CN109026092A - 可调刚度的冲击卸能效应装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种可调刚度的冲击卸能效应装置，它包括反力框架、固定盒、承压盒、加压装置和监测装置,通过在反力框架的框体内放置固定盒，在固定盒内设置承压盒，通过承压盒内填充试验用的填充物，加压装置与反力框架和承压盒抵触加载荷载，监测装置检测动静载荷。本发明克服了原隧道开挖围岩变化受力不易模拟的问题，可通过观测不同填充物在不同工况下的冲击卸能效应，模拟在实际工程中隧洞围岩的受力机理及力学响应，得出在不同材料填充物传递围岩局部变形压力效果以及给围岩提供的可形变尺寸量，对工程内部衬砌物质提供有效参考数据，该装置具有结构简单，可观测冲击卸能效应，模拟隧洞围岩的受力机理及力学响应，操作方便，简单适用的特点。

Description

可调刚度的冲击卸能效应装置及方法

技术领域

本发明属于隧道废土处理技术领域，涉及一种可调刚度的冲击卸能效应装置及方法。

背景技术

在隧道实际修建过程所遇到的诸多问题里，最棘手的就是高地应力软岩隧洞位移收敛时间可长达3年，并且位移量大，开挖后围岩应力分布不均匀性显著，导致支护结构各部位受力差异巨大，从隧洞破坏特征也得不出其破坏的根源就是开挖后围岩蠕变量过大，支护结构强度小，难以抵抗巨大的地应力作用导致支护结构乃至二衬变形破坏严重，从而造成了一系列导致经济损失甚至威胁施工安全的变形破坏。

高地应力软岩隧洞开挖后软岩蠕变量大、变形时间长，导致施工工期长地应力不均匀性显著；并且在高应力条件下, 硬脆性岩体表现出与低应力条件下完全不同的力学行为, 剥落、岩爆等为这类岩体的主要破坏模式。同时, 围岩内部将发育一定深度的破裂损伤区, 并随着表层围岩的破坏而向深部发展。所以在高地应力软岩隧洞在治理隧道围岩大变形问题上，为了作出切实可行支护措施，对岩体受冲击荷载下力的消散作用、力的影响变化曲线和影响范围的研究就显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可调刚度的冲击卸能效应装置，结构简单，采用在反力框架的框体内放置固定盒，在固定盒内设置承压盒，承压盒内填充试验用的填充物，加压装置与反力框架和承压盒抵触加载荷载，监测装置检测动静载荷，观测冲击卸能效应，模拟隧洞围岩的受力机理及力学响应，操作方便，简单适用。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种可调刚度的冲击卸能效应装置，它包括反力框架、固定盒、承压盒、加压装置和监测装置；所述的固定盒位于反力框架内；所述承压盒位于固定盒内；所述加压装置与反力框架和承压盒抵触；所述监测装置的压力传感器位于承压盒内，摄像仪位于固定盒上部与反力框架连接，摄像头朝向承压盒。

所述反力框架包括与多个受力杆两端分别连接固定的受力板，固定盒位于下端的受力板上，摄像仪与上端的受力板连接。

所述固定盒为上侧开口的矩形盒体；所述承压盒为两端开口的盒体；所述与承压盒任一开口端对应的矩形盒体的盒壁为透明钢化玻璃；所述钢化玻璃中心设有垂直刻度，水平方向设有与承压盒侧壁垂直的水平刻度。

