CN112665995A - 一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置及方法，所述装置包括两套平行布置的采集组件，采集组件包括两根霍普金森杆和固定于霍普金森杆之间的岩体试样，霍普金森杆的一端固定，另一端设有卸荷组件；卸荷组件包括子弹、子弹筒、固定钢架、垂直于固定钢架的方形钢架、带滚轮钢板和脆性杆；脆性杆穿过方形钢架，一端与带滚轮钢板抵接，另一端与加载组件抵接；采集组件的霍普金森杆上设置有应变片，应变片依次与超动态应变仪、瞬态波形储存器和数据处理中心连接。本发明针对以往开挖卸荷模拟装置无法快速卸荷的问题，实现了开挖荷载的高速率释放，使试验更贴近实际工程，与实际工程中的卸荷状态更加符合。
Description
技术领域
本发明涉及岩体爆破技术领域，特别是涉及一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置及方法。
背景技术
由于爆破破岩的过程裂纹拓展及其产生的气体运动和高速逸出等问题的复杂性，以应力边界条件和应力初始条件准确描述伴随岩体新开挖面形成与发展而发生的开挖荷载瞬态释放的方式、开始部位及其空间演化规律，具有相当的难度。以往的研究开挖卸荷的方法大多是通过数值模拟和理论分析进行，无法对瞬态卸荷过程的应力应变状态进行分析，现有的开挖卸荷模拟装置又存在卸荷慢，无法达到瞬间卸荷的缺点，导致模拟结果与实际情况中的瞬态卸荷过程迥然不同。
发明内容
本发明针对以往开挖卸荷模拟装置无法快速卸荷的问题，而提出一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置及方法，实现了开挖荷载的高速率释放，使试验更贴近实际工程，与实际工程中的卸荷状态更加符合。
为实现上述目的，本发明所设计的一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置，其特殊之处在于，包括两套平行布置的采集组件，所述采集组件包括两根霍普金森杆和固定于霍普金森杆之间的岩体试样，所述霍普金森杆的一端固定，另一端设有卸荷组件；
所述卸荷组件包括子弹、子弹筒、固定钢架、垂直于固定钢架的方形钢架、带滚轮钢板和脆性杆，所述带滚轮钢板位于方形钢架靠近霍普金森杆的一侧，并与方形钢架通过弹簧连接，所述子弹与带滚轮钢板朝向霍普金森杆的一侧相对；所述脆性杆穿过方形钢架，一端与带滚轮钢板抵接，另一端与加载组件抵接；
所述采集组件的霍普金森杆上设置有应变片，应变片依次与超动态应变仪、瞬态波形储存器和数据处理中心连接。
进一步地，所述子弹筒通过设置于外部的子弹筒固定圈固定，所述子弹筒的进气孔通过气体管路与气压控制箱和空压机连接。
更进一步地，所述加载组件包括千斤顶、液体管路和液压站，所述加载组件通过千斤顶向脆性杆产生水平方向的荷载。
更进一步地，所述试验装置还包括用于支撑试验装置的支撑组件，所述支撑组件包括设置于两侧的固定支座、设置于霍普金森杆下方设置有混凝土支柱、设置于卸荷组件下方的混凝土支撑座、设置于加载组件下方的带浅槽混凝土支柱。
更进一步地，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，所述方形钢架通过固定螺栓与固定钢架连接，带滚轮钢板通过设置于上下两端的滚轮与固定钢架滑动配合。
更进一步地，所述带浅槽混凝土支柱上设置用于固定千斤顶的矩形槽。
更进一步地，每套采集组件中的两根霍普金森杆分别设置为入射杆和透射杆，入射杆和透射杆上分别设置有应变片。
基于上述平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷的试验装置，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)安装采集组件：将两根霍普金森杆固定于支撑组件上，将岩石试样固定在两根霍普金森杆之间，使岩石试样两端紧贴霍普金森杆，重复完成两套采集组件的安装；
a2)将子弹安装在子弹筒上，将子弹筒固定；
a3)将应变片分别贴在两套采集组件的两根霍普金森杆上，将应变片依次连接超动态应变仪、瞬态波形储存器和数据处理中心；
a4)将方形钢架固定在固定钢架上，并与带滚轮钢板通过弹簧连接，带滚轮钢板与固定钢架滑动连接；
a5)将脆性杆固定于带滚轮钢板和加载组件的千斤顶之间；
试验步骤包括：
b1)启动应变片、超动态应变仪、瞬态波形储存器和数据处理中心；
b2)加载组件向脆性杆施加向左压力，脆性杆紧靠带滚轮钢板，通过带滚轮钢板向霍普金森杆右端施压，此时岩石试样两端受荷，弹簧为拉伸状态；
b3)控制子弹射出，撞击带滚轮钢板，产生冲击荷载使紧靠着带滚轮钢板的脆性杆受到冲击破碎，瞬间释放压力；
