CN112665994B - 一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统及方法，所述装置包括同轴布置的两根霍普金森杆和固定于两根霍普金森杆之间的岩体试样，位于前端的霍普金森杆端部固定，位于后端的霍普金森杆的端部设有瞬态卸荷装置，霍普金森杆上设置有监测控制组件。本发明以重力和安培力的双重作用实现对高地应力下岩体瞬态卸荷过程的模拟，对了解高地应力下瞬态卸荷条件下岩土的应力应变状况和岩体开挖工程施工有重要意义。

Description

一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统及方法

技术领域

本发明涉及岩体爆破试验技术领域，特别是涉及一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统及方法。

背景技术

在深部地下工程开挖爆破的过程中，高地应力岩体爆破开挖的过程实际上是瞬态卸荷的过程，爆破开挖改变了地下岩体的几何性质，导致开挖面上的初始应力快速卸除，岩体的位移使岩体位移边界条件和荷载边界条件急剧变化，使得储存在岩土中的弹性应变能在短时间内释放出来，从而形成卸荷应力波。

然而，目前对高地应力爆破开挖引起的变形问题的分析和研究大部分都限于数值模拟和理论推导，数值模拟因为对工程岩体参数具有很大的依赖性,并且所涉及参数很多,需要现场及实验室进行大量样本测定参数,所需成本较大；理论推导涉及到损伤力学、断裂力学等多种学科,理论分析难度较大。而现有的模拟开挖卸荷的试验系统卸荷速率比较慢，无法对岩土模型上所受到的荷载进行快速的卸除。

目前利用相似模拟方法研究岩体动态卸荷效应的主要有：(1)地下洞室结构面开挖瞬态卸荷松动模拟试验系统(中国专利申请号:201510203951.3)，该装置通过杠杆型加卸载构件实现已开挖的含结构面的地下洞室围岩模型上荷载的快速卸除，但该装置结构较为复杂；(2)一种岩体动态卸荷效应测试试验装置及其测试方法(中国专利申请号:201610331042.2)，该装置通过泄压装置来实现不同围压、不同侧压系数及不同卸荷速度的岩体卸荷，但该装置无法对荷载进行快速的卸除。

针对现有技术存在的问题，有必要提供一种方便实用的岩体动态卸荷试验系统及方法。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提出一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统及方法，以重力和安培力的双重作用实现对高地应力下岩体瞬态卸荷过程的模拟，对了解高地应力下瞬态卸荷条件下岩土的应力应变状况和岩体开挖工程施工有重要意义。

为实现上述目的，本发明所设计的一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统，其特殊之处在于，包括同轴布置的两根霍普金森杆和固定于两根霍普金森杆之间的岩体试样，位于前端的霍普金森杆端部固定，位于后端的霍普金森杆的端部设有瞬态卸荷装置，所述霍普金森杆上设置有监测控制组件；

所述瞬态卸荷装置包括卸荷装置支撑台，所述卸荷装置支撑台上设置有带滑槽的固定支座，所述带滑槽的固定支座上滑槽的左右两端各设置一个带滑轮钢板，左端所述带滑轮钢板与霍普金森杆抵接；右端带滑轮钢板与加载组件抵接；所述左右两端的带滑轮钢板通过平行布置的方形杆连接，所述平行布置的方形杆分为左右两段，左右两段方形杆的端部分别通过铰链与左右两侧的带滑轮钢板铰接，中部通过铰链与方形钢柱铰接，两个方形钢柱的底部分别设置于钢柱滑轨上，两个钢柱滑轨沿带滑槽的固定支座的宽度方向相对设置；两个方形钢柱上分别设置脆性杆卡槽，脆性杆卡入两个脆性杆卡槽内；

所述瞬态卸荷装置的上方设置有电磁撞击装置：包括固定钢架，所述固定钢架的中部设置有垂直导电滑杆，两块电磁铁分别设置于垂直导电滑杆的两侧，所述垂直导电滑杆上设置有与之滑动配合的电磁撞击滑块，所述电磁铁、电磁撞击滑块与电源控制器电连接。