所述承压盒包括位于水平的粘贴板和加压板两侧的垂直板，以及与垂直板和矩形盒体连接的伸缩弹簧；所述垂直板侧面与矩形盒体内壁之间形成伸缩空间，两端与矩形盒体接触。

所述粘贴板与矩形盒体底部固定，加压板与粘贴板平行位于两垂直板夹持的上部与加压装置抵触；所述垂直板与矩形盒体底部不接触。

所述加压装置包括千斤顶和霍普金森杆，千斤顶与加压板相互独立位于反力框架上部的受力板和加压板之间。

所述监测装置包括压力传感器和摄像仪；所述压力传感器分布于承压盒内壁的各侧面。

所述粘贴板和加压板侧面的压力传感器交错布设，垂直板侧面的压力传感器沿对角线布设。

如上所述的可调刚度的冲击卸能效应装置的操作方法，其特征在于，它包括如下步骤：

S1，填充，在承压盒内铺设薄膜密封，填充与试验相应的材料，由加压板覆盖承压盒上侧的开口；

S2，调整，调整霍普金森杆与加压板之间的距离，使其在霍普金森杆的冲击行程范围之内；

S3，冲击，霍普金森杆施加一个竖直向下的冲击荷载，记录霍普金森杆受力峰值，并有加压板向下观测填充物对冲击力的消散作用和冲击力的对填充物的影响范围；

S4，感应，填充物受到冲击后，承压盒各侧壁的压力传感器感应压力变化，并将数据传输至后台的采集系统；

S5，偏移，承压盒内的填充物受到挤压后，垂直板向两侧张开，读取水平刻度并记录，填充物压缩，读取垂直刻度并记录；

S6，视频，填充物受到冲击时，摄像仪实时将冲击挤压的变形过程传输至后台的采集系统；

S7，加压，对千斤顶打压，使伸缩端逐步向上升高与加压板接触，之后，记录多次打压加载后承压盒内填充物的变化，读取水平刻度并记录，填充物压缩，读取垂直刻度并记录；

重复S1~ S6为动荷载加载步骤；

S1~ S6中，替换S2为静荷载加载步骤。

一种可调刚度的冲击卸能效应装置，它包括反力框架、固定盒、承压盒、加压装置和监测装置, 通过在反力框架的框体内放置固定盒，通过在固定盒内设置承压盒，通过承压盒内填充试验用的填充物，通过加压装置与反力框架和承压盒抵触加载荷载，通过监测装置检测动静载荷。本发明克服了原隧道开挖围岩变化受力不易模拟的问题，具有结构简单，可观测冲击卸能效应，模拟隧洞围岩的受力机理及力学响应，操作方便，简单适用的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明反力框架的结构示意图。

图3为本发明固定盒和承压盒的结构示意图。

图4为本发明内部的结构示意图。

图5为本发明承压盒上下侧压力传感器的布局图。

图6为本发明承压盒侧面压力传感器的布局图。

图中：受力杆11，受力板12，矩形盒体21，垂直刻度22，水平刻度23，粘贴板31，加压板32，垂直板33，伸缩弹簧34，千斤顶41，霍普金森杆42，压力传感器51，摄像仪52。

具体实施方式

如图1~图6中，一种可调刚度的冲击卸能效应装置，它包括反力框架、固定盒、承压盒、加压装置和监测装置；所述的固定盒位于反力框架内；所述承压盒位于固定盒内；所述加压装置与反力框架和承压盒抵触；所述监测装置的压力传感器51位于承压盒内，摄像仪52位于固定盒上部与反力框架连接，摄像头朝向承压盒。结构简单，通过在反力框架的框体内放置固定盒，通过在固定盒内设置承压盒，通过承压盒内填充试验用的填充物，通过加压装置与反力框架和承压盒抵触加载荷载，通过监测装置检测动静载荷，观测冲击卸能效应，模拟隧洞围岩的受力机理及力学响应，操作方便，简单适用。

优选的方案中，所述反力框架包括与多个受力杆11两端分别连接固定的受力板12，固定盒位于下端的受力板12上，摄像仪52与上端的受力板12连接。结构简单，使用时，受力杆11支撑受力板12，受力板12承受试验时的加载力，摄像仪52用于实时记录试验过程中的动态变化。

优选的方案中，所述固定盒为上侧开口的矩形盒体21；所述承压盒为两端开口的盒体；所述与承压盒任一开口端对应的矩形盒体21的盒壁为透明钢化玻璃；所述钢化玻璃中心设有垂直刻度22，水平方向设有与承压盒侧壁垂直的水平刻度23。使用时，矩形盒体21安放承压盒，透过固定盒盒壁的透明钢化玻璃可观察到承压盒内填充物受力变化情况，透明钢化玻璃便于摄像仪52摄录，承压盒受力后，填充物挤压使盒体变形，通过垂直刻度22和水平刻度23观察变形量。

优选地，垂直刻度22和水平刻度23精确到毫米，数据读取更精确。

优选的方案中，所述承压盒包括位于水平的粘贴板31和加压板32两侧的垂直板33，以及与垂直板33和矩形盒体21连接的伸缩弹簧34；所述垂直板33侧面与矩形盒体21内壁之间形成伸缩空间，两端与矩形盒体21接触。结构简单，使用时，荷载传导给加压板32，加压板32受到冲击挤压承压盒内的填充物，垂直板33向两侧扩张推挤伸缩弹簧34压缩，两端头沿固定盒的内壁滑动，垂直板33的伸缩量通过水平刻度23读取，填充物的压缩量通过垂直刻度22读取。

