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1、(10)申请公布号 CN 103335903 A (43)申请公布日 2013.10.02 CN 103335903 A *CN103335903A* (21)申请号 201310245535.0 (22)申请日 2013.06.20 G01N 3/34(2006.01) (71)申请人 山东理工大学 地址 255086 山东省淄博市高新技术产业开 发区高创园 D 座 1012 室 (72)发明人 郑怀昌 肖超 王栋 李明 张晓君 武文治 (74)专利代理机构 淄博佳和专利代理事务所 37223 代理人 张雯 (54) 发明名称 爆破扰动冲击载荷精准模拟装置 (57) 摘要 爆破扰动冲击载荷精。
2、准模拟装置， 属于矿业 与岩土工程扰动效应实验技术领域。包括机架 （15） 、 安装在机架 （15） 上的上、 下承压板 （5、 8） 和 测量装置， 试样 （7） 固定在上、 下承压板 （5、 8） 之 间， 其特征在于 ： 还包括用于对试样 （7） 施加恒定 载荷的恒载加载机构， 用于对试样 （7） 施加扰动 载荷的扰动加载机构， 以及用于调节试样 （7） 所 处下部环境主振频率的主振频率调节装置， 利用 主振频率调节装置可以调整试样 （7） 所处实验环 境的主振频率与现场实测的主振频率相同， 精确 模拟扰动载荷对矿山及岩土工程岩石的损坏程 度， 本发明具有测量数据准确， 操作方便、 结构。
3、简 单等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103335903 A CN 103335903 A *CN103335903A* 1/1 页 2 1. 一种爆破扰动冲击载荷精准模拟装置， 包括机架 （15） 、 安装在机架 （15） 上的上、 下 承压板 （5、 8） 和测量装置， 试样 （7） 固定在上、 下承压板 （5、 8） 之间， 其特征在于 ： 还包括用 于对试样 （7） 施加恒定载荷的恒载加载机构， 用于对试样 （7。
4、） 施加扰动载荷的扰动加载机 构， 以及用于调节试样 （7） 所处下部环境主振频率的主振频率调节装置。 2. 根据权利要求 1 所述的爆破扰动冲击载荷精准模拟装置， 其特征在于 ： 所述扰动加 载机构包括空气锤 （13） ， 通过压缩气管路 （9） 与空气锤 （13） 连接的空压机 （11） ， 空气锤 （13） 竖直设置在下承压板 （8） 的上端面， 压缩气管路 （9） 上设有调节阀 （10） 和开关 （12） ； 空气锤 （13） 可调整其在下承压板 （8） 上相对试样 （7） 的位置。 3. 根据权利要求 2 所述的爆破扰动冲击载荷精准模拟装置， 其特征在于 ： 所述空气锤 （13） 上。
5、端通过竖直的空气锤稳固支架 （14） 支撑在机架 （15） 上部横梁下端面。 4. 根据权利要求 1 或 2 所述的爆破扰动冲击载荷精准模拟装置， 其特征在于 ： 所述扰 动加载机构在下承压板 （8） 相对试样 （7） 的多个位置施加扰动载荷， 试样 （7） 产生不同的峰 值振动速度。 5. 根据权利要求 1 所述的爆破扰动冲击载荷精准模拟装置， 其特征在于 ： 所述恒载加 载机构包括杠杆 （1） 、 压杆 （2） 和砝码 （3） ， 杠杆 （1） 一端铰接在机架 （15） 上， 另一端通过托 盘 （4） 挂载砝码 （3） ， 压杆 （2） 竖直固定在杠杆 （1） 与上承压板 （5） 之间。 。
6、6. 根据权利要求 1 所述的爆破扰动冲击载荷精准模拟装置， 其特征在于 ： 所述主振频 率调节装置为垫层 （6） ， 垫层 （6） 设置在扰动加载机构与机架 （15） 之间。 7. 根据权利要求 1 所述的爆破扰动冲击载荷精准模拟装置， 其特征在于 ： 所述主振频 率调节装置为垫层 （6） ， 垫层 （6） 设置在上承压板 （5） 与试样 （7） 之间。 8. 根据权利要求 1 所述的爆破扰动冲击载荷精准模拟装置， 其特征在于 ： 所述主振频 率调节装置为垫层 （6） ， 垫层 （6） 设置在下承压板 （8） 与试样 （7） 之间。 9. 根据权利要求 68 任一项所述的爆破扰动冲击载荷精准。