进一步地，所述加载组件包括千斤顶、液体管路和液压站，千斤顶与带滑轮钢板抵接，所述加载组件向右端带滑轮钢板产生水平方向的荷载。

更进一步地，所述霍普金森杆的下方设置有混凝土支柱，所述霍普金森杆与混凝土支柱之间通过长条形钢板固定连接，所述霍普金森杆通过钢托固定于下方的长条形钢板上。

更进一步地，所述两个方形钢柱之间通过柔性钢绳连接。

更进一步地，所述监测控制组件包括电阻应变片、应变仪、计算机和高速摄像机；所述电阻应变片布置在两根霍普金森钢杆上，与应变仪进行连接，所述应变仪、高速摄像机的信号输出端与计算机连接。

更进一步地，所述千斤顶设置于固定支座上，所述固定支座上设置有用于固定千斤顶的矩形槽。

更进一步地，与瞬态卸荷装置的霍普金森杆为入射杆，另一根为透射杆，入射杆和透射杆上分别设置有电阻应变片。

更进一步地，所述加载组件还包括压力控制器和压力表，所述压力控制器的控制端与计算机连接。

基于上述重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统的试验系统，本发明还提出一种试验方法，所述方法包括安装步骤和试验步骤；

安装步骤包括：

a1)将两根霍普金森杆同轴布置，固定于支撑组件上，将岩石试样固定在两根霍普金森杆中间，使岩石试样两端紧贴霍普金森杆；

a2)将带滑槽的固定支座固定在卸荷装置支撑台上，滑槽两端分别放置带滑轮钢板，通过铰链将带滑轮钢板与方形杆连接，两段方形杆之间也通过设置于方形钢柱上的铰链连接；

a3)使电磁撞击装置的电磁撞击滑块升到顶部；

a4)将两个电阻应变片分别贴在两根霍普金森杆上，将电阻应变片连接应变仪；

a5)使左右两段方形杆保持在同一轴线上，调整霍普金森杆位置使其与左侧带滑轮钢板紧密接触，调整千斤顶的活塞位置，使其与右侧带滑轮钢板紧密接触；

试验步骤包括：

b1)加载组件向右侧带滑轮钢板施加初始应力，使瞬态卸荷装置受压稳定；

b2)控制电源控制器，在电磁场的作用下，通过电流的电磁撞击滑块获得一个向下的安培力，在重力和安培力的双重作用下，电磁撞击滑块下滑撞击脆性杆，脆性杆受剪应力断裂；

b3)脆性杆断裂后，两个方形钢柱向内滑动，带动两段方形杆的左右两端向中间移动；

b4)两段方形杆的左右两端拉动带滑轮钢板向中间移动，左右两侧带滑轮钢板分别脱离霍普金森杆和加载组件；

b5)霍普金森杆的右端不再受到水平向左的约束应力，此时的岩石试样为瞬态卸荷状态，电阻应变片采集应变值传输至计算机。

优选地，所述步骤b2)中电源控制器控制通过电磁铁和电磁撞击滑块的电流大小和方向，电磁撞击滑块在两侧电磁铁生成的电磁场中向下运动。

与现有技术相比，本发明具有的优点及积极效果为：

1.本发明解决了以往实验方法无法模拟高速卸荷的问题，实现了在不同围压下岩体模型上荷载的快速卸荷。

2.本发明可以实现对高地应力下岩体瞬态卸荷过程的模拟，并通过分离式霍普金森压杆对岩体模型在瞬态卸荷条件下的应力应变状况进行监测，对了解高地应力下瞬态卸荷条件下岩土的应力应变状况和岩体开挖工程施工有重要意义。

3.在电磁场的作用下，通过电流的电磁撞击滑块能够获得一个向下的安培力，在重力和安培力的双重作用下，滑块能够有一个较快的撞击速度，并且滑块的撞击速度可以进行控制，以便研究不同卸荷速度的影响。