优选地，加压板32上侧面设有提拉把手，便于提拉，更省力。

优选地，加压板32下侧面贴合有粘贴板31与固定盒底部固定的粘贴板31形成对应，填充物受力更均衡。

优选地，填充物填充前，承压盒内铺设柔性透明的薄膜密封，便于下次使用时更换，不影响观察内部受力变形。

优选地，填充物为陶粒、陶粒混凝土、砂或泡沫混凝土具有压缩沉降性能的材料。

优选地，伸缩弹簧34可根据填充物及荷载大小更换不同强劲度系数的弹簧。

优选的方案中，所述粘贴板31与矩形盒体21底部固定，加压板32与粘贴板31平行位于两垂直板33夹持的上部与加压装置抵触；所述垂直板33与矩形盒体21底部不接触。结构简单，使用时，加压板32受力后沿垂直板33两侧向下运动挤压填充物，粘贴板31与矩形盒体21底部固定，受压后更稳定，受压后的填充物向两侧推挤垂直板33，垂直板33悬空与矩形盒体21底部不接触，无摩擦力，测得的水平方向变形量更准确。

优选的方案中，所述加压装置包括千斤顶41和霍普金森杆42，千斤顶41与加压板32相互独立位于反力框架上部的受力板12和加压板32之间。结构简单，使用时，霍普金森杆42用于动荷载加载试验，千斤顶41用于静荷载加载试验，加载时，霍普金森杆42或千斤顶41与加压板32上侧面连接固定与受力板12抵触，千斤顶或霍普金森杆所施加的集中荷载通过高强粘贴板转化成均布荷载，使其与实际工程衬砌填充物受力更加接近，施加冲击荷载加压，模拟实际工程中隧洞围岩开挖后局部围岩大变形所产生的冲击荷载，并测量冲击载荷下各点的压力值、位移值、压缩沉降量和应力影响范围。

优选地，加压板32为透明的钢化玻璃或防弹玻璃。

优选地，千斤顶41的压力等级可更换。

优选的方案中，所述监测装置包括压力传感器51和摄像仪52；所述压力传感器51分布于承压盒内壁的各侧面。结构简单，使用时，摄像仪52与承压盒成45°的倾角摄像，可拍摄承压盒内填充物的立体受力情况，承压盒内壁各侧面分布的多个压力传感器51感应填充物压力变化。

优选的方案中，所述粘贴板31和加压板32侧面的压力传感器51交错布设，垂直板33侧面的压力传感器51沿对角线布设。结构简单，承压盒内各侧面交错布设的多个压力传感器51感应更多，感应更灵敏，监测数据更精确。

优选的方案中，如上所述的可调刚度的冲击卸能效应装置的操作方法，其特征在于，它包括如下步骤：

S1，填充，在承压盒内铺设薄膜密封，填充与试验相应的材料，由加压板32覆盖承压盒上侧的开口；

S2，调整，调整霍普金森杆42与加压板32之间的距离，使其在霍普金森杆42的冲击行程范围之内；

S3，冲击，霍普金森杆42施加一个竖直向下的冲击荷载，记录霍普金森杆受力峰值，并有加压板32向下观测填充物对冲击力的消散作用和冲击力的对填充物的影响范围；

S4，感应，填充物受到冲击后，承压盒各侧壁的压力传感器感应压力变化，并将数据传输至后台的采集系统；

S5，偏移，承压盒内的填充物受到挤压后，垂直板33向两侧张开，读取水平刻度并记录，填充物压缩，读取垂直刻度并记录；

S6，视频，填充物受到冲击时，摄像仪52实时将冲击挤压的变形过程传输至后台的采集系统；

S7，加压，对千斤顶41打压，使伸缩端逐步向上升高与加压板32接触，之后，记录多次打压加载后承压盒内填充物的变化，读取水平刻度并记录，填充物压缩，读取垂直刻度并记录；

