一种简易岩石振动损伤试验装置及岩石振动速度测量方法

技术领域

本发明涉及爆破开挖引起的岩石振动损伤预制，具体是指一种简易岩石振动损伤试验装置及方法。

背景技术

钻爆法开挖由于其高效、地质条件适应性强等优点，被广泛运用于各种地下工程中。但同时，钻爆法开挖产生的爆破振动会影响开挖后围岩的力学性质，造成岩石或岩体的损伤，不利于围岩的稳定性，因此，研究岩石的振动损伤效应尤为重要。

现有研究表明，岩石的振动速度与其损伤程度存在一定的正相关关系，获得岩石的振动速度对于后续测定岩石的振动损伤程度极其重要。现有获得岩石振动速度的方法大多体现在现场的围岩爆破振动监测方面，室内常用的岩石振动试验装置——霍普金森压杆测试装置(SHPB)则因其设备昂贵，试验技术门槛高，而限制了其在岩石振动与损伤方面的研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有岩石振动速度的获得不便，本发明提供一种简易岩石振动损伤试验装置及岩石振动速度测量方法，以方便对岩石进行振动冲击试验，并及测得岩石振动速度，方便后续进行岩石振动损伤程度的研究。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种简易岩石振动损伤试验装置，包括框架，所述框架的顶部设置悬挂机构，所述悬挂机构的下方经吊绳悬挂刚体，所述框架的下部设置装样室，所述装样室的顶部设置样品入口，两侧设置样品支撑机构，底部设置位移传感器安装台，所述框架上设置驱动机构，所述驱动机构与所述样品支撑机构连接，所述位移传感器安装台上竖直安装位移传感器和第一弹簧，所述第一弹簧的上面安装缓冲垫片，试验开始前，样品经样品入口置于装样室内，并被所述样品支撑机构支撑，所述缓冲垫片的上表面与所述样品的底面相接触，下表面与所述位移传感器的探针相接触，且所述位移传感器的信号输出端与数据采集中心连接，试验进行时，所述刚体与所述样品接触的同时，所述驱动机构驱使所述样品支撑机构松开所述样品。

本发明利用高处悬挂的刚体下落撞击样品来模拟对样品施加冲击荷载，再利用位移传感器获得样品(岩石)的位移-时间曲线，进而再由数据采集中心利用位移、速度、时间的关系获得速度-时间曲线，最后结合一维应力波理论和动量定律得到岩石的振动速度v表达式，由此测得岩石振动速度。

优选地，所述悬挂机构为电机，所述吊绳的一端卷绕在所述电机的转轴上，以便通过电机转动收缩吊绳，从而调整刚性悬挂高度。

优选地，所述吊绳的另一端分为五股，其中一股连接所述刚体的顶面中心，另四股连接所述刚体的顶面中心周边位置，且所述刚体顶面中心周边的四个吊绳连接点均布于所述刚体顶面的同一圆周上，以保证刚体的铅锤形态。

优选地，所述样品支撑机构包括在所述装样室周边布置的多个固定器和设置在所述固定器与所述框架之间的第二弹簧，以实现样品在被冲击前的固定。

优选地，所述驱动机构包括在所述框架侧壁上开设的通槽、设置在所述通槽内的旋转轴、旋转安装在所述旋转轴上的拨片、连接在所述拨片和所述固定器的连接绳，所述拨片的一端伸入所述框架内，并与所述刚体形成干涉。

优选地，所述连接绳绕过定滑轮与所述固定器连接。

优选地，所述刚体为倒锥形刚体，所述刚体的锥面接触所述拨片时，所述拨片开始通过所述连接绳驱动所述固定柱后移，在所述刚体到达所述样品时，所述固定柱恰好松开所述样品。

优选地，所述刚体与所述框架光滑接触，以避免摩擦力对刚性的速度产生影响。

优选地，所述框体上设置位移限位突起装置，所述缓冲垫片位于所述位移限位突起装置的上方，且所述缓冲垫片到达所述位移限位突起装置时会被所述位移限位突起装置阻挡，以保护位移传感器。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种利用所述简易岩石振动损伤试验装置进行岩石振动速度测量方法，其包括下列步骤：

先将刚体提升至一定高度，然后在装样室安装样品，并用样品支撑结构固定，同时保证样品的底面与缓冲垫片轻微接触，样品的顶端超出装样室顶部少许距离，接着让刚体竖直下落，使刚性作为冲击物撞击样品的顶端，在此过程中，当刚体刚好触碰到样品时，刚体的侧面恰好触发驱动机构，驱动机构驱使样品支撑结构松开样品，刚体在极短时间内撞击样品，样品向下运动使位移传感器的探针向下运动，数据采集中心记录位移-时间数据，并转换为速度-时间数据，最后，根据一维应力波理论和动量定律得到岩石的振动速度v表达式:

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明装置原理简单、操作便捷，可以较为准确地得到岩石的振动速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明振动冲击试验装置正面结构示意图。