7、模拟装置， 其特征在于 ： 所 述垫层 （6） 材质为皮革。 10. 根据权利要求 1 所述的爆破扰动冲击载荷精准模拟装置， 其特征在于 ： 所述测量装 置包括爆破振动仪、 非金属声波检测仪和静态应变测试仪。 权 利 要 求 书 CN 103335903 A 2 1/6 页 3 爆破扰动冲击载荷精准模拟装置 技术领域 0001 爆破扰动冲击载荷精准模拟装置， 属于矿业与岩土工程扰动效应实验技术领域， 具体涉及一种充填体或岩石等试样在受扰动载荷影响下的破坏程度的实验装置。 背景技术 0002 为有效精准模拟地下空间工程及露天矿山、 路沟、 路堑等岩土工程及矿内充填体 因爆破造成的充填体或岩石等材。
8、料的损伤程度， 准确分析、 评价该类工程的稳定性， 必须准 确掌握施工中的爆破特征、 爆破次数、 爆破点距保护点的距离对处于不同压力状态下不同 性质岩石的损伤演化规律。 0003 中国专利 200610114015.6 公开了一种材料流变扰动效应实验系统及实验方法， 在实验中通过砝码施加冲击扰动载荷， 通过雷管施加爆破扰动载荷， 通过两个扰动载荷叠 加模拟真实的冲击载荷， 这种实验系统存在以下不足 ： 1、 实验只模拟扰动冲击载荷， 而试样在现场与实验室中， 其所处环境的主振频率是不 同的， 由说明书中表五与表六可以看出， 是否模拟试样所处环境的主振频率所得到的实验 结果相差很大， 如果实验中。
9、不去模拟主振频率， 得到的结果与实际数值存在很大偏差， 无法 准确指导实际施工。 0004 2、 砝码冲击受下落距离、 倾角的影响， 存在较大误差， 多个砝码叠加后下落， 砝码 之间存在振动， 产生的误差更大， 而且每次改变砝码质量不方便 ； 目前模拟雷管爆破， 由于 各雷管相互之间不并完全一致， 造成多次实验得出的数据存在较大误差， 这样利用砝码冲 击和雷管爆破叠加所得到的扰动载荷误差较大， 无法准确指导实际施工。 发明内容 0005 本发明要解决的技术问题是 ： 克服现有技术的不足， 提供一种精确模拟扰动载荷 对试样的损坏程度的爆破扰动冲击载荷精准模拟装置。 0006 本发明解决其技术问题。
10、所采用的技术方案是 ： 该爆破扰动冲击载荷精准模拟装 置， 包括机架、 安装在机架上的上、 下承压板和测量装置， 试样固定在上、 下承压板之间， 其 特征在于 ： 还包括用于对试样施加恒定载荷的恒载加载机构， 用于对试样施加扰动载荷的 扰动加载机构， 以及用于调节试样所处下部环境主振频率的主振频率调节装置。 0007 所述扰动加载机构包括空气锤， 通过压缩气管路与空气锤连接的空压机， 空气锤 竖直设置在下承压板的上端面， 压缩气管路上设有调节阀和开关 ； 空气锤可调整其在下承 压板上相对试样的位置。 0008 所述空气锤上端通过竖直的空气锤稳固支架支撑在机架上部横梁下端面。 0009 所述扰动。
11、加载机构在下承压板相对试样的多个位置施加扰动载荷， 试样产生不同 的峰值振动速度。 0010 所述恒载加载机构包括杠杆、 压杆和砝码， 杠杆一端铰接在机架上， 另一端通过托 盘挂载砝码， 压杆竖直固定在杠杆与上承压板之间。 说 明 书 CN 103335903 A 3 2/6 页 4 0011 所述主振频率调节装置为垫层， 垫层设置在扰动加载机构与机架之间。 0012 所述主振频率调节装置为垫层， 垫层设置在上承压板与试样之间。 0013 所述主振频率调节装置为垫层， 垫层设置在下承压板与试样之间。 0014 所述垫层材质为皮革。 0015 所述测量装置包括爆破振动仪、 非金属声波检测仪和静态。
12、应变测试仪。 0016 与现有技术相比， 本发明爆破扰动冲击载荷精准模拟装置所具有的有益效果是 ： 1、 精确模拟扰动载荷对试样的损坏程度， 实验中利用主振频率调节装置可以调整试样 所处环境的主振频率与现场实测主振频率相同， 可以达到实验室条件与现场相同， 数据更 加精确接近实际数据， 能够准确指导实际施工 ； 2、 操作方便， 通过调节阀可以任意改变空气锤的压力， 调节方便 ； 3、 结构简单、 成本低， 整个装置采用普通材料即可， 垫层可以选择常见材质。 附图说明 0017 图 1 是本发明爆破扰动冲击载荷精准模拟装置结构示意图。 0018 图 2 是峰值振动速度随空气锤与试样之间距离变化。
