CN105527182A - 一种用于模拟深部岩体受力状态的爆炸载荷模拟发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟深部岩体受力状态的爆炸载荷模拟发生器，设于承载架的顶板或侧板上，所述爆炸载荷模拟发生器包括加载单元和卸载单元；加载单元包括活塞和设有进气口和卸气口的油缸，所述活塞滑动设置在油缸内；所述卸载单元包括侧壁设有卸载孔的缸筒、卸载活塞以及调节弹簧，所述缸筒一端与卸气口对接，所述卸载活塞滑动地设于缸筒中，并通过调节弹簧与缸筒的另一端相接，当调节弹簧处于自由状态时卸载活塞的周侧封堵所述卸载孔有益效果：准确有效地模拟了爆炸冲击过程对深部岩体及开挖隧道的扰动。

Description

一种用于模拟深部岩体受力状态的爆炸载荷模拟发生器

技术领域

本发明涉及受力状态的模拟装置，尤其涉及一种用于模拟深部岩体受力状态的爆炸载荷模拟发生器。

背景技术

当前我国交通、水利水电、能源、矿山和军事防护都有涉及深部地下工程的问题，而深部岩体赋存在高应力环境中，在施工开挖卸荷扰动和爆炸地冲击扰动作用下，存在可能发生分区破裂、大变形、岩爆、工程性地震等灾害的风险。因此为防范上述灾害发生，国内外相关学者专家都在对深部岩体工程进行深入研究，模拟深部岩体受力状态。但目前的模拟仅限于高地应力模拟，略或高地应力和开挖扰动的模拟，未见能全部实现高地应力、开挖扰动和爆炸扰动（一高两扰动）的模拟装置。

浅埋或者地下爆炸后，爆炸载荷经过岩土介质向爆炸远区传播，经过不断衰减后，深部岩土承受的爆炸载荷峰值大大降低，载荷作用时间也大大增加。近年来，基于相似理论的相似模拟材料常常被用来模拟真实岩体结构，为实验室内模拟大规模地下爆炸提供了可能。按照相似比尺缩比后，爆炸载荷强度进一步降低，可近似的等效为三角形脉冲，如按照1:100的比尺模拟研究0~100ktTNT当量爆炸在地下0~2000m深处产生的爆炸地冲击扰动，所需的模拟载荷为：峰值0~3MPa、上升时间2.5~10ms、下降时间为上升时间的2倍5~20ms。该等效载荷的特点是峰值低、脉宽长，使用化学爆炸方法难以准确获得。同时在室内使用化学爆炸具有较大的危险性，因此急需探索安全可靠的爆炸载荷模拟装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现高地应力、开挖扰动和爆炸扰动模拟的一种模拟深部岩体受力状态的加载装置。

为实现上述目的，本发明的用于模拟深部岩体受力状态的爆炸载荷模拟发生器，设于岩体受力试验承载架上，所述爆炸载荷模拟发生器包括加载单元和卸载单元；加载单元包括活塞和设有进气口和卸气口的油缸，所述活塞滑动设置在油缸内；所述卸载单元包括侧壁设有卸载孔的缸筒、卸载活塞以及调节弹簧，所述缸筒一端与卸气口对接，所述卸载活塞滑动地设于缸筒中，并通过调节弹簧与缸筒的另一端相接，当调节弹簧处于自由状态时卸载活塞的周侧封堵所述卸载孔；加载单元通过向进气口注入高压空气，推动活塞挤压油液，卸载单元在油缸内气压升高时，通过被高压气体推挤的卸载活塞打开卸载孔形成通路排出气体，当气压降低时，卸载活塞在调节弹簧的作用下复位封堵卸载孔，所述爆炸载荷模拟发生器设置在所述承载架的顶板或侧板上。

所述爆炸载荷模拟发生器的进一步设计在于，所述加载单元还包括螺母，所述活塞的活塞杆伸出所述油缸外旋接所述螺母，使活塞的行程限定在螺母与油缸之间的间距之间，所述油缸的活塞端与所述顶板或侧板上的连接孔连通。

所述爆炸载荷模拟发生器的进一步设计在于，还所述卸载单元还包括一定位套，所述缸筒沿轴向依次设有相互连通的调节活塞腔、卸载活塞腔和定位套腔，且卸载活塞腔设有卸载孔，所述调节活塞腔的开口端连接在所述油缸的卸气口上，调节活塞、卸载活塞和定位套分别对应地置于调节活塞腔、卸载活塞腔和定位套腔中，且调节活塞的活塞杆伸入到卸载活塞腔与卸载活塞连接，调节弹簧穿套在卸载活塞的活塞杆上，并将卸载活塞压向调节活塞腔和卸载活塞腔之间的连通孔，卸载活塞连接的活塞杆伸入到定位套腔中，与该腔中的定位套连接。