4.脆性杆卡槽上设有卡槽，当脆性杆在试验破坏后，能够十分方便的进行更换。

5.柔性钢绳布置在脆性杆的下方，当电磁撞击滑块撞断脆性杆，使柔性钢绳发生形变，从而牵引两侧的滑轮向中间移动，能够实现撞击后迅速卸荷的效果。

6.在瞬态卸荷装置的下方放置大量细沙，在瞬态卸荷时，能对破裂的脆性杆起到很好的缓冲作用，减少碎屑的飞溅对实验造成二次影响。

附图说明

图1为本发明试验系统的俯视图；

图2为本发明试验系统的正视图；

图3为本发明中霍普金森钢杆的支撑结构俯视图；

图4为分离式霍普金森压杆俯视图；

图5为瞬态卸荷装置俯视图；

图6为瞬态卸荷装置和电磁撞击装置的俯视图；

图7为瞬态卸荷装置和电磁撞击装置的正视图；

图8为瞬态卸荷装置和电磁撞击装置的截面示意图；

图9为加载装置俯视图；

图10为监测控制系统示意图。

图中：1-岩石试样；2-霍普金森杆；3-长条形钢板；4-钢托；5-混凝土支柱；6-脆性杆；7-方形钢架；8-滚轮；9-带滚轮钢板；10-铰链；11-卸载装置支撑台；12-柔性钢绳；13-细沙；14-千斤顶；15-螺钉；16-脆性杆卡槽；17-带滑槽的固定支座；18-液体管路；19-液压站20-固定支座；21-导电滑杆；22-电磁撞击滑块；23-固定钢架；24-电源控制器；25-导线；26-电磁铁；27-压力表；28-控制电路；29-方形钢柱；30-钢柱滑轨；31-电阻应变片；32-应变仪；33-压力控制器；34-电源控制器；35-计算机；36-高速摄像机。

具体实施方式

为了使本发明技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明提出的一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统，如图1、图2所示，系统主要包括岩体试样1、霍普金森杆2、瞬态卸荷装置、电磁撞击装置、加载组件和监测组件。在该试验系统中，加载装置I对瞬态卸荷装置II施加初始压力，瞬态卸荷装置II发生一定的形变积聚势能；瞬态卸荷装置II将应力传播到分离式霍普金森压杆III，使分离式霍普金森压杆III中霍普金森钢杆与岩石试件压缩变形，因而产生巨大的弹性势能。

两根霍普金森杆2同轴布置，位于前端的霍普金森杆2端部固定，设置为透射杆，位于后端的霍普金森杆2的端部设有卸荷组件，设置为入透射杆，两根霍普金森杆2上分别设置有电阻应变片25。两根霍普金森杆2之间固定有岩体试样1。霍普金森杆2的透射杆的前端固定，霍普金森杆2的入射杆后端与瞬态卸荷装置连接。

如图3和图4所示，霍普金森杆2的下方设置有混凝土支柱5，霍普金森杆2与混凝土支柱5之间通过长条形钢板3固定连接，霍普金森杆2通过钢托4固定于下方的长条形钢板3上。

如图5～图8所示，瞬态卸荷装置包括卸荷装置支撑台11，卸荷装置支撑台11上布置细沙13；卸荷装置支撑台11上设置有带滑槽的固定支座17，带滑槽的固定支座17通过螺钉15固定于卸荷装置支撑台11上。带滑槽的固定支座17上滑槽的左右两端各设置一个带滑轮钢板9，左端带滑轮钢板9与霍普金森杆2抵接；右端带滑轮钢板9与加载组件抵接。左右两端的带滑轮钢板9通过平行布置的方形杆7连接，平行布置的方形杆7分为左右两段，左右两段方形杆7的端部分别通过铰链10与左右两侧的带滑轮钢板9铰接，中部通过铰链10与方形钢柱29铰接，两个方形钢柱29的底部分别设置于钢柱滑轨30上，两个钢柱滑轨30沿带滑槽的固定支座17的宽度方向相对设置；两个方形钢柱29上分别设置脆性杆卡槽16，脆性杆6卡入两个脆性杆卡槽16内。两个方形钢柱29通过柔性刚绳12连接，当电磁撞击滑块22撞断脆性杆6，使柔性刚绳12发生形变，从而牵引方形钢柱29底部的滑轮向中间移动，能够实现撞击后迅速卸荷的效果。

