CN109270243B - 冻土爆破模型试验系统及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
发明提供冻土爆破模型试验系统及其试验方法。所述试验系统包括防爆箱、冻土模具、计算机和数据采集处理器。所述防爆箱内腔的顶部四角处均设置有高速摄像机。所述顶盖上设置有三维激光扫描仪。所述冻土模具布置在防爆箱内。所述冻土模具中布置冻土试样。所述冻土试样的上表面根据设计布置有炮孔。所述炮孔内装有相似炸药。试验时,引爆炸药,高速摄像机观测并记录爆破过程。数据采集处理器采集并记录爆破振动数据。该试验系统的试验方法包括配置冻土试样、布置炮孔、模拟爆破和数据采集等步骤。该试验系统操作简便,易于实现,可重复性强。可安全有效用于室内冻土爆破模型试验。
Description
技术领域
本发明涉及冻土力学技术领域,特别涉及一种冻土爆破模型试验系统。
背景技术
冻土是指零摄氏度以下,并含有冰的各种岩石和土壤。冻土力学属于岩土力学的范畴,但由于冻土中冰的存在,使其力学性质与普通岩土类材料的力学性质相差很大。中国多年冻土和季节冻土面积分别占国土面积的21.5%和53.5%。在冻土地区进行水利工程、工业与民用建筑及交通运输工程的建设,就必须对冻土及其与工程建筑物相互作用的一系列工程冻土学理论和实践问题做出解答,以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性、耐久性及经济合理性。
随着爆破技术与工艺的发展,现如今的爆破运用越来越多,也越来越频繁,爆破规模也越来越大。深孔台阶爆破在石方爆破工程中占有重要的地位。它已在露天和地下土建工程中被广泛应用。在铁路、公路、水利等土建工程及冶金开采中采用,取得了良好的技术经济效益。在进行爆破工艺改进时,最有说服力的方法是根据设计思路进行现场试验,但爆破现场的状况复杂,不允许通过一次次的爆破试验来进行分析总结。因此,采用模型试验的方法研究岩土体爆破性就显得十分重要。
冻土爆破作为一种特殊爆破技术,工程经验较少,对其爆破参数的确定及振害效应分析都缺乏研究。为保证施工安全,提高施工效率,改进爆破工艺,进行冻土爆破模型试验研究是十分必要的。因此,亟需开发一种冻土爆破室内试验装置及试验方法。
发明内容
本发明的目的是提供冻土爆破模型试验系统及其试验方法,以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的,冻土爆破模型试验系统,包括防爆箱、冻土模具、计算机和数据采集处理器。
所述防爆箱整体为一个带有顶盖的矩形箱体。所述防爆箱内腔的顶部四角处均设置有高速摄像机。所述顶盖的下表面设置有三维激光扫描仪。
所述冻土模具布置在防爆箱内。所述冻土模具包括模型槽和台阶形模具。所述台阶形模具包括矩形板以及设置在矩形板下表面的一组连续台阶。所述模型槽包括底板、侧板Ⅰ和两块侧板Ⅱ。所述底板和侧板Ⅰ为矩形板。所述侧板Ⅱ为直角梯形板。所述底板水平布置,侧板Ⅰ、两块侧板Ⅱ和台阶形模具分别围设在底板的四条边处。所述侧板Ⅰ和两块侧板Ⅱ竖直布置,台阶形模具倾斜布置。所述两块侧板Ⅱ平行布置。所述底板、侧板Ⅰ、两块侧板Ⅱ和台阶形模具合围出内腔S。工作时,所述内腔S中布置冻土试样。所述冻土试样的上表面根据设计布置有炮孔。所述炮孔内装有相似炸药。所述侧板Ⅰ和侧板Ⅱ的外壁由分层制冷器包覆。所述分层制冷器包括上下两层制冷器。所述上下两层制冷器均设置有温度传感器。所述分层制冷器分层控制冻土试样的温度。
试验时,卸除台阶形模具,在冻土试样中埋设振动传感器。引爆炸药,高速摄像机观测并记录爆破过程。数据采集处理器采集并记录爆破振动数据。所述高速摄像机和数据采集处理器将记录数据送入计算机。
进一步,所述防爆箱的顶盖上设有泄气孔。所述防爆箱的侧壁上设有通风口和防爆箱门。
进一步,所述防爆箱的内壁上设置有吸音减震层。
进一步,所述台阶与侧板Ⅱ通过销栓固定连接在一起。
进一步,所述分层制冷器连接有制冷器散热器。
进一步,所述高速摄像机外罩设有防爆玻璃保护壳。
本发明还公开一种关于上述冻土爆破模型试验系统的试验方法,包括以下步骤:
