CN111929150B - 多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试系统及方法，该测试系统，包括落锤冲击加载装置、密封渗流盒、水压控制单元以及SHPB动态加载装置，密封渗流盒设置在落锤冲击加载装置的锤体的正下方，且夹持在SHPB动态加载装置的水平入射杆和水平透射杆之间；密封渗流盒的顶部设有垫板，垫板的顶部通过弹簧连接有冲击板。该测试系统可以实现边渗流边循环加载，并且在原位状态下测试岩石冲击力学性能，为多雨山区下穿铁路隧道围岩动态冲击力学性能及其破坏机制的测试提供支撑。
Description
技术领域
本发明涉及岩石性能测试技术领域，具体涉及一种多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试系统及方法。
背景技术
在雨水较多的山区地带，下穿铁路隧道在爆破、地震和岩爆等冲击作用下，容易发生垮塌事故。事故的主要原因是隧道围岩体中存在天然裂隙，而裂隙在雨水渗流和上方铁路循环载荷作用下不断发生扩展与损伤演化，使围岩体的抗冲击性能大幅度降低，此时在爆破和地震等高应变率冲击作用下，隧道就极易发生失稳破环。因此，揭示渗流-循环载荷耦合作用下含裂隙岩石的动态冲击力学性能及其破坏机制，对下穿铁路隧道岩体工程稳定性分析有重要指导意义。
当前，为测试在渗流-循环载荷耦合作用下岩石的动力学性能，研究人员先将含裂隙岩石试样浸水，再将浸水试样放在落锤冲击试验机上进行单轴循环加载，加载完成后利用SHPB(分离式Hopkinson压杆)测试岩样的动态冲击力学性能。但是上述方案无法在原位状态下测试岩石冲击力学性能，因此，试验结果在指导工程稳定性分析时并没有取得理想的效果。
综上，有必要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试系统及方法，该测试系统可以实现边渗流边循环加载，并且在原位状态下测试岩石冲击力学性能，为多雨山区下穿铁路隧道围岩动态冲击力学性能及其破坏机制的测试提供支撑。
为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：
多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试系统，包括落锤冲击加载装置、用于装载岩石试样的密封渗流盒、用于向所述岩石试样渗水的水压控制单元以及SHPB动态加载装置；
所述密封渗流盒设置在所述落锤冲击加载装置的锤体的正下方，且夹持在SHPB动态加载装置的水平入射杆和水平透射杆之间；
所述密封渗流盒的顶部设有垫板，所述垫板的顶部通过弹簧连接有冲击板，所述冲击板的底部竖直设有导向杆，所述导向杆的底部插在所述垫板的导向孔中。
具体的，所述水压控制单元包括循环水箱、加压泵和增压泵，所述循环水箱、加压泵、密封渗流盒和增压泵通过循环管依次串接构成循环回路。
具体的，所述循环回路上还设有流量计。
具体的，所述落锤冲击加载装置包括落锤试验机承台，所述落锤试验机承台上设有刚性机架，所述刚性机架上设有竖直滑轨和电动卷扬，所述电动卷扬的钢丝绳与所述锤体连接，从而带动所述锤体顺着所述滑轨上下移动。
具体的，所述密封渗流盒包括用于包裹所述岩石试样各个拐角的柔性密封框架以及将所述密封框架各个侧部开口封闭的加载板。
具体的，所述岩石试样内渗透水的流动方向为从左到右，所述水平入射杆和水平透射杆分别设置在所述密封渗流盒的前侧和后侧。
多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试方法，采用上述多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试系统，包括如下步骤：
步骤一、获取下穿铁路隧道围岩岩石试样；
步骤二、将岩石试样匹配放入密封渗流盒围成的三轴加载室中；
步骤三、利用水压控制单元对岩石试样进行渗水，模拟下穿铁路隧道围岩渗流条件；
步骤四、开启落锤冲击加载装置，给岩石试样提供模拟隧道上方铁路通车环境的循环冲击载荷，根据隧道上方铁路通车时间间隔和车速调整循环加载频率和锤体下落高度；
