一种深地下爆炸效应模拟试验装置与测试技术的制作方法

本发明具体涉及一种深地下爆炸效应模拟试验装置与测试技术，属于气压正压加载与爆炸加载技术领域。

背景技术：

我国科学家清醒认识到，世界范围内深部地下空间建设正方兴未艾，向地球深部寻求发展和生存空间已经成为世界范围内岩土工程建设和开发的共同趋势；同时，鉴于世界地缘政治格局演变、经济全球化和我国能源瓶颈的挑战，他们更把注意力投向事关国家安全和社会发展的三个重大前沿领域：地下战略防护工程、核废料处置和石油战略储备。由于深部地质体与其它工程材料的区别很大，尤其是高地应力、高地温、高岩溶水压等环境因素的影响，很多基本理论如本构关系仍未清楚，现有理论模型的适用性受到质疑。通过研究揭示强动载(爆炸、冲击)作用下深部岩石动力变形规律与破坏特征，并在此基础上就深部地下空间开发的工程安全问题提出对策和建议，为我国能源发展和深部工程建设提供依据和参考，对解决当前深地下空间开发建设中所遇到的世界性难题有很强的学术价值和实践意义。

强动载作用下深部岩体的特异动力反应现象无法全部用现有的岩石力学理论圆满解释，已引起国际上岩石力学工程领域专家、学者的极大关注。面对能源开采不慎引发的爆炸事故，事关国家安全和社会发展的深地下工程不仅要提高抗爆炸能力，更重要的是要抵抗深地爆炸岩石扰动所带来的毁伤效应，地下工程关键科学技术问题的研究亟待要求对岩石中爆炸作用引起的应力、变形及其它运动参数和破坏效应做出比较准确的评估。深地下爆炸试验是获取深部岩石介质动态响应数据和破坏信息的最直接、最有效手段，也是检验理论分析和数值模拟正确性的唯一标准。因此，亟需发明一种深地下爆炸效应模拟试验装置与测试技术，为深地下工程构筑提供试验依据。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种深地下爆炸效应模拟试验装置与测试技术，安全可靠，量测手段先进，能够揭示高静水压力与爆炸荷载耦合作用下深部岩石介质的运动规律和应力波传播规律，为深地工程构筑提供参考。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种深地下爆炸效应模拟试验装置，其特征在于，包括球形花岗岩试样、玻璃钢筒、承压容器、钢纤维rpc防护井、橡胶支座、控制系统和数据采集仪；

所述球形花岗岩试样内部预埋微型tnt球形炸药，以炸药为圆心设有电磁粒子速度计，与所述电磁粒子速度计平行设置有压力计；所述球形花岗岩试样表面设有4号铜电雷管，所述4号铜电雷管通过柔爆索与微型tnt球形炸药相连；所述球形花岗岩试样置于玻璃钢筒内，所述玻璃钢筒的外部缠绕漆包铜线，通电后可在球形花岗岩试样周围产生均匀磁场；

所述玻璃钢筒垂直固定于承压容器底部，所述承压容器两侧分别设有气路法兰和线缆法兰，所述承压容器置于橡胶支座之上，所述橡胶支座位于钢纤维rpc防护井的底部，所述钢纤维rpc防护井的下部设有气路通道；