图2是本发明振动冲击试验装置的立体结构示意图。

图3是本发明振动冲击试验装置的冲击部位局部放大结构示意图。

图4是本发明振动冲击试验装置位移传感器测得的位移-时间曲线和速度-时间曲线示意图。

附图标记说明：

1.框架、2.悬挂机构、3.吊绳、4.刚体、5.数据采集中心、6.装样室、7.拨片、8.连接绳、9.定滑轮、10.第二弹簧、11.固定器、12.缓冲垫片、13.旋转轴、14.位移传感器、15.第一弹簧、16.位移限位突起装置、17.位移传感器安装台、18.通槽、19.样品。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

为了便于描述，各部件的相对位置关系，如：上、下、左、右等的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。

请参阅图1、图2、图3，本发明简易岩石振动损伤试验装置一实施例包括圆柱形的整体框架1，所述框架1的顶部设置悬挂机构2，所述悬挂机构2的下方经吊绳3悬挂倒锥形的刚体4，所述框架1的下部设置装样室6，所述装样室6的顶部设置样品入口，两侧设置用于固定样品19的样品支撑机构，底部设置位移传感器安装台17。所述框架1上设置驱动机构，所述驱动机构与所述样品支撑机构连接，在驱动机构的作用下，所述样品支撑机构可松开样品19。所述位移传感器安装台17上竖直安装两个位移传感器14和第一弹簧17，所述第一弹簧17的上面安装缓冲垫片12，且所述位移传感器14的信号输出端与数据采集中心5连接。所述位移传感器14上部的探针和第一弹簧17可做弹性伸缩运动，用于记录样品19的运动位移，试验开始前，所述位移传感器14上部的探针和第一弹簧17与缓冲垫片12的下表面相接触，所述缓冲垫片12的上表面与所述样品19的底面轻微接触。

本实施例中，所述悬挂机构2为电机，所述吊绳3的一端卷绕在所述电机的转轴上，如此，通过启动电机，可升降吊绳3从而控制刚体4的安装高度。本文中提到的样品为岩石样品。

所述吊绳3的另一端分为五股，其中一股连接所述刚体4的顶面中心，另四股连接所述刚体4的顶面中心周边位置，且所述刚体顶面中心周边的四个吊绳连接点均布于所述刚体顶面的同一圆周上形成对称连接，目的是保证刚体4的铅锤形态。

所述刚体4与框架1内壁光滑接触，并在施放吊绳3后，刚体4沿着框架1做直线运动。

如图3所示，所述样品支撑机构包括在所述装样室6周边布置的多个固定器11和设置在所述固定器11与所述框架1之间的第二弹簧10。第二弹簧10用于固定器11的复位。固定器11主要用于夹持样品19使其保持水平状态。

所述驱动机构包括在所述框架1中部两侧侧壁上对称设置的方形通槽18、设置在所述通槽18内的旋转轴13、旋转安装在所述旋转轴13上的拨片7、连接所述拨片7和所述固定器11的连接绳8，所述拨片7的一端伸入所述框架1内，并与所述刚体4的锥面形成干涉，所述连接绳8绕过定滑轮9与所述固定器11连接。所述连接绳8优选为钢丝。

所述框体1的下部侧壁上设置位移限位突起装置16，所述缓冲垫片12位于所述位移限位突起装置16的上方，且所述缓冲垫片12到达所述位移限位突起装置16时会被所述位移限位突起装置16阻挡。

开始实验时，先利用电机2将锥形刚体4提升至一定高度，然后样品19经样品入口置于装样室6内，并将圆柱体形的样品19用固定器11固定，使样品19的底面与缓冲垫片12轻微接触上，样品19顶端调整至超出装样室6顶部少许距离。接着断开电机2的电源，锥形刚体4竖直自由下落，作为冲击物撞击样品19顶端，当锥形刚体4刚好触碰到样品19时，锥形刚体4的圆锥侧面恰好会触碰到拨片7，带动连接绳8使得第二弹簧10被压缩，固定器11松开样品19。锥形刚体4在极短时间内开始撞击样品19，样品19向下运动，造成位移传感器14的探针向下运动，数据采集中心5同时记录位移-时间数据(如图4所示)。样品19下降过程中，随着第一弹簧15的压缩，缓冲垫片12最远到达位移限位突起装置16就会被阻挡。至此，样品19受到一次冲击振动。

岩石的振动速度可以根据一维应力波理论推导获得。一维应力波理论公式如下：

σ＝ρvc

式中，σ为岩石受冲击的应力；ρ为岩石的密度；c为岩石的波速；v为岩石的振动速度。

岩石的密度和波速可提前测得，故只要得到岩石受冲击的应力即可得知岩石的振动速度。设岩石受冲击完成瞬间的速度为V，岩石受冲击前的速度为0。则根据动量定理，有：

σSt＝mV

式中：m为试样质量；S为岩石横截面积。

故只要知道了岩石的冲击时间t，即可得到岩石的冲击荷载σ。

由图4所示，0～t1时间段内，岩石受到冲击作用，位移迅速增加；t1～t2时间段内，岩石受冲击作用结束，位移缓慢增加直至位移限位阻尼处。利用数据采集中心5处理数据可得速度-时间曲线，t1时刻，岩石下降速度达到最大值V。根据动量定理可计算得出岩石的冲击应力σ值，再根据一维应力波理论公式推算得出岩石的振动速度v表达式如下:

以上所述，仅为本发明的具体实施方案，但本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。