当锤体作用到冲击板上时，垫板在岩石试样提供的反力作用下沿导向杆向上发生位移，此时弹簧在竖向力作用下发生变形压缩，实现在落锤冲击加载过程中，常法向荷载边界条件向常法向刚度边界条件的转换，最后根据通车总时间确定循环加载总时间；
步骤五、循环加载完成后，岩石试样孔隙继续维持渗流状态，利用SHPB动态加载装置对岩石试样进行动态压缩实验，获取渗流-循环载荷耦合作用后岩样试样的动力学性质。
具体的，将SHPB动态加载装置的入射杆和透射杆各自抵住密封渗流盒的相对两侧，根据隧道受冲击作用的应变率调整发射子弹的冲击气压，然后打开气压阀门，发射子弹，根据水平入射杆和水平透射杆上应变片的输出信号获取渗流-循环载荷耦合作用后岩样试样的动力学性质。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、通过优化落锤冲击加载装置、水压控制单元，并将落锤冲击加载装置、水压控制单元与分离式霍普金森压杆组合，构成了一个可以实现边渗流边循环加载，并且在原位状态下测试高应变率岩石冲击力学性能的试验系统，该系统可以为多雨山区下穿铁路隧道围岩动态冲击力学性能及其破坏机制的测试提供支撑。
2、通过增加边界条件转换装置，解决了落锤冲击试验过程不能对加载试样实施常法向刚度加载的问题，由于隧道围岩多采用锚杆加固，其围岩所受的法向荷载随法向位移而变化，因此落锤冲击组件采用常法向刚度边界条件比常法向荷载边界条件更符合实际。
3、密封渗流盒包括用于包裹岩石试样各个拐角的柔性密封框架以及将密封框架各个侧部开口封闭的六块加载板，各块加载板可以独立移动，解决了岩石试样在渗流过程中不能受循环加载的问题，并使测试系统能在渗流-循环载荷耦合作用的基础上进行SHPB试验。
4、水压控制单元通过在进水口和出水口前后分别设置加压泵和增压泵，不仅使岩石试样在入水口和出水口维持一定水压差，还能使岩石孔隙中存在一定水压，有效降低循环冲击加载对岩石孔隙内水压的影响，与实际下穿铁路隧道围岩渗流状态更加吻合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的循环密封的渗流系统结构示意图；
图3是本发明实施例提供的SHPB动态加载装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1-图3，一种多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试系统，包括落锤冲击加载装置1、用于装载岩石试样2的密封渗流盒3、用于向岩石试样2渗水的水压控制单元4以及SHPB动态加载装置5；水压控制单元4在水平面上与岩石试样2一同形成循环密封的渗流系统，落锤冲击加载装置1沿岩石试样2竖直方向加载，用于给岩石试样2提供模拟隧道上方铁路通车环境的中低应变率循环冲击载荷；SHPB动态加载装置5沿与岩石试样2内渗透水流动方向相垂直方向加载，用于在原位状态下，测试岩石试样2渗流-循环载荷耦合作用后的动力学性能。
其中，密封渗流盒3设置在落锤冲击加载装置1的锤体的正下方，且夹持在SHPB动态加载装置5的水平入射杆501和水平透射杆502之间，在密封渗流盒3的顶部设有边界条件转换装置，边界条件转换装置包括与密封渗流盒3连接的垫板6以及通过弹簧7连接在垫板6顶部的冲击板8，冲击板8的底部竖直设有导向杆9，导向杆9的底部插在垫板6的导向孔中。
在本申请实施例中，通过优化落锤冲击加载装置1、水压控制单元4，并将落锤冲击加载装置1、水压控制单元4与分离式霍普金森压杆组合，构成了一个可以实现边渗流边循环加载，并且在原位状态下测试高应变率岩石冲击力学性能的试验系统，该系统可以为多雨山区下穿铁路隧道围岩动态冲击力学性能及其破坏机制的测试提供支撑。
此外，通过增加边界条件转换装置，解决了落锤冲击试验过程不能对岩石试样2实施常法向刚度加载的问题，由于隧道围岩多采用锚杆加固，其围岩所受的法向荷载随法向位移而变化，因此落锤冲击组件采用常法向刚度边界条件比常法向荷载边界条件更符合实际。