所述爆炸载荷模拟发生器的进一步设计在于，还包括一个用于定位定位套的定位单元，定位单元包括定位销与定位弹簧，定位套腔的腔壁上设有销钉孔，定位销置于销钉孔中，定位弹簧穿套在定位销上，并将定位销一端压触在定位套外圆周侧面上，在卸载活塞带动定位套轴向移动而使定位孔移动至定位销位置时，定位销嵌入该定位孔中，而使卸载活塞轴向定位。

所述爆炸载荷模拟发生器的进一步设计在于，所述缸筒由相互连接的第一缸筒和第二缸筒组成。

所述爆炸载荷模拟发生器的进一步设计在于，所述第一缸筒的内腔沿轴向设有相互连通的所述调节活塞腔和第一卸载活塞腔，且所述卸载孔设置在第一卸载活塞腔的腔壁上。

所述爆炸载荷模拟发生器的进一步设计在于，所述第二缸筒的内腔沿轴向设有相互连通的第二卸载活塞腔和所述定位套腔。

所述爆炸载荷模拟发生器的进一步设计在于，第一卸载活塞腔和第二卸载活塞腔的对应端通过螺纹连接使该两腔相互结合，形成闭合的所述卸载活塞腔。

所述爆炸载荷模拟发生器的进一步设计在于，所述卸载活塞端部设有圆锥面，所述连通孔的孔壁设有与所述圆锥面相适配的内圆锥面，在调节弹簧的作用下，卸载活塞端部的圆锥面紧压在连通孔内的内圆锥面上。

所述爆炸载荷模拟发生器的进一步设计在于，所述顶板或侧板包括外侧板、内侧板和传力薄板；所述外侧板上设有连接孔，所述内侧板上设有储液槽，该储液槽的槽底均布有若干通孔，所述爆炸载荷模拟发生器连接在外侧板的连接孔上，所述传力薄板密封连接在内侧板上储液槽的槽底端；外侧板密封连接在内侧板上，对内侧板上的储液槽封盖，以形成储液腔。

本发明的有益效果在于：用爆炸载荷模拟发生器产生三角形液压力脉冲来模拟爆炸载荷，并将该液压脉冲向外传递，准确有效地模拟了爆炸冲击过程对深部岩体及开挖隧道的扰动。

附图说明

图1是本发明爆炸载荷模拟发生器的结构示意图。

图2是加载单元的结构示意图。

图3是卸载单元的结构示意图。

图4是爆炸载荷模拟发生器产生的液压脉冲示意图。

其中，加载单元1，油缸11，进气口111，卸气口112，活塞12，螺母13，卸载单元2，缸筒21，第一缸筒21a，第二缸筒21b，调节活塞腔211，卸载活塞腔212，第一卸载活塞腔212a，第二卸载活塞腔212b，卸载孔2121，定位套腔213，销钉孔2131，连通孔219，调节活塞22，卸载活塞23，调节弹簧24，定位套25，定位销26，定位弹簧27，顶板3,外侧板31，连接孔311,内侧板32,储液槽321,通孔322，传力薄板33。

具体实施方式

如图1,为模拟爆炸地对深部岩体的扰动，本发明设置了爆炸载荷模拟发生器。该爆炸载荷模拟发生器放置的顶板3的外侧，当然也可以设置在侧板（图中未示出）外侧。本实施例中，将顶板3设计成一个组合体，它主要由外侧板31、内侧板32和传力薄板33组成，连接孔311设置在外侧板31上，而在内侧板32上设置储液槽321，该储液槽321的槽底均布有若干通孔322，传力薄板33密封连接在储液槽321的槽底端，从而成为承载架空腔的一腔壁。外侧板31封盖在内侧板32上，两者通过紧固件进行密封连接。因此，内侧板上的储液槽经外侧板31的封盖而形成所述储液腔321。

进一步的，如图2，爆炸载荷模拟发生器包括加载单1和卸载单元2。加载单元1包括螺母13、活塞12和设有进气口和卸气口的油缸11，活塞12滑动设置在油缸11中，且该活塞的活塞杆伸出所述油缸外旋接所述螺母13，螺母13旋接于活塞杆的位置与活塞12的运动行程直接关联，活塞的行程被限定在螺母与油缸之间的间距内。在对应于油缸11活塞杆一端的两周向位置上分别设有沿径向分布的一对进气口（图中未画出）和一对卸气口112，而油缸11的活塞端与外侧板141上的通孔322连通。