瞬态卸荷装置的上方设置有电磁撞击装置：包括固定钢架23，固定钢架23的中部设置有垂直导电滑杆21，两块电磁铁26分别设置于垂直导电滑杆21的两侧，垂直导电滑杆21上设置有与之滑动配合的电磁撞击滑块22，电磁铁26、电磁撞击滑块22通过导线25与电源控制器24电连接。

如图9所示，加载组件包括千斤顶14、液体管路18、液压站19、压力表27和压力控制器33，千斤顶14与带滑轮钢板9抵接向右端带滑轮钢板9产生水平方向的荷载。压力控制器33用于根据计算机35的指令控制千斤顶14产生的荷载大小。压力表27用于采集千斤顶14的产生的荷载大小。千斤顶14设置于固定支座20上，固定支座20上设置有用于固定千斤顶14的矩形槽。

如图10所示，监测控制组件包括电阻应变片31、应变仪32、计算机35和高速摄像机36；高速摄像机36用于拍摄试验过程。电阻应变片31布置在两根霍普金森杆2上，与应变仪32进行连接，应变仪32、高速摄像机36的信号输出端与计算机35连接。电源控制器34与控制电路28进行连接，控制电路28布置在固定钢架23上，与导电滑杆21、电磁铁26连接。

脆性杆由单节理花岗岩制成，尺寸为20cm×10cm×10cm，脆性杆抗剪切强度十分低，在较小的剪应力作用下会断裂成多块；由摄影资料分析表明，脆性杆断裂过程的持续时间不足40ms。

在该试验系统中，加载组件对瞬态卸荷装置施加初始压力，瞬态卸荷装置发生一定的形变积聚势能；瞬态卸荷装置将应力传播到霍普金森杆2，使霍普金森杆2与岩石试样1压缩变形，因而产生巨大的弹性势能。

电磁撞击滑块的的工作原理如下：

电磁撞击滑块22可在导电滑杆21上上下移动，两块电磁铁26分别布置在垂直导电滑杆21的两侧；电源控制器34可以通过控制电路28控制通过电磁铁26和电磁撞击滑块22电流的大小和方向；接通电源后，电磁撞击滑块22在两侧电磁铁生成的电磁场中运动，改变通过电磁撞击滑块22的电流方向即可改变安培力的作用方向；改变电流的大小可以调节电磁场的强度和通过电磁撞击滑块22电流的强度，使电磁撞击滑块22所受的安培力发生变化，从而可以调节电磁撞击滑块22撞击脆性杆6时的速度。

基于上述试验装置，本发明还提出一种模拟爆破开挖卸荷的试验方法，包括安装步骤和试验步骤。

安装步骤：

a1)将两根霍普金森杆2同轴布置，固定于支撑组件上，将岩石试样1固定在两根霍普金森杆2中间，使岩石试样1两端紧贴霍普金森杆2；

a2)将带滑槽的固定支座17固定在卸荷装置支撑台11上，滑槽两端分别放置带滑轮钢板9，通过铰链10将带滑轮钢板9与方形杆7连接，两段方形杆7之间也通过设置于方形钢柱29上的铰链10连接，在脆性杆卡槽16上安装柔性钢绳12和脆性杆6；

