CN115308058A - 地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价系统及方法，涉及地下工程安全评价技术领域，包括水平设置的冲击管，冲击管由导向支架支撑，冲击管底部开设有配合槽，以使试样端部固定器进入其中；冲击管一端依次设有反力支座和承载托盘，承载托盘连接气液复合油缸，气液复合油缸对承载托盘施加压力时对试样产生轴向拉力；冲击管另一端设置气缸，气缸连接撞击杆。本发明利用可实现施加预应力条件下的冲击拉伸高应变率动力测试系统，对地下工程支护体系进行高应变率动静耦合测试。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程安全评价技术领域，尤其涉及地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价系统及方法。
背景技术
深部煤矿巷道、深埋隧道等地下工程面临高应力、断层破碎带等复杂条件，导致围岩应力集中、能量积聚，极易发生动力冲击灾害事故，对地下工程支护体系进行动力冲击试验与抗冲击性能评价，对于地下工程的安全稳定具有重要意义。
传统地下工程支护体系动力试验与评价方法中主要存在以下不足：
①传统支护体系的冲击试验为冲击压缩测试方法，脱离了支护体系受冲击拉伸力的现场实际，且无法模拟支护体系在现场中被施加的预应力；
②传统测试方法为落锤冲击低应变率动力测试，缺少在静力预应力条件下的高应变率动静耦合冲击测试；
③传统支护体系的动力学性能评价多从强度方面考虑，而在地下工程围岩内部会积聚弹性应变能，受到扰动后会产生动力冲击，支护体系存在强度足够而吸收冲击能量不足的问题，易导致支护构件破断，进而导致支护体系整体失效。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价系统及方法，利用可实现施加预应力条件下的冲击拉伸高应变率动力测试系统，对地下工程支护体系进行高应变率动静耦合测试。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价系统，包括水平设置的冲击管，冲击管由导向支架支撑，冲击管底部开设有配合槽，以使试样端部固定器进入其中；
冲击管一端依次设有反力支座和承载托盘，承载托盘连接气液复合油缸，气液复合油缸对承载托盘施加压力时对试样产生轴向拉力；冲击管另一端设置气缸，气缸连接撞击杆。
作为进一步的实现方式，所述试样端部固定器包括固定座，固定座内设有安装槽，安装槽一侧转动连接摇臂；
所述摇臂能够朝向安装槽另一侧转动以压紧顶套，顶套用于固定试样端部。
作为进一步的实现方式，所述安装槽内设有液压千斤顶，液压千斤顶的活塞端与摇臂抵接。
作为进一步的实现方式，所述安装槽另一侧内壁固定有冲击力传感器。
作为进一步的实现方式，所述反力支座开设有冲击孔，冲击孔、撞击杆分别与冲击管同轴设置；冲击孔两侧对称设有第一凹槽。
作为进一步的实现方式，所述撞击杆、反力支座分别距冲击管端部设定距离，冲击管朝向撞击杆的一端为封闭端。
作为进一步的实现方式，所述承载托盘中心设置试样孔，试样孔两侧对称设有第二凹槽。
第二方面，本发明的实施例还提供了地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价方法，包括：
基于所述的试验与评价系统，对支护构件进行动力学性能试验，获取单位长度支护构件在高应变率动态冲击作用下的力学性能参数；
结合试验结果、支护体系设计参数、动力冲击后的围岩释放能，对地下工程支护体系的抗冲击性能进行评价。
作为进一步的实现方式，动力学性能试验包括对支护构件在动静组合荷载耦合作用下进行高应变率的拉伸破断试验，获取支护构件的冲击力时变曲线和位移时变曲线；
对冲击力时变曲线和位移时变曲线进行拟合处理，得到力-位移曲线；对力-位移曲线进行滤波处理，以获取光滑的力-位移曲线；
通过力-位移曲线获取单位长度支护构件在高应变率动力冲击作用下的延伸率和吸收能量。
作为进一步的实现方式，地下工程支护体系的抗冲击性能评价依据为：
当
时，支护体系的防冲击能满足地下工程安全使用要求；
反之，支护体系不满足地下工程安全使用要求；