重复S1~ S6为动荷载加载步骤；

S1~ S6中，替换S2为静荷载加载步骤。该方法操作简单适用，能够模拟隧道开挖围岩受力的变化情况，通过测得最大变形沉降量及不同等级荷载下的压缩沉降量的对应关系，定量研究不同等级荷载作用下填充物的力学响应及变形情况分析，从而得出柔性填充物衬砌均匀传递围岩局部变形压力的效果以及给围岩提供的可形变尺寸量，分析陶粒式预留变形量缓冲层的作用效果，定量研究将柔性填充物填充于初衬和二衬之间的预留变形量缓冲层处时支护结构的力学响应并验证该技术的支护效果。

如上所述的可调刚度的冲击卸能效应装置，安装使用时，在反力框架的框体内放置固定盒，在固定盒内设置承压盒，承压盒内填充试验用的填充物，加压装置与反力框架和承压盒抵触加载荷载，监测装置检测动静载荷，观测冲击卸能效应，模拟隧洞围岩的受力机理及力学响应，操作方便，简单适用。

如上所述的可调刚度的冲击卸能效应装置，该装置可通过观测不同填充物（陶粒、碎石土、泡沫混凝土等）在不同工况下的冲击卸能效应，模拟在实际工程中隧洞围岩的受力机理及力学响应，可定量研究在隧洞的预留变形量中填充的填充物在不同等级集中力荷载作用下的力学响应及变形情况。

如上所述的可调刚度的冲击卸能效应装置，通过研究加载过程中柔性填充物的压缩沉降量、位移值与荷载值的对应关系，从而得出柔性填充物衬砌均匀传递围岩局部变形压力的效果以及给围岩提供的可形变尺寸量。

如上所述的可调刚度的冲击卸能效应装置，该装置可有效解决隧洞工程中存在的工程问题，还可以得到不同围岩衬砌物质在使用中的性能数据，对于选择更合适的围岩内部衬砌物质提供有效参考数据，具有广泛的工程实践意义及应用前景。

如上所述的可调刚度的冲击卸能效应装置，本装置既可以观测不同填充物材料在动荷载下的力学性能，又可以观测在长期静荷载下的力学性能。

如上所述的可调刚度的冲击卸能效应装置，该装置可实时监测隧洞填充物的变形情况，通过可视化窗口下定量得出填充物压缩沉降量和应力影响范围。

如上所述的可调刚度的冲击卸能效应装置，提出的装置材料易得，可操作性强，结构简单、成本低，有效解决隧洞开挖后软岩蠕变量大、变形时间长，导致施工工期长地应力不均匀性显著，导致支护结构受力极不均匀高地应力软岩隧洞施工的成本高企等问题，可供科研单位使用。

使用时，受力杆11支撑受力板12，受力板12承受试验时的加载力，摄像仪52用于实时记录试验过程中的动态变化。

矩形盒体21安放承压盒，透过固定盒盒壁的透明钢化玻璃可观察到承压盒内填充物受力变化情况，透明钢化玻璃便于摄像仪52摄录，承压盒受力后，填充物挤压使盒体变形，通过垂直刻度22和水平刻度23观察变形量。

垂直刻度22和水平刻度23精确到毫米，数据读取更精确。

使用时，荷载传导给加压板32，加压板32受到冲击挤压承压盒内的填充物，垂直板33向两侧扩张推挤伸缩弹簧34压缩，两端头沿固定盒的内壁滑动，垂直板33的伸缩量通过水平刻度23读取，填充物的压缩量通过垂直刻度22读取。

加压板32上侧面设有提拉把手，便于提拉，更省力。

加压板32下侧面贴合有粘贴板31与固定盒底部固定的粘贴板31形成对应，填充物受力更均衡。

填充物填充前，承压盒内铺设柔性透明的薄膜密封，便于下次使用时更换，不影响观察内部受力变形。

填充物为陶粒、砂或碎石。

使用时，加压板32受力后沿垂直板33两侧向下运动挤压填充物，粘贴板31与矩形盒体21底部固定，受压后更稳定，受压后的填充物向两侧推挤垂直板33，垂直板33悬空与矩形盒体21底部不接触，无摩擦力，测得的水平方向变形量更准确。

