CN114674688A - 适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置及方法，所述装置包括三对同轴布置的霍普金森压杆组件以及固定于三对霍普金森压杆组件中间的岩石试样模型，每对霍普金森压杆组件包括入射杆、透射杆，透射杆一端与岩石试样模型接触，另一端固定，入射杆一端与岩石试样模型接触，另一端与瞬态卸荷装置接触；入射杆、透射杆上设置有数据采集组件；瞬态卸荷装置一侧的带滑轮的传力钢板外部与入射杆抵接，另一侧的带滑轮的传力钢板外部与加载装置抵接。本发明可以通过真三维霍普金森压杆可以实现岩石试样模型在三轴方向上不同荷载条件下的瞬态卸荷，从而实现对深部高地应力状态下岩体瞬态卸荷过程的模拟。

Description

适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩体力学试验技术领域，具体地指一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置及方法。

背景技术

由于深部地下岩体往往存有较高的地应力和应变能，在深部地下工程开挖爆破过程中，处于高地应力状态下的岩体开挖爆破的过程实际上是一个快速卸荷的过程，伴随开挖爆破，岩体破碎并形成新的开挖面，开挖爆破改变了岩体位移边界条件和应力状态，导致开挖边界上岩体地应力及应变能随岩体的爆破破碎瞬间释放，该过程为一瞬态卸荷力学过程，使得开挖面附近围岩应力迅速调整并在围岩中激发应力波。

目前，国内研究学者对高地应力岩体开挖爆破引起的变形等问题的分析和研究方法主要为理论分析和数值计算。理论分析过程涉及到损伤力学、弹性波理论等学科，分析难度较为复杂；而数值计算对岩体工程参数有较强依赖性，需要大量时间进行实验采取岩石参数，所需成本较高；此外，以往研究开挖卸荷的方法难以对卸荷过程产生的应力应变状态进行分析，而现有的模拟开挖卸荷的实验装置大多存在卸荷速率较慢，无法对实验模型所受荷载进行快速卸除，导致实验模拟结果与工程实际存在较大差距。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，提出一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置及方法，可以实现深部岩体在三维应力状态下瞬态卸荷的模拟，对研究高地应力条件下岩体瞬态卸荷过程的应力应变状况具有积极的意义。

为实现上述目的，本发明所设计的一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置，包括三对同轴布置的霍普金森压杆组件以及固定于三对霍普金森压杆组件中间的岩石试样模型，每对霍普金森压杆组件包括入射杆、透射杆，所述透射杆一端与岩石试样模型接触，另一端固定，所述入射杆一端与岩石试样模型接触，另一端与瞬态卸荷装置接触；所述入射杆、透射杆上设置有数据采集组件；其特殊之处在于，

所述瞬态卸荷装置设置于固定支座上，包括竖直布置于固定支座中部的滑块导轨平台和平行布置于滑块导轨平台上下两端的固定钢板，所述滑块导轨平台的中部上方设置有脆性方块，所述脆性方块内设置有炸药；

所述脆性方块的上下两端分别与一个方形铁滑块抵接，所述方形铁滑块通过底部滑槽嵌置在设置于滑块导轨平台上的滑块导轨上，所述方形铁滑块的一端与脆性方块抵接，另一端通过弹簧与固定钢板连接；

两个所述方形铁滑块的左右两侧分别与一个铰链螺杆的一端抵接，所述铰链螺杆的另一端通过铰链轴承与带滑轮的传力钢板连接；

所述带滑轮的传力钢板的上下两端设有滑轮，所述滑轮分别嵌置于固定钢板对应位置的滑道中，中部由铰链螺杆支撑的所述带滑轮的传力钢板与固定钢板形成矩形框架；

所述瞬态卸荷装置一侧的带滑轮的传力钢板外部与入射杆抵接，另一侧的带滑轮的传力钢板外部与加载装置抵接。

进一步地，所述脆性方块中部设有一端开口的腔室，腔室内设置有炸药，所述炸药通过引爆导线与起爆控制器连接。

更进一步地，所述加载装置包括固定钢框和固定钢框内腔中的液压千斤顶，所述固定钢框的外侧通过传力板与带滑轮的传力钢板抵接，所述液压千斤顶通过液压导管、压力表与液压控制站连接。