1)在内腔S中配置冻土试样,并分层击实。开启分层制冷器,对冻土试样分层冷冻48h。其中,所述分层制冷器的上下两层制冷器均设置有温度传感器。所述温度传感器与数据采集处理器相连。
2)确定爆破参数,选择炮孔的布置形式。在冻土试样上表面钻设炮孔。在炮孔内装入相似炸药并封孔。通过导线将炸药与起爆器连接。
3)卸除台阶形模具。在冻土试样中埋设振动传感器。其中,所述振动传感器与数据采集处理器相连。
4)利用起爆器引爆各炮孔中的炸药。高速摄像机观测并记录爆破过程。数据采集处理器通过振动传感器完成爆破过程中爆破振动数据的采集。所述高速摄像机和数据采集处理器将记录数据传输至计算机。
5)待碎屑、尘土静止后,清理爆破漏斗残渣。使用三维激光扫描仪测量漏斗体积,并将数据传输至计算机。
6)计算机对高速摄像机、数据采集处理器和三维激光扫描仪采集数据进行后期处理,并结合爆破后冻土试样的破坏特征进行分析。
进一步,步骤1)之前还具有根据试验要求选择台阶形模具的相关步骤。
进一步,步骤4)之前,还具有调试高速摄像机、三维激光扫描仪、计算机和数据采集处理器的相关步骤。
进一步,步骤1)中,当模拟含水量较小的冻土时,按一定的含水率配置融土试样,搅拌均匀,分4~5次加入内腔S,并分层击实;当模拟含水量较大的冻土时,先冻出冰块,用机器破碎成冰屑,将试验用土与冰屑搅拌均匀,分4~5次加入内腔S,并分层击实。
本发明的技术效果是毋庸置疑的:
A.试验装置操作简便,易于实现,可重复性强;可安全有效用于室内冻土爆破模型试验;
B.可记录冻土爆破漏斗形成过程以及冻土爆破过程中土体质点振动加速度;
C.可研究不同临空面、边坡温度、炮孔布置方式、炮孔深度等参数对冻土爆破特性和爆破效果的影响;
D.采用三维激光测量技术测量爆破漏斗体积,测量精确快捷。
附图说明
图1为冻土爆破模型试验系统结构示意图;
图2为冻土模具结构示意图;
图3为振动监测点布置图;
图4为台阶形模具结构示意图;
图5为炮孔布置方式Ⅰ;
图6为炮孔布置方式Ⅱ;
图7为炮孔布置方式Ⅲ。
图中:内腔S、防爆箱1、泄气孔101、通风口102、防爆箱门103、高速摄像机5、三维激光扫描仪6、模型槽7、底板701、侧板Ⅰ702、侧板Ⅱ703、台阶形模具8、矩形板801、台阶802、冻土试样9、炮孔901、振动传感器10、分层制冷器11、计算机12、数据采集处理器13、制冷器散热器14。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明,但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段,做出各种替换和变更,均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1:
本实施例公开冻土爆破模型试验系统,包括防爆箱1、冻土模具、计算机12和数据采集处理器13。
参见图1,所述防爆箱1整体为一个带有顶盖的矩形箱体。所述防爆箱1整体为一个内中空的长方体。所述防爆箱1包括顶盖、底盖和四侧侧壁。所述四侧侧壁合围出上下端敞口的矩形框体。这个矩形框体的上端敞口被顶盖封堵,下端敞口被底盖封堵。所述顶盖、底盖和四侧侧壁为一个整体。所述防爆箱1的顶盖上设有泄气孔101。所述防爆箱1的侧壁上设有通风口102和防爆箱门103。所述泄气孔101排泄爆破产生的气流,孔口设有防爆结构,防止碎屑飞溅出防爆箱1。所述通风口102保证内外空气流通。所述防爆箱门103为试验人员出入口。所述防爆箱1的内壁上设置有吸音减震层,隔绝爆破试验的振动、噪音和土块,保证外部试验人员和仪器安全。所述防爆箱1内腔的顶部四角处均设置有高速摄像机5。所述高速摄像机5外罩设有防爆玻璃保护壳。所述顶盖的下表面设置有三维激光扫描仪6。