其中，W为单位走向围岩积聚的弹性应变能，γ为松动围岩的平均容重，g为重力加速度，L为现场支护试样的设计长度，B为地下工程硐室跨度，k1为折减系数，k2为工程安全系数，n为单位走向范围内现场支护试样的数量，ε为延伸率，E为单位长度吸收能。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明通过气缸将空气压缩为高压气体，产生气源压力，气缸活塞阀门打开后，内部压力能快速转换为撞击杆的冲击动能，气源压力推动撞击杆快速运动，冲击传力装置，实现高应变率冲击试验。
（2）本发明通过液压千斤顶活塞端压紧摇臂，通过摇臂的杠杆原理将压力传递到顶套上，顶套用于将摇臂的压力传递至索具上，同时将摇臂的点荷载变为面荷载，使索具受力均匀，避免试样在受冲后出现回弹现象，便于监测冲击全程试样的受力情况；反力支座与气液复合油缸相结合，通过承载托盘间接对试样施加轴向预紧力。
（3）本发明通过可施加轴向预紧力的霍普金森压杆冲击拉伸试验系统，对支护构件进行动力学性能试验，获取单位长度支护构件在高应变率动态冲击作用下的力学性能参数；结合试验结果、支护体系设计参数、动力冲击后的围岩释放能，对地下工程支护体系的抗冲击性能进行评价，保证地下工程围岩的安全稳定。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的结构示意图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的试样端部固定器结构示意图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的反力支座侧视图；
图4是本发明根据一个或多个实施方式的承载托盘侧视图。
其中，1、气缸，2、撞击杆，3、导向支架，4、冲击管，5、索具，6、试样，7、气液复合油缸，8、试验基座，9、试样端部固定器，10、反力支座，11、承载托盘，12、摇臂，13、顶套，14、冲击力传感器，15、液压千斤顶，16、固定座，17、安装座，18、第一凹槽，19、螺栓，20、试样孔，21、第二凹槽，22、冲击孔。
具体实施方式
实施例一：
本实施例提供了地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价系统，如图1所示，包括试验基座8、冲击管4、撞击杆2、试样端部固定器9、反力支座10、承载托盘11等，试验基座8作为承载主体，冲击管4通过多个导向支架3安装于试验基座8。
冲击管4水平设置，导向支架3的个数可以根据实际情况设置。在本实施例中，导向支架3设置两个，两个导向支架3分别支撑冲击管4的一端。导向支架3和冲击管4构成传力装置。
本实施例的导向支架3和冲击管4由高强钢制成；当然，在其他实施例中，导向支架3和冲击管4也可以采用其他金属材质。
导向支架3开设有导向孔，冲击管4穿过导向支架3，能够在导向支架3的导向作用下进行轴向运动。导向孔内侧设置聚四氟乙烯层，并涂抹润滑油，以减少冲击管4运动时与导向支架3间的摩擦力，降低动能损失。
冲击管4一端对应设置撞击杆2，撞击杆2与冲击管4同轴设置，且与冲击管4端部有一定距离；撞击杆2连接气缸1，气缸1固定于试验基座8。撞击杆2为实心圆柱体，用于撞击传力装置产生冲击力。
在本实施例中，撞击杆2采用高强钢。
气缸1将空气压缩为高压气体，产生气源压力，气缸活塞阀门打开后，内部压力能快速转换为撞击杆2的冲击动能，气源压力推动撞击杆2快速运动，冲击传力装置。
冲击管4靠近撞击杆2的一端为封闭端，用于接收撞击杆2传递的冲击力，远离撞击杆2的一端为开口端，用于试样6穿进冲击管4内部。
冲击管4底部开设有配合槽，用于试样端部固定器9穿过并进入其内部。试样6一端从冲击管4的开口端进入，并延伸至配合槽处通过试样端部固定器9固定；试样6另一端依次穿过反力支座10和承载托盘11，且该端由索具5固定；反力支座10安装气液复合油缸7。
试样端部固定器9、反力支座10、气液复合油缸7和承载托盘11构成预紧力施加装置。
具体的，如图2所示，试样端部固定器9包括固定座16、摇臂12、顶套13、液压千斤顶15等，固定座16可拆卸连接于试验基座8上，例如通过螺栓连接；固定座16开设有安装槽，安装槽的形状可根据实际情况设置。
安装槽一侧转动连接摇臂12；在本实施例中，安装槽为矩形槽，摇臂12为L型件，L型件的拐角处与固定座16铰接。
摇臂12的低端与液压千斤顶15的活塞端抵接，液压千斤顶15水平设置，其固定端通过安装座17固定于安装槽内。