更进一步地，所述岩石试样模型由四个相同的钢拼块拼接组成，每个钢拼块的表面具有槽孔，拼接后形成内部具有方形的岩体试样室腔体、每个表面具有方形开孔的正方体结构，所述岩石试样模型表面开孔的大小与入射杆、透射杆的截面面积相同。

更进一步地，所述入射杆和透射杆设置于混凝土支撑台上，并通过钢支撑固定。

更进一步地，所述数据采集组件包括布置于入射杆、透射杆上的应变片，所述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。

更进一步地，所述起爆控制器为一个，分别通过引爆导线与设置于三个瞬态卸荷装置的脆性方块中的炸药电连接。

本发明还提出一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置的试验方法，所述方法基于上述试验装置实现，所述方法包括安装步骤和试验步骤；

安装步骤包括：

a1)将三对同轴布置的霍普金森压杆组件固定于混凝土支撑台上，将装有岩石试样的岩石试样模型固定在三对霍普金森压杆组件中间，使岩石试样两端紧贴入射杆和透射杆；

a2)将固定钢板固定在固定支座上，将带滑轮的传力钢板的上下滑轮放入固定钢板的滑槽中，通过铰链轴承将带滑轮的传力钢板与铰链螺杆连接；

a3)将两个方形铁滑块的底部放置在滑块导轨，将两个方形铁滑块左右两侧分别固定在铰链螺杆之间的轴承上，两个方形铁滑块之间固定放置脆性方块；

a4)将脆性方块的内腔中放入炸药，并通过引爆导线与起爆控制器连接；

a5)将应变片分别贴在入射杆和透射杆上，将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；

a6)使方形铁滑块左右两侧的铰链螺杆保持在同一轴线上，调整入射杆位置使其与带滑轮的传力钢板紧密接触，调整千斤顶施加荷载大小，使其通过传力板与带滑轮的传力钢板紧密接触；

试验步骤包括：

b1)通过起爆控制器控制炸药爆炸，脆性方块被破坏；

b2)两个方形铁滑块在弹簧的回弹力作用下，沿滑块导轨向上下两侧滑动，并牵引铰链螺杆上下移动；

b3)所述带滑轮的传力钢板在铰链螺杆的牵引下沿固定钢板(15)的滑槽向中间移动；

b4)入射杆的一端不再受到水平约束应力，此时岩石试样模型内的岩石试样为瞬态卸荷状态，应变片采集应变值传输至数据处理中心。

优选地，三个方向加载装置的千斤顶分别对岩石试样三向施加不同荷载，以实现对深部岩体受扰动前三向应力状态的模拟。

优选地，通过起爆控制器的控制使得三个方向的脆性方块内的炸药以设定的次序及时间间隔起爆。

与现有模拟开挖卸荷实验装置相比，本发明具有以下优点及积极效果：

1、本发明解决了以往模拟开挖卸荷实验装置无法对岩石试样模型荷载进行瞬间卸除的问题，实现了对岩石试样在加载状态下的瞬态卸荷；

2、本发明可以通过真三维霍普金森压杆可以实现岩石试样模型在三轴方向上不同荷载条件下的瞬态卸荷，从而实现对深部高地应力状态下岩体瞬态卸荷过程的模拟；

3、本发明通过真三轴霍普金森压杆实现对岩石试样模型瞬态卸荷过程中六个不同面上应力应变状况的监测，对高地应力条件下岩体瞬态卸荷过程引起的应力应变问题的研究和分析具有重要的意义；

4、本发明通过瞬态卸荷装置来实现岩体荷载的瞬间卸除，利用起爆控制器自动控制多个炸点以一定次序、不同时间间隔起爆破坏脆性杆，在弹簧力作用下，实现对不同卸荷路径下岩石瞬间卸荷破坏的模拟，对指导深部地下岩体施工开挖具有积极意义。