所述冻土模具布置在防爆箱1内腔中。参见图2,所述冻土模具整体为一个水平放置的直四棱柱,这个直四棱柱的底面为直角梯形。所述冻土模具包括模型槽7和台阶形模具8。所述台阶形模具8包括矩形板801以及设置在矩形板801下表面的一组连续台阶802。所述模型槽7包括底板701、侧板Ⅰ702和两块侧板Ⅱ703。所述底板701和侧板Ⅰ702为矩形板。所述侧板Ⅱ703为直角梯形板。所述底板701水平布置,侧板Ⅰ702、两块侧板Ⅱ703和台阶形模具8分别围设在底板701的四条边处。所述侧板Ⅰ702和两块侧板Ⅱ703竖直布置,台阶形模具8倾斜布置。所述两块侧板Ⅱ703平行布置。侧板Ⅰ702布置在侧板Ⅱ703竖直腰一侧,台阶形模具8布置在侧板Ⅱ703倾斜腰一侧。所述台阶802与侧板Ⅱ703通过销栓固定连接在一起。所述底板701、侧板Ⅰ702、两块侧板Ⅱ703和台阶形模具8合围出台阶状内腔S。工作时,所述内腔S中布置冻土试样9。参见图3,所述冻土试样9的上表面根据设计布置有炮孔901。所述炮孔901内装有相似炸药。所述侧板Ⅰ702和侧板Ⅱ703的外壁由分层制冷器11包覆。所述分层制冷器11连接有制冷器散热器14。所述分层制冷器11包括上下两层制冷器。所述上下两层制冷器均设置有温度传感器。所述分层制冷器11分层控制冻土试样9的温度,从而实现模拟由浅到深冻土温度变化的现象。
所述数据采集处理器13集成有爆破振动监测仪、温度记录器等。
试验时,卸除台阶形模具8,在冻土试样9中埋设振动传感器10。引爆炸药,高速摄像机5观测并记录爆破过程。数据采集处理器13采集并记录爆破振动数据。所述高速摄像机5和数据采集处理器13将记录数据送入计算机12。
实施例2:
本实施例公开一种关于实施例1所述冻土爆破模型试验系统的试验方法,包括以下步骤:
1)本实施例模拟含水量较小的冻土。按一定的含水率配置融土试样,搅拌均匀,分4~5次加入内腔S中,并分层击实。开启分层制冷器11,对冻土试样9分层冷冻48h,从而实现模拟由浅到深冻土温度变化的现象。其中,所述分层制冷器11的上下两层制冷器均设置有温度传感器。所述温度传感器与数据采集处理器13相连。
2)确定各项爆破参数,根据试验需要,选择炮孔的布置形式。在冻土试样9上表面钻设炮孔901。在炮孔901内装入相似炸药并封孔。通过导线将炸药与起爆器连接。
3)松销钉,卸除台阶形模具8。在冻土试样9中埋设振动传感器10。其中,所述振动传感器10与数据采集处理器13相连。
4)模拟爆破和数据采集:利用起爆器引爆各炮孔901中的炸药。模型槽7模拟冻土试样9的侧限试验条件。高速摄像机5观测并记录爆破过程。数据采集处理器13通过预先埋入冻土试样9中的振动传感器10完成爆破过程中爆破振动数据的采集。所述高速摄像机5和数据采集处理器13将记录数据传输至计算机12。
5)待碎屑、尘土静止后,清理爆破漏斗残渣。使用三维激光扫描仪6测量漏斗体积,并将数据传输至计算机12。
6)计算机12对高速摄像机5、数据采集处理器13和三维激光扫描仪6采集数据进行后期处理,并结合爆破后冻土试样9的破坏特征进行分析。
实施例3:
本实施例公开一种关于实施例1所述冻土爆破模型试验系统的试验方法,包括以下步骤:
1)根据试验要求选择台阶形模具8。参见图4,选择不同几何参数台阶形模具8可模拟不同临空面。
2)本实施例模拟含水量较大的冻土。先将水冻出冰块,用机器破碎成冰屑,将试验用土与冰屑搅拌均匀,分4~5次加入内腔S中,并分层击实。开启分层制冷器11,对冻土试样9分层冷冻48h。其中,所述分层制冷器11的上下两层制冷器均设置有温度传感器。所述温度传感器与数据采集处理器13相连。
3)确定各项爆破参数,根据试验需要,选择炮孔的布置形式。参见图5、6和7,炮孔的布置形式有单排布置、矩形布置和交错布置等。在冻土试样9上表面钻设炮孔901。在炮孔901内装入相似炸药并封孔。通过导线将炸药与起爆器连接。
4)松销钉,卸除台阶形模具8。布置振动监测点,在冻土试样9中振动监测点处埋设振动传感器10。其中,所述振动传感器10与数据采集处理器13相连。
5)调试高速摄像机5、三维激光扫描仪6、计算机12和数据采集处理器13。
6)模拟爆破和数据采集。利用起爆器引爆各炮孔901中的炸药。高速摄像机5观测并记录爆破过程。数据采集处理器13通过预先埋入冻土试样9中的振动传感器10完成爆破过程中爆破振动数据的采集。所述高速摄像机5和数据采集处理器13将记录数据传输至计算机12。
7)待碎屑、尘土静止后,清理爆破漏斗残渣。使用三维激光扫描仪6测量漏斗体积,并将数据传输至计算机12。
8)计算机12对高速摄像机5、数据采集处理器13和三维激光扫描仪6采集数据进行后期处理,并结合爆破后冻土试样9的破坏特征进行分析。