a3)使电磁撞击装置的电磁撞击滑块22升到顶部；

a4)将两个电阻应变片25分别贴在两根霍普金森杆2上，将电阻应变片25连接应变仪26；

a5)使左右两段方形杆7保持在同一轴线上，调整霍普金森杆2的位置使其与左侧带滑轮钢板9紧密接触，调整千斤顶14的活塞位置，使其与右侧带滑轮钢板9紧密接触；

试验步骤包括：

b1)加载组件向右侧带滑轮钢板9施加初始应力，使瞬态卸荷装置受压稳定；

b2)控制电源控制器24，在电磁场的作用下，通过电流的电磁撞击滑块22获得一个向下的安培力，在重力和安培力的双重作用下，释放电磁撞击滑块22迅速下滑撞击脆性杆6，脆性杆6受到巨大的剪应力迅速横截面断裂，同时将应力传播给柔性刚绳12，柔性刚绳12发生形变牵引两侧方形钢柱29的滑轮向中间移动；

b3)脆性杆6断裂后，两个方形钢柱29向内滑动，带动两段方形杆7的左右两端向中间移动；

b4)两段方形杆7的左右两端拉动带滑轮钢板9向中间移动，左右两侧带滑轮钢板9分别脱离霍普金森杆2和加载组件；

b5)霍普金森杆2的右端不再受到水平向左的约束应力，此时的岩石试样1为瞬态卸荷状态，电阻应变片31采集应变值传输至计算机35。

入射杆端头所储存的势能迅速释放，以应力波的形式向前传播，当传至入射杆与试件界面时，由于试件材料和透射杆材料的惯性效应，整个试件将被压缩。同时，由于杆与试件之间的波阻抗差异，入射波被部分反射为反射波重新返回入射杆，而另一部分则透过试件作为透射波进入透射杆。反射波还由贴在入射杆上的电阻应变片31测得，透射波由透射杆上的电阻应变片31测得；高速摄像机36采集瞬态卸荷装置II卸荷过程中的状态；然后将所有监测到的数据传输给计算机35，计算机35对其进行收集和处理。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统，其特征在于：包括同轴布置的两根霍普金森杆(2)和固定于两根霍普金森杆(2)之间的岩石试样(1)，位于前端的霍普金森杆(2)端部固定，位于后端的霍普金森杆(2)的端部设有瞬态卸荷装置，所述霍普金森杆(2)上设置有监测控制组件；

所述瞬态卸荷装置包括卸荷装置支撑台(11)，所述卸荷装置支撑台(11)上设置有带滑槽的固定支座(17)，所述带滑槽的固定支座(17)上滑槽的左右两端各设置一个带滑轮钢板(9)，左端所述带滑轮钢板(9)与霍普金森杆(2)抵接；右端带滑轮钢板(9)与加载组件抵接；左右两端的带滑轮钢板(9)通过平行布置的方形杆(7)连接，所述平行布置的方形杆(7)分为左右两段，左右两段方形杆(7)的端部分别通过铰链(10)与左右两侧的带滑轮钢板(9)铰接，中部通过铰链(10)与方形钢柱(29)铰接，两个方形钢柱(29)的底部分别设置于钢柱滑轨(30)上，两个钢柱滑轨(30)沿带滑槽的固定支座(17)的宽度方向相对设置；两个方形钢柱(29)上分别设置脆性杆卡槽(16)，脆性杆(6)卡入两个脆性杆卡槽(16)内；

所述瞬态卸荷装置的上方设置有电磁撞击装置：包括固定钢架(23)，所述固定钢架(23)的中部设置有垂直导电滑杆(21)，两块电磁铁(26)分别设置于垂直导电滑杆(21)的两侧，所述垂直导电滑杆(21)上设置有与之滑动配合的电磁撞击滑块(22)，所述电磁铁(26)、电磁撞击滑块(22)与电源控制器(24)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统，其特征在于：所述加载组件包括千斤顶(14)、液体管路(18)和液压站(19)，千斤顶(14)与带滑轮钢板(9)抵接，所述加载组件向右端带滑轮钢板(9)产生水平方向的荷载。