附图说明

图1为本发明试验装置主视图；

图2为本发明试验装置俯视图；

图3为本发明试验装置三维霍普金森杆透射杆主视图；

图4为本发明试验装置三维霍普金森杆透射杆俯视图；

图5为本发明试验装置瞬态卸荷装置与加载装置主视图；

图6为本发明实验装置瞬态卸荷装置结构示意图；

图7为本发明试验装置瞬态卸荷装置主视图；

图8为本发明试验装置加载装置结构示意图；

图9为本发明试验装置脆性方块示意图；

图10为本发明试验装置岩石试样模型剖面图；

图11为本发明实验装置岩石试样模型三维示意图。

图中，1-岩石试样模型；2-霍普金森压杆组件；2.1-入射杆；2.2-透射杆，3-应变片；4-混凝土支撑台；5-钢支撑；6-滑块导轨；7-螺栓；8-滑块导轨平台；9-脆性方块；10-轴承；11-铰链轴承；12-铰链螺杆；13-炸药；14-引爆导线；15-固定钢板；16-带滑轮的传力钢板；17-起爆控制器；18-固定钢框；19-液压千斤顶；20-混凝土支撑平台；21-液压导管；22-压力表；23-液压控制站；24-传力板；25-固定螺栓；26-固定支座；27-钢拼块；28-岩石试样室；29-弹簧；30-方形铁滑块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1～图4所示，本发明提出的一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置，包括三对同轴布置的霍普金森压杆组件2以及固定于三对霍普金森压杆组件2中间的岩石试样模型1，每对霍普金森压杆组件2包括入射杆2.1、透射杆2.2，入射杆2.1和透射杆2.2设置于混凝土支撑台4上，并通过钢支撑5固定。透射杆2.2一端与岩石试样模型1接触，另一端固定，入射杆2.1一端与岩石试样模型1接触，另一端与瞬态卸荷装置接触；入射杆2.1、透射杆2.2上设置有数据采集组件。数据采集组件包括布置于入射杆2.1、透射杆2.2上的应变片3，应变片3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。

如图6、图7所示，瞬态卸荷装置设置于固定支座26上，包括竖直布置于固定支座26中部的滑块导轨平台8和平行布置于滑块导轨平台8上下两端的固定钢板15，滑块导轨平台8的中部上方设置有脆性方块9，脆性方块9的上下两端分别与一个方形铁滑块30抵接，方形铁滑块30通过底部滑槽嵌置在设置于滑块导轨平台8上的滑块导轨6上，方形铁滑块30的一端与脆性方块9抵接，另一端通过弹簧29与固定钢板15连接。脆性方块9中部设有一端开口的腔室，如图9所示，腔室内设置有炸药13，炸药13通过引爆导线14与起爆控制器17连接。

两个方形铁滑块30的左右两侧分别与一个铰链螺杆12的一端抵接，铰链螺杆12之间通过轴承10连接；铰链螺杆12的另一端通过铰链轴承11与带滑轮的传力钢板16连接。带滑轮的传力钢板16的上下两端设有滑轮，滑轮分别嵌置于固定钢板15对应位置的滑道中，中部由铰链螺杆12支撑的带滑轮的传力钢板16与固定钢板15形成矩形框架。

瞬态卸荷装置一侧的带滑轮的传力钢板16外部与入射杆2.1抵接，另一侧的带滑轮的传力钢板16外部与加载装置抵接。

如图8所示，加载装置包括固定钢框18和固定钢框18内腔中的液压千斤顶19，固定钢框18的外侧通过传力板24与带滑轮的传力钢板16抵接，液压千斤顶19通过液压导管21、压力表22与液压控制站23连接。

如图7、8所示，瞬态卸荷装置和加载装置均设置于混凝土支撑平台20上，瞬态卸荷装置的固定支座26通过固定螺栓25与混凝土支撑平台20固定，滑块导轨平台8通过螺栓7与与混凝土支撑平台20固定。

如图10、11所示，岩石试样模型1由四个相同的钢拼块27拼接组成，每个钢拼块27的表面具有槽孔，拼接后形成内部具有方形的岩体试样室28腔体、每个表面具有方形开孔的正方体结构，岩石试样模型1表面开孔的大小与入射杆2.1、透射杆2.2的截面面积相同。

试验过程中，加载装置将荷载通过带滑轮的传力钢板16及铰链螺杆12传至入射杆2.1，进一步将荷载传给岩石试样；三个方向的瞬态卸荷装置的脆性方块9内均装有小药量炸药，将三个填药室中的炸药通过电雷管及引爆导线14与同一个起爆控制器17相连接；通过起爆控制器17的控制，可以控制三个脆性方块9内的炸药以设定的次序及时间间隔起爆，炸药13爆炸使得脆性方块9瞬间破坏，两个方形铁滑块30在两侧弹簧29的回弹力作用下，沿底部滑块导轨6向两边滑动并牵引铰链螺杆12滑向两侧，铰链螺杆12拉动两端带滑轮的传力钢板16向中间位移，使得带滑轮的传力钢板16与入射杆2.1端部瞬间分离，实现卸荷装置快速卸荷；起爆控制器17由单片机、电源、光电耦合器件等构成，其主要通过单片机的程控起爆系统根据所需要求自动控制多个炸点以一定次序、不同时间间隔起爆，进一步可以控制对岩石试样模型不同方向荷载的快速卸除。