可以理解的是，在实际设计中，水压控制单元4包括循环管401、循环水箱402、加压泵403、增压泵404和流量计405，循环水箱402、加压泵403、密封渗流盒3、增压泵404和流量计405通过循环管401依次串接构成循环回路，密封渗流盒3内渗透水的流动方向为从左到右，气枪510、水平入射杆501设置在密封渗流盒3的前侧，水平透射杆502、吸收杆508、挡板509设置在密封渗流盒3的后侧。
在本申请实施例中，循环水箱402中水经过加压泵403加压后，从密封渗流盒3左侧的进水口流入岩石试样2，并从密封渗流盒3右侧的出水口流出，经过增压泵404时水压适当增加，这样一方面能够保证渗流系统中水循环流动，另一方面在维持入水口和出水口之间一定水压差的情况下，给岩石试样2提供适当水压，使岩石试样2在循环冲击加载过程中维持水压稳定。
在一些可能实施的方案中，密封渗流盒3包括用于包裹岩石试样2各个拐角的柔性密封框架301以及将密封框架各个侧部开口封闭的加载板302，六块加载板302的尺寸比岩石试样2对应的端面要小，从而使得各块加载板302可以独立移动，而不会干涉，而各块加载板302之间的间隙则通过柔性密封框架301封闭，进而可以保持密闭渗水条件，在实际操作中，柔性密封框架301可以施胶粘贴固定在岩石试样2上，其材质可以采用橡胶。
在本申请实施例中，密封渗流盒3包括用于包裹岩石试样2各个拐角的柔性密封框架301以及将密封框架各个侧部开口封闭的六块加载板302，各块加载板302可以独立移动，解决了岩石试样2在渗流过程中不能受循环加载的问题，并使测试系统能在渗流-循环载荷耦合作用的基础上进行SHPB试验。
具体的，落锤冲击加载装置1包括落锤试验机承台101，落锤试验机承台101上设有刚性机架102，刚性机架102上设有竖直滑轨103和电动卷扬104，电动卷扬104的钢丝绳与锤体105连接，从而带动锤体105顺着所述滑轨上下移动，左右两侧的加载板通过落锤试验机承台101上的反例支撑件顶紧固定在岩石试样2的侧部上。
在本申请实施例中，锤体由数控电动机驱动电动卷扬104提升,采用电磁自动控制机构释放，在数控电动机上可设置锤体的下落频率和下落高度。当锤体下落至边界条件转换装置时，在冲击力作用下，被测岩石试样2发生竖向位移后给边界条件转换装置作用反力，此时垫板6沿着导向杆9向上发生位移，弹簧7受到竖向力而变形压缩，即实现了常法向荷载边界条件转换成常法向刚度边界条件的目的。
参见图1，采用上述多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试系统，对下穿铁路隧道围岩进行动力学测试的具体过程如下：
步骤一、获取下穿铁路隧道围岩岩石试样2；
步骤二、将岩石试样2匹配放入密封渗流盒3围成的三轴加载室中，连接好水压控制单元4；
步骤三、利用水压控制单元4对岩石试样2进行渗水，模拟下穿铁路隧道围岩渗流条件；安装好落锤冲击加载装置1，保证锤体能够有效加载到边界条件转换装置上，最后将SHPB动态加载装置5(分离式霍普金森压杆装置)的水平入射杆501和水平透射杆502分别抵住垂直于渗流方向的渗流盒侧板外侧的加载垫块，即完成渗流—循环载荷耦合作用下的多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试系统的组装；
步骤四、启动水压控制单元4，入水口前的加压泵403和出水口后的增压泵404开始工作，设置加压泵403泵压始终高于增压泵404泵压，保证入水口与出水口之间有稳定水压差，使得岩石试样2内部孔隙有稳定水流通过；渗流开始后，启动落锤冲击加载装置1，根据隧道上方铁路通车时间间隔和车速，在数控电动机上调整循环加载频率和锤体下落高度，根据通车总时间确定循环加载总时间，倘若通车总时间较长，可通过增加循环加载频率，来缩短循环加载时间；
当锤体作用到冲击板8上时，垫板6在岩石试样2提供的反力作用下沿导向杆9向上发生位移，此时弹簧7在竖向力作用下发生变形压缩，实现在落锤冲击加载过程中，常法向荷载边界条件向常法向刚度边界条件的转换；
