CN105424515A - 一种相似材料模型动载施加装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相似材料模型动载施加装置及其试验方法，其通过将冲击发生器预先埋设在相似材料模型内部、拟开挖巷道临近的试验方案设计位置，冲击发生器内部的钢质永磁铁充当撞锤，基于磁铁磁极之间同性相斥、异性相吸的原理，通过控制相似材料模型外部电磁铁两端磁极的切换，驱动撞锤对模型内部施加动载，并调整撞锤回位。本发明具有装置结构简单，方案设计合理，动载的大小和方位准确、可调节等技术特点。本发明的动载试验方法，其操作简单、控制与调节简便，试验的结果可以更好地反映动载作用下工程岩体的变形破坏规律，达到较为理想的模拟试验效果。

Description

一种相似材料模型动载施加装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种相似材料模拟试验装置及其试验方法，尤其涉及一种相似材料模型动载施加装置及其试验方法。

背景技术

动力灾害长期以来严重影响着地下工程的安全使用，不同动力形式下地下工程岩体响应研究对工程岩体支护控制设计至关重要。动力灾害现场测试工程量巨大、操作难度大，根本无法有效进行。相比于现场测试，相似材料模拟试验是地下工程研究中比较有效的方法手段。

现有技术中，相似材料模拟试验中动态加载一般通过人工锤击或其他机械手段施加，这类试验方法中的动载均施加在相似材料模型的表面，而地下工程中动力源一般存在于岩体内部，模型外部施加动载不能很好的与现场工程相匹配，试验结果误差较大。其他的，诸如模型内部放置炸药爆破的加载技术，具有工程相似性差、动载施加不连续、动载施加方向不可控等缺点。

综上所述，在某种程度上来说，现有技术的动载施加装置及其加载方法，其试验过程中的动载施加误差较大，试验结果可信度较低，无法真实、准确地反映出工程岩体的变形破坏规律。

发明内容

发明目的之一是，提供一种相似材料模型动载试验装置，其具有结构简单、合理，动态加载过程中的施力大小和方位精准、受控、可调节等技术特点。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种相似材料模型动载施加装置，其特征在于，包括控制装置、电磁铁和冲击发生器；其中，冲击发生器预先埋设在相似材料模型内部；

所述控制装置和电磁铁置于相似材料模型的外部，通过紧固件夹持并固定在相似材料模型一侧表面的相似材料模拟试验装置的立柱上；

所述控制装置外接电源，并与所述电磁铁的线圈通电连接；

所述冲击发生器包括一端封闭另一端敞口的套筒，所述套筒的封闭端靠近电磁铁，该封闭端的内壁面上固定有一防撞垫；

所述冲击发生器的敞口端用亚麻布罩住，并用橡皮筋固定；

所述撞锤为圆柱形的钢质永磁体，装配在防撞垫与敞口端之间的套筒内部成松配合；

所述套筒的底板材质为铁，筒体材质为经过磁力计去磁处理的硬质合金。

上述技术方案直接带来的技术效果是，将现有技术的动载加载直接作用在相似材料模型外壁的方式，转移在相似材料模型内部进行，以确保施力大小受控、可调，作用力的方向准确恒定、冲击频率可自由调节，进而在有效减小或者消除动载加载设备的系统误差的基础上，尽可能降低“人”操作因素的引入可能导致的“偶然误差”因素。即，有效提高动载的精度，以进行真实可靠的仿真模拟。

其工作的原理是，利用(磁极之间)“同性相斥、异性相吸”的基本原理，通过改变电磁铁两端的磁极(N极或S极)，以提供驱动力，驱动撞锤向左或者向右运动(即，撞击相似材料模型或撞锤回位)。

优选为，上述防撞垫为圆形板，材质为橡胶，厚度为0.8-1.5厘米；所述撞锤长度小于或者等于上述套筒内部总长与防撞垫厚度之差的二分之一。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，“撞锤长度小于或者等于上述套筒内部总长与防撞垫厚度之差的二分之一”这一技术手段，主要是为撞锤在磁力的作用下，具有足够的加速距离；而“防撞垫为圆形板，材质为橡胶，厚度为0.8-1.5厘米”这一技术特征为经验值。

