CN105259056B - 一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置，包括试验台和落锤，试验台的顶端设置有两根相互平行的导向柱，落锤能够沿两根导向柱上下滑动，两根导向柱之间设置有第一承压柱和第二承压柱，第二承压柱放置在第一承压柱的顶端，落锤的初始位置位于第一、第二承压柱叠放后第二承压柱的顶端，两根所述导向柱上均设置有多个用于阻挡落锤下滑的限位块，各限位块所处的高度相同，且各限位块的顶端面到落锤底端面的距离均小于第一承压柱的顶端面到落锤底端面的距离。本发明可以模拟大型海底隧道、深部矿井巷道等工程在开挖过程中产生的瞬态卸压应力波，解决了现有的试验还停留在卸压载荷速率低的问题。

Description

一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置

技术领域

本发明属于相似模拟试验技术领域，尤其涉及一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置。

背景技术

近些年来，众多大型海底隧道、深部矿井巷道等工程在开挖过程中，面临深部高应力状态岩体破坏、岩爆动力灾害发生次数增加的挑战，而受实验条件限制，无法实现相应条件下的岩体物理力学性质实验。为此，部分学者将多相耦合、静动结合等岩石力学问题的研究转向数值模拟分析，不过在大型相似实验系统中缺少施加瞬态卸压应力波的装置。

从力学本来性质上来说，岩体工程的施工是一个应力重新分布过程，不一样的地质条件、施工方式或施工对象可引起不同的应力重新分布特征。一般来说，岩体工程的施工过程中必定引起至少一个应力卸载。同时，爆破施工与掘进机施工等施工方式的不同，对岩体应力释放速率和应力重新分布速率、岩体变形量和变形速率的影响也不同，甚至相差很大。例如，高地应力状态岩体爆破开挖过程诱发的岩体卸压是一动态过程，被爆岩体从母岩上脱离并发生抛掷运动的时间非常短，卸压具有瞬态性。但是，目前实验室内的研究都还停留在低卸压速率阶段，很难对试件施加瞬态卸压冲击波，故在进行这一类的实验时所得到的实验数据与实际的情况有差异。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

发明内容

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种操作简便的在大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置。

本发明所采用的技术方案为：

一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置，包括试验台和落锤，试验台的顶端设置有两根相互平行的导向柱，落锤能够沿两根导向柱上下滑动，两根导向柱之间设置有第一承压柱和第二承压柱，第二承压柱放置在第一承压柱的顶端，落锤的初始位置位于第一、第二承压柱叠放后第二承压柱的顶端，两根所述导向柱上均设置有多个用于阻挡落锤下滑的限位块，各限位块所处的高度相同，且各限位块的顶端面到落锤底端面的距离均小于第一承压柱的顶端面到落锤底端面的距离。

所述瞬态卸压应力波的频率和幅值通过改变落锤的质量、击打撞击杆的速率以及第二承压柱的大小、形状来改变。

所述落锤、第一承压柱、第二承压柱三者的重心位于同一条直线上。

所述装置还包括用于对第二承压柱施加横向作用力的撞击杆和施力部，撞击杆的一端正对第一、第二承压柱叠放后第二承压柱在竖直方向上的中央位置处，撞击杆的另一端正对施力部。

所述撞击杆的下方设置有用于支撑撞击杆的支架。

所述支架为伸缩式支架，支架上设置有高度调节开关。

所述落锤与第二承压柱的接触面、第二承压柱与第一承压柱的接触面均为光滑表面，所述第一承压柱的高度大于第二承压柱的高度，第一承压柱的横向截面积大于第二承压柱的横向截面积。

所述落锤的截面呈H型，所述试验台上开设有用于放置第一承压柱的孔槽。

所述限位块为可拆卸式限位块。

所述施力部为人力或自动施力装置。

本发明还提供了一种模拟深部开挖推进过程中产生的瞬态卸压应力波的方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：选取试验台；

步骤2：在试验台上设置两根相互平行的导向柱，选取一个第一承压柱和一个第二承压柱，将第一承压柱和第二承压柱叠放后放于两根导向柱之间，其中，第二承压柱位于第一承压柱的上方；

步骤3：选取一个落锤，使落锤能够沿两根导向柱上下滑动，并在两根导向柱上分别设置用于阻挡落锤下落的限位块，各限位块在导向柱上所处的高度需相同，且各限位块的顶端面到落锤底端面的距离均需小于第一承压柱的顶端面到落锤底端面的距离，调节落锤、第一承压柱及第二承压柱，使三者的重心位于同一条直线上，缓慢地将落锤放在第二承压柱的顶端；