b4)脆性杆破碎的同时，弹簧由于失去了水平向左的约束力，迅速向右回缩，并带动带滚轮钢板在固定钢架上向右滑动，霍普金森杆的右端与带滚轮钢板的接触面分离，岩石试样为瞬态卸荷状态，应力波由右向左传递，两套采集组件分别通过应变片传递给超动态应变仪、瞬态波形储存器和数据处理中心后进行数据处理。
优选地，所述步骤b4)中，数据处理中心分别根据两套采集组件的采集值进行分析，当两组采集值差异超过5％，试验数据无效。
与现有技术相比，本发明具有的优点及积极效果为：
1.本发明的主体采用霍普金森杆装置，该装置具有结构简单，操作方便，测量方法精巧等优点,在研究瞬态卸荷的过程中，子弹高速射出提供的冲击荷载使脆性杆断裂，极大提升了卸荷过程的效率。
2.本发明采用两组平行布置霍普金森杆装置进行试验，使瞬态卸荷过程中测得的应变状态的变化和应力波的传递方式更加精确。
3.传统的脆性材料如混凝土块和陶瓷等受冲击时产生的破碎阵面速率较低，材料变形破坏时间长，不能准确的模拟瞬态卸荷过程。取截面积8cm2，长度为10cm的石膏作为脆性杆材料，经过实测对摄影资料进行分析，断裂失效过程持续不到40ms，充分实现了对快速卸荷的模拟，子弹冲击破坏脆性杆到滑动回缩的过程几乎是瞬间进行的，脆性杆断裂后带滚轮钢板迅速向右滑动与霍普金森压杆的接触面分离，即便后续运动过程中弹簧有压缩，也不会回弹至原处从而干扰卸荷过程。本发明针对以往试验装置无法达到快速卸荷的不足，实现了开挖荷载的高速率释放，更加符合实际工程，更具有研究价值和意义。
4.本发明通过调节液压千斤顶施加不同大小的预应力，可以模拟不同地应力条件下的瞬态卸荷过程。
5.本发明提出的技术方案中弹簧能起到缓冲的作用，防止装置之间相互碰撞导致损坏或脱离试验区域。
6.本发明提出的支撑结构坚实可靠，放置千斤顶的支柱设置浅槽，使得千斤顶的固定更加方便及可靠。
7.与常规的模拟瞬态卸荷实验装置相比，本发明装置结构直观且不复杂，便于安装，使用方便，操作简单。
附图说明
图1是本发明装置的正视图；
图2图1的俯视图；
图3是图1中支撑组件的俯视详图；
图4是图1中卸荷组件的结构图；
图5是图1中加载组件的主视图；
图6是图2中带浅槽混凝土支柱俯视图；
图7是图1中带浅槽混凝土支柱正视图；
图8是图1中监测组件示意图。
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-子弹筒固定圈；7-子弹筒；8-子弹；9-带滚轮钢板；10-弹簧；11-方形钢架；12-固定钢架；13-脆性杆；14-千斤顶；15-空压机；16-气体管路；17-气压控制箱；18-液体管路；19-液压站；20-固定支座；21-带浅槽混凝土支柱；22-应变片；23-超动态应变仪；24-瞬态波形储存器；25-数据处理系统；26-滚轮；27-固定螺栓；28-红外测速仪；29-混凝土支撑座。
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。
本发明提出的一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置，如图1～图3所示，装置主要包括岩体试样1、采集组件、支撑组件、加载组件、卸荷组件、固定组件和监测组件。
采集组件包括两根霍普金森杆2和固定于霍普金森杆2之间的岩体试样1，所述霍普金森杆2的一端固定，另一端设有卸荷组件；两套采集组件平行布置。每套采集组件中的两根霍普金森杆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，设置为入射杆，两根霍普金森杆2上分别设置有应变片22。霍普金森杆2的透射杆与固定支座20连接，霍普金森杆2的入射杆与卸荷组件连接，岩体试样1固定于两根霍普金森杆2之间。两套相同的采集组件平行布置，同时采集试验数据。
如图4所示，卸荷组件包括子弹7、子弹筒8、固定钢架12、垂直于固定钢架12的方形钢架11、带滚轮钢板9和脆性杆13，带滚轮钢板9位于方形钢架11靠近霍普金森杆2的一侧，并与方形钢架11通过弹簧10连接，子弹7与带滚轮钢板9朝向霍普金森杆2的一侧相对；脆性杆13穿过方形钢架11，一端与带滚轮钢板9抵接，另一端与加载组件抵接；方形钢架11通过固定螺栓27与固定钢架12连接，带滚轮钢板9通过设置于上下两端的滚轮26与固定钢架12滑动配合。
如图5所示，加载组件包括千斤顶14、液体管路18和液压站19，千斤顶14与脆性杆13抵接，加载组件向脆性杆13产生水平方向的荷载。加载装置包括千斤顶14、液体管路17和液压站18，通过液压站18对千斤顶14提供液压动力来产生水平方向的荷载。
