拆除塌落体触地冲击荷载特征获取实验装置及其实验方法

1.本发明涉及塌落体触地冲击荷载特征获取的物理模型试验装置技术领域，具体涉及拆除塌落体触地冲击荷载特征获取实验装置及其实验方法。


背景技术：

2.爆破拆除方式因具有安全、高效、经济、环保等优点，已成为复杂环境下高层高耸结构拆除的首选方式。爆破拆除过程中，结构倒塌触地冲击及其振动可能会造成邻近建(构) 筑物、设施设备、地下管线、地铁隧道等重要保护目标的损坏，是爆破拆除工程最突出的有害效应。因此，拆除爆破设计阶段需对塌落体的触地冲击荷载特征以及邻近保护目标位置处的质点振动速度与结构的动态响应特性做出预测和校核，并制定安全有效的防护措施。
3.但在现有技术中，并未公开有一种相应的实验装置来提供理论研究，对现有的冲击荷载特征无法进行准确的获取以及研究。


技术实现要素：

4.针对问题，本发明提供了拆除塌落体触地冲击荷载特征获取实验装置，包括塌落体荷载模型、模型试验箱、加载实施装置和监控量测系统，所述模型试验箱包括试验箱，试验箱外侧设置有泡沫，试验箱内设置有“上硬下软”和“上软下硬”两种层状地面结构；所述加载试验装置与所述塌落体荷载模型相连，所述模型试验箱位于所述加载试验装置的下方，所述监控量测系统安装在所述加载试验装置上。
5.作为本发明的再进一步技术方案是：所述塌落体荷载模型中的塌落体在触地时与土体的接触方式共设置有三种：分别为平面接触、棱边接触和弧面接触。
6.作为本发明的再进一步技术方案是：所述“上硬下软”层状地面结构为：在试验箱内设置有混凝土面板，在混凝土面板下侧布置有粉质黏土层；所述“上软下硬”层状地面结构为：在试验箱内设置有粉质黏土层，在粉质黏土层下侧布置有碎石土。
7.作为本发明的再进一步技术方案是：所述加载试验装置包括小型龙门吊，在小型龙门吊上安装有定滑轮，定滑轮上穿过有主缆绳，所述主缆绳一端连接有绞车，主缆绳另一端连接有连接钩，所述连接钩与所述塌落体荷载模型相连。
8.作为本发明的再进一步技术方案是：所述监控量测系统包括加速度计、土压力计、土体位移计、应变片、动态信号采集仪、激光发射器、光电接收装置、标尺和高速摄像机，在所述试验箱沿落锤点径向布设有三组测点，每组测点包括混凝土表面的动态应变测试点，在所述动态应变测试点均布置有所述应变片，沿试验箱的深度方向均匀布置有土压力计、位移计和加速度计，在所述小型龙门吊上对称设置有两组激光发射器和光电接收装置，在所述试验箱一侧放置有标尺，所述试验箱正前方布置有高速摄像机。
9.一种基于上述所述的拆除塌落体触地冲击荷载特征获取实验装置的实验方法，包括如下步骤：
10.1)试验箱的制作以及监控量测系统的布置：试验箱内设置有“上硬下软”和“上软下硬”两种层状地面结构，同时考虑模型试验的相似理论以及试验的实际可操作性，计算获得基本物理量的相似比尺，选取典型地层模型，制作与两种典型地层相似的三维缩尺模型；在所述试验箱沿落锤点径向布设有三组测点，每组测点包括混凝土表面的动态应变测试点，在所述动态应变测试点均布置有所述应变片，沿试验箱的深度方向均匀布置有土压力计、位移计和加速度计，在所述小型龙门吊上对称设置有两组激光发射器和光电接收装置，在所述试验箱一侧放置有标尺，所述试验箱正前方布置有高速摄像机；
11.2)塌落体荷载模型的选取：在爆破拆除工程中，高层高耸结构倒塌时塌落体大小各异、形状也不规则，导致塌落体触地时与土体的接触方式也大不相同，塌落体荷载模型中的塌落体在触地时与土体的接触方式共设置有三种：分别为平面接触、棱边接触和弧面接触；同时考虑到不同塌落体触地时存在时间差，故而设计了相同触地方式、不同落地高度的触地冲击荷载形式以及不同落地高度、不同接触方式的触地荷载形式；
12.3)模型加载施加：在安装试验箱后，通过加载试验装置对塌落体荷载模型进行提升，通过标尺测量塌落体荷载模型的上升高度；
13.4)试验测试以及数据记录：通过选取不同塌落体荷载模型，控制荷载下落高度进行触地冲击试验，获取不同触地荷载条件下不同地面结构的破坏形式、变形特征以及加速度、动土压力、动应力的动土响应特征参数。
14.作为本发明的再进一步技术方案是：所述步骤1)中试验箱的制作具体包括以下步骤：
