用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置，包括用于承载模型试件的底座、分别设有丝杠的垂直加载机架和水平加载机架、两个设有激振器的冲击加载单元以及水平静力加载单元，垂直加载机架竖直地固定在底座上，水平加载机架与水平静力加载单元分别设置于垂直加载机架两侧的底座上，冲击加载单元分别通过丝杠驱动可上下滑动地连接于水平加载机架与垂直加载机架上，使得激振器随冲击加载单元滑动至与模型试件相应的指定位置时通过激振器产生作用于模型试件的扰动，水平静力加载单元包括一根拉力可调节的钢丝，钢丝的一端可拆卸地连接于模型试件上。有益效果为：采用激振器进行模拟冲击扰动，可以实现多种波形，相较落锤冲击更符合实际情况，保证了试验的科学性。
【专利说明】
用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置
技术领域
[0001]本发明涉及深部岩体力学状态模拟研究领域，尤其涉及用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置。
【背景技术】
[0002]众所周知，岩体是实际的地质体，它由断层、节理和裂隙等所分割，这些结构面之间由强度较低的充填体所联系，所以岩体是典型的非均匀非连续介质，可看作由不同尺度的岩块相凝聚而成的集合体，其最主要特性是其块体性。
[0003]外力作用下，岩体的变形主要由岩块变形和结构面处充填材料的变形所组成，而后者占整个岩体变形的主要部分。实测资料显示，在岩体中进行地下工程施工开挖或者爆炸时，岩体边界面处产生了显著的岩块相差位移，主要是岩块的旋转和相互间的滑移，这种旋转和滑移在具有不同等级尺寸的岩块间传递，因此形成大振幅、慢速传播的广谱非线性弹塑性变“位”波系或称为摆形波。同时，岩块间的相互旋转和滑移使岩块间充填物被破坏从而出现摩擦力的减少或相互间接触的脱离，从而产生岩块间的低摩擦现象，使得岩块间的断裂滑移相对更加容易，岩块界面间“约束力(摩擦力)”的消失还可使原先岩块内储存的能量得以释放，从而诱发断裂滑移型岩爆或者工程性地震。
[0004]上述岩体变形破坏特征和机制的研究显然是传统的连续介质模型所无法得到的，必须基于岩体的块系构造理论，采用科学手段研究扰动作用下块系岩体的动态力学特性。
[0005]目前国内外许多学者进行了相关工作，分别在理论研究和模拟试验取得了一定的进展。但目前试验设备普遍采用落锤冲击的方法，控制精度低，操作性不强，不能定量地开展模拟试验。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种能实现高地应力、开挖扰动和爆炸扰动模拟的基于相似理论对深部岩体应力状态进行模拟测试的方法。
[0007]所述用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置，包括用于承载模型试件的底座、分别设有丝杠的垂直加载机架和水平加载机架、两个设有激振器的冲击加载单元以及水平静力加载单元，垂直加载机架竖直地固定在底座上，所述水平加载机架与水平静力加载单元分别设置于垂直加载机架两侧的底座上，所述冲击加载单元分别对应地通过一个所述丝杠驱动可上下滑动地连接于水平加载机架与垂直加载机架上，使得激振器随冲击加载单元滑动至与模型试件相应的指定位置时通过激振器产生作用于模型试件的扰动，所述水平静力加载单元包括一根拉力可调节的钢丝，所述钢丝的一端可拆卸地连接于模型试件的一侧，使所述拉力水平地作用于模型试件。
[0008]所述用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置的进一步设计在于，所述钢丝的另一端通过以拉力调节单元调节拉力的大小，所述拉力调节单元包括砝码盘与滑轮组，钢丝的另一端穿过所述滑轮组与所述砝码盘相连，通过改变砝码盘承载的砝码重量，实现水平拉力大小的调节。
[0009]所述用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置的进一步设计在于，垂直加载机架和水平加载机架上分别设有固定组件，所述固定组件包括支架与调节螺栓，所述支架设于竖直滑轨的两侧且每个支架的一端为设有内螺纹的顶圈，所述调节螺栓通过与所述顶圈旋横向地支撑在支架上，用于在滑块到达指定位置时，锁紧调节螺栓固定冲击加载单元。
[0010]所述用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置的进一步设计在于，所述冲击加载单元还包括荷载传感器、冲击头以及滑块，荷载传感器和冲击头安装于激振器相对于模拟试件的一侧，激振器产生冲击扰动，所述扰动依次经荷载传感器、冲击头作用于模型试件，激振器通过滑块滑动连接于对应的垂直加载机架或水平加载机架。
