基于入水砰击诱发孔内三维爆炸荷载的模拟装置及方法

本发明属于岩体工程爆破加载实验模拟的，具体涉及基于入水砰击诱发孔内三维爆炸荷载的模拟装置及方法。

背景技术：

1、钻爆法作为岩土工程开挖建设的主要施工方法，其近场爆破破岩过程及开裂机理研究一直是岩石开挖破碎与成型控制的重要基础，如围岩爆破损伤孕育、岩石破碎块度分布、轮廓成型平整度等都依赖于炮孔近场开裂演化规律与破岩机理的明确揭示。目前，比较成熟的爆破破岩理论有应力波作用理论、爆生气体压力作用理论以及两者共同作用理论。其中，爆炸应力波与爆生气体联合作用理论因其可以较好地解释爆破破岩过程及破岩分区而得到了广泛认可。该理论认为常规爆破诱发的爆炸冲击波由爆心向外传播，压力峰值可在数十微秒到十几毫秒时间段内达到数十兆帕或几千兆帕后持续衰减，总体特点表现为荷载峰值高、持续时间短、衰减速度快，同时，孔内起爆的高温高压气体也会膨胀、气楔入岩，进一步促进岩石开裂。

2、从实际影响范围看，爆炸冲击波与爆生气体压力对远区毁伤影响有限，主要影响集中于炮孔近区。而因炸药爆炸本身产生的强电磁辐射、冲击波、高热气体等高危险性特征限制，室内开展炸药起爆近区实验研究受到明显安全性约束；同时炸药爆破也会引发火光、烟尘等干扰现象，导致实验近景图像可见性差、数据离散性大、可重复性差、可控能力与可靠性低等突出问题。且单次炸药用量大、周期长、组织难度高等因素也限制了通过大量现场实爆实验研究爆炸近区毁伤机理的方式。因此，研发较为有效可靠、可控性好、安全性高的爆炸近区荷载实验模拟技术，成为解决爆炸近区毁伤机理及效应研究的关键技术难题。

3、针对爆炸近区介质冲击毁伤效应的实验模拟技术，众多学者开展了探索研究，涉及冲击、霍普金森杆实验、液压伺服驱动类仪器开发等，在一定程度上实现了局部区域快速压力荷载的激发与加载，但在适用性和模拟效果上存在一定差别。其中，冲击型式自制与使用方便，可较好地实现局部低速冲击加载，但因其受质量、有效落高、导轨摩擦等限制，难以实现较高冲击能量与大范围连续分布荷载的有效模拟。霍普金森杆系统则在高应变率条件下的材料破碎特性分析上具备研究优势，入射波形可控性较好，可实现较大冲击能量的实验模拟，但在试样尺寸、型式、作业空间上受到限制。而液压/气动爆炸模拟器则可通过mts系统来改善冲击测试精度，同时采用多组驱动器并行的方式实现大范围连续分布的类爆炸荷载加载，冲击能量与加载速度上限高，尺寸不受限制。除此类非爆方法外，其它研究者所提出的混合气体爆炸诱导平面应力波孕育方法、借助水体改善应力波传播形态等方法也实现了爆破扰动的等效模拟与加载效果的改善优化，总体上仍然侧重于建筑材料或结构某侧边界面受冲击荷载作用时的毁伤效应与安全防护研究。

4、由上述可知，上述模拟方法已在岩石材料或模型试验中得到了大量应用和研究，以平面应力波形式加载为主，局限于缩尺模型和材料特性研究，难以有效表征岩体工程钻爆开挖的孔内炸药起爆诱发围岩介质近区开裂破碎特征，尤其是孔壁加载位置的圆弧形特征与孔内轴向传播三维过程将对近区岩体介质毁伤特征产生显著影响。

5、鉴于上述问题，研发一种有效可靠、可控性好、安全性高且适用于岩体爆炸开裂近区的实验模拟技术，成为解决岩体工程开裂破碎机理与效应研究的关键。

技术实现思路

1、根据现有技术的不足，本发明的目的是提供基于入水砰击诱发孔内三维爆炸荷载的模拟装置及方法，砰击块通过下落通道下落至预制岩样的砰击孔中，在液体表面激发类三角形型式作用的压力荷载时程，压力波通过液体内部向下和沿孔径向连续传播，使预制岩样开裂破坏，液体被压入已有裂纹裂隙，产生一定的流体楔入破岩作用，同样等效实现炸药爆炸中爆生气体的楔入破岩作用。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、基于入水砰击诱发孔内三维爆炸荷载的模拟装置，包括：

4、预制岩样，所述预制岩样具有砰击孔，所述砰击孔沿竖向设置且具有一定深度，所述砰击孔内设置有液体；

5、下落通道，所述下落通道沿竖向设置，所述下落通道设在所述砰击孔上方，所述下落通道和所述砰击孔同轴设置，且所述下落通道的底部和所述砰击孔的顶部有一定间距；

6、砰击块，所述砰击块通过所述下落通道竖向下落至所述砰击孔中，所述砰击块与所述砰击孔的中心对齐且所述砰击块不接触所述砰击孔的孔壁，以使所述预制岩样在液体顶面激发进入液体的类三角形型式作用的砰击压力，砰击压力相对于所述砰击孔径向外传播并作用于所述砰击孔的孔壁，且砰击压力向下轴向传播至所述砰击孔的孔底发生反射作用，当所诱发的砰击压力荷载造成预制岩样开裂时，液体被挤压进入预制岩样且对产生楔入破岩作用。