15.a、确定相似比
16.根据第一、第二相似理论相似准则进行参数设计，确定实际工程中原型几何尺寸和装置几何尺寸的几何相似比为l＝10，根据几何相似比，模型地面尺寸和深度按原型尺寸的 1/10进行设计；重力加速度相似比cg＝1，密度相似比cρ＝1，容重相似比cγ＝1，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，实现泊松比、摩擦角的全相似，弹性模量按照原型结构材料弹性模量的l进行设计；同时根据量纲关系保证塌落荷载质量以及塌落荷载速度相似，确定土层相似比如下：
17.几何相似比：c
l
＝l；
18.容重相似比：cγ＝1；
19.压力相似比c
ξ
＝c
γ
×
c
l
；
20.集中力相似比ψ＝c
γ
×
c
l3
；
21.应力相似比c
σ
＝l；
22.位移相似比cs＝c
l
；
23.b、制作模型试验箱
24.以实际原型为参考，同时根据动力边界效应及弹性波传递速度，模型面积应大于荷载主作用面积的5倍以上，考虑到长方体块体、三棱柱块体荷载最长边长不小于300mm，大型球体半径不小于100mm，试验平台尺寸为1000mm
×
1000mm，模型试验箱模型长、宽、高尺寸均为900mm，试验箱周围四边是钢板材质，采用砂浆抹面打光处理后，各粘贴3cm厚度的海绵，根据所设定的几何相似比，以实际原型为参考，在试验箱的钢板内侧标记不同地层填埋位置，其中“混凝土面板
‑
粉质黏土层”上硬下软地层中粉质黏土层位于试验箱底部，厚
850mm，混凝土面板位于粉质黏土层上部，厚为50mm，在试验箱a中标出尺寸，并按照上述要求制作模型试验箱；“粉质黏土层
‑
碎石土”上软下硬地层中碎石土位于模型试验箱的底部，厚500mm，粉质黏土层位于试验箱的顶部厚400mm，在试验箱b中标出尺寸，并按照上述要求制作模型试验箱；
25.c、制作土层材料
26.按照加权平均算法计算出实际土层的加权平均重度，按照确定的相似比例值求得模型试验中的土层相似材料的物理参数，分层放入制备好的模型试验箱中进行锤击夯实，预先设置好塌落点。
27.作为本发明的再进一步技术方案是：所述步骤2)中塌落体荷载模型的选取操作步骤为：
28.荷载根据实际常见的塌落体在触地时与土体的接触方式归纳为平面接触、棱边接触、弧面接触三种，即采用长方体块体、三棱柱块体、球型块体，每个块体的重量有9kg、15kg、 21kg，同时考虑到塌落体荷载触地为多次连续冲击，也设计了三个小型长方体块体，三个小型三棱柱块体以及三个小型球状块体，每个小型块体各重有3kg、5kg、7kg，设置三个相同类型的小型块体，位于不同高度同时坠落；
29.试验时考虑控制单一变量因素，试验开始时，先进行某个塌落体荷载模型的试验，控制其他条件不变，改变塌落体荷载模型质量；
30.其次控制塌落体荷载模型质量不变，改变下落高度，然后控制其它量不变改变模型试验箱；
31.重复进行另外形态的塌落体荷载模型的上述步骤；同时，考虑到塌落体荷载模型触地冲击具有多次连续冲击的特点，并且多次触地冲击存在一定时间差，对不同形态的塌落体荷载模型进行高度差为10cm的同时坠落试验；
32.此外，考虑到实际爆破拆除工程倒塌过程的复杂性，可各选一个小型长方体模型，三棱柱模型以及球状模型同时坠落地面，从而获取相应塌落条件下地面结构模型的破坏形式与动态响应特征。
33.作为本发明的再进一步技术方案是：所述步骤3)中模型加载施加的操作步骤为：
34.a、放置试验箱，将试验箱放置在水平地面上；
35.b、选取塌落体荷载模型通过细绳悬挂于连接钩处，通过转动手摇绞车的把柄提升塌落体荷载模型到固定高度0.5m、1.0m、1.5m处，保证塌落体荷载模型表面与地面水平；打开测试仪器，调节测试仪器初始状态，准备测试记录；
36.c.断开连接钩和塌落体荷载模型的细绳，使塌落体荷载模型自由落下，通过控制单一变量的方式，依次改变荷载高度、荷载质量、荷载类型、荷载触地种类、地面结构，重复上述试验。
37.作为本发明的再进一步技术方案是：所述步骤4)中试验测试以及数据记录的操作步骤为：