如图3，卸载单元2包括缸筒21、调节活塞22、卸载活塞23、调节弹簧24、定位套25、定位销26和定位弹簧27。缸筒21沿轴向依次设有相互连通的调节活塞腔211、卸载活塞腔212和定位套腔213，且卸载活塞腔212和定位套腔213的周向腔壁上分别对应地设有卸载孔2121和销钉孔2131。调节活塞腔211的开口端连接在油缸11的卸气口112上。调节活塞23、卸载活塞24和定位套25分别对应地置于调节活塞腔211、卸载活塞腔212和定位套腔213中。且调节活塞,22的活塞杆伸入到卸载活塞腔212与卸载活塞23连接。调节弹簧24穿套在卸载活塞23的活塞杆上，其一端抵触在卸载活塞23上，另一端抵触在卸载活塞腔212的腔壁上，将卸载活塞23压向调节活塞腔和卸载活塞腔之间的连通孔219。卸载活塞的活塞杆伸入到定位套腔213中.定位套25连接在伸入至该腔中的卸载活塞23的活塞杆上。定位弹簧27和定位销26置于销钉孔32131中，销钉孔32131对应于外侧一端设有内螺纹，一螺钉旋接在销钉孔28的外侧端，且端部压触在定位弹簧的一端，定位弹簧27的另一端推压定位销26，使定位销26一端压触在定位套25外圆周侧面上，在卸载活塞23带动定位套25轴向移动而使定位孔28移动至定位销位置时，定位销嵌入该定位孔28中，而使卸载活塞轴25向定位。

上述爆炸载荷模拟发生器3通过油缸11上的进气口111与压缩空气站（未画出）相连，压缩空气站在瞬间向爆炸载荷模拟发生器提供高压气，该高压气通过管道由进气口111进入油缸11中，活塞12受高压气流冲击快速向下运动，以移动所需时间为t_升的一段行程，此间对油缸11及与该油缸连通的储液腔321中的液体形成不断增加的压力，直至峰值Pf，而液体的不可压缩特性，将所受到压力反作用于活塞12，使活塞12向上运动，而使活塞上部的空气受到压缩，气压加大，当压力大于调节弹簧24施加在卸载活塞23上的压力时，卸载活塞23向右运动，不再压触在连通孔219上，连通孔219被打开，高压气体从连通孔219中泄出，而随卸载活塞23同时向右侧运动的定位套，其上定位孔在移动到定位销位置时，定位销嵌入该定位孔中，使卸载活塞被轴向定位，连通孔219保持打开状态，高压气体将全部从该连通孔中泄出，气体的作用力在t_降时间段内由峰值Pf减弱至零，至此形成一个峰值压力为Pf的动态三角形液压脉冲载荷，请参见图4，用以模拟爆炸地冲击扰动。该液压脉冲载荷通过形成储液腔的储液槽槽底均布的连接孔311而作用于传力薄板33上，传力薄板33将该液压脉冲载荷的震动波传递到试件5上。

如图4，由爆炸载荷模拟发生器形成的三角形液压脉冲载荷，其峰值压力Pf是可以调节的，调节是通过调节活塞22的运动行程来实现，而该行程的调节的是通过调节螺母13在活塞12的活塞杆上的位置来实现的。螺母33在活塞杆上的不同位置，形成与油缸缸壁不同的间距，从而限制了活塞12的不同运动行程，因此本发明中的爆炸载荷模拟发生器对峰值压力Pf的调节是十分方便的。

本发明在储液腔321设置一个均布通孔322的槽底，相当于一个滤波器，使液压脉冲经由通孔322向传力薄板33传递，以对液压脉冲进行波形整理，使之通过均布的通孔均衡地施加到传力薄板33上。

为了使对上述卸载单元2中的调节弹簧24的弹力可调节，缸筒21做成组合式，该缸筒由第一缸筒21和第二缸筒22沿轴向螺纹连接形成，其中的卸载活塞腔212由分设在第一、二缸筒上的第一、二卸载活塞腔212a、212b组合形成。调节活塞腔211和第一卸载活塞腔212a沿轴向且相互连通地设置在第一缸筒21a内腔，第二卸载活塞腔212b和定位套腔313沿轴向且相互连通地设置在第二缸筒22内腔，第一缸筒上的第一卸载活塞腔和第二缸筒上的第二卸载活塞腔的对应端通过螺纹连接使该两腔相互结合，形成闭合的卸载活塞腔212，卸载活塞腔212的长度可通过两缸筒的螺纹连接进行调节，通过对卸载活塞腔212的长度调节来改变对调节弹簧24的压缩量，使之产生不同的弹力。