7、进一步地，所述砰击块的截面面积小于所述砰击孔的截面面积且两者差值在第一阈值以内，所述砰击块的截面面积小于所述下落通道的截面面积且两者差值在第二阈值以内，使所述砰击块通过所述下落通道下落至所述砰击孔中，所述砰击块与所述下落通道及所述砰击孔的中心均对齐且所述砰击块不接触所述下落通道的内壁及所述砰击孔的孔壁。

8、进一步地，还包括加速机构，所述加速机构用于对砰击块进行加速，以使砰击块以一定的速度通过所述下落通道下落至所述砰击孔中。

9、进一步地，所述加速机构为压力罐，所述砰击块通过卡紧件可拆卸地连接于所述压力罐。

10、进一步地，当预制岩样的厚度大于预制孔深度阈值时，砰击孔为盲孔，预制岩样在砰击孔的底部保留一定深度的岩石，以对孔底进行密封且对液体产生缓冲作用；

11、当预制岩样的厚度小于等于预制孔深度阈值时，当砰击孔为通孔，在砰击孔的孔底设置刚性支座，刚性支座与砰击孔的孔底相对设置，刚性支座部分伸入砰击孔且伸入部分与砰击孔的孔壁基本接触，砰击孔的孔底采用密封胶进行封堵，以对孔底进行密封且对液体产生缓冲作用。

12、进一步地，还包括约束机构，所述约束机构包括支架、上支撑板和下支撑板，所述上支撑板上设有上通孔，所述下支撑板上设有下通孔，所述上支撑板和所述下支撑板上下间隔一定距离固定于所述支架，所述下落通道通过方式一或方式二实现；

13、方式一：所述约束机构还包括滑筒，所述滑筒设于所述上通孔和所述下通孔之间，所述滑筒的一端固定于所述上支撑板，且所述滑筒的另一端固定于下支撑板，以使所述上通孔、所述滑筒和所述下通孔形成下落通道；

14、方式二：所述约束机构还包括多根导杆，所述导杆的一端固定于所述上支撑板，所述导杆的另一端固定于所述下支撑板，多根所述导杆环形分布围绕成虚拟滑道，以使所述上通孔、所述虚拟滑道和所述下通孔形成下落通道。

15、进一步地，还包括底板，所述底板固定于所述支架，且所述底板设于所述下支撑板下方，以使所述底板和所述下支撑板之间形成容置所述预制岩样的容置空间，所述预制岩样固定于底板。

16、进一步地，所述支架上设有竖向的第一滑槽、第二滑槽和第三滑槽，上支撑板、下支撑板和底板分别与第一滑槽、第二滑槽和第三滑槽滑动连接且上支撑板、下支撑板和底板均能够通过锁定件锁定，以对上支撑板、下支撑板和底板形成水平位移约束及竖向位移可调整的约束。

17、进一步地，所述砰击孔、所述砰击块和所述下落通道均为圆柱形，所述下落通道的直径较所述砰击孔直径低0.5-5mm，且所述砰击块的直径较所述下落通道的直径低0.5-5mm。

18、一种基于入水砰击诱发孔内三维爆炸荷载的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

19、步骤1：设置预制岩样，且在预制岩样上钻设砰击孔，砰击孔沿竖向设置且具有一定深度，在砰击孔内灌注液体；

20、步骤2：设置砰击块，使砰击块的截面面积小于砰击孔截面面积一定阈值；

21、步骤3：设置下落通道，下落通道沿竖向设置，下落通道设在砰击孔上方，下落通道和砰击孔同轴设置，且下落通道的底部和砰击孔的顶部有一定间距；

22、步骤4：使砰击块通过下落通道下落至砰击孔中，砰击块与砰击孔的中心对齐且砰击块不接触砰击孔的孔壁，以使预制岩样在液体顶面激发进入液体的类三角形型式作用的砰击压力，砰击压力相对于砰击孔径向外传播并作用于砰击孔的孔壁，且砰击压力向下轴向传播至砰击孔的孔底发生反射作用，当所诱发的砰击压力荷载造成预制岩样开裂时，液体被挤压进入预制岩样且产生楔入破岩作用。

23、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

24、本发明提供基于入水砰击诱发孔内三维爆炸荷载的模拟装置及方法，可以广泛应用于岩体工程的近区爆破开裂与损伤的实验研究。本发明通过在含砰击孔的预制岩样的孔内注入液体，以截面面积小于砰击孔截面面积一定阈值的砰击块在初速度条件下冲击液体顶面，在液体表面首先激发类三角形型式的进入液体的砰击压力时程荷载，压力波通过液体内部向下和沿砰击孔的孔径向连续传播，等效实现了炸药爆破砰击压力在砰击孔的孔口瞬时产生、作用于砰击孔的孔壁，并沿砰击孔的孔轴深度方向不断传播、衰减，且压力波传播至孔底发生反射的孔内砰击压力三维等效模拟。当预制岩样开裂破坏后，液体被压入已有裂纹裂隙，产生一定的流体楔入破岩作用，导致液体冲入裂缝缝隙中，并持续胀裂、延伸裂纹，同样等效实现了爆炸中爆生气体的楔入破岩作用。

25、此外，本发明可以通过控制砰击块的砰击速度、砰击质量等调控类三角形冲击荷载的压力峰值和持续时间，且在实验过程中不产生辐射、火光、烟尘等负面效应，可在实现可控型爆破荷载的三维加载实验模拟同时，较好匹配和支持现有高速摄影技术的近区冲击破岩动态监测。本发明能够克服炸药高危险性与现场试验的高成本与不可协调性对室内爆炸冲击试验研究的限制，能够安全、可控、低成本地实现岩体爆炸冲击实验模拟，推广可行性高，应用前景广泛。