CN111504806A - 一种用于模拟爆破作用的软岩剪切盒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于模拟爆破作用的软岩剪切盒，设有上剪切盒和下剪切盒，在剪切盒中心部位设有放置岩样的空腔，上剪切盒内部设有卡盘钢圈，上剪切盒周边均布有6～10个扁柱形槽，爆破圆盘装在扁柱形槽内，并以卡盘钢圈为轴心在扁柱形槽内转动，爆破圆盘上设有药管孔用于安装装药试管和管帽；下剪切盒榫接在滑动滚排上。本剪切盒结构科学合理，适合用于在室内进行模拟爆破作用下的软岩剪切流变试验，可更真实地模拟不同烈度炸药，不同孔深、装药方式，不同炮孔倾角，不同爆破方位，微差爆破等爆破方式对岩样剪切流变损伤的影响，试验效率高和准确性好，试验结果吻合真实情况。

Description

一种用于模拟爆破作用的软岩剪切盒
技术领域
本发明涉及一种剪切盒，具体地说是涉及一种用于模拟爆破作用的软岩剪切盒。
背景技术
随着我国基础设施和矿山建设的快速发展，在水电、铁路、公路等工程建设中都会遇到很多含有软弱夹层(软岩)的高边坡,软弱夹层(软岩)剪切流变变形及强度性质会直接影响到整个高边坡的稳定性。如今，水电站建设、露天矿山的开采等工程越来越多地采用爆破技术进行边坡施工，尤其露天矿作业常需要进行数年甚至数十年的爆破生产作业，爆破产生的振动作用增加了软弱夹层的损伤程度，降低了边坡稳定性。积年累月的爆破作业是导致露天矿山边坡发生剪切流变破坏的主要原因之一。目前，采用室内试验手段研究爆破振动对边坡岩体的动力损伤作用有很多方法，如采用霍普金森杆装置和冲击锤等装置。但是，在剪切流变试验过程中，能够用于真实模拟爆破作用，同时还可模拟变换爆破施工参数的剪切盒装置鲜有报道。
一般现有的剪切盒作为一种试验装置主要存在以下问题：大多数剪切盒装置只能单一模拟动力冲击对岩样的损伤，极少数剪切盒装置可模拟剪切试验过程中振动对岩体的损伤,但所模拟的爆破振动频率和峰值振动速度等参数与实际相差较大，并且无法模拟变换爆破施工参数对岩样剪切试验的影响。主要体现在，现有模拟剪切试验过程中爆破振动对岩体影响的剪切盒，无法真实模拟不同烈度炸药爆炸时对岩样剪切流变损伤的影响；无法真实模拟不同孔深、不同装药方式对岩样剪切流变损伤的影响；无法真实模拟不同炮孔倾角对岩样剪切流变损伤的影响；无法真实模拟不同爆破方位对岩样剪切流变损伤的影响；无法真实模拟微差爆破等不同爆破方式对岩样剪切流变损伤的影响。因此很有必要研发一种用于在室内能真实地模拟爆破作用对软弱夹层(软岩)剪切流变损伤影响的软岩剪切盒。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的不足,而提供一种结构科学合理，进行试验时效率高和准确性好的用于模拟爆破作用的软岩剪切盒，使用本剪切盒在室内就可以更真实地模拟不同烈度炸药，不同孔深、不同装药方式，不同炮孔倾角，不同爆破方位，微差爆破等不同爆破方式对岩样剪切流变损伤的影响。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种用于模拟爆破作用的软岩剪切盒，至少包括上剪切盒、下剪切盒、法向加载垫块和滑动滚排；所述的上剪切盒由上顶板和上剪切体用长螺钉连接构成，下剪切盒由下底板和下剪切体用长螺钉连接构成，上剪切盒和下剪切盒中心部位设有放置岩样的空腔，岩样上部设有法向加载垫块，所述下剪切盒卡装在滑动滚排上，滑动滚排整体为圆形，滑动滚排上设有圆孔，圆孔内放置有钢滚珠；