支撑组件包括设置于试验装置两侧的固定支座20、设置于霍普金森杆2的混凝土支柱5、设置于卸荷组件下方的混凝土支撑座29和设置于加载组件下方的带浅槽混凝土支柱21。带浅槽混凝土支柱21上设置有用于固定千斤顶14的矩形槽，如图6和图7所示。
霍普金森杆2和卸荷组件通过固定组件固定于支撑组件上。固定组件包括钢托4、长条形钢板3、子弹筒固定圈6。子弹筒7通过设置于外部的子弹筒固定圈6固定在混凝土支撑座29上。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8所示，监测组件包括分别贴在霍普金森杆2入射杆和透射杆上的应变片22、将应变片电阻变化值转化为电信号的超动态应变仪23、能实时存储瞬态应变波形的瞬态波形储存器24、用于监测子弹速度的红外线测速器28、处理最终数据的数据处理系统25。
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.安装采集组件：将两根霍普金森钢杆2同轴放置，通过钢托4固定在长条形钢板3上，每根钢杆上设置两个钢托4，并在每根霍普金森杆2下用混凝土支柱5支撑装置；霍普金森杆2的左端紧靠固定支座20；将岩石试样1固定在两根霍普金森杆2中间，使试样两端紧靠霍普金森杆2。按上述方式平行布置两套结构相同的采集组件。
a2.将子弹8安装在子弹筒7上，并将子弹筒7穿过两个与子弹筒直径相同的子弹筒固定圈6，每个子弹筒固定圈6再通过固定螺栓将子弹筒固定圈6安装在混凝土支撑座29上；子弹筒7安装完毕后把两根气体管路16接入子弹筒7的进气孔，与气压控制箱17和空压机15相连接。
a3.将四个应变片22分别贴在平行布置的两套采集组件岩石试样1两端的霍普金森杆2上，并依次连接超动态应变仪23、瞬态波形储存器24、红外线测速器28、数据处理中心25。
a4.液压千斤顶17设置在带浅槽混凝土支柱21上，浅槽的尺寸应与液压千斤顶的尺寸一致，以便固定液压千斤顶，液压千斤顶17与液压站19通过液体管路连接。
3.位于入射杆和透射杆的应变片22与连接超动态应变仪23、瞬态波形储存器24、数据处理系统25依次连接。
4.方形钢架11由上下两组固定螺栓27固定于固定钢架12上，与带滚轮钢板9通过8根弹簧10连接；带滚轮钢板9上下有两对滚轮26，可供其在固定钢架12上前后滑动；弹簧固定于方形钢架靠近四边的位置，每边两根弹簧；圆柱形脆性材料13置于千斤顶14和带滚轮钢板9之间，使弹簧达到拉伸状态，带滑轮钢板9左端紧贴两根霍普金森钢杆2。
试验步骤：
1.打开超动态应变仪23、瞬态波形储存器24和红外线测速器28、连接至数据处理中心25，为整个试验步骤记录及处理数据。
2.操作液压站19，为加载装置千斤顶14提供液压动力，缓慢加载，提供水平方向的初始应力使千斤顶14对圆形脆性杆13加压并顶起带滚轮钢板9，使其紧靠霍普金森杆2的右端并对其施加压力，此时岩石试样1两端受荷，弹簧10为拉伸状态。
3.操作气压控制箱17，使与子弹筒7连接的子弹8高速射出，产生足够大的的冲击荷载，击碎圆柱形脆性杆13，此时拉伸状态的弹簧10由于失去了水平向左的约束力，迅速向右回缩，并带动带滚轮钢板在固定钢架上向右滑动，与霍普金森杆的接触面分离，霍普金森杆右端失去约束应力，此时岩石试样为瞬态卸荷状态，应力波由右向左传递，通过应变片22传递给超动态应变仪23、瞬态波形储存器24、数据处理系统25后进行数据处理，由于本发明由两组平行布置的霍普金森杆和岩石试样同时进行，则应处理两组数据。
当两组数据在同一时刻下应变差值超过5％时，数据无效，则需重新进行试验；当两组数据在同一时刻下应变差值小于5％时，则说明两组杆件受冲击效果几乎相同，实验效果良好。
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)
1.一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置，其特征在于：包括两套平行布置的采集组件，所述采集组件包括两根霍普金森杆(2)和固定于霍普金森杆(2)之间的岩体试样(1)，所述霍普金森杆(2)的一端固定，另一端设有卸荷组件；
所述卸荷组件包括子弹(7)、子弹筒(8)、固定钢架(12)、垂直于固定钢架(12)的方形钢架(11)、带滚轮钢板(9)和脆性杆(13)，所述带滚轮钢板(9)位于方形钢架(11)靠近霍普金森杆(2)的一侧，并与方形钢架(11)通过弹簧(10)连接，所述子弹(7)与带滚轮钢板(9)朝向霍普金森杆(2)的一侧相对；所述脆性杆(13)穿过方形钢架(11)，一端与带滚轮钢板(9)抵接，另一端与加载组件抵接；