3.根据权利要求1所述的一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统，其特征在于：所述霍普金森杆(2)的下方设置有混凝土支柱(5)，所述霍普金森杆(2)与混凝土支柱(5)之间通过长条形钢板(3)固定连接，所述霍普金森杆(2)通过钢托(4)固定于下方的长条形钢板(3)上。

4.根据权利要求1所述的一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统，其特征在于：所述两个方形钢柱(29)之间通过柔性钢绳(12)连接。

5.根据权利要求1所述的一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统，其特征在于：所述监测控制组件包括电阻应变片(31)、应变仪(32)、计算机(35)和高速摄像机(36)；所述电阻应变片(31)布置在两根霍普金森杆(2)上，与应变仪(32)进行连接，所述应变仪(32)、高速摄像机(36)的信号输出端与计算机(35)连接。

6.根据权利要求2所述的一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统，其特征在于：所述千斤顶(14)设置于固定支座(20)上，所述固定支座(20)上设置有用于固定千斤顶(14)的矩形槽。

7.根据权利要求5所述的一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统，其特征在于：与瞬态卸荷装置的霍普金森杆(2)为入射杆，另一根为透射杆，入射杆和透射杆上分别设置有电阻应变片(31)。

8.根据权利要求5所述的一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统，其特征在于：所述加载组件还包括压力控制器(33)和压力表(27)，所述压力控制器(33)的控制端与计算机(35)连接。

9.一种基于权利要求1～8中任一项所述的一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统的试验方法，其特征在于：所述方法包括安装步骤和试验步骤；

安装步骤包括：

a1)将两根霍普金森杆(2)同轴布置，固定于支撑组件上，将岩石试样(1)固定在两根霍普金森杆(2)中间，使岩石试样(1)两端紧贴霍普金森杆(2)；

a2)将带滑槽的固定支座(17)固定在卸荷装置支撑台(11)上，滑槽两端分别放置带滑轮钢板(9)，通过铰链(10)将带滑轮钢板(9)与方形杆(7)连接，两段方形杆(7)之间也通过设置于方形钢柱(29)上的铰链(10)连接；

a3)使电磁撞击装置的电磁撞击滑块(22)升到顶部；

a4)将两个电阻应变片(31)分别贴在两根霍普金森杆(2)上，将电阻应变片(31)连接应变仪(32)；

a5)使左右两段方形杆(7)保持在同一轴线上，调整霍普金森杆(2)位置使其与左侧带滑轮钢板(9)紧密接触，调整千斤顶(14)的活塞位置，使其与右侧带滑轮钢板(9)紧密接触；

试验步骤包括：

b1)加载组件向右侧带滑轮钢板(9)施加初始应力，使瞬态卸荷装置受压稳定；

b2)控制电源控制器(24)，在电磁场的作用下，通过电流的电磁撞击滑块(22)获得一个向下的安培力，在重力和安培力的双重作用下，电磁撞击滑块(22)下滑撞击脆性杆(6)，脆性杆(6)受剪应力断裂；

b3)脆性杆(6)断裂后，两个方形钢柱(29)向内滑动，带动两段方形杆(7)的左右两端向中间移动；

b4)两段方形杆(7)的左右两端拉动带滑轮钢板(9)向中间移动，左右两侧带滑轮钢板(9)分别脱离霍普金森杆(2)和加载组件；

b5)霍普金森杆(2)的右端不再受到水平向左的约束应力，此时的岩石试样(1)为瞬态卸荷状态，电阻应变片(31)采集应变值传输至计算机(35)。

10.根据权利要求9所述的一种重力卸荷的岩体动态卸荷试验系统的试验方法，其特征在于：所述步骤b2)中电源控制器(24)控制通过电磁铁(26)和电磁撞击滑块(22)的电流大小和方向，电磁撞击滑块(22)在两侧电磁铁(26)生成的电磁场中向下运动。