38.a、在塌落体荷载模型浇筑过程中，预先设置好塌落点，沿塌落点径向方向布置三组测点，测点水平距离分别为0.2m、0.4m，自塌落体荷载模型顶部向下每隔0.2m左右埋设一组加速度计、土压力计、土体位移计，土层软硬交界面处应布设代表性测点，应变监测点即应变片的布置在塌落体荷载模型分层浇筑的时候，粘结在分层界面上，整个监测点埋置过
程在塌落体荷载模型浇筑制作阶段完成；
39.b、同时在塌落体荷载模型表面安装土体位移计，用于记录塌落体的位移，同时在装置周围安装激光发射器和光电接收装置用于测量塌落体荷载模型的运动速度，用高速摄像机观察塌落体荷载模型的下落运动特征；
40.c、在塌落体荷载模型下落之前，打开所有监测点的记录仪器，记录初始监测点的数据，并保持所有监测记录仪器的开启，持续监测整个触地冲击试验的全过程，直至所有监测数据稳定后，结束监测过程。
41.本发明具有的有益效果是：
42.1、本试验装置及方法克服了实际工程中触地振动效应观测难的问题，同时考虑了不同触地方式、不同形态塌落体荷载、不同触地能量以及不同类型的地面结构等因素，很大程度上实现了在多变量系统中实现控制试验单一变量的原则；
43.2、通过试验装置量测系统，实现了高层高耸结构爆破拆除塌落体触地冲击条件下地面结构的动应变、动土压力、土体加速度与位移等动态响应数据的全面获取，为塌落体触地冲击荷载的理论研究与安全防护设计提供理论依据和试验支撑；
44.3、本装置可以简单有效的模拟高层高耸结构爆破拆除塌落体触地冲击及其荷载特征的定量观测，解决了高层高耸结构爆破拆除过程中塌落体触地冲击荷载特征测试难、荷载特征理论研究缺乏实测数据与试验支撑等难题，为高层高耸结构的爆破拆除安全与保护对象的安全防护设计提供理论基础与试验支撑。
附图说明
45.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，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其它的附图。
46.图1是本发明的触地荷载模型示意图；
47.图2是本发明试验系统整体结构示意图；
48.图3是本发明模型试验箱中土层结构示意图(混凝土面板
‑
粉质黏土层)；
49.图4是本发明模型试验箱中土层结构示意图(粉质黏土层
‑
碎石土)。
50.图中：1
‑
荷载模型、2
‑
试验箱、3
‑
小型龙门吊、4
‑
定滑轮、5
‑
主缆绳、6
‑
手摇绞车、7
‑
连接钩、8
‑
加速度计、9
‑
土压力盒、10
‑
土体位移计、11
‑
应变片、12
‑
激光发射器、13
‑ꢀ
光电接收装置、14
‑
标尺、15
‑
高速摄像机、16
‑
泡沫。
51.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
52.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
53.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用
于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
54.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
55.实施例1：
56.结合图1
‑
图4，在本发明的实施例中，拆除塌落体触地冲击荷载特征获取实验装置，包括塌落体荷载模型1、模型试验箱、加载实施装置和监控量测系统，所述模型试验箱包括试验箱2，试验箱2外侧设置有泡沫16，试验箱2内设置有“上硬下软”和“上软下硬”两种层状地面结构；所述加载试验装置与所述塌落体荷载模型1相连，所述模型试验箱位于所述加载试验装置的下方，所述监控量测系统安装在所述加载试验装置上。
57.请参阅图3，所述塌落体荷载模型1中的塌落体在触地时与土体的接触方式共设置有三种：分别为平面接触、棱边接触和弧面接触。
58.请参阅图4，所述“上硬下软”层状地面结构为：在试验箱2内设置有混凝土面板，在混凝土面板下侧布置有粉质黏土层；所述“上软下硬”层状地面结构为：在试验箱2内设置有粉质黏土层，在粉质黏土层下侧布置有碎石土。