13、的曲线示意图。 0019 图 3 是主振频率随空气锤压力变化的曲线示意图。 0020 其中 ： 1、 杠杆 2、 压杆 3、 砝码 4、 托盘 5、 上承压板 6、 垫层 7、 试样 8、 下 承压板 9、 压缩气管路 10、 调节阀 11、 空压机 12、 开关 13、 空气锤 14、 空气锤稳固 支架 15、 机架。 具体实施方式 0021 图 1 3 是本发明爆破扰动冲击载荷精准模拟装置的最佳实施例， 下面结合附图 1 3 对本发明做进一步说明。 0022 参照附图 1 ： 该爆破扰动冲击载荷精准模拟装置， 包括机架 15、 恒载加载机构和扰 动加载机构， 机架 15 下部在左右两侧板之。
14、间为前后贯通的矩形通孔， 机架 15 上部设有横 梁， 恒载加载机构包括横向设置的杠杆 1， 杠杆 1 一端铰接在机架 15 上部， 另一端伸出机架 15 并铰接托盘 4， 砝码 3 放置在托盘 4 上， 杠杆 1 下方在机架 15 内连接有一竖直的压杆 2。 0023 压杆 2 下端螺纹连接有水平的圆形上承压板 5， 与上承压板 5 对应的在机架 15 底 部设有矩形的下承压板8， 充填体或岩石等试样7位于上、 下承压板5、 8之间， 下承压板8的 面积大于上承压板 5 的面积。上、 下承压板 5、 8 与试样 7 之间设有垫层 6， 通过不同材质的 垫层 6， 或者通过相同材质不同厚度的垫。
15、层 6 可以在相同压力下， 使下承压板 8 产生不同的 主振频率， 通过调整使下承压板 8 的主振频率与现场实测的主振频率相同， 这样实验测得 的数据更加接近真实数据， 更具有实用性。 0024 扰动加载机构包括竖直固定在下承压板8上端面的空气锤13， 空气锤13位于上承 压板 5 的外侧， 空气锤 13 的进气口通过压缩气管路 9 与空压机 11 连接， 压缩气管路 9 上设 有调节阀 10 和开关 12。通过调节阀 10 可以调节空气锤 13 的击打力度， 模拟不同的爆破等 施工产生的不同大小的扰动， 开关 12 控制空气锤 13 动作。 0025 空气锤 13 上端通过空气锤稳固支架 1。
16、4 支撑在机架 15 上部横梁下方， 通过空气锤 稳固支架14可以保证空气锤13动作后不会继续振动， 测得的数据更加准确， 在空气锤稳固 说 明 书 CN 103335903 A 4 3/6 页 5 支架 14 上端与机架 15 上部横梁之间设有垫层 6， 空气锤动作后对机架 15 上部横梁会有一 个反作用力， 这个力会影响最终下承压板 8 的主振频率， 通过垫层 6 可以调节下承压板 8 的 主振频率， 使测得的数据更加准确。经过实验垫层 6 采用皮革效果较理想。 0026 表一 。 0027 参照图 2 3 ： 表一是实验不同扰动载荷、 距离对峰值振动速度和主振频率的影 响， 由图 2 可。
17、知， 相同扰动载荷下， 峰值振动速度随空气锤 13 与试样 7 的距离变化而变化， 主振频率是不变的 ； 由图3可知， 空气锤13与试样7的距离相同， 主振频率随扰动载荷的变 化而变化。 0028 实验所用测量装置包括爆破振动仪、 非金属声波检测仪和静态应变测试仪。 0029 具体实验步骤如下 ： 步骤 1 ： 现场实测某几个压力和距离下现场的主振频率和峰值振动速度， 现场选取岩 石或胶结充填体， 实验室制作相同大小的多个试样 7。压力可以具体选择 0.3MPa、 0.4MPa、 0.5MPa 和 0.6MPa， 距离可以具体选择 6cm、 12cm、 18cm 和 24cm。 0030 步骤。
18、 2 ： 利用压力机将一个试样 7 压坏， 得到试样 7 的破环载荷即单轴抗压强 度。 0031 步骤 3 ： 将一完好试样 7 放于上、 下承压板 5、 8 之间， 调整上承压板 5 使其与试样 7 紧密接触， 将爆破振动仪、 非金属声波检测仪和静态应变测试仪等检测仪器安装好， 爆破振 动仪探头探测下承压板 8 的主振频率和峰值振动速度， 非金属声波检测仪和静态应变测试 说 明 书 CN 103335903 A 5 4/6 页 6 仪连接试样 7， 并连接计算机， 通过砝码 3 调整加载到试样 7 上的恒加载载荷， 在 0.2 0.8 之间选取。 0032 步骤 4 ： 通过在空气锤稳固支架。