所述的法向加载垫块顶部四边的中部各焊接一块用于安装法向位移传感器的方形板；
所述的上剪切盒的上顶板与上剪切体交接部位设有一环形凹槽，环形凹槽环绕所述放置岩样的空腔，环形凹槽用于放置卡盘钢圈；
所述的上剪切盒周边均布有6～10个扁柱形槽，每个扁柱形槽中放置1个爆破圆盘；爆破圆盘为开口的扁柱，每个爆破圆盘上均沿半径开有一个圆柱形的药管孔，爆破圆盘卡装在卡盘钢圈上，并以卡盘钢圈为轴心在扁柱形槽内转动；
所述的上剪切盒和下剪切盒外缘各设一个方形凹槽，两个方形凹槽底平面平行于放置岩样空腔的同一侧壁面，且槽口方向相反，方形凹槽用于在进行剪切流变试验时使剪切盒与加载压头紧密接触，受力均匀；
所述的下剪切体底部外缘焊接两个测量支架，两个测量支架中心的连线垂直于剪切方向，测量支架用于安装切向位移传感器和爆破测振仪；
所述的下底板底部中心设有十字形凹槽；
所述的滑动滚排上表面中心部位设有十字形凸台，滑动滚排的十字形凸台与下底板的十字形凹槽榫接在一起，十字形的榫卯结构用于使下剪切盒与滑动滚排之间相对位置保持不变，滑动滚排降低了剪切盒在试验过程中与剪切盒承台之间的摩擦力。
所述的爆破圆盘的直径与上剪切盒的厚度相等。
所述的每个爆破圆盘上均沿半径开有一个圆柱形的药管孔，药管孔的孔口部位设有内螺纹，卡盘钢圈在药管孔的孔底。
所述的药管孔用于安装装药试管和管帽，装药试管上部设有外螺纹，管帽上部设内六角凹槽，内六角凹槽中心开有一导爆孔，导爆孔用于穿接导爆索，管帽下部内外分别设有内螺纹和外螺纹，管帽通过下部内螺纹与装药试管的外螺纹啮合，管帽通过其外螺纹与药管孔孔口部位的内螺纹啮合，将装药试管固定于药管孔内。
应用本发明的剪切盒进行模拟爆破振动对软岩剪切流变效应影响的试验时，需要提前制定好科学的试验方案，尤其要计算确定合适的炸药品种和装药量，以避免在试验过程中爆破振动效果不足导致数据采集出现误差、困难等情况，或者由于爆破能量过大损伤试验设备和伤及试验人员。
本发明用于模拟爆破作用的软岩剪切盒与现有技术相比具有的有益效果是：
①、本发明将下剪切盒分为两部分可方便下剪切盒空腔内部的清理；且在下底板底部中心设有十字形凹槽,同时相对应地在带有钢滚珠的滑动滚排上表面中心部位设计了十字形凸台，滑动滚排的十字形凸台与下底板的十字形凹槽榫接在一起，这样在试验过程中，下剪切盒相对试验系统沿剪切方向移动时，滑动滚排随着下剪切盒一起移动，十字形的榫卯结构可保持下剪切盒与滑动滚排之间相对位置不变，滑动滚排可降低剪切盒在试验过程中与剪切盒承台之间的摩擦力。
②、本发明的剪切盒设有卡盘钢圈和爆破圆盘，爆破圆盘可以卡盘钢圈为轴心转动，用以改变爆破圆盘上装药试管相对于岩样的倾角，装药试管相当于现场爆破作业中的炮孔，可用于更真实地模拟改变炮孔倾角时爆破作用对岩样剪切流变效应的影响。
③、本发明在上剪切盒周边等间距均布了6～10个爆破圆盘，每个爆破圆盘相对岩样的位置是不同的，因此可用于真实模拟不同方位爆破对岩样剪切流变效应的影响。
