本發(fā)明屬于巖體工程爆破加載實驗模擬的，具體涉及基于入水砰擊誘發(fā)孔內(nèi)三維爆炸荷載的模擬裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、鉆爆法作為巖土工程開挖建設的主要施工方法，其近場爆破破巖過程及開裂機理研究一直是巖石開挖破碎與成型控制的重要基礎，如圍巖爆破損傷孕育、巖石破碎塊度分布、輪廓成型平整度等都依賴于炮孔近場開裂演化規(guī)律與破巖機理的明確揭示。目前，比較成熟的爆破破巖理論有應力波作用理論、爆生氣體壓力作用理論以及兩者共同作用理論。其中，爆炸應力波與爆生氣體聯(lián)合作用理論因其可以較好地解釋爆破破巖過程及破巖分區(qū)而得到了廣泛認可。該理論認為常規(guī)爆破誘發(fā)的爆炸沖擊波由爆心向外傳播，壓力峰值可在數(shù)十微秒到十幾毫秒時間段內(nèi)達到數(shù)十兆帕或幾千兆帕后持續(xù)衰減，總體特點表現(xiàn)為荷載峰值高、持續(xù)時間短、衰減速度快，同時，孔內(nèi)起爆的高溫高壓氣體也會膨脹、氣楔入巖，進一步促進巖石開裂。

2、從實際影響范圍看，爆炸沖擊波與爆生氣體壓力對遠區(qū)毀傷影響有限，主要影響集中于炮孔近區(qū)。而因炸藥爆炸本身產(chǎn)生的強電磁輻射、沖擊波、高熱氣體等高危險性特征限制，室內(nèi)開展炸藥起爆近區(qū)實驗研究受到明顯安全性約束；同時炸藥爆破也會引發(fā)火光、煙塵等干擾現(xiàn)象，導致實驗近景圖像可見性差、數(shù)據(jù)離散性大、可重復性差、可控能力與可靠性低等突出問題。且單次炸藥用量大、周期長、組織難度高等因素也限制了通過大量現(xiàn)場實爆實驗研究爆炸近區(qū)毀傷機理的方式。因此，研發(fā)較為有效可靠、可控性好、安全性高的爆炸近區(qū)荷載實驗模擬技術(shù)，成為解決爆炸近區(qū)毀傷機理及效應研究的關(guān)鍵技術(shù)難題。

3、針對爆炸近區(qū)介質(zhì)沖擊毀傷效應的實驗模擬技術(shù)，眾多學者開展了探索研究，涉及沖擊、霍普金森桿實驗、液壓伺服驅(qū)動類儀器開發(fā)等，在一定程度上實現(xiàn)了局部區(qū)域快速壓力荷載的激發(fā)與加載，但在適用性和模擬效果上存在一定差別。其中，沖擊型式自制與使用方便，可較好地實現(xiàn)局部低速沖擊加載，但因其受質(zhì)量、有效落高、導軌摩擦等限制，難以實現(xiàn)較高沖擊能量與大范圍連續(xù)分布荷載的有效模擬?；羝战鹕瓧U系統(tǒng)則在高應變率條件下的材料破碎特性分析上具備研究優(yōu)勢，入射波形可控性較好，可實現(xiàn)較大沖擊能量的實驗模擬，但在試樣尺寸、型式、作業(yè)空間上受到限制。而液壓/氣動爆炸模擬器則可通過mts系統(tǒng)來改善沖擊測試精度，同時采用多組驅(qū)動器并行的方式實現(xiàn)大范圍連續(xù)分布的類爆炸荷載加載，沖擊能量與加載速度上限高，尺寸不受限制。除此類非爆方法外，其它研究者所提出的混合氣體爆炸誘導平面應力波孕育方法、借助水體改善應力波傳播形態(tài)等方法也實現(xiàn)了爆破擾動的等效模擬與加載效果的改善優(yōu)化，總體上仍然側(cè)重于建筑材料或結(jié)構(gòu)某側(cè)邊界面受沖擊荷載作用時的毀傷效應與安全防護研究。

4、由上述可知，上述模擬方法已在巖石材料或模型試驗中得到了大量應用和研究，以平面應力波形式加載為主，局限于縮尺模型和材料特性研究，難以有效表征巖體工程鉆爆開挖的孔內(nèi)炸藥起爆誘發(fā)圍巖介質(zhì)近區(qū)開裂破碎特征，尤其是孔壁加載位置的圓弧形特征與孔內(nèi)軸向傳播三維過程將對近區(qū)巖體介質(zhì)毀傷特征產(chǎn)生顯著影響。