19、 14 上端与机架 15 上部横梁之间也铺设垫层 6， 并 且在上、 下承压板 5、 8 与试样 7 之间铺设垫层 6， 在与步骤 1 相同压力下， 通过开关 12 控制 空气锤 13 动作， 爆破振动仪测得下承压板 8 的主振频率， 通过调整垫层 6 使实验所得的主 振频率与现场实测的主振频率相同， 确定所用垫层 6 的种类及厚度。 0033 步骤 5 ： 选择另一块完好的试样 7， 垫层 6 与步骤 4 中相同， 通过改变空气锤 13 到 试样 7 的水平距离， 在与步骤 1 相同压力下， 通过开关 12 控制空气锤 13 动作， 使爆破振动 仪测得的下承压板8的峰值振动速度与现场实测峰值。
20、振动速度相同， 确定空气锤13到试样 7 的距离。 0034 步骤 6 ： 选择另一块完好的试样 7， 通过调节阀 10 改变压缩气压力， 进而改变空气 锤 13 对下承压板 8 的冲击载荷， 模拟不同爆破量所产生的不同扰动载荷， 非金属声波检测 仪测得试样 7 的声波波速， 静态应变测试仪测出试样 7 的应变值。 0035 表二是在=0.3， 空气锤 13 的压力为 0.5MPa 的情况下所做实验数据。 0036 声速降低率的计算公式为 ：， 其中 v 为扰动后声波波速， 为初始波 速。 0037 50 次扰动后 ： 上部 中部 下部。 0038 步骤 7 ： 利用声波法建立了岩体损伤度、 。
21、完整性系数和声速降低率之间的 关系 ： 通过声速变化值就能够计算出岩体损伤度。 0039 步骤 8 ： 将步骤 6 中测试完的试样 7 放到压力机上， 将其压坏， 得到此时试样 7 的 破环载荷，-即是试样 7 的强度下降值。 0040 步骤 9 ： 通过实验测得的应变值可以计算试样 7 的弹性模量。 0041 表二 说 明 书 CN 103335903 A 6 5/6 页 7 。 0042 表三 。 0043 表四 。 0044 表三是在压力为 0.3MPa， 改变垫层 6， 得到的不同主振频率， 50 次扰动后， 与主振 频率相应的声波波速。表四是在压力为 0.5MPa， 空气锤 13 与。
22、试样 7 不同的距离产生不同 的峰值振动速度， 与峰值振动速度对应的声波波速。 由表三和表四可以看出， 主振频率和峰 值振动速度对实验结果会有较大的影响， 所以本发明在实验前标定主振频率和峰值振动速 度， 能够更加精确模拟现场实际数据。 0045 表五 说 明 书 CN 103335903 A 7 6/6 页 8 。 0046 表五是加垫层 6 实验、 传统实验与现场实测的对比实验， 初始声波波速相同， 以扰 动压力为 0.3MPa， 距离相同为例进行计算， 上、 中、 下部分别为 1.667、 1.807 和 1.899km/s， 试样 7 损伤度表六 ： 表六 。 0047 通过表六可以清。
23、楚的看出， 主振频率的调节对实验结果产生非常大的影响， 直接 影响实验能否精确模拟情况， 所以本发明利用垫层6调节实验中下承压板8的主振频率， 使 其与现场实测相同是完全有必要的。 0048 少量的实验难以避免数据误差， 必须经过大量实验， 剔除偶然因素的影响， 提高对 现场施工的指导作用。 本发明所提供的实验数据仅为从大量实验数据中所提取的具有指导 意义的一小部分。 0049 本发明中垫层 6 可以是皮革， 也可以是毛皮、 纸质或泡沫板等其他材质 ； 垫层 6 可 以仅设置在空气锤稳固支架 14 上端， 也可以仅设置上、 下承压板 5、 8 与试样 7 之间， 也可以 设置在空气锤稳固支架1。
24、4上端， 以及上、 下承压板5、 8与试样7之间 ； 恒载加载机构可以直 接在上承压板 5 上放置砝码 3， 也可以通过液压装置加载恒定载荷 ； 试样 7 可以通过围压加 载装置固定在机架 1 上 ； 本发明可以测量胶结充填体， 也可以测量岩石等其他试样。 0050 以上所述， 仅是本发明的较佳实施例而已， 并非是对本发明作其它形式的限制， 任 何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等 效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容 , 依据本发明的技术实质对以上实施例所 作的任何简单修改、 等同变化与改型， 仍属于本发明技术方案的保护范围。 说 明 书 CN 103335903 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103335903 A 9 2/2 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103335903 A 10 。