所示，上述围压筒筒体7与筒盖4相互配合的端面沿围压筒筒体7的外围设有凸台，凸台上设有若干螺栓连接孔14，每半圆筒体的端面的凸台上均设有6个螺栓连接孔14。筒盖4和筒底6分别通过螺栓与围压筒筒体7的两端相连接，如图4所示，筒底6上还设有与围压筒筒体7端面相对应的螺栓连接孔14，相应的，所述的筒盖4上也设有与围压筒筒体7端面相对应的螺栓连接通孔。

如图5所示，将待测样品12通过胶水粘接在挡片8的中心位置，在试验过程中待测样品不会产生位置偏差，克服因待测样品偏离预设位置这而造成的实验误差。

一种使用上述的用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置的方法，包括以下步骤：

步骤一、在围压筒筒体内壁固定好围压测试传感器，并在围压筒筒体内壁上涂刷脱模剂，将围压筒筒体、卡箍和筒盖安装好，将待测样品固定在挡片的中心位置并将其放入围压筒筒体内，然后安装好筒底，将围压测试传感器的导线从导线孔穿出；

步骤二、通过筒底上的注浆孔将膨胀水泥混合物注入待测样品和围压筒筒体之间，在围压测试传感器测试得到的压力达到设定的围压荷载后，将围压加载机构安放在与冲击机构中气炮管的出口相对设置的位置上；

步骤三、从冲击机构中发射飞片，使其以100-800m/s的速度撞击挡片，试验结束后，观察待测样品的破坏情况。

该试验装置能够模拟深部岩体被冲击破坏的行为，该试验装置的的工作原理为：首先，在围压筒筒体7的内壁焊接围压测试传感器9，并涂刷脱模剂，将两片半圆筒体配合安装好，在围压筒筒体7外壁从筒底6方向一侧压入卡箍5，轻轻敲击使之与围压筒筒体7紧配合，上紧筒体与筒盖4之间的螺栓；其次，用胶水将待测样品12粘结在挡片8的中心位置，待胶水完全凝固后，将挡片8置于筒体中，使待测样品12位于筒体的中部；再次，将围压测试传感器9的导线从筒底6的导线孔10传出，上紧筒体与筒底6之间的螺栓；最后，通过注浆孔11将一定配比的膨胀水泥混合物13填入待测样品12和围压筒筒体7内壁之间，待一定时间后，通过读取到的围压测试传感器9的数据，经一定的换算得到围压加载装置内部的围压力。围压测试传感器9在每个半圆围压筒筒体7内壁上设置2个，每次测得数据后，取平均值作为测试待测样品12的围压力，在测试得到的围压力达到设定的围压荷载后，将围压加载机构放置在与冲击机构的出口相对设置的位置上，即使筒盖4中部的通孔与气炮管2的出口相对设置，并使筒盖4上的通孔与气炮管2同轴，轻气炮弹室内高压气体的释放，推动弹托1沿气炮管2高速运动，使得飞片3以极高的速度撞击挡片8，从而达到冲击破坏待测样品12的作用。

上述膨胀水泥混合物13的配比一般为：当待测样品12的密度大于2.24g/cm³时，膨胀水泥混合物13由质量比为的膨胀水泥、水和铁砂组成；当待测样品12的密度小于2.24g/cm³时，膨胀水泥混合物13由质量比为的膨胀水泥、水和橡胶粉末组成。

试验完成后，反向敲击卡箍5使其从围压筒筒体7外壁上滑出，依次卸下螺栓、筒底6和筒盖4，打开围压筒筒体7，并轻轻敲击剔除待测样品12一端的挡片8，用锯片沿轴线方向将膨胀水泥13切开，即可观测待测样品12内部的破坏情况。试验后卸下的围压加载机构的部件，可以回收重复利用。

Claims (6)

1.一种用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置，包括冲击机构和围压加载机构，所述冲击机构包括气炮管（2）、套设在气炮管（2）中的弹托（1）和粘接在弹托（1）端面上的飞片（3），所述围压加载机构与气炮管（2）的出口相对，围压加载机构包括围压筒筒体（7），围压筒筒体（7）的两端分别设有筒盖（4）和筒底（6），所述筒盖（4）中部设有供飞片（3）通过的通孔，其特征在于：所述围压筒筒体（7）由两个半圆筒体组成，每个半圆筒体的内壁上均设有2个围压测试传感器（9），围压筒筒体（7）中设有与其轴线垂直的挡片（8），挡片（8）的一侧贴在筒盖（4）上，待测样品（12）夹在挡片（8）与筒底（6）之间，并且沿围压筒筒体（7）的中轴线布置，在待测样品（12）与围压筒筒体（7）的内壁之间填充有膨胀水泥混合物（13），所述围压筒筒体（7）的外壁套设有卡箍（5），筒底（6）上设有供围压测试传感器（9）的连接线通过的导线孔（10）和用于向围压筒筒体（7）内部注入膨胀水泥混合物（13）的注浆孔（11），当待测样品（12）的密度＞2.24g/cm³时，所述膨胀水泥混合物（13）由质量比为                                               的膨胀水泥、水和铁砂组成；当待测样品（12）的密度＜2.24g/cm³时，膨胀水泥混合物（13）由质量比为的膨胀水泥、水和橡胶粉末组成，其中，为膨胀水泥的密度，为铁砂的密度，为橡胶粉末的密度。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置，其特征在于：所述卡箍（5）与围压筒筒体（7）之间为过盈配合。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置，其特征在于：所述的围压筒筒体（7）中轴线和气炮管（2）的中轴线相互重合。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置，其特征在于：所述筒盖（4）和筒底（6）分别通过螺栓与围压筒筒体（7）的两端相连接，围压筒筒体（7）的两端面上均布有若干螺栓连接孔（14）。

5.根据权利要求1所述的一种用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置，其特征在于：所述待测样品（12）通过胶水粘接在挡片（8）的中心位置。

6.一种使用权利要求1所述的一种用于模拟深部岩体冲击破坏的试验装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在围压筒筒体内壁固定好围压测试传感器，并在围压筒筒体内壁上涂刷脱模剂，将围压筒筒体、卡箍和筒盖安装好，将待测样品固定在挡片的中心位置并将其放入围压筒筒体内，然后安装好筒底，将围压测试传感器的导线从导线孔穿出；

步骤二、通过筒底上的注浆孔将膨胀水泥混合物注入待测样品和围压筒筒体之间，在围压测试传感器测试得到的压力达到设定的围压荷载后，将围压加载机构安放在与冲击机构中气炮管的出口相对设置的位置；

步骤三、从冲击机构中发射飞片，使其以100-800m/s的速度撞击挡片，试验结束后，观察待测样品的破坏情况。