Claims (7)
1.冻土爆破模型试验方法,其特征在于:包括防爆箱(1)、冻土模具、计算机(12)和数据采集处理器(13);
所述防爆箱(1)整体为一个带有顶盖的矩形箱体;所述防爆箱(1)内腔的顶部四角处均设置有高速摄像机(5);所述顶盖的下表面设置有三维激光扫描仪(6);
所述冻土模具布置在防爆箱( 1) 内;所述冻土模具包括模型槽(7)和台阶形模具(8);所述台阶形模具(8)包括矩形板(801)以及设置在矩形板(801)下表面的一组连续台阶(802);所述模型槽(7)包括底板(701)、侧板Ⅰ(702)和两块侧板Ⅱ(703);所述台阶(802)与侧板Ⅱ(703)通过销栓固定连接在一起;所述底板(701)和侧板Ⅰ(702)为矩形板;所述侧板Ⅱ(703)为直角梯形板;所述底板(701)水平布置,侧板Ⅰ(702)、两块侧板Ⅱ(703)和台阶形模具(8)分别围设在底板(701)的四条边处;所述侧板Ⅰ(702)和两块侧板Ⅱ(703)竖直布置,台阶形模具(8)倾斜布置;所述两块侧板Ⅱ(703)平行布置;所述底板(701)、侧板Ⅰ(702)、两块侧板Ⅱ(703)和台阶形模具(8)合围出内腔S;工作时,所述内腔S中布置冻土试样(9);所述冻土试样(9)的上表面根据设计布置有炮孔(901);所述炮孔(901)内装有相似炸药;所述侧板Ⅰ(702)和侧板Ⅱ(703)的外壁由分层制冷器(11)包覆;所述分层制冷器(11)包括上下两层制冷器;所述上下两层制冷器均设置有温度传感器;
试验时,卸除台阶形模具(8),在冻土试样(9)中埋设振动传感器(10);引爆炸药,高速摄像机(5)观测并记录爆破过程;数据采集处理器(13)采集并记录爆破振动数据;所述高速摄像机(5)和数据采集处理器(13)将记录数据送入计算机(12);
试验方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)在内腔S中配置冻土试样(9),并分层击实;开启分层制冷器(11),对冻土试样(9)分层冷冻48h;其中,所述分层制冷器(11)的上下两层制冷器均设置有温度传感器;所述温度传感器与数据采集处理器(13)相连;
2)确定爆破参数,选择炮孔的布置形式;在冻土试样(9)上表面钻设炮孔(901);在炮孔(901)内装入相似炸药并封孔;通过导线将炸药与起爆器连接;
3)卸除台阶形模具(8);在冻土试样(9)中埋设振动传感器(10);其中,所述振动传感器(10)与数据采集处理器(13)相连;
4)利用起爆器引爆各炮孔(901)中的炸药;高速摄像机(5)观测并记录爆破过程;数据采集处理器(13)通过振动传感器(10)完成爆破过程中爆破振动数据的采集;所述高速摄像机(5)和数据采集处理器(13)将记录数据传输至计算机(12);
5)待碎屑、尘土静止后,清理爆破漏斗残渣;使用三维激光扫描仪(6)测量漏斗体积,并将数据传输至计算机(12);
6)计算机(12)对高速摄像机(5)、数据采集处理器(13)和三维激光扫描仪(6)采集数据进行后期处理,并结合爆破后冻土试样(9)的破坏特征进行分析。
2.根据权利要求1所述的冻土爆破模型试验方法,其特征在于:所述防爆箱(1)的顶盖上设有泄气孔(101);所述防爆箱(1)的侧壁上设有通风口(102)和防爆箱门(103)。
3.根据权利要求1或2所述的冻土爆破模型试验方法,其特征在于:所述防爆箱(1)的内壁上设置有吸音减震层。
4.根据权利要求1所述的冻土爆破模型试验方法,其特征在于:所述分层制冷器(11)连接有制冷器散热器(14)。
5.根据权利要求1所述的冻土爆破模型试验方法,其特征在于:所述高速摄像机(5)外罩设有防爆玻璃保护壳。
6.根据权利要求1所述的冻土爆破模型试验方法,其特征在于:步骤1)之前还具有根据试验要求选择台阶形模具(8)的相关步骤。
7.根据权利要求1所述的冻土爆破模型试验方法,其特征在于:步骤4)之前,还具有调试高速摄像机(5)、三维激光扫描仪(6)、计算机(12)和数据采集处理器(13)的相关步骤。
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