④、本发明在装药试管的管帽上设了一个导爆孔，可以通过导爆孔连接导爆索用来引爆装药试管内的炸药，同时可通过改变导爆索连接方式实现微差爆破。
⑤、本发明的剪切盒通过在装药试管内采取不同的装药方式(如分段装药)可模拟现场炮孔内不同的装药方式，通过在装药试管底部装入沙土等材料模拟孔深的改变。
⑥、本发明的剪切盒可通过在装药试管盛装不同烈度与品种的炸药用于真实模拟不同种类炸药爆破时对岩样剪切流变效应的影响。
⑦本发明的剪切盒结构科学合理，进行试验时效率高和准确性好，适用于在室内进行剪切流变试验，可真实模拟爆破振动对岩样剪切流变效应的影响。
附图说明
图1为本发明的剪切盒的俯视结构示意图。
图2为图1中A-A剖面结构示意图。
图3为图1中B-B剖面结构示意图。
图4为本发明剪切盒底部的滑动滚排结构俯视示意图。
图5为本发明的爆破圆盘轴测和侧视剖面结构示意图。
图6为本发明的卡盘钢圈俯视结构示意图。
图7为本发明的装药试管剖面和俯视结构示意图。
上述图中：1—法向加载垫块，2—方形板，3—岩样，4—测量支架，5—长螺钉，6—上顶板，7—卡盘钢圈，8—上剪切体，9—下剪切体，10—方形凹槽，11—十字形凸台，12—钢滚珠，13—下底板，14—爆破圆盘，141—药管孔，15—扁柱形槽，16—装药试管，161—外螺纹，162—管帽，163—导爆孔，17—滑动滚排。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的剪切盒作进一步说明，本发明的实施例仅用于阐述发明的精神，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：本发明提供一种用于模拟爆破作用的软岩剪切盒，所述剪切盒的结构如图1～7所示。至少包括上剪切盒、下剪切盒、法向加载垫块1和滑动滚排17；上剪切盒和下剪切盒中心部位设有放置岩样3的空腔，岩样上部设有法向加载垫块。
如图1，所述的法向加载垫块1顶部四边的中部各焊接一块用于安装法向位移传感器的方形板2。
如图1、2、3，所述的上剪切盒由上顶板6和上剪切体8用长螺钉5连接构成，上顶板与上剪切体交接部位中心处环绕所述放置岩样3的空腔设有一个环形凹槽，环形凹槽用于放置卡盘钢圈7，卡盘钢圈的结构如图6所示，将卡盘钢圈7放置在上剪切体8环形凹槽内之后，就可用长螺钉5连接上顶板6与上剪切体；所述的上剪切盒周边均布有8个扁柱形槽15，每个扁柱形槽中放置1个爆破圆盘14。
所述的下剪切盒由下底板13和下剪切体9用长螺钉5连接构成；所述的在上剪切盒和下剪切盒上各设一个方形凹槽10，两个方形凹槽的槽底平面平行于放置岩样空腔的同一侧壁面，槽口方向相反，方形凹槽便于在进行剪切流变试验时使剪切盒与加载压头紧密接触，受力均匀。
所述的下剪切体9在底部外缘焊接两个测量支架4，两个测量支架中心的连线垂直于剪切方向，测量支架用于安装切向位移传感器和爆破测振仪，切向位移传感器和爆破测振仪在进行试验时分别测量下剪切体切向位移量和采集装药试管16内炸药爆炸后所产生的爆破振动信号。
所述的下剪切盒卡装在滑动滚排17上，下剪切盒的下底板13底部中心设有十字形凹槽。