59.所述加载试验装置包括小型龙门吊3，在小型龙门吊3上安装有定滑轮4，定滑轮4 上穿过有主缆绳5，所述主缆绳5一端连接有绞车6，主缆绳5另一端连接有连接钩7，所述连接钩7与所述塌落体荷载模型1相连。
60.所述监控量测系统包括加速度计8、土压力计9、土体位移计10、应变片11、动态信号采集仪、激光发射器12、光电接收装置13、标尺14和高速摄像机15，在所述试验箱2 沿落锤点径向布设有三组测点，每组测点包括混凝土表面的动态应变测试点，在所述动态应变测试点均布置有所述应变片11，沿试验箱2的深度方向均匀布置有土压力计9、位移计10和加速度计8，在所述小型龙门吊3上对称设置有两组激光发射器12和光电接收装置13，用于测量落锤的下落速度，在试验箱2一侧设置有一台用于输出包括应变、土压力、加速度、位移和速度的计算机，在所述试验箱2一侧放置有标尺14，所述试验箱2正前方布置有高速摄像机15。
61.实施例2：
62.一种基于上述所述的拆除塌落体触地冲击荷载特征获取实验装置的实验方法，包括如下步骤：
63.1)试验箱2的制作以及监控量测系统的布置：试验箱2内设置有“上硬下软”和“上软下硬”两种层状地面结构，同时考虑模型试验的相似理论以及试验的实际可操作性，计算获得基本物理量的相似比尺，选取典型地层模型，制作与两种典型地层相似的三维缩尺模型；在所述试验箱2沿落锤点径向布设有三组测点，每组测点包括混凝土表面的动态应变测试点，在所述动态应变测试点均布置有所述应变片11，沿试验箱2的深度方向均匀布置有土压力计9、位移计10和加速度计8，在所述小型龙门吊3上对称设置有两组激光发射器12和光
电接收装置13，在所述试验箱2一侧放置有标尺14，所述试验箱2正前方布置有高速摄像机15；
64.2)塌落体荷载模型1的选取：在爆破拆除工程中，高层高耸结构倒塌时塌落体大小各异、形状也不规则，导致塌落体触地时与土体的接触方式也大不相同，塌落体荷载模型 1中的塌落体在触地时与土体的接触方式共设置有三种：分别为平面接触、棱边接触和弧面接触；同时考虑到不同塌落体触地时存在时间差，故而设计了相同触地方式、不同落地高度的触地冲击荷载形式以及不同落地高度、不同接触方式的触地荷载形式；
65.3)模型加载施加：在安装试验箱2后，通过加载试验装置对塌落体荷载模型1进行提升，通过标尺14测量塌落体荷载模型1的上升高度，塌落体荷载模型1质量不同，以及多个相同类型的塌落体荷载模型1从不同高度下落，可以用来研究不同冲击能量、不同触地方式以及不同塌落时间间隔条件下不同地层结构的变形与动力响应特征；
66.4)试验测试以及数据记录：通过选取不同塌落体荷载模型1，控制荷载下落高度进行触地冲击试验，获取不同触地荷载条件下不同地面结构的破坏形式、变形特征以及加速度、动土压力、动应力的动土响应特征参数。
67.所述步骤1)中试验箱1的制作具体包括以下步骤：
68.a、确定相似比
69.根据第一、第二相似理论相似准则进行参数设计，确定实际工程中原型几何尺寸和装置几何尺寸的几何相似比为l＝10，根据几何相似比，模型地面尺寸和深度按原型尺寸的 1/10进行设计；重力加速度相似比cg＝1，密度相似比cρ＝1，容重相似比cγ＝1，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，实现泊松比、摩擦角的全相似，弹性模量按照原型结构材料弹性模量的l进行设计；同时根据量纲关系保证塌落荷载质量以及塌落荷载速度相似，确定土层相似比如下：
70.几何相似比：c
l
＝l；
71.容重相似比：cγ＝1；
72.压力相似比c
ξ
＝c
γ
×
c
l
；
73.集中力相似比ψ＝c
γ
×
c
l3
；
74.应力相似比c
σ
＝l；
75.位移相似比cs＝c
l
；
76.b、制作模型试验箱
77.以实际原型为参考，同时根据动力边界效应及弹性波传递速度，模型面积应大于荷载主作用面积的5倍以上，考虑到长方体块体、三棱柱块体荷载最长边长不小于300mm，大型球体半径不小于100mm，试验平台尺寸为1000mm