试验方法的具体步骤如下；

安装步骤包括：

a1)将三对同轴布置的霍普金森压杆组件2固定于混凝土支撑台4上，将装有岩石试样的岩石试样模型1固定在三对霍普金森压杆组件2中间，使岩石试样1两端紧贴入射杆2.1和透射杆2.2；

a2)将固定钢板15固定在固定支座26上，将带滑轮的传力钢板16的上下滑轮放入固定钢板15的滑槽中，通过铰链轴承11将带滑轮的传力钢板16与铰链螺杆12连接；

a3)将两个方形铁滑块30的底部放置在滑块导轨6，将两个方形铁滑块30左右两侧分别固定在铰链螺杆12之间的轴承10上，两个方形铁滑块30之间固定放置脆性方块9；

a4)将脆性方块9的内腔中放入炸药13，并通过引爆导线14与起爆控制器17连接；

a5)将应变片3分别贴在入射杆2.1和透射杆2.2上，将应变片3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；

a6)使方形铁滑块30左右两侧的铰链螺杆12保持在同一轴线上，调整入射杆2.1位置使其与带滑轮的传力钢板16紧密接触，调整千斤顶19施加荷载大小，使其通过传力板24与带滑轮的传力钢板16紧密接触；三个方向加载装置的千斤顶19分别对岩石试样三向施加不同荷载，以实现对深部岩体受扰动前三向应力状态的模拟。

试验步骤包括：

b1)通过起爆控制器17控制炸药13爆炸，脆性方块9被破坏；

b2)两个方形铁滑块30在弹簧29的回弹力作用下，沿滑块导轨6向上下两侧滑动，并牵引铰链螺杆12上下移动；

b3)带滑轮的传力钢板16在铰链螺杆12的牵引下沿固定钢板15的滑槽向中间移动；

b4)入射杆2.1的一端不再受到水平约束应力，此时岩石试样模型1内的岩石试样为瞬态卸荷状态，应变片3采集应变值传输至数据处理中心。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置，包括三对同轴布置的霍普金森压杆组件(2)以及固定于三对霍普金森压杆组件(2)中间的岩石试样模型(1)，每对霍普金森压杆组件(2)包括入射杆(2.1)、透射杆(2.2)，所述透射杆(2.2)一端与岩石试样模型(1)接触，另一端固定，所述入射杆(2.1)一端与岩石试样模型(1)接触，另一端与瞬态卸荷装置接触；所述入射杆(2.1)、透射杆(2.2)上设置有数据采集组件；其特征在于：

所述瞬态卸荷装置设置于固定支座(26)上，包括竖直布置于固定支座(26)中部的滑块导轨平台(8)和平行布置于滑块导轨平台(8)上下两端的固定钢板(15)，所述滑块导轨平台(8)的中部上方设置有脆性方块(9)，所述脆性方块(9)内设置有炸药(13)；

所述脆性方块(9)的上下两端分别与一个方形铁滑块(30)抵接，所述方形铁滑块(30)通过底部滑槽嵌置在设置于滑块导轨平台(8)上的滑块导轨(6)上，所述方形铁滑块(30)的一端与脆性方块(9)抵接，另一端通过弹簧(29)与固定钢板(15)连接；

两个所述方形铁滑块(30)的左右两侧分别与一个铰链螺杆(12)的一端抵接，所述铰链螺杆(12)的另一端通过铰链轴承(11)与带滑轮的传力钢板(16)连接；

所述带滑轮的传力钢板(16)的上下两端设有滑轮，所述滑轮分别嵌置于固定钢板(15)对应位置的滑道中，中部由铰链螺杆(12)支撑的所述带滑轮的传力钢板(16)与固定钢板(15)形成矩形框架；