所述4号铜电雷管、电磁粒子速度计及压力计均采用数据线延长，通过线缆法兰伸出分别与控制系统和数据采集仪连接。

结合第一方面，进一步的，所述球形花岗岩试样通过与玻璃钢筒底部侧壁相连的倒立漏斗形玻璃钢筒进行支承，置于玻璃钢筒内。

进一步的，所述承压容器的顶部设有采光孔，底部设有摄像孔。

进一步的，所述电磁粒子速度计为圆环型电磁粒子速度计。

进一步的，所述球形花岗岩试样包括上半球腔室和下半球腔室，所述上半球形腔室和下半球形腔室连通，采用环氧树脂粘合。

进一步的，所述球形花岗岩试样上半球腔室沿半径方向预埋有不锈钢管，所述不锈钢管从预埋不锈钢管穿出，连接微型tnt球形炸药。

进一步的，所述球形花岗岩试样上半球腔室和下半球腔室之间的圆截面，以炸药为圆心均匀设有5~10圈槽道，用于布置电磁粒子速度计。

进一步的，所述电磁粒子速度计为圆环型电磁粒子速度计。

进一步的，所述球形花岗岩试样下半球腔室沿半径方向均匀布置至少4个压力计。

进一步的，所述压力计为锰铜压力计。

第二方面，本发明还提供了一种深地下爆炸效应模拟测试技术，包括如下步骤：

步骤a：利用空气压缩机向承压容器充入预定气压；

步骤b：控制系统发出放电控制信号，脉冲电源放电；

步骤c：控制系统发出起爆信号和多路触发信号，得到粒子径向速度信号、径向压力和高速摄影照片；

步骤d：对步骤c的结果进行整理分析，得到粒子速度时程曲线、压力时程曲线、冲击波传播速度及运动参数和波形参数的衰减规律。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明通过承压容器向球形花岗岩试样提供预定埋深对应的静水压力作用以模拟深地下地应力的影响，在球形花岗岩试样中央预埋微型tnt球形炸药实现深地下爆炸效应的试验荷载模拟；在球形花岗岩试样中沿径向均匀预埋圆环型电磁粒子速度计和锰铜压力计获取深部岩石介质的运动规律和应力波传播规律；操作方便，安全可靠，量测手段先进。

附图说明

图1是本发明实施例一种深地下爆炸效应模拟试验装置结构示意图；

图2是本发明实施例球形花岗岩试样的正视图；

图3是本发明实施例球形花岗岩试样的俯视图；

图4是本发明实施例玻璃钢筒正视图；

图5是本发明实施例玻璃钢筒俯视图；

图6是本发明实施例承压容器正视图；

图7是本发明实施例承压容器俯视图；

图8是本发明实施例橡胶支座正视图；

图9是本发明实施例橡胶支座俯视图；

图10是本发明实施例钢纤维rpc防护井正视图；

图11是本发明实施例钢纤维rpc防护井俯视图；

图中：1、球形花岗岩试样；2、玻璃钢筒；3、承压容器；4、钢纤维rpc防护井；5、橡胶支座；6、微型tnt球形炸药；7、不锈钢管；8、柔爆索；9、4号铜电雷管；10、圆环型电磁粒子速度计；11、锰铜压力计；12、漆包铜线；13、倒立漏斗形玻璃钢筒；14、高强度螺栓；15、高强度防爆玻璃采光孔；16、高强度防爆玻璃摄像孔；17、气路法兰；18、线缆法兰；19、气路通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1-6所示，分别为本发明实施例一种深地下爆炸效应模拟试验装置结构示意图和装置局部结构的正视图及俯视图。本发明所涉装置的主要部分为：球形花岗岩试样1、玻璃钢筒2、承压容器3、钢纤维rpc防护井4和橡胶支承装置5。

根据承压容器3的直径和高度，本发明在试验场地开挖竖井，确保竖井直径为承压容器3直径的6倍，竖井深度大于承压容器3的高度，用弧形钢板在竖井周边支撑壁厚300mm，高度与地面平齐的钢摸，钢模下端预留一个气路通道19，参照rpc200（抗压强度140~230mpa）级rpc的配合比及制备工艺搅拌rpc，采用c150级钢纤维超高强rpc浇筑，改混凝土强度高、韧性好，适用于浇筑抗爆结构，搅拌过程中均匀撒入微细钢纤维形成钢纤维rpc拌合物，将新拌钢纤维rpc倒入钢模并用振动棒振捣密实，在自然条件下养护28天拆模形成具有高抗力的钢纤维rpc防护井4。