如图4，所述的滑动滚排17整体为圆形，滑动滚排上设有若干排圆孔，圆孔内放置有钢滚珠12，滑动滚排中心部位设有十字形凸台11，十字形凸台与下底板上十字形凹槽榫接在一起，十字形的榫卯结构使下剪切盒与滑动滚排17之间相对位置保持不变，滑动滚排降低了剪切盒在试验过程中与剪切盒承台之间的摩擦力。
如图1、3、5，所述的爆破圆盘14的直径与上剪切盒的厚度相等，爆破圆盘为开口的扁柱，每个爆破圆盘均沿半径开有一个圆柱形的药管孔141，将爆破圆盘的药管孔开口端先插入扁柱形槽15，使爆破圆盘卡装在卡盘钢圈7上以后，再拨动爆破圆盘以卡盘钢圈为轴心在扁柱形槽15内转动，将药管孔转到上剪切盒外缘。
如图5，所述的药管孔141的孔口部位设有内螺纹，卡盘钢圈在药管孔的孔底，药管孔用于安装装药试管16和管帽162。如图7，装药试管上部设有外螺纹161，管帽上部设内六角凹槽，六角凹槽中心开有一圆形导爆孔163，便于穿接导爆索，管帽下部内外分别设有内螺纹和外螺纹161，管帽通过下部内螺纹与装药试管的外螺纹啮合，使管帽固定于装药试管上,管帽通过其外螺纹与药管孔孔口部位的内螺纹啮合，将装药试管固定于药管孔内。拆卸药管孔141内的装药试管16时，可转动管帽162取出装药试管。
使用本软岩剪切盒进行试验时，首先要构建一套试验系统，试验系统包括法向位移传感器、切向位移传感器、爆破测振仪、切向作动器、法向作动器和剪切盒承台等；准备大小为100mm×100mm×100mm的立方体岩样3，表面打磨光滑后放置于下剪切盒空腔内，然后将上剪切体的空腔与岩样对齐安装，之后分别安装好卡盘钢圈7、上顶板6、长螺钉5，在岩样上部放置好法向加载垫块1；
试验步骤如下：
⑴、按照不同的试验设计方案，分别在8个装药试管16内全部装填预定品种的炸药，每个装药试管装入其容积2/3的药量，上部其余1/3空间采用黏土进行填塞，然后将导爆索与炸药连接之后，导爆索穿过管帽上的导爆孔163，将管帽162与装药试管通过螺纹啮合安装在一起。
⑵、将带管帽的装药试管16通过螺纹与爆破圆盘14的药管孔141啮合安装；以卡盘钢圈7为轴心拨转爆破圆盘，旋转使装药试管16的孔口与法向加载垫块的法向中轴线夹角为30°，然后将各装药试管口的导爆索按照预定的试验方案进行连接，以实现不同的起爆顺序。
⑶、将放置在滑动滚排17上的剪切盒推至预定工位，安装并检查位移传感器和爆破测振仪是否可以进行正常工作，启动法向作动器使其与法向加载垫块1紧密贴合接触，并对岩样施加预定的法向荷载，启动切向作动器使其与剪切盒两侧的方形凹槽10紧密贴合接触，在剪切流变试验过程中保持上剪切盒相对于整个试验系统处在静止状态，推动下剪切盒发生切向位移。
⑷、按照预定的试验方案，定时引爆装药试管16内的炸药，记录试验数据。
⑸、再次装药重复爆破试验作业，由于剪切流变试验过程中需要进行多次爆破试验作业，在一次爆破试验作业完成后，取出装药试管并清理炸药残渣，按照预定试验方案再次进行爆破试验作业，并记录试验数据，重复爆破试验作业直至整个剪切流变试验完成。
⑹、试验完成后，将剪切盒推出试验工位，移开上剪切盒取出岩样3并将剪切盒中的空腔清理干净，然后扭动爆破圆盘14内的装药试管16的管帽162取出装药试管，拧开管帽将爆炸后装药试管内的炸药残渣清理干净，再将装药试管安装在爆破圆盘的药管孔141内，安装好剪切盒以备下次使用。