步骤4：选取撞击杆和用于支撑撞击杆且高度可调的支架，将支架放置在试验台上，撞击杆位于支架的上方，调节支架的高度以使撞击杆水平且使撞击杆的一端正对第二承压柱在竖直方向上的中心位置；

步骤5：使用人力或自动施力装置对撞击杆施加瞬间横向作用力，使第二承压柱瞬间从第一承压柱上脱离，落锤下落被限位块阻挡而不能与第一承压柱直接接触，从而在第一承压柱上产生瞬态卸压冲击波。

所述步骤2中，选取的第一、第二承压柱需满足：第一承压柱的高度大于第二承压柱的高度，第一承压柱的横向截面积大于第二承压柱的横向截面积。

所述步骤2中，在将第一承压柱和第二承压柱叠放之前，需将两者的接触面打磨光滑。

所述步骤3中，在将落锤滑至第二承压柱的顶端之前，需将两者的接触面打磨光滑。

所述步骤2中，试验台上开设有用于放置第一承压柱的孔槽

所述第二承压柱上刻画有撞击杆打击点，该打击点位于第二承压柱在竖直方向上的中间位置处。

所述限位块为可拆卸式限位块。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

1、本发明可以模拟大型海底隧道、深部矿井巷道等工程在开挖过程中产生的瞬态卸压应力波，解决了现有的试验还停留在卸压载荷速率低的问题。

2、本发明为模拟深度开挖的推进过程提供了所需的瞬态卸压应力波，结构简单，实施方便，效果显著。

3、本发明在数值模拟方面只考虑等围压卸压的模拟试验，对高应力状态岩体在侧向应力瞬态卸压条件下岩体的变形破坏研究有着极大的作用。

附图说明

图1为本发明中装置的结构示意图。

图2为本发明中撞击杆与支架的装配示意图。

图3为利用本发明产生的瞬态卸压冲击波的波形图。

其中，

1、试验台 2、支架 3、撞击杆 4、限位块 5、落锤 6、导向柱 7、第二承压柱8、第一承压柱 9、高度调节开关

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1、图2所示，一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置，包括试验台1和落锤5，落锤5的截面呈H型，试验台1的顶端设置有两根相互平行的导向柱6，落锤5能够沿两根导向柱6上下滑动，两根导向柱6之间设置有第一承压柱8和第二承压柱7，所述试验台1上开设有用于放置第一承压柱8的孔槽，第二承压柱7放置在第一承压柱8的顶端，所述第一承压柱8的高度大于第二承压柱7的高度，第一承压柱8的横向截面积大于第二承压柱7的横向截面积；落锤5的初始位置位于第一、第二承压柱叠放后第二承压柱7的顶端，所述落锤5、第一承压柱8、第二承压柱7三者的重心位于同一条直线上，所述落锤5与第二承压柱7的接触面、第二承压柱7与第一承压柱8的接触面均为光滑表面，以保证第二承压柱7能顺利从落锤5和第一承压柱8之间脱离；两根所述导向柱6上均设置有多个用于阻挡落锤5下滑的限位块4，所述限位块4为可拆卸式限位块，各限位块4所处的高度相同，且各限位块4的顶端面到落锤5底端面的距离均小于第一承压柱8的顶端面到落锤5底端面的距离；所述装置还包括用于对第二承压柱7施加横向作用力的撞击杆3和施力部，施力部为人力或自动施力装置，撞击杆3的一端正对第一、第二承压柱叠放后第二承压柱7在竖直方向上的中央位置处，撞击杆3的另一端正对施力部，为方便撞击杆3正对第二承压柱7的中间位置，可提前在第二承压柱7上刻画打击点，该打击点为第二承压柱7在竖直方向上的中间位置；撞击杆3的下方设置有用于支撑撞击杆3的支架2，所述支架2为伸缩式支架，支架2上设置有高度调节开关9，通过调节支架2的高度可保证撞击杆3水平以及撞击时撞击杆3能正对第二承压柱8的中央位置。

利用本装置可产生瞬态卸压冲击波，产生的瞬态卸压冲击波的波形图如图3所示，所述瞬态卸压应力波的频率和幅值可通过改变落锤5的质量、击打撞击杆3的速率以及第二承压柱8的大小、形状来改变，其中，_Δσ可以由落锤5的锤体质量控制，_Δt可由第二承压柱7的形状和大小及击打撞击杆3的速率来控制。