×
1000mm，模型试验箱模型长、宽、高尺寸均为900mm，试验箱2周围四边是钢板材质，采用砂浆抹面打光处理后，各粘贴3cm 厚度的海绵，根据所设定的几何相似比，以实际原型为参考，在试验箱2的钢板内侧标记不同地层填埋位置，其中“混凝土面板
‑
粉质黏土层”上硬下软地层中粉质黏土层位于试验箱2底部，厚850mm，混凝土面板位于粉质黏土层上部，厚为50mm，在试验箱a中标出尺寸，并按照上述要求制作模型试验箱；“粉质黏土层
‑
碎石土”上软下硬地层中碎石土位于模型试验箱的底部，厚500mm，粉质黏土层位于试验箱2的顶部厚400mm，在试验箱b 中标出尺寸，并按照上述要求制作模型试验箱；
78.c、制作土层材料
79.按照加权平均算法计算出实际土层的加权平均重度，按照确定的相似比例值求得模型试验中的土层相似材料的物理参数，分层放入制备好的模型试验箱中进行锤击夯实，预先设置好塌落点。
80.所述步骤2)中塌落体荷载模型1的选取操作步骤为：
81.荷载根据实际常见的塌落体在触地时与土体的接触方式归纳为平面接触、棱边接触、弧面接触三种，即采用长方体块体、三棱柱块体、球型块体，每个块体的重量有9kg、15kg、 21kg，同时考虑到塌落体荷载触地为多次连续冲击，也设计了三个小型长方体块体，三个小型三棱柱块体以及三个小型球状块体，每个小型块体各重有3kg、5kg、7kg，设置三个相同类型的小型块体，位于不同高度同时坠落，以达到不同倒塌荷载触地时存在时间差的效果，在本实验中高度差为10cm；为了模拟下落高度造成的能量影响，选择下落高度为 0.5m、1m、1.5m，用标尺14改变荷载提升高度；
82.试验时考虑控制单一变量因素，试验开始时，先进行某个塌落体荷载模型1的试验，控制其他条件不变，改变塌落体荷载模型1质量；
83.其次控制塌落体荷载模型1质量不变，改变下落高度，然后控制其它量不变改变模型试验箱；
84.重复进行另外形态的塌落体荷载模型1的上述步骤；同时，考虑到塌落体荷载模型1 触地冲击具有多次连续冲击的特点，并且多次触地冲击存在一定时间差，对不同形态的塌落体荷载模型1进行高度差为10cm的同时坠落试验；
85.此外，考虑到实际爆破拆除工程倒塌过程的复杂性，可各选一个小型长方体模型，三棱柱模型以及球状模型同时坠落地面，从而获取相应塌落条件下地面结构模型的破坏形式与动态响应特征。
86.所述步骤3)中模型加载施加的操作步骤为：
87.a、放置试验箱2，将试验箱2放置在水平地面上；
88.b、选取塌落体荷载模型1通过细绳悬挂于连接钩7处，通过转动手摇绞车6的把柄提升塌落体荷载模型1到固定高度0.5m、1.0m、1.5m处，保证塌落体荷载模型1表面与地面水平；打开测试仪器，调节测试仪器初始状态，准备测试记录；
89.c.断开连接钩7和塌落体荷载模型1的细绳，使塌落体荷载模型1自由落下，通过控制单一变量的方式，依次改变荷载高度、荷载质量、荷载类型、荷载触地种类、地面结构，重复上述试验。
90.所述步骤4)中试验测试以及数据记录的操作步骤为：
91.a、在塌落体荷载模型1浇筑过程中，预先设置好塌落点，沿塌落点径向方向布置三组测点，测点水平距离分别为0.2m、0.4m，自塌落体荷载模型1顶部向下每隔0.2m左右埋设一组加速度计8、土压力计9、土体位移计10，土层软硬交界面处应布设代表性测点，应变监测点即应变片11的布置在塌落体荷载模型1分层浇筑的时候，粘结在分层界面上，整个监测点埋置过程在塌落体荷载模型1浇筑制作阶段完成；
92.b、同时在塌落体荷载模型1表面安装土体位移计10，用于记录塌落体的位移，同时在装置周围安装激光发射器12和光电接收装置13用于测量塌落体荷载模型1的运动速度，用高速摄像机15观察塌落体荷载模型1的下落运动特征；
93.c、在塌落体荷载模型1下落之前，打开所有监测点的记录仪器，记录初始监测点的数据，并保持所有监测记录仪器的开启，持续监测整个触地冲击试验的全过程，直至所有监测数据稳定后，结束监测过程。
94.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。