5、鑒于上述問題，研發(fā)一種有效可靠、可控性好、安全性高且適用于巖體爆炸開裂近區(qū)的實驗模擬技術(shù)，成為解決巖體工程開裂破碎機理與效應研究的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供基于入水砰擊誘發(fā)孔內(nèi)三維爆炸荷載的模擬裝置及方法，砰擊塊通過下落通道下落至預制巖樣的砰擊孔中，在液體表面激發(fā)類三角形型式作用的壓力荷載時程，壓力波通過液體內(nèi)部向下和沿孔徑向連續(xù)傳播，使預制巖樣開裂破壞，液體被壓入已有裂紋裂隙，產(chǎn)生一定的流體楔入破巖作用，同樣等效實現(xiàn)炸藥爆炸中爆生氣體的楔入破巖作用。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、基于入水砰擊誘發(fā)孔內(nèi)三維爆炸荷載的模擬裝置，包括：

4、預制巖樣，所述預制巖樣具有砰擊孔，所述砰擊孔沿豎向設置且具有一定深度，所述砰擊孔內(nèi)設置有液體；

5、下落通道，所述下落通道沿豎向設置，所述下落通道設在所述砰擊孔上方，所述下落通道和所述砰擊孔同軸設置，且所述下落通道的底部和所述砰擊孔的頂部有一定間距；

6、砰擊塊，所述砰擊塊通過所述下落通道豎向下落至所述砰擊孔中，所述砰擊塊與所述砰擊孔的中心對齊且所述砰擊塊不接觸所述砰擊孔的孔壁，以使所述預制巖樣在液體頂面激發(fā)進入液體的類三角形型式作用的砰擊壓力，砰擊壓力相對于所述砰擊孔徑向外傳播并作用于所述砰擊孔的孔壁，且砰擊壓力向下軸向傳播至所述砰擊孔的孔底發(fā)生反射作用，當所誘發(fā)的砰擊壓力荷載造成預制巖樣開裂時，液體被擠壓進入預制巖樣且對產(chǎn)生楔入破巖作用。

7、進一步地，所述砰擊塊的截面面積小于所述砰擊孔的截面面積且兩者差值在第一閾值以內(nèi)，所述砰擊塊的截面面積小于所述下落通道的截面面積且兩者差值在第二閾值以內(nèi)，使所述砰擊塊通過所述下落通道下落至所述砰擊孔中，所述砰擊塊與所述下落通道及所述砰擊孔的中心均對齊且所述砰擊塊不接觸所述下落通道的內(nèi)壁及所述砰擊孔的孔壁。

8、進一步地，還包括加速機構(gòu)，所述加速機構(gòu)用于對砰擊塊進行加速，以使砰擊塊以一定的速度通過所述下落通道下落至所述砰擊孔中。

9、進一步地，所述加速機構(gòu)為壓力罐，所述砰擊塊通過卡緊件可拆卸地連接于所述壓力罐。

10、進一步地，當預制巖樣的厚度大于預制孔深度閾值時，砰擊孔為盲孔，預制巖樣在砰擊孔的底部保留一定深度的巖石，以對孔底進行密封且對液體產(chǎn)生緩沖作用；

11、當預制巖樣的厚度小于等于預制孔深度閾值時，當砰擊孔為通孔，在砰擊孔的孔底設置剛性支座，剛性支座與砰擊孔的孔底相對設置，剛性支座部分伸入砰擊孔且伸入部分與砰擊孔的孔壁基本接觸，砰擊孔的孔底采用密封膠進行封堵，以對孔底進行密封且對液體產(chǎn)生緩沖作用。

12、進一步地，還包括約束機構(gòu)，所述約束機構(gòu)包括支架、上支撐板和下支撐板，所述上支撐板上設有上通孔，所述下支撐板上設有下通孔，所述上支撐板和所述下支撐板上下間隔一定距離固定于所述支架，所述下落通道通過方式一或方式二實現(xiàn)；

13、方式一：所述約束機構(gòu)還包括滑筒，所述滑筒設于所述上通孔和所述下通孔之間，所述滑筒的一端固定于所述上支撐板，且所述滑筒的另一端固定于下支撐板，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：所述約束機構(gòu)還包括多根導桿，所述導桿的一端固定于所述上支撐板，所述導桿的另一端固定于所述下支撐板，多根所述導桿環(huán)形分布圍繞成虛擬滑道，以使所述上通孔、所述虛擬滑道和所述下通孔形成下落通道。