本发明的目的之二是，提供一种上述相似材料模型动载施加装置的试验方法，其操作简单、控制与调节简便，试验的结果可以更好地反映动载作用下工程岩体的运动规律，达到较为理想的模拟试验效果。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种上述的相似材料模型动载施加装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，冲击发生器的组装与预埋步骤：

冲击发生器的组装：将撞锤插入套筒内并推送至底部防撞垫相接触，用亚麻布罩住开口端，并用橡皮筋固定，备用；

电磁铁的安装：将电磁铁通过紧固件夹持并固定在相似材料模型一侧表面的相似材料模拟试验装置的立柱上；

冲击发生器的预埋：在试验台上进行相似材料的铺设过程中，根据加载试验所需，将冲击发生器预埋在相似材料内部拟开挖巷道旁所需施加动载的指定位置处，冲击发生器的套筒封闭端的底板朝向上述电磁铁；

第二步，动载施加步骤：

待相似材料模型的巷道开挖完成后，在开挖好的巷道周边壁面上分别安设应力、应变和围岩垮落监测设备；

接通控制装置的电源，调节/切换控制装置所输出的电流的大小/方向，以增大/减小电磁铁所产生磁场强度/切换电磁铁左右两端的磁极，以使撞锤在磁场所产生的排斥力或吸引力的作用下，向前运动撞击巷道旁所需施加动载的指定位置处，或者向后运动回位；

与此同时，观测并记录巷道变形及受力情况；

然后，调节控制装置，以调节撞锤对相似材料模型的撞击频率、撞击力的大小，并分别观测、记录巷道变形及受力情况，直至巷道垮落。

上述技术方案直接带来的技术效果是，将冲击荷载加载由相似材料模型的外部转移至内部，并使得动载的施力大小、冲击频率可以根据试验所需，进行精准调节；并使所施加的冲击力的方向严格受控、充分满足稳定一致的要求；试验的结果可以更好地反映动载作用下工程岩体的变形破坏规律，达到较为理想的模拟试验效果。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有结构简单、精确度高、误差小，试验结果真实准确等有益效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

附图标记说明：1-控制装置；2-电磁铁；3-相似材料模型；4-冲击发生器；5-开挖后的巷道；6-立柱。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的相似材料模型动载施加装置，其特征在于，包括控制装置1、电磁铁2和冲击发生器4；其中，冲击发生器预先埋设在相似材料模型3内部；

上述控制装置和电磁铁置于相似材料模型的外部，通过紧固件夹持并固定在相似材料模型一侧表面的相似材料模拟试验装置的立柱6上；

上述控制装置外接电源，并与上述电磁铁的线圈通电连接；

上述冲击发生器包括一端封闭另一端敞口的套筒，上述套筒的封闭端靠近电磁铁，该封闭端的内壁面上固定有一防撞垫；

上述冲击发生器的敞口端用亚麻布罩住，并用橡皮筋固定；

上述撞锤为圆柱形的钢质永磁体，装配在防撞垫与敞口端之间的套筒内部成松配合；

上述套筒的底板材质为铁，筒体材质为经过磁力计去磁处理的硬质合金。

上述防撞垫为圆形板，材质为橡胶，厚度为0.8-1.5厘米；

上述撞锤长度小于或者等于上述套筒内部总长与防撞垫厚度之差的二分之一。

为更好地理解本发明，下面结合附图，详细说明本发明的相似材料模型动载施加装置的试验方法。

本发明的相似材料模型动载施加装置的试验方法，其包括以下步骤：

第一步，冲击发生器的组装与预埋步骤：

冲击发生器的组装：将撞锤插入套筒内并推送至底部防撞垫相接触，用亚麻布罩住开口端，并用橡皮筋固定，备用；

电磁铁的安装：将电磁铁通过紧固件夹持并固定在相似材料模型一侧表面的相似材料模拟试验装置的立柱上；

如图1所示，冲击发生器的预埋：在试验台上进行相似材料的铺设过程中，根据加载试验所需，将冲击发生器4预埋在相似材料内部拟开挖巷道5旁所需施加动载的指定位置处，冲击发生器的套筒封闭端的底板朝向上述电磁铁；