本发明还提供了一种模拟深部开挖推进过程中产生的瞬态卸压应力波的方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：选取试验台1；

步骤2：在试验台1上设置两根相互平行的导向柱6，选取一个第一承压柱8和一个第二承压柱7，在试验台1上开设有用于放置第一承压柱8的孔槽，选取的第一、第二承压柱需满足：第一承压柱8的高度大于第二承压柱7的高度，第一承压柱8的横向截面积大于第二承压柱7的横向截面积，将第一承压柱8和第二承压柱7叠放后放于两根导向柱6之间，其中，第二承压柱7位于第一承压柱8的上方；需要说明的是，在将第一承压柱8和第二承压柱7叠放之前，需将两者的接触面打磨光滑；

步骤3：选取一个落锤5，使落锤5能够沿两根导向柱6上下滑动，并在两根导向柱6上分别设置用于阻挡落锤5下落的限位块4，限位块4为可拆卸式限位块，各限位块4在导向柱6上所处的高度需相同，且各限位块4的顶端面到落锤5底端面的距离均需小于第一承压柱8的顶端面到落锤5底端面的距离，调节落锤5、第一承压柱8及第二承压柱7，使三者的重心位于同一条直线上，缓慢地将落锤5放在第二承压柱7的顶端；需要说明的是，在将落锤5滑至第二承压柱7的顶端之前，需将两者的接触面打磨光滑；

步骤4：选取撞击杆3和用于支撑撞击杆3且高度可调的支架2，将支架2放置在试验台1上，撞击杆3位于支架2的上方，调节支架2的高度以使撞击杆3水平且使撞击杆3的一端正对第二承压柱7在竖直方向上的中心位置；为保证撞击杆3能顺利正对第二承压柱7的中心位置，可在第二承压柱7上刻画有撞击杆打击点，该打击点位于第二承压柱7在竖直方向上的中间位置处；

步骤5：使用人力或自动施力装置对撞击杆3施加瞬间横向作用力，使第二承压柱7瞬间从第一承压柱8上脱离，落锤5下落被限位块4阻挡而不能与第一承压柱8直接接触，从而在第一承压柱8上产生瞬态卸压冲击波，该瞬态卸压冲击波的波形图如图3所示。

不论是装置还是方法，两者的原理相同，即改变落锤5与第一、第二承压柱之间的稳定承压状态，使得第二承压柱7瞬间从第一承压柱8上脱离，因限位块4的阻挡，落锤5不能直接落至与第一承压柱8相接触，因而可在第一承压柱8上产生瞬态卸压冲击波。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置，其特征在于，包括试验台和落锤，试验台的顶端设置有两根相互平行的导向柱，落锤能够沿两根导向柱上下滑动，两根导向柱之间设置有第一承压柱和第二承压柱，第二承压柱放置在第一承压柱的顶端，落锤的初始位置位于第一、第二承压柱叠放后第二承压柱的顶端，所述落锤、第一承压柱、第二承压柱三者的重心位于同一条直线上，两根所述导向柱上均设置有多个用于阻挡落锤下滑的限位块，各限位块所处的高度相同，且各限位块的顶端面到落锤底端面的距离均小于第一承压柱的顶端面到落锤底端面的距离，所述装置还包括用于对第二承压柱施加横向作用力的撞击杆和施力部，撞击杆的一端正对第一、第二承压柱叠放后第二承压柱在竖直方向上的中央位置处，撞击杆的另一端正对施力部。

2.根据权利要求1所述的一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置，其特征在于，所述瞬态卸压应力波的频率和幅值通过改变落锤的质量、击打撞击杆的速率以及第二承压柱的大小、形状来改变。

3.根据权利要求1所述的一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置，其特征在于，所述撞击杆的下方设置有用于支撑撞击杆的支架。

4.根据权利要求3所述的一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置，其特征在于，所述支架为伸缩式支架，支架上设置有高度调节开关。

5.根据权利要求1所述的一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置，其特征在于，所述落锤与第二承压柱的接触面、第二承压柱与第一承压柱的接触面均为光滑表面，所述第一承压柱的高度大于第二承压柱的高度，第一承压柱的横向截面积大于第二承压柱的横向截面积。

6.根据权利要求1所述的一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置，其特征在于，所述落锤的截面呈H型，所述试验台上开设有用于放置第一承压柱的孔槽。

7.根据权利要求1所述的一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置，其特征在于，所述限位块为可拆卸式限位块。

8.根据权利要求1所述的一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置，其特征在于，所述施力部为人力或自动施力装置。