调节弹簧24的弹力作用在卸载活塞23上，使之紧压在调节活塞腔和卸载活塞腔之间的连通孔219上。为了使卸载活塞23与连通孔219实现很好的密封连接，卸载活塞端部设计成圆锥面，而连通孔219对应孔壁设计成与之与该圆锥面相适配的内圆锥面，在调节弹簧的作用下，卸载活塞端部的圆锥面将紧压在连通孔219内的内圆锥面上，可大大提高密封性能，保证活塞上部空腔的气体被密封隔断于卸载活塞腔之外。

Claims (10)

1.一种用于模拟深部岩体受力状态的爆炸载荷模拟发生器，设于岩体受力试验承载架上，其特征在于：所述爆炸载荷模拟发生器包括加载单元和卸载单元；加载单元包括活塞和设有进气口和卸气口的油缸，所述活塞滑动设置在油缸内；所述卸载单元包括侧壁设有卸载孔的缸筒、卸载活塞以及调节弹簧，所述缸筒一端与卸气口对接，所述卸载活塞滑动地设于缸筒中，并通过调节弹簧与缸筒的另一端相接，当调节弹簧处于自由状态时卸载活塞的周侧封堵所述卸载孔；加载单元通过向进气口注入高压空气，推动活塞挤压油液，卸载单元在油缸内气压升高时，通过被高压气体推挤的卸载活塞打开卸载孔形成通路排出气体，当气压降低时，卸载活塞在调节弹簧的作用下复位封堵卸载孔，所述爆炸载荷模拟发生器设置在所述承载架的顶板或侧板上。

2.根据权利要求1所述的爆炸载荷模拟发生器，其特征在于：所述加载单元还包括螺母，所述活塞的活塞杆伸出所述油缸外旋接所述螺母，使活塞的行程限定在螺母与油缸之间的间距之间，所述油缸的活塞端与所述顶板或侧板上的连接孔连通。

3.根据权利要求1所述的爆炸载荷模拟发生器，其特征在于：还所述卸载单元还包括一定位套，所述缸筒沿轴向依次设有相互连通的调节活塞腔、卸载活塞腔和定位套腔，且卸载活塞腔设有卸载孔，所述调节活塞腔的开口端连接在所述油缸的卸气口上，调节活塞、卸载活塞和定位套分别对应地置于调节活塞腔、卸载活塞腔和定位套腔中，且调节活塞的活塞杆伸入到卸载活塞腔与卸载活塞连接，调节弹簧穿套在卸载活塞的活塞杆上，并将卸载活塞压向调节活塞腔和卸载活塞腔之间的连通孔，卸载活塞连接的活塞杆伸入到定位套腔中，与该腔中的定位套连接。

4.根据权利要求3所述的爆炸载荷模拟发生器，其特征在于：还包括一个用于定位定位套的定位单元，定位单元包括定位销与定位弹簧，定位套腔的腔壁上设有销钉孔，定位销置于销钉孔中，定位弹簧穿套在定位销上，并将定位销一端压触在定位套外圆周侧面上，在卸载活塞带动定位套轴向移动而使定位孔移动至定位销位置时，定位销嵌入该定位孔中，而使卸载活塞轴向定位。

5.根据权利要求3所述的爆炸载荷模拟发生器，其特征在于：所述缸筒由相互连接的第一缸筒和第二缸筒组成。

6.根据权利要求5所述的爆炸载荷模拟发生器，其特征在于：所述第一缸筒的内腔沿轴向设有相互连通的所述调节活塞腔和第一卸载活塞腔，且所述卸载孔设置在第一卸载活塞腔的腔壁上。

7.根据权利要求6所述的爆炸载荷模拟发生器，其特征在于所述第二缸筒的内腔沿轴向设有相互连通的第二卸载活塞腔和所述定位套腔。

8.根据权利要求7所述的爆炸载荷模拟发生器，其特征在于第一卸载活塞腔和第二卸载活塞腔的对应端通过螺纹连接使该两腔相互结合，形成闭合的所述卸载活塞腔。

9.根据权利要求3所述的爆炸载荷模拟发生器，其特征在于：所述卸载活塞端部设有圆锥面，所述连通孔的孔壁设有与所述圆锥面相适配的内圆锥面，在调节弹簧的作用下，卸载活塞端部的圆锥面紧压在连通孔内的内圆锥面上。

10.根据权利要求1所述的爆炸载荷模拟发生器，其特征在于：所述顶板或侧板包括外侧板、内侧板和传力薄板；所述外侧板上设有连接孔，所述内侧板上设有储液槽，该储液槽的槽底均布有若干通孔，所述爆炸载荷模拟发生器连接在外侧板的连接孔上，所述传力薄板密封连接在内侧板上储液槽的槽底端；外侧板密封连接在内侧板上，对内侧板上的储液槽封盖，以形成储液腔。