所述瞬态卸荷装置一侧的带滑轮的传力钢板(16)外部与入射杆(2.1)抵接，另一侧的带滑轮的传力钢板(16)外部与加载装置抵接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置，其特征在于：所述脆性方块(9)中部设有一端开口的腔室，腔室内设置有炸药(13)，所述炸药(13)通过引爆导线(14)与起爆控制器(17)连接。

3.根据权利要求1所述的一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置，其特征在于：所述加载装置包括固定钢框(18)和固定钢框(18)内腔中的液压千斤顶(19)，所述固定钢框(18)的外侧通过传力板(24)与带滑轮的传力钢板(16)抵接，所述液压千斤顶(19)通过液压导管(21)、压力表(22)与液压控制站(23)连接。

4.根据权利要求1所述的一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置，其特征在于：所述岩石试样模型(1)由四个相同的钢拼块(27)拼接组成，每个钢拼块(27)的表面具有槽孔，拼接后形成内部具有方形的岩体试样室(28)腔体、每个表面具有方形开孔的正方体结构，所述岩石试样模型(1)表面开孔的大小与入射杆(2.1)、透射杆(2.2)的截面面积相同。

5.根据权利要求1所述的一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置，其特征在于：所述入射杆(2.1)和透射杆(2.2)设置于混凝土支撑台(4)上，并通过钢支撑(5)固定。

6.根据权利要求2所述的一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置，其特征在于：所述数据采集组件包括布置于入射杆(2.1)、透射杆(2.2)上的应变片(3)，所述应变片(3)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。

7.根据权利要求2所述的一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置，其特征在于：所述起爆控制器(17)为一个，分别通过引爆导线(14)与设置于三个瞬态卸荷装置的脆性方块(9)中的炸药(13)电连接。

8.一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置的试验方法，其特征在于：所述方法基于权利要求1～7中任一项所述的一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置实现，所述方法包括安装步骤和试验步骤；

安装步骤包括：

a1)将三对同轴布置的霍普金森压杆组件(2)固定于混凝土支撑台(4)上，将装有岩石试样的岩石试样模型(1)固定在三对霍普金森压杆组件(2)中间，使岩石试样(1)两端紧贴入射杆(2.1)和透射杆(2.2)；

a2)将固定钢板(15)固定在固定支座(26)上，将带滑轮的传力钢板(16)的上下滑轮放入固定钢板(15)的滑槽中，通过铰链轴承(11)将带滑轮的传力钢板(16)与铰链螺杆(12)连接；

a3)将两个方形铁滑块(30)的底部放置在滑块导轨(6)，将两个方形铁滑块(30)左右两侧分别固定在铰链螺杆(12)之间的轴承(10)上，两个方形铁滑块(30)之间固定放置脆性方块(9)；

a4)将脆性方块(9)的内腔中放入炸药(13)，并通过引爆导线(14)与起爆控制器(17)连接；

a5)将应变片(3)分别贴在入射杆(2.1)和透射杆(2.2)上，将应变片(3)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；

a6)使方形铁滑块(30)左右两侧的铰链螺杆(12)保持在同一轴线上，调整入射杆(2.1)位置使其与带滑轮的传力钢板(16)紧密接触，调整千斤顶(19)施加荷载大小，使其通过传力板(24)与带滑轮的传力钢板(16)紧密接触；

试验步骤包括：

b1)通过起爆控制器(17)控制炸药(13)爆炸，脆性方块(9)被破坏；

b2)两个方形铁滑块(30)在弹簧(29)的回弹力作用下，沿滑块导轨(6)向上下两侧滑动，并牵引铰链螺杆(12)上下移动；

b3)所述带滑轮的传力钢板(16)在铰链螺杆(12)的牵引下沿固定钢板(15)的滑槽向中间移动；

b4)入射杆(2.1)的一端不再受到水平约束应力，此时岩石试样模型(1)内的岩石试样为瞬态卸荷状态，应变片(3)采集应变值传输至数据处理中心。

9.根据权利要求8所述的一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置的试验方法，其特征在于：三个方向加载装置的千斤顶(19)分别对岩石试样三向施加不同荷载，以实现对深部岩体受扰动前三向应力状态的模拟。

10.根据权利要求9所述的一种适用于真三轴霍普金森压杆的瞬态卸荷试验装置的试验方法，其特征在于：通过起爆控制器(17)的控制使得三个方向的脆性方块(9)内的炸药(13)以设定的次序及时间间隔起爆。

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