本发明在钢纤维rpc防护井底部中央布置橡胶支座5，将承压容器3的下半部分置于橡胶支座5之上，确保橡胶支座5的边缘与承压容器3的下半部分边缘对齐，在承压容器3下半部分内部的中央位置用环氧树脂固定缠绕有包铜线12的玻璃钢筒2，使得玻璃钢筒2截面中心与高强度防爆玻璃摄像孔16的中心对齐。

本发明实施例中球形花岗岩试样1切割成对称两个半球，在球形花岗岩试样1上半球的竖向半径方向钻孔并埋入不锈钢管7，在球形花岗岩试样1的上下半球以球心为中心均预留半球形腔室，形成与球形花岗岩试样1共球心的球形腔室。以腔室为圆形在球形花岗岩试样1上下半球截面刻5~10道圆环型槽道，采用环氧树脂将圆环型电磁粒子速度计10固定于球形花岗岩试样1上半球的圆环型槽道内，同时将带有柔爆索8的微型tnt球形炸药6用环氧树脂固定于球形花岗岩试样1上半球的腔室中，将柔爆索8从不锈钢管7引出并接上4号铜电雷管9。

本发明实施例在球形花岗岩试样1下半球沿竖向半径方向均匀刻4道缝隙，缝隙宽度与锰铜压力计11相同，深度可确保锰铜压力计11中心与球形花岗岩试样1下半球竖向半径重合，并利用环氧树脂将锰铜压力计11固定于缝隙中，利用环氧树脂将球形花岗岩试样1的上下半球进行粘合，将球形花岗岩试样1置于倒立漏斗形玻璃钢筒13之上，使得球形花岗岩试样1上下半球截面处于水平状态，并用环氧树脂将球形花岗岩试样1固定于倒立漏斗形玻璃钢筒13的弧形托板上。

本发明的4号铜电雷管9、圆环型电磁粒子速度计10及锰铜压力计11均采采用自带航空接头的专用数据线延长，并将所述延长线从承压容器3下半部分的线缆法兰18伸出，延长线的另一端分别与控制系统和数据采集仪连接，在承压容器3下半部分气路法兰17接上高压气管，高压气管从钢纤维rpc防护井4下部的气路通道19通过并与钢纤维rpc防护井4外部的空气压缩机连接。

本发明在球形花岗岩试样1固定好并连接好所述线缆和气路之后，盖上承压容器3的上半部分，在承压容器3的上下部分搭接处垫上橡胶密封圈，并利用高强度螺栓14将承压容器3上下两部分拧紧，在承压容器3的高强度防爆玻璃采光孔15处架设疝气脉冲闪光灯，在高强度防爆玻璃摄像孔16处架设高速摄像机。

本发明还涉及深地下爆炸效应模拟测试技术，主要实施过程如下：试验准备就绪后，利用空气压缩机向承压容器3充入预定气压（模拟深地下高地应力作用），由控制系统发出放电控制信号，脉冲电源放电，在球形花岗岩试样1周围产生脉冲磁场；经过恰当延时，当脉冲磁场开始进入磁感应强度相对稳定的“平台”段时，控制系统发出起爆信号和多路触发信号；此时，圆环型电磁粒子速度计10、锰铜压力计11、脉冲照明系统（架设于高强度防爆玻璃采光孔15处）和高速摄像机（高强度防爆玻璃摄像孔16处）被触发，在爆炸冲击波的驱动下，圆环型电磁粒子速度计10做切割磁力线运动，锰铜压力计11被压缩，最终得到粒子径向速度信号、径向压力和高速摄影照片，通过对试验数据的整理分析可以进一步得到高地应力和爆炸荷载耦合作用下球形花岗岩试样1不同位置处的粒子速度时程曲线、压力时程曲线、冲击波传播速度及所述运动参数和波形参数的衰减规律。

本发明装置操作方便，安全可靠，量测手段先进，测试结果可为修正现有本构模型提供试验依据，并为深地工程构筑提供参考，对国家战略工程关键科学技术问题的研究亟待要求对岩石中爆炸作用引起的应力、变形及其它运动参数和破坏效应做出比较准确的评估。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。