步骤五、当满足循环加载次数后即停止加载，试样内部孔隙继续保持渗流状态，此时根据隧道受冲击作用的应变率，调整氮气罐503上的压力表，使得冲击压力满足子弹504发射气压，然后打开气压阀门505，发射子弹，子弹通过水平入射杆501将应力波传递给岩石试样2，试样发生破坏，最后根据水平入射杆501和水平透射杆502上应变片的输出信号分析渗流—循环载荷耦合作用后的岩样冲击力学性质。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (7)
1.多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试方法，利用多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试系统进行测试，其特征在于，该测试系统包括落锤冲击加载装置、用于装载岩石试样的密封渗流盒、用于向所述岩石试样渗水的水压控制单元以及SHPB动态加载装置；
所述密封渗流盒设置在所述落锤冲击加载装置的锤体的正下方，且夹持在SHPB动态加载装置的水平入射杆和水平透射杆之间；
所述密封渗流盒的顶部设有垫板，所述垫板的顶部通过弹簧连接有冲击板，所述冲击板的底部竖直设有导向杆，所述导向杆的底部插在所述垫板的导向孔中，该测试方法包括如下步骤：
步骤一、获取下穿铁路隧道围岩岩石试样；
步骤二、将岩石试样匹配放入密封渗流盒围成的三轴加载室中；
步骤三、利用水压控制单元对岩石试样进行渗水，模拟下穿铁路隧道围岩渗流条件；
步骤四、开启落锤冲击加载装置，给岩石试样提供模拟隧道上方铁路通车环境的循环冲击载荷，根据隧道上方铁路通车时间间隔和车速调整循环加载频率和锤体下落高度，当锤体作用到冲击板上时，垫板在岩石试样提供的反力作用下沿导向杆向上发生位移，此时弹簧在竖向力作用下发生变形压缩，实现在落锤冲击加载过程中，常法向荷载边界条件向常法向刚度边界条件的转换，最后根据通车总时间确定循环加载总时间；
步骤五、循环加载完成后，岩石试样孔隙继续维持渗流状态，利用SHPB动态加载装置对岩石试样进行动态压缩实验，获取渗流-循环载荷耦合作用后岩样试样的动力学性质。
2.根据权利要求1所述的多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试方法，其特征在于：所述水压控制单元包括循环水箱、加压泵和增压泵，所述循环水箱、加压泵、密封渗流盒和增压泵通过循环管依次串接构成循环回路。
3.根据权利要求2所述的多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试方法，其特征在于：所述循环回路上还设有流量计。
4.根据权利要求1所述的多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试方法，其特征在于：所述落锤冲击加载装置包括落锤试验机承台，所述落锤试验机承台上设有刚性机架，所述刚性机架上设有竖直滑轨和电动卷扬，所述电动卷扬的钢丝绳与所述锤体连接，从而带动所述锤体顺着所述滑轨上下移动。
5.根据权利要求1所述的多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试方法，其特征在于：所述密封渗流盒包括用于包裹所述岩石试样各个拐角的柔性密封框架以及将所述密封框架各个侧部开口封闭的加载板。
6.根据权利要求1所述的多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试方法，其特征在于：所述岩石试样内渗透水的流动方向为从左到右，所述水平入射杆和水平透射杆分别设置在所述密封渗流盒的前侧和后侧。
7.根据权利要求1所述的多雨山区下穿铁路隧道围岩动力学测试方法，其特征在于：将SHPB动态加载装置的入射杆和透射杆各自抵住密封渗流盒的相对两侧，根据隧道受冲击作用的应变率调整发射子弹的冲击气压，然后打开气压阀门，发射子弹，根据水平入射杆和水平透射杆上应变片的输出信号获取渗流-循环载荷耦合作用后岩样试样的动力学性质。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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