CN112665996A - 一种电磁瞬态卸荷的试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁瞬态卸荷的试验系统及方法，所述装置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，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；卸荷组件包括一侧与霍普金森杆抵接的矩形钢架，矩形钢架的另一侧与脆性杆抵接，矩形钢架的内部空间设置有子弹筒和子弹，子弹与矩形钢架水平高度相同，朝向脆性杆方向；脆性杆的另一侧与加载组件抵接。本发明采用霍普金森杆装置对瞬态卸荷过程进行模拟，测得卸荷过程中应变状态的变化和应力波的传递方式更加精确，在研究瞬态卸荷的过程中，子弹高速撞击脆性杆使其破坏，极大提高了卸荷效率。

Description

一种电磁瞬态卸荷的试验系统及方法

技术领域

本发明涉及岩体爆破试验技术领域，特别是涉及一种电磁瞬态卸荷的试验系统及方法。

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模拟爆破开挖时的瞬态卸荷的试验装置及方法。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提出一种电磁瞬态卸荷的试验系统及方法，可以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电磁瞬态卸荷的试验系统，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，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均分为左右两段，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，中部通过铰链连接，所述平行布置的方形杆中部的铰链上设置有两个电磁控制杆，分别设置有电磁铁A、电磁铁B，所述电磁铁A和电磁铁B相互接触并与电源控制器电连接；左端所述带滑轮钢板与霍普金森杆抵接，右端所述带滑轮钢板与加载组件抵接。

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，所述带滑槽的固定支座中部设有玄武岩圈，所述平行布置的方形杆中部的铰链的轴承上设有供玄武岩链穿过的通孔，两个电磁控制杆固定于轴承上，并通过玄武岩链穿过玄武岩圈与带滑槽的固定支座连接。

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，另一根为投射杆，入射杆和投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。

基于上述电磁瞬态卸荷的试验系统，本发明还提出一种试验方法，其特殊之处在于，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铰链连接；

a3)将两个分别设置有电磁铁A、电磁铁B的电磁控制杆分别固定在两段方形杆之间的轴承上，电磁铁A、电磁铁B相互接触并分别通过导线与电源控制器连接；

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)将电源控制器打开，使电磁铁A、电磁铁B相互吸附；

b2)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；

b3)控制电源控制器，使电磁铁A的电流方向改变，电磁铁A、电磁铁B相互排斥，瞬态推动电磁控制杆上下移动，电磁控制杆带动铰链上下移动；

b4)两段方形杆的中部被铰链带动上下移动，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b3)中，电磁控制杆带动铰链上下移动，电磁控制杆通过设置于铰链上的玄武岩链与带滑槽的固定支座连接，限制电磁控制杆的运动范围。

与现有技术相比，本发明具有的优点及积极效果为：

1.本发明解决了以往试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.本发明通过电磁控制杆来实现岩体的瞬态卸荷，电磁控制杆利用电磁铁在不同电流方向下磁极的变化，通过电源控制器改变电流的方向，使电磁铁磁极变化，两电磁铁相互排斥，能够实现卸荷装置快速卸荷。

4.电磁控制杆控制滑轮在滑槽中上下移动来完成瞬态卸荷，瞬态卸荷的过程相对比较稳定，相比于其他通过岩石破碎的方式来实现卸荷的装置，不会因为碎屑飞溅对实验造成二次影响。

5.本发明采用玄武岩纤维制成的玄武岩链，玄武岩扣，玄武岩圈来制约瞬态卸荷装置的移动，能够对瞬态卸荷后的卸荷装置起到很好的缓冲作用。

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为瞬态卸荷装置俯视图；

图5为瞬态卸荷装置正视图；

图6为分离式霍普金森压杆俯视图；

图7为加载装置俯视图；

图8为瞬态卸荷装置截面示意图；

图9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-电磁控制杆；7-方形杆；8-滚轮；9-带滚轮钢板；10-铰链；11-卸载装置支撑台；12-轴承；13-千斤顶；14-玄武岩圈；15-玄武岩扣；16-玄武岩链；17-带滑槽的固定支座；18-液体管路；19-液压站；20-固定支座；21-电源控制器；22-导线；23-电磁铁A；24-电磁铁B；25-电阻应变片；26-应变仪；27-压力表；28-压力控制器；29-高速摄像机；30-计算机。

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。

本发明提出的一种电磁瞬态卸荷的试验系统，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、加载组件和监测组件。

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，设置为投射杆，位于后端的霍普金森杆2的端部设有卸荷组件，设置为入投射杆，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的投射杆的前端固定，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6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4、图5和图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上设置有带滑槽的固定支座17，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，带滑轮钢板9底部的滚轮8可以在滑槽上滑动。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均分为左右两段，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，左右两段方形杆7的中部通过铰链10连接，平行布置的方形杆7中部的铰链10上设置有两个电磁控制杆6，分别设置有电磁铁A23、电磁铁B24，电磁铁A23和电磁铁B24相互接触并与电源控制器21电连接；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。

带滑槽的固定支座17中部设有玄武岩圈14，平行布置的方形杆7中部的铰链10的轴承12上设有供玄武岩链16穿过的通孔，两个电磁控制杆6固定于轴承12上，并通过玄武岩链16穿过玄武岩圈14与带滑槽的固定支座17连接，玄武岩链16通过玄武岩扣15扣接。两个电磁控制杆6的底部也设置有滚轮8，滚轮8与带滑槽的固定支座17滑动连接。

如图7所示，加载组件包括千斤顶13、液体管路18、液压站19、压力表27和压力控制器28，千斤顶13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28用于根据计算机30的指令控制千斤顶13产生的荷载大小。压力表27用于采集千斤顶13的产生的荷载大小。千斤顶13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13的矩形槽。