[0011]所述用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置的进一步设计在于，所述垂直加载机架和水平加载机架分别设有导轨，所述滑块与所述导轨滑动连接。
[0012]所述用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置的进一步设计在于，所述丝杠通过驱动单元驱动升降，所述驱动单元包括步进电机与减速箱，所述步进电机通过减速箱传动连接于丝杠。
[0013]所述用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置的进一步设计在于，所述底座的水平方向上设有导向槽，所述水平加载机架滑动地设置于导向槽内，便于适应不同尺寸的模型试件。
[0014]所述用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置的进一步设计在于，通过一控制单元控制信号源输入的相位差，可以调节两个冲击加载单元的激振器作用于试件的时间点及作用时长，用于模拟不同工况下块系岩体受冲击的现象，实现异步工作或同步工作，即实现单独施加冲击扰动，或同时施加重加扰动，或不同延时作用的双向冲击扰动。
[0015]本发明与现有技术相比，其显著优点如下:
[0016](I)本发明采用激振器进行模拟冲击扰动，可以实现多种波形，例如三角波、正弦波、余弦波，相较落锤冲击只能实现脉冲信号，更符合实际情况，保证了试验的科学性。
[0017](2)可精确控制作用于模型试件的冲击的力学参数及冲击能量，可以定量地展开试验研究。
[0018](3)整体稳定性好、易于操作，可重复性强。
【附图说明】
[0019]图1是本发明的用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]本发明的用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置具体如下:
[0021]本实施例的用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置，主要由用于承载模型试件的底座1、分别设有丝杠的垂直加载机架3和水平加载机架4、两个设有激振器的冲击加载单元以及水平静力加载单元组成。垂直加载机架3竖直地固定在底座上，水平加载机架4与水平静力加载单元分别设置于垂直加载机架两侧的底座上。冲击加载单元分别对应地通过丝杠驱动可上下滑动地连接于水平加载机架与垂直加载机架上，使得冲击加载单元滑动至与模型试件相应的指定位置时通过激振器产生作用于模型试件的扰动。
[0022]水平静力加载单元主要由一根拉力可调节的钢丝17与拉力调节单元组成。钢丝17的一端可拆卸地连接于模型试件上。钢丝的另一端通过一拉力调节单元调节拉力的大小。拉力调节单元由砝码盘与滑轮组组成。如图1，滑轮组由动滑轮18、滑轮座5以及定滑轮19组成。定滑轮19设置在滑轮座5上。钢丝17—端与模型试件固定，经动滑轮18和定滑轮19，另一端连接砝码盘20，通过改变砝码重量，调节水平拉力的大小。
[0023]垂直加载机架3和水平加载机架4上分别设有固定组件。固定组件由支架与调节螺栓组成。支架设于竖直滑轨的两侧且每个支架的一端为设有内螺纹的顶圈。调节螺栓通过与顶圈旋接水平地支撑在支架上，用于在滑块到达指定位置时，锁紧调节螺栓以固定冲击加载单元。
[0024]为了使得扰动精准、低损耗地作用于模拟试件2上，本实施例的冲击加载单元中还包括荷载传感器、冲击头以及滑块。荷载传感器和冲击头安装于激振器相对于模拟试件的一侧，激振器产生冲击扰动，扰动依次经荷载传感器、冲击头作用于模型试件，激振器通过滑块滑动连接于对应的垂直加载机架或水平加载机架。
[0025]进一步的，垂直加载机架和水平加载机架分别设有导轨，滑块11与导轨7滑动连接。
[0026]丝杠通过驱动单元驱动升降，驱动单元包括步进电机与减速箱，步进电机8通过减速箱9传动连接于丝杠。本实施例的丝杠10为滚轴丝杠。
[0027]为了使该实验装置适应不同尺寸的模型试件，在底座的水平方向上开设有导向槽，水平加载机架滑动地设置于导向槽内，使得水平加载机架可实现水平方向上的位移。
[0028]两个冲击加载单元的激振器通过一控制单元实现异步工作或同步工作，实现单独施加冲击扰动，或同时施加重加扰动，或不同延时作用的双向冲击扰动，从而能够实现多种波形，例如三角波、正弦波、余弦波，相较落锤冲击更符合实际情况脉冲，保证了试验的科学性。
[0029]本实施例的实验装置可用于以下两个实验:
[0030]实验一:首先将模型试件放置于底座I之上。对于垂直加载方向，通过步进电机8连接减速箱9，驱动安装于滚轴丝杠10的激振器14，激振器14通过滑块11沿线性滑轨7运动，当冲击头16到达预订位置时，旋紧调节螺栓13固定激振器14位置。对于水平加载方向，通过电机8连接减速箱9，驱动安装于滚轴丝杠10的激振器14，激振器14通过滑块11沿线性滑轨7运动，当冲击头16到达预订位置时，旋紧调节螺栓13固定激振器位置。然后开启激振器14产生相应的冲击扰动，经荷载传感器15和冲击头16分别作用于模型试件的顶部和侧面。
[0031]实验二:首先将模型试件放置于底座I之上。对于水平加载方向，用钢丝17—端与模型试件固定，经动滑轮18和定滑轮19，另一端连接砝码盘20，通过改变砝码重量，调节水平拉力的大小。对于垂直加载方向，通过电机8连接减速箱9，驱动安装于滚轴丝杠10的激振器14，激振器14通过滑块11沿线性滑轨7运动，当冲击头16到达预订位置时，旋紧调节螺栓13固定激振器14位置。然后开启激振器14产生相应的冲击扰动，经荷载传感器15作用于模型试件的顶部。
[0032]本实施例的实验装置可精确控制作用于模型试件的冲击的力学参数及冲击能量，可以定量地展开试验研究。另一方面，该装置的整体稳定性好、易于操作，可重复性强。
[0033]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置，其特征在于包括用于承载模型试件的底座、分别设有丝杠的垂直加载机架和水平加载机架、两个设有激振器的冲击加载单元以及水平静力加载单元，垂直加载机架竖直地固定在底座上，所述水平加载机架与水平静力加载单元分别设置于垂直加载机架两侧的底座上，所述冲击加载单元分别对应地通过一个所述丝杠驱动可上下滑动地连接于水平加载机架与垂直加载机架上，使得激振器随冲击加载单元滑动至与模型试件相应的指定位置时通过激振器产生作用于模型试件的扰动，所述水平静力加载单元包括一根拉力可调节的钢丝，所述钢丝的一端可拆卸地连接于模型试件的一侧，使所述拉力水平地作用于模型试件。2.根据权利要求1所述的用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置，其特征在于所述钢丝的另一端通过拉力调节单元调节拉力的大小，所述拉力调节单元包括砝码盘与滑轮组，钢丝的另一端穿过所述滑轮组与所述砝码盘相连，通过改变砝码盘承载的砝码重量，实现水平拉力大小的调节。3.根据权利要求2所述的用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置，其特征在于垂直加载机架和水平加载机架上分别设有固定组件，所述固定组件包括支架与调节螺栓，所述支架设于竖直滑轨的两侧且每个支架的一端为设有内螺纹的顶圈，所述调节螺栓通过与所述顶圈旋横向地支撑在支架上，用于在滑块到达指定位置时，锁紧调节螺栓固定冲击加载单元。4.根据权利要求1所述的用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置，其特征在于所述冲击加载单元还包括荷载传感器、冲击头以及滑块，荷载传感器和冲击头安装于激振器相对于模拟试件的一侧，激振器产生冲击扰动，所述扰动依次经荷载传感器、冲击头作用于模型试件，激振器通过滑块滑动连接于对应的垂直加载机架或水平加载机架。5.根据权利要求4所述的用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置，其特征在于所述垂直加载机架和水平加载机架分别设有导轨，所述滑块与所述导轨滑动连接。6.根据权利要求1所述的用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置，其特征在于所述丝杠通过驱动单元驱动升降，所述驱动单元包括步进电机与减速箱，所述步进电机通过减速箱传动连接于丝杠。7.根据权利要求1所述的用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置，其特征在于所述底座的水平方向上设有导向槽，所述水平加载机架滑动地设置于导向槽内，便于适应不同尺寸的模型试件。8.根据权利要求1所述的用于模拟块系岩体动态力学特性的实验装置，其特征在于通过一控制单元控制信号源输入的相位差，进而调节两个冲击加载单元的激振器作用于试件的时间点及作用时长，用于模拟不同工况下块系岩体受冲击的现象，实现两个冲击加载单元的单独施加冲击扰动或同时施加重加扰动或不同延时作用的双向冲击扰动。
【文档编号】G01N3/00GK205665117SQ201620266685
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】李 杰, 王波, 蒋海明
【申请人】济南创探安防科技有限公司