第二步，动载施加步骤：

待相似材料模型的巷道开挖完成后，在开挖好的巷道周边壁面上分别安设应力、应变和围岩垮落监测设备；

接通控制装置的电源，调节/切换控制装置所输出的电流的大小/方向，以增大/减小电磁铁所产生磁场强度/切换电磁铁左右两端的磁极，以使撞锤在磁场所产生的排斥力或吸引力的作用下，向前运动撞击巷道旁所需施加动载的指定位置处，或者向后运动回位；

与此同时，观测并记录巷道变形及受力情况；

然后，调节控制装置，以调节撞锤对相似材料模型的撞击频率、撞击力的大小，并分别观测、记录巷道变形及受力情况，直至巷道垮落。补充说明：

1、在尽可能减小因埋入所造成的对于相似材料模型内部结构特性的影响的前提下，我们的经验数据表明：套筒长度小于或者等于150mm、外径小于或者等于50mm最为适宜。

2、本发明中所涉及的控制装置可借助现有技术实现，其主要功能包括：控制电磁铁的通断电、电流大小的调节以及方向的改变。

Claims (3)

1.一种相似材料模型动载施加装置，其特征在于，包括控制装置、电磁铁和冲击发生器；其中，冲击发生器预先埋设在相似材料模型内部；

所述控制装置和电磁铁置于相似材料模型的外部，通过紧固件夹持并固定在相似材料模型一侧表面的相似材料模拟试验装置的立柱上；

所述控制装置外接电源，并与所述电磁铁的线圈通电连接；

所述冲击发生器包括一端封闭另一端敞口的套筒，所述套筒的封闭端靠近电磁铁，该封闭端的内壁面上固定有一防撞垫；

所述冲击发生器的敞口端用亚麻布罩住，并用橡皮筋固定；

所述撞锤为圆柱形的钢质永磁体，装配在防撞垫与敞口端之间的套筒内部成松配合；

所述套筒的底板材质为铁，筒体材质为经过磁力计去磁处理的硬质合金。

2.根据权利要求1所述的相似材料模型动载施加装置，其特征在于，所述防撞垫为圆形板，材质为橡胶，厚度为0.8-1.5厘米；

所述撞锤长度小于或者等于上述套筒内部总长与防撞垫厚度之差的二分之一。

3.一种如权利要求1所述的相似材料模型动载施加装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，冲击发生器的组装与预埋步骤：

冲击发生器的组装：将撞锤插入套筒内并推送至底部防撞垫相接触，用亚麻布罩住开口端，并用橡皮筋固定，备用；

电磁铁的安装：将电磁铁通过紧固件夹持并固定在相似材料模型一侧表面的相似材料模拟试验装置的立柱上；

冲击发生器的预埋：在试验台上进行相似材料的铺设过程中，根据加载试验所需，将冲击发生器预埋在相似材料内部拟开挖巷道旁所需施加动载的指定位置处，冲击发生器的套筒封闭端的底板朝向上述电磁铁；

第二步，动载施加步骤：

待相似材料模型的巷道开挖完成后，在开挖好的巷道周边壁面上分别安设应力、应变和围岩垮落监测设备；

接通控制装置的电源，调节/切换控制装置所输出的电流的大小/方向，以增大/减小电磁铁所产生磁场强度/切换电磁铁左右两端的磁极，以使撞锤在磁场所产生的排斥力或吸引力的作用下，向前运动撞击巷道旁所需施加动载的指定位置处，或者向后运动回位；

与此同时，观测并记录巷道变形及受力情况；

然后，调节控制装置，以调节撞锤对相似材料模型的撞击频率、撞击力的大小，并分别观测、记录巷道变形及受力情况，直至巷道垮落。