使用时，霍普金森杆42用于动荷载加载试验，千斤顶41用于静荷载加载试验，加载时，霍普金森杆42或千斤顶41与加压板32上侧面连接固定与受力板12抵触。

优选地，加压板32为透明的钢化玻璃或防弹玻璃。

使用时，摄像仪52与承压盒成45°的倾角摄像，可拍摄承压盒内填充物的立体受力情况，承压盒内壁各侧面分布的多个压力传感器51感应填充物压力变化。

承压盒内各侧面交错布设的多个压力传感器51感应更多，感应更灵敏，监测数据更精确。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可调刚度的冲击卸能效应装置，其特征是：它包括反力框架、固定盒、承压盒、加压装置和监测装置；所述的固定盒位于反力框架内；所述承压盒位于固定盒内；所述加压装置与反力框架和承压盒抵触；所述监测装置的压力传感器（51）位于承压盒内，摄像仪（52）位于固定盒上部与反力框架连接，摄像头朝向承压盒。

2.根据权利要求1所述的可调刚度的冲击卸能效应装置，其特征是：所述反力框架包括与多个受力杆（11）两端分别连接固定的受力板（12），固定盒位于下端的受力板（12）上，摄像仪（52）与上端的受力板（12）连接。

3.根据权利要求2所述的可调刚度的冲击卸能效应装置，其特征是：所述固定盒为上侧开口的矩形盒体（21）；所述承压盒为两端开口的盒体；所述与承压盒任一开口端对应的矩形盒体（21）的盒壁为透明钢化玻璃；所述钢化玻璃中心设有垂直刻度（22），水平方向设有与承压盒侧壁垂直的水平刻度（23）。

4.根据权利要求3所述的可调刚度的冲击卸能效应装置，其特征是：所述承压盒包括位于水平的粘贴板（31）和加压板（32）两侧的垂直板（33），以及与垂直板（33）和矩形盒体（21）连接的伸缩弹簧（34）；所述垂直板（33）侧面与矩形盒体（21）内壁之间形成伸缩空间，两端与矩形盒体（21）接触。

5.根据权利要求4所述的可调刚度的冲击卸能效应装置，其特征是：所述粘贴板（31）与矩形盒体（21）底部固定，加压板（32）与粘贴板（31）平行位于两垂直板（33）夹持的上部与加压装置抵触；所述垂直板（33）与矩形盒体（21）底部不接触。

6.根据权利要求5所述的可调刚度的冲击卸能效应装置，其特征是：所述加压装置包括千斤顶（41）和霍普金森杆（42），千斤顶（41）与加压板（32）相互独立位于反力框架上部的受力板（12）和加压板（32）之间。

7.根据权利要求3所述的可调刚度的冲击卸能效应装置，其特征是：所述监测装置包括压力传感器（51）和摄像仪（52）；所述压力传感器（51）分布于承压盒内壁的各侧面。

8.根据权利要求7所述的可调刚度的冲击卸能效应装置，其特征是：所述粘贴板（31）和加压板（32）侧面的压力传感器（51）交错布设，垂直板（33）侧面的压力传感器（51）沿对角线布设。

9.根据权利要求1~8任一项所述的可调刚度的冲击卸能效应装置的操作方法，其特征在于，它包括如下步骤：

S1，填充，在承压盒内铺设薄膜密封，填充与试验相应的材料，由加压板（32）覆盖承压盒上侧的开口；

S2，调整，调整霍普金森杆（42）与加压板（32）之间的距离，使其在霍普金森杆（42）的冲击行程范围之内；

S3，冲击，霍普金森杆（42）施加一个竖直向下的冲击荷载，记录霍普金森杆受力峰值，并有加压板（32）向下观测填充物对冲击力的消散作用和冲击力的对填充物的影响范围；

S4，感应，填充物受到冲击后，承压盒各侧壁的压力传感器感应压力变化，并将数据传输至后台的采集系统；

S5，偏移，承压盒内的填充物受到挤压后，垂直板（33）向两侧张开，读取水平刻度并记录，填充物压缩，读取垂直刻度并记录；

S6，视频，填充物受到冲击时，摄像仪（52）实时将冲击挤压的变形过程传输至后台的采集系统；

S7，加压，对千斤顶（41）打压，使伸缩端逐步向上升高与加压板（32）接触，之后，记录多次打压加载后承压盒内填充物的变化，读取水平刻度并记录，填充物压缩，读取垂直刻度并记录；

重复S1~ S6为动荷载加载步骤；

S1~ S6中，替换S2为静荷载加载步骤。