试样6一端依次穿过固定座16另一侧侧壁以及安装于安装槽侧壁的冲击力传感器14，冲击力传感器14用于记录试样6在动力冲击过程中的受力情况。试样6该端通过索具5固定，索具5外侧安装顶套13；通过液压千斤顶15顶推过程使摇臂12压紧顶套13。
本实施例通过摇臂12的杠杆原理将压力传递到顶套13上，顶套13用于将摇臂12的压力传递至索具5上，同时将摇臂12的点荷载变为面荷载，使索具5受力均匀，避免试样6在受冲后出现回弹现象，便于监测冲击全程试样6的受力情况。
如图3所示，反力支座10距冲击管4开口端有一定距离，反力支座10开设有冲击孔22，冲击孔22与冲击管4同轴设置，用于冲击管4穿过反力支座10撞击承载托盘11，进而对试样6进行动力冲击。反力支座10通过螺栓19与试验基座8连接，冲击孔22两侧对称设有第一凹槽18。
如图4所示，试样6另一端承载托盘11，承载托盘11中心设置试样孔20，试样孔20两侧对称设有第二凹槽21。在本实施例中，第一凹槽18和第二凹槽21的横截面为圆形。
第一凹槽18和第二凹槽21轴心对齐，气液复合油缸7的底座位于第一凹槽18中，气液复合油缸7端部活塞紧压着第二凹槽21，根据试验设计要求对试样6施加轴向预紧力。
承载托盘11圆心处开有试样孔20，试样6穿过试样孔20后由索具5固定在承载托盘11非受冲一侧。在冲击管4冲击前，先将气液复合油缸7安装到位，通过索具5将试样6固定后，由气液复合油缸7对承载托盘11施加压力，使试样6达到预设的预紧力后停止加压。本实施例通过反力支座10与气液复合油缸7相结合，通过承载托盘11间接对试样6施加轴向预紧力。
需要说明的是，钢管4底部的开槽长度大于冲击移动的距离（每次冲击移动的距离很短），试样端部固定器9的安装不会影响冲击过程。
一般霍普金森试验的气源强度一般在0.5~3MPa之间，标准试件的应变率可达10^2~10^4，即为高应变率。
实施例二：
本实施例提供了地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价方法，其中，以支护构件作为试样6，包括：
基于实施例一所述的试验与评价系统，对支护构件进行动力学性能试验，获取单位长度支护构件在高应变率动态冲击作用下的力学性能参数；
结合试验结果、支护体系设计参数、动力冲击后的围岩释放能，对地下工程支护体系的抗冲击性能进行评价。
具体的，包括以下步骤：
步骤S1，对试验系统各部分装置进行组装，并固定于试验基座8上，保证撞击杆2、冲击管4、承载托盘11轴心对齐。
步骤S2，将支护构件依次穿过承载托盘11的试样孔20、反力支座10的冲击孔22、冲击管4、试样端部固定器9及冲击力传感器14，支护构件两端由索具5进行固定。
步骤S3，支护构件一端通过试样端部固定器9处的液压千斤顶15对索具5加压，避免支护构件在冲击后发生回弹，便于记录在冲击全程中试验的受力情况，另一端由气液复合油缸7施加预紧力。
步骤S4，启动冲击加载装置对试样6进行动力冲击试验，试样6在动力冲击拉伸变形时，气液复合油缸7自动化快速增压，保证试样6有恒定的轴向拉力，进而使得试样6在动静组合荷载耦合作用下进行动力冲击试验。
步骤S5，在动力冲击过程中，记录每次冲击全程试样6的冲击力时程曲线与位移时程曲线。通过数学分析软件对冲击力时程曲线与位移时程曲线进行拟合处理，获取试样6的力-位移曲线，考虑到由冲击振动而产生的杂波对试样6力-位移曲线的影响，对试样6的力-位移曲线进行滤波处理，获取光滑的力-位移曲线。
步骤S6，根据滤波处理后的力-位移曲线和下述公式计算出试验的延伸率ε：
其中，n为试样6的冲击破断次数，li为第i次冲击试验的伸长量，Lc为试样6的测试长度。
根据滤波处理后的力-位移曲线和下述公式计算出试验的单位长度吸收能E：
其中，n为试样6的冲击破断次数，Ei为第i次冲击试验的可吸收能量，Lc为试样6的测试长度。
步骤S7，确定松动圈范围内的动力冲击，该能量包括围岩积聚的弹性应变能和顶板下沉岩体释放的势能。可根据经验公式、工程类比、数值模拟确定硐室开挖后形成的围岩松动圈范围，计算该区域围岩可积聚的最大弹性应变能。以现场支护试样6延伸量与折减系数的乘积作为松动围岩的沉降量，计算出该区域顶板下沉岩体释放的势能，其中延伸量由现场支护试样6长度与延伸率的乘积确定。