所述采集组件的霍普金森杆(2)上设置有应变片(22)，应变片(22)依次与超动态应变仪(23)、瞬态波形储存器(24)和数据处理中心(25)连接。
2.根据权利要求1所述的一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置，其特征在于：所述子弹筒(7)通过设置于外部的子弹筒固定圈(6)固定，所述子弹筒(7)的进气孔通过气体管路(16)与气压控制箱(17)和空压机(15)连接。
3.根据权利要求1所述的一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置，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)，所述加载组件通过千斤顶(14)向脆性杆(11)产生水平方向的荷载。
4.根据权利要求1所述的一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括用于支撑试验装置的支撑组件，所述支撑组件包括设置于两侧的固定支座(20)、设置于霍普金森杆(2)下方设置有混凝土支柱(5)、设置于卸荷组件下方的混凝土支撑座(29)和设置于加载组件下方的带浅槽混凝土支柱(21)。
5.根据权利要求4所述的一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置，其特征在于：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。
6.根据权利要求1所述的一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置，其特征在于：所述方形钢架(11)通过固定螺栓(27)与固定钢架(12)连接，带滚轮钢板(9)通过设置于上下两端的滚轮(26)与固定钢架(12)滑动配合。
7.根据权利要求2所述的一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置，其特征在于：所述带浅槽混凝土支柱(21)上设置用于固定千斤顶(14)的矩形槽。
8.根据权利要求1所述的一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置，其特征在于：每套采集组件中的两根霍普金森杆(2)分别设置为入射杆和透射杆，入射杆和透射杆上分别设置有应变片(22)。
9.一种基于权利要求1～8中任一项所述的模拟爆破开挖卸荷的试验装置的试验方法，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)安装采集组件：将两根霍普金森杆(2)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)之间，使岩石试样(1)两端紧贴霍普金森杆(2)，重复完成两套采集组件的安装；
a2)将子弹(8)安装在子弹筒(7)上，将子弹筒(7)固定；
a3)将应变片(22)分别贴在两套采集组件的两根霍普金森杆(2)上，将应变片(22)依次连接超动态应变仪(23)、瞬态波形储存器(24)和数据处理中心(25)；
a4)将方形钢架(11)固定在固定钢架(12)上，并与带滚轮钢板(9)通过弹簧(10)连接，带滚轮钢板(9)与固定钢架(12)滑动连接；
a5)将脆性杆(13)固定于带滚轮钢板(9)和加载组件的千斤顶(14)之间；
试验步骤包括：
b1)启动应变片(22)、超动态应变仪(23)、瞬态波形储存器(24)和数据处理中心(25)；
b2)加载组件向脆性杆(13)施加向左压力，脆性杆(13)紧靠带滚轮钢板(9)，通过带滚轮钢板(9)向霍普金森杆(2)右端施压，此时岩石试样(1)两端受荷，弹簧为拉伸状态；
b3)控制子弹(8)射出，撞击带滚轮钢板(9)，产生冲击荷载使紧靠着带滚轮钢板(9)的脆性杆(13)受到冲击破碎，瞬间释放压力；
b4)脆性杆(13)破碎的同时，弹簧(10)由于失去了水平向左的约束力，迅速向右回缩，并带动带滚轮钢板(9)在固定钢架(12)上向右滑动，霍普金森杆(2)的右端与带滚轮钢板(9)的接触面分离，岩石试样(1)为瞬态卸荷状态，应力波由右向左传递，两套采集组件分别通过应变片(22)传递给超动态应变仪(22)、瞬态波形储存器(24)和数据处理中心(25)后进行数据处理。
10.根据权利要求9所述的一种平行布置的霍普金森杆模拟瞬间卸荷试验装置的试验方法，其特征在于：所述步骤b4)中，数据处理中心(25)分别根据两套采集组件的采集值进行分析，当两组采集值差异超过5％，试验数据无效。
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