本实施例主要用于模拟研究不同烈度与不同品种的炸药爆破时对岩样剪切流变效应的影响。
实施例2：本发明提供一种用于模拟爆破作用的软岩剪切盒，所述剪切盒的结构与实施例1基本相同，不同的只是上剪切盒周边均布有10个扁柱形槽15，模拟爆破作用对岩样剪切流变效应的影响时可在10个装药试管内全部或者部分装药进行试验。
实施例3：本发明提供一种用于模拟爆破作用的软岩剪切盒，所述剪切盒的结构与实施例1基本相同，不同的只是上剪切盒周边均布有6个扁柱形槽15，模拟爆破作用对岩样剪切流变效应的影响时可在6个装药试管内分段装药或者不分段装药进行试验。
本发明的剪切盒结构科学合理，使用本剪切盒进行试验时效率高且准确性好，适用于在室内进行模拟爆破振动作用下剪切流变试验，可更真实地模拟不同参数下爆破振动作用对岩样剪切流变效应的影响。

Claims (4)

1.一种用于模拟爆破作用的软岩剪切盒，至少包括上剪切盒、下剪切盒、法向加载垫块和滑动滚排；上剪切盒由上顶板和上剪切体用长螺钉连接构成，下剪切盒由下底板和下剪切体用长螺钉连接构成，上剪切盒和下剪切盒中心部位设有放置岩样的空腔，岩样上部设有法向加载垫块，所述下剪切盒卡装在滑动滚排上，滑动滚排整体为圆形，滑动滚排上设有圆孔，圆孔内放置有钢滚珠；其特征在于：
所述的法向加载垫块顶部四边的中部各焊接一块用于安装法向位移传感器的方形板；
所述的上剪切盒的上顶板与上剪切体交接部位设有一环形凹槽，环形凹槽环绕所述放置岩样的空腔，环形凹槽用于放置卡盘钢圈；
所述的上剪切盒周边均布有6～10个扁柱形槽，每个扁柱形槽中放置1个爆破圆盘；爆破圆盘为开口的扁柱，每个爆破圆盘上均沿半径开有一个圆柱形的药管孔，爆破圆盘卡装在卡盘钢圈上，并以卡盘钢圈为轴心在扁柱形槽内转动；
所述的上剪切盒和下剪切盒外缘各设一个方形凹槽，两个方形凹槽底平面平行于放置岩样空腔的同一侧壁面，且槽口方向相反，方形凹槽用于在进行剪切流变试验时使剪切盒与加载压头紧密接触，受力均匀；
所述的下剪切体底部外缘焊接两个测量支架，两个测量支架中心的连线垂直于剪切方向，测量支架用于安装切向位移传感器和爆破测振仪；
所述的下底板底部中心设有十字形凹槽；
所述的滑动滚排上表面中心部位设有十字形凸台，滑动滚排的十字形凸台与下底板的十字形凹槽榫接在一起，十字形的榫卯结构用于使下剪切盒与滑动滚排之间相对位置保持不变，滑动滚排降低了剪切盒在试验过程中与剪切盒承台之间的摩擦力。
2.根据权利要求1所述的用于模拟爆破作用的软岩剪切盒，其特征在于：所述的爆破圆盘的直径与上剪切盒的厚度相等。
3.根据权利要求1所述的用于模拟爆破作用的软岩剪切盒，其特征在于：所述的每个爆破圆盘上均沿半径开有一个圆柱形的药管孔，药管孔的孔口部位设有内螺纹，卡盘钢圈在药管孔的孔底。
4.根据权利要求1所述的用于模拟爆破作用的软岩剪切盒，其特征在于：所述的药管孔用于安装装药试管和管帽，装药试管上部设有外螺纹，管帽上部设内六角凹槽，内六角凹槽中心开有一导爆孔，导爆孔用于穿接导爆索，管帽下部内外分别设有内螺纹和外螺纹，管帽通过下部内螺纹与装药试管的外螺纹啮合，管帽通过其外螺纹与药管孔孔口部位的内螺纹啮合，将装药试管固定于药管孔内。
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