[发明专利]一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置

说明书

本发明公开了一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置，包括试验台和落锤，试验台的顶端设置有两根相互平行的导向柱，落锤能够沿两根导向柱上下滑动，两根导向柱之间设置有第一承压柱和第二承压柱，第二承压柱放置在第一承压柱的顶端，落锤的初始位置位于第一、第二承压柱叠放后第二承压柱的顶端，两根所述导向柱上均设置有多个用于阻挡落锤下滑的限位块，各限位块所处的高度相同，且各限位块的顶端面到落锤底端面的距离均小于第一承压柱的顶端面到落锤底端面的距离。本发明可以模拟大型海底隧道、深部矿井巷道等工程在开挖过程中产生的瞬态卸压应力波，解决了现有的试验还停留在卸压载荷速率低的问题。

技术领域

本发明属于相似模拟试验技术领域，尤其涉及一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置。

背景技术

近些年来，众多大型海底隧道、深部矿井巷道等工程在开挖过程中，面临深部高应力状态岩体破坏、岩爆动力灾害发生次数增加的挑战，而受实验条件限制，无法实现相应条件下的岩体物理力学性质实验。为此，部分学者将多相耦合、静动结合等岩石力学问题的研究转向数值模拟分析，不过在大型相似实验系统中缺少施加瞬态卸压应力波的装置。

从力学本来性质上来说，岩体工程的施工是一个应力重新分布过程，不一样的地质条件、施工方式或施工对象可引起不同的应力重新分布特征。一般来说，岩体工程的施工过程中必定引起至少一个应力卸载。同时，爆破施工与掘进机施工等施工方式的不同，对岩体应力释放速率和应力重新分布速率、岩体变形量和变形速率的影响也不同，甚至相差很大。例如，高地应力状态岩体爆破开挖过程诱发的岩体卸压是一动态过程，被爆岩体从母岩上脱离并发生抛掷运动的时间非常短，卸压具有瞬态性。但是，目前实验室内的研究都还停留在低卸压速率阶段，很难对试件施加瞬态卸压冲击波，故在进行这一类的实验时所得到的实验数据与实际的情况有差异。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

发明内容

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种操作简便的在大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置。

本发明所采用的技术方案为：

一种大型相似实验系统中施加瞬态卸压应力波的装置，包括试验台和落锤，试验台的顶端设置有两根相互平行的导向柱，落锤能够沿两根导向柱上下滑动，两根导向柱之间设置有第一承压柱和第二承压柱，第二承压柱放置在第一承压柱的顶端，落锤的初始位置位于第一、第二承压柱叠放后第二承压柱的顶端，两根所述导向柱上均设置有多个用于阻挡落锤下滑的限位块，各限位块所处的高度相同，且各限位块的顶端面到落锤底端面的距离均小于第一承压柱的顶端面到落锤底端面的距离。

所述瞬态卸压应力波的频率和幅值通过改变落锤的质量、击打撞击杆的速率以及第二承压柱的大小、形状来改变。

所述落锤、第一承压柱、第二承压柱三者的重心位于同一条直线上。

所述装置还包括用于对第二承压柱施加横向作用力的撞击杆和施力部，撞击杆的一端正对第一、第二承压柱叠放后第二承压柱在竖直方向上的中央位置处，撞击杆的另一端正对施力部。

所述撞击杆的下方设置有用于支撑撞击杆的支架。

所述支架为伸缩式支架，支架上设置有高度调节开关。

所述落锤与第二承压柱的接触面、第二承压柱与第一承压柱的接触面均为光滑表面，所述第一承压柱的高度大于第二承压柱的高度，第一承压柱的横向截面积大于第二承压柱的横向截面积。

所述落锤的截面呈H型，所述试验台上开设有用于放置第一承压柱的孔槽。

所述限位块为可拆卸式限位块。

所述施力部为人力或自动施力装置。

本发明还提供了一种模拟深部开挖推进过程中产生的瞬态卸压应力波的方法，该方法包括如下步骤：