步骤S8，结合试样6在动力冲击试验中获取的延伸率ε和单位长度吸收能E，松动圈范围内的动力冲击，对地下工程支护体系的抗冲击性能进行评价判据如下：
当
时，支护体系的防冲设计满足地下工程安全使用要求；
反之，支护体系不满足地下工程安全使用要求；
其中，W为单位走向围岩积聚的弹性应变能，γ为松动围岩的平均容重，g为重力加速度，L为现场支护试样6的设计长度，B为地下工程硐室跨度，k1为折减系数，k2为工程安全系数，n为单位走向范围内现场支护试样的数量。
松动圈范围内的动力冲击能包括围岩积聚的弹性应变能和顶板下沉岩体释放的势能。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价系统，其特征在于，包括水平设置的冲击管，冲击管由导向支架支撑，冲击管底部开设有配合槽，以使试样端部固定器进入其中；
冲击管一端依次设有反力支座和承载托盘，承载托盘连接气液复合油缸，气液复合油缸对承载托盘施加压力时对试样产生轴向拉力；冲击管另一端设置气缸，气缸连接撞击杆。
2.根据权利要求1所述的地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价系统，其特征在于，所述试样端部固定器包括固定座，固定座内设有安装槽，安装槽一侧转动连接摇臂；
所述摇臂能够朝向安装槽另一侧转动以压紧顶套，顶套用于固定试样端部。
3.根据权利要求2所述的地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价系统，其特征在于，所述安装槽内设有液压千斤顶，液压千斤顶的活塞端与摇臂抵接。
4.根据权利要求2所述的地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价系统，其特征在于，所述安装槽另一侧内壁固定有冲击力传感器。
5.根据权利要求1所述的地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价系统，其特征在于，所述反力支座开设有冲击孔，冲击孔、撞击杆分别与冲击管同轴设置；冲击孔两侧对称设有第一凹槽。
6.根据权利要求5所述的地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价系统，其特征在于，所述撞击杆、反力支座分别距冲击管端部设定距离，冲击管朝向撞击杆的一端为封闭端。
7.根据权利要求1所述的地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价系统，其特征在于，所述承载托盘中心设置试样孔，试样孔两侧对称设有第二凹槽。
8.地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价方法，其特征在于，包括：
基于如权利要求1-7任一所述的试验与评价系统，对支护构件进行动力学性能试验，获取单位长度支护构件在高应变率动态冲击作用下的力学性能参数；
结合试验结果、支护体系设计参数、动力冲击后的围岩释放能，对地下工程支护体系的抗冲击性能进行评价。
9.根据权利要求8所述的地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价方法，其特征在于，动力学性能试验包括对支护构件在动静组合荷载耦合作用下进行高应变率的拉伸破断试验，获取支护构件的冲击力时变曲线和位移时变曲线；
对冲击力时变曲线和位移时变曲线进行拟合处理，得到力-位移曲线；对力-位移曲线进行滤波处理，以获取光滑的力-位移曲线；
通过力-位移曲线获取单位长度支护构件在高应变率动力冲击作用下的延伸率和吸收能量。
10.根据权利要求8所述的地下工程支护体系高应变率动力学试验与评价方法，其特征在于，地下工程支护体系的抗冲击性能评价依据为：
当W+k1γεgLB＜k2nEL时，支护体系的防冲击能满足地下工程安全使用要求；反之，支护体系不满足地下工程安全使用要求；
其中，W为单位走向围岩积聚的弹性应变能，γ为松动围岩的平均容重，g为重力加速度，L为现场支护试样的设计长度，B为地下工程硐室跨度，k1为折减系数，k2为工程安全系数，n为单位走向范围内现场支护试样的数量，ε为延伸率，E为单位长度吸收能。
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