如图9所示，监测控制组件包括电阻应变片25、应变仪26、计算机30和高速摄像机29；高速摄像机29用于拍摄试验过程。电阻应变片25布置在两根霍普金森杆2上，与应变仪26进行连接，应变仪26、高速摄像机29的信号输出端与计算机30连接。

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。

玄武岩链16，玄武岩扣15，玄武岩圈14将铰链10的轴承12与带滑槽的固定支座17连接起来，对瞬态卸荷装置上部可移动部分起到约束作用，在瞬态卸荷装置卸荷过程中，对由于惯性运动的电磁控制杆6起到缓冲作用。

基于上述试验系统，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之间也通过铰链10连接；

a3)将两个分别设置有电磁铁A23、电磁铁B24的电磁控制杆6分别固定在两段方形杆7之间的轴承10上，电磁铁A23、电磁铁B24相互接触并分别通过导线22与电源控制器21连接；

a4)将两个电阻应变片25分别贴在霍普金森杆2入射杆和透射杆上，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位置使其与左侧带滑轮钢板9紧密接触，调整千斤顶13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)将电源控制器21打开，使电磁铁A23、电磁铁B24相互吸附；

b2)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；

b3)控制电源控制器21，使电磁铁A23的电流方向改变，电磁铁A23、电磁铁B24相互排斥，瞬态推动电磁控制杆6上下移动，电磁控制杆6带动铰链10上下移动；

b4)两段方形杆7的中部被铰链10带动上下移动，两段方形杆7的左右两端拉动带滑轮钢板9向内侧移动，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，当传至入射杆与岩石试样1界面时，由于岩石试样1材料和透射杆材料的惯性效应，整个岩石试样1将被压缩；同时，由于霍普金森杆2与岩石试样1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25测得，透射波由透射杆上的电阻应变片测得；高速摄像机31采集瞬态卸荷装置卸荷过程中的状态；然后将所有监测到的数据传输给计算机30，计算机30对数据进行收集和处理。

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)

1.一种电磁瞬态卸荷的试验系统，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)之间的岩体试样(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)，所述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)均分为左右两段，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)连接，所述平行布置的方形杆(7)中部的铰链(10)上设置有两个电磁控制杆(6)，分别设置有电磁铁A(23)、电磁铁B(24)，所述电磁铁A(23)和电磁铁B(24)相互接触并与电源控制器(21)电连接；左端所述带滑轮钢板(9)与霍普金森杆(2)抵接，右端所述带滑轮钢板(9)与加载组件抵接。

2.根据权利要求1所述的一种电磁瞬态卸荷的试验系统，其特征在于：所述加载组件包括千斤顶(13)、液体管路(18)和液压站(19)，千斤顶(12)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所述的一种电磁瞬态卸荷的试验系统，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所述的一种电磁瞬态卸荷的试验系统，其特征在于：所述带滑槽的固定支座(17)中部设有玄武岩圈(14)，所述平行布置的方形杆(7)中部的铰链(10)的轴承(12)上设有供玄武岩链(16)穿过的通孔，两个电磁控制杆(6)固定于轴承(12)上，并通过玄武岩链(16)穿过玄武岩圈(14)与带滑槽的固定支座(17)连接。

5.根据权利要求1所述的一种电磁瞬态卸荷的试验系统，其特征在于：所述监测控制组件包括电阻应变片(25)、应变仪(26)、计算机(30)和高速摄像机(29)；所述电阻应变片(25)布置在两根霍普金森钢杆(2)上，与应变仪(26)进行连接，所述应变仪(26)、高速摄像机(29)的信号输出端与计算机(30)连接。

6.根据权利要求1所述的一种电磁瞬态卸荷的试验系统，其特征在于：所述千斤顶(13)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(13)的矩形槽。

7.根据权利要求5所述的一种电磁瞬态卸荷的试验系统，其特征在于：与瞬态卸荷装置的霍普金森杆(2)为入射杆，另一根为投射杆，入射杆和投射杆上分别设置有电阻应变片(25)。

8.根据权利要求5所述的一种电磁瞬态卸荷的试验系统，其特征在于：所述加载组件还包括压力控制器(28)和压力表(27)，所述压力控制器(28)的控制端与计算机(30)连接。

9.一种基于权利要求1～8中任一项所述的电磁瞬态卸荷的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)之间也通过铰链(10)连接；

a3)将两个分别设置有电磁铁A(23)、电磁铁B(24)的电磁控制杆(6)分别固定在两段方形杆(7)之间的轴承(12)上，电磁铁A(23)、电磁铁B(24)相互接触并分别通过导线(22)与电源控制器(21)连接；

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)位置使其与左侧带滑轮钢板(9)紧密接触，调整千斤顶(13)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)将电源控制器(21)打开，使电磁铁A(23)、电磁铁B(24)相互吸附；

b2)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；

b3)控制电源控制器(21)，使电磁铁A(23)的电流方向改变，电磁铁A(23)、电磁铁B(24)相互排斥，瞬间推动电磁控制杆(6)上下移动，电磁控制杆(6)带动铰链(10)上下移动；

b4)两段方形杆(7)的中部被铰链(10)带动上下移动，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(25)采集应变值传输至计算机(30)。

10.根据权利要求9所述的一种电磁瞬态卸荷的试验系统的试验方法，其特征在于：所述步骤b3)中，电磁控制杆(6)带动铰链(10)上下移动，电磁控制杆(6)通过设置于铰链(10)上的玄武岩链(16)与带滑槽的固定支座(17)连接，限制电磁控制杆(6)的运动范围。

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