15、進一步地，還包括底板，所述底板固定于所述支架，且所述底板設于所述下支撐板下方，以使所述底板和所述下支撐板之間形成容置所述預制巖樣的容置空間，所述預制巖樣固定于底板。

16、進一步地，所述支架上設有豎向的第一滑槽、第二滑槽和第三滑槽，上支撐板、下支撐板和底板分別與第一滑槽、第二滑槽和第三滑槽滑動連接且上支撐板、下支撐板和底板均能夠通過鎖定件鎖定，以對上支撐板、下支撐板和底板形成水平位移約束及豎向位移可調(diào)整的約束。

17、進一步地，所述砰擊孔、所述砰擊塊和所述下落通道均為圓柱形，所述下落通道的直徑較所述砰擊孔直徑低0.5-5mm，且所述砰擊塊的直徑較所述下落通道的直徑低0.5-5mm。

18、一種基于入水砰擊誘發(fā)孔內(nèi)三維爆炸荷載的模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

19、步驟1：設置預制巖樣，且在預制巖樣上鉆設砰擊孔，砰擊孔沿豎向設置且具有一定深度，在砰擊孔內(nèi)灌注液體；

20、步驟2：設置砰擊塊，使砰擊塊的截面面積小于砰擊孔截面面積一定閾值；

21、步驟3：設置下落通道，下落通道沿豎向設置，下落通道設在砰擊孔上方，下落通道和砰擊孔同軸設置，且下落通道的底部和砰擊孔的頂部有一定間距；

22、步驟4：使砰擊塊通過下落通道下落至砰擊孔中，砰擊塊與砰擊孔的中心對齊且砰擊塊不接觸砰擊孔的孔壁，以使預制巖樣在液體頂面激發(fā)進入液體的類三角形型式作用的砰擊壓力，砰擊壓力相對于砰擊孔徑向外傳播并作用于砰擊孔的孔壁，且砰擊壓力向下軸向傳播至砰擊孔的孔底發(fā)生反射作用，當所誘發(fā)的砰擊壓力荷載造成預制巖樣開裂時，液體被擠壓進入預制巖樣且產(chǎn)生楔入破巖作用。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：

24、本發(fā)明提供基于入水砰擊誘發(fā)孔內(nèi)三維爆炸荷載的模擬裝置及方法，可以廣泛應用于巖體工程的近區(qū)爆破開裂與損傷的實驗研究。本發(fā)明通過在含砰擊孔的預制巖樣的孔內(nèi)注入液體，以截面面積小于砰擊孔截面面積一定閾值的砰擊塊在初速度條件下沖擊液體頂面，在液體表面首先激發(fā)類三角形型式的進入液體的砰擊壓力時程荷載，壓力波通過液體內(nèi)部向下和沿砰擊孔的孔徑向連續(xù)傳播，等效實現(xiàn)了炸藥爆破砰擊壓力在砰擊孔的孔口瞬時產(chǎn)生、作用于砰擊孔的孔壁，并沿砰擊孔的孔軸深度方向不斷傳播、衰減，且壓力波傳播至孔底發(fā)生反射的孔內(nèi)砰擊壓力三維等效模擬。當預制巖樣開裂破壞后，液體被壓入已有裂紋裂隙，產(chǎn)生一定的流體楔入破巖作用，導致液體沖入裂縫縫隙中，并持續(xù)脹裂、延伸裂紋，同樣等效實現(xiàn)了爆炸中爆生氣體的楔入破巖作用。

25、此外，本發(fā)明可以通過控制砰擊塊的砰擊速度、砰擊質(zhì)量等調(diào)控類三角形沖擊荷載的壓力峰值和持續(xù)時間，且在實驗過程中不產(chǎn)生輻射、火光、煙塵等負面效應，可在實現(xiàn)可控型爆破荷載的三維加載實驗模擬同時，較好匹配和支持現(xiàn)有高速攝影技術(shù)的近區(qū)沖擊破巖動態(tài)監(jiān)測。本發(fā)明能夠克服炸藥高危險性與現(xiàn)場試驗的高成本與不可協(xié)調(diào)性對室內(nèi)爆炸沖擊試驗研究的限制，能夠安全、可控、低成本地實現(xiàn)巖體爆炸沖擊實驗模擬，推廣可行性高，應用前景廣泛。