本发明属于岩土力学技术领域，具体涉及坠落撞击式模型试验装置与试验方法。
背景技术：
岩土力学研究中广泛采用各种物理模型试验开展原位大尺寸岩土体的物理力学性质研究。相关技术中，离心模型试验方法采用将等比例缩小的物理模型至于高速旋转的离心机中，根据离心力与重力等价的原理，使模型置于设计的模拟重力加速度的状态中开展试验。当1/n倍等比例缩小的模型被置于n倍加速度状态下时，模型与原型的应力应变性质与破坏机理相同，从而可以较好的模拟原型的特征，为实际岩土力学问题的分析提供真实可靠的参考数据。但发明人发现，离心模型试验方法的适用范围与试验效果主要依赖离心模型装置的规模与功能；而大尺寸且多功能的高端离心机价格昂贵，维护成本较高，且设计制造过程复杂，不能进行大规模的广泛使用。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种可实现多种功能、结构简单，适合大规模广泛使用的坠落撞击式模型试验装置及其试验方法。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案是，坠落撞击式模型试验装置，包括缓冲盒、模型盒、提升系统、加速度监测系统，所述缓冲盒位于所述模型盒的下方，与模型盒紧密连接；所述提升系统连接在所述模型盒的上方，上下移动所述模型盒；所述加速度监测系统位于所述模型盒的侧面，监测模型盒坠落撞击过程的加速度和时间。
优选地，所述缓冲盒为内部填充大密度碎散颗粒材料的密闭六面体金属盒。
优选地，所述模型盒采用透明材质，顶面开口，四个侧面与底面密封连接，相邻所述侧面可拆式密闭连接；所述模型盒与所述缓冲盒连接处设有滚轮。
优选地，所述提升系统包括卷扬机、离合器与称重传感器，所述卷扬机依次与所述称重传感器、离合器连接，所述离合器与所述模型盒连接。
优选地，所述加速度监测系统包括弹簧秤与砝码，所述弹簧秤位于所述模型盒的侧面上，所述砝码与所述弹簧秤连接。
优选地，还包括底座和滑动框架，所述底座与所述滑动框架固定连接；所述卷扬机固定于所述滑动框架的顶端；所述滚轮沿所述滑动框架上下移动。
本发明实施例还提供了一种采用所述坠落撞击式模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：
(1)撞击时间标定；在所述模型盒中装入与待测物理模型质量相等的岩土材料，通过提升系统将模型盒与缓冲盒提升至不同的高度后断开，所述模型盒、缓冲盒自由坠落停止时，读取所述加速度监测系统的读数，计算坠落撞击的加速度、时间；
(2)建立模型；按需模拟的岩土原型尺寸与结构等比例缩小至所述模型盒的尺寸建立待测试模型；
(3)系统提升；根据撞击时间标定参数与试验设计加速度值，计算待测试模型的设计提升高度，通过提升系统将装有待测试模型的模型盒与缓冲盒提升至设计高度；
(4)坠落撞击；断开模型盒与离合器连接，所述模型盒与缓冲盒自由坠落停止时，读取所述加速度监测系统的读数；
(5)数据处理；待测试模型坠落撞击试验结束后，通过对比与量测待测试模型坠落撞击前后的变形破坏状态，分析原型在相同边界条件状态中的变形破坏规律。
与相关技术比较，本发明实施例采用的技术方案的有益效果是，本发明实施例的坠落撞击模型试验装置，结构简单，不仅具备离心模型试验的优势，可直接使用原型岩土材料建立模型，而且可开展大尺寸的三维物理模型试验，试验过程操作简易，维护成本低，可大规模使用。
附图说明
图1是本发明实施例的模型试验装置结构示意图；
图2是本发明实施例的模型试验装置的试验方法流程图。
其中：底座1、滑动框架2、缓冲盒3、模型盒4、滚轮5、卷扬机6、离合器7、称重传感器8、弹簧秤9、砝码10。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了坠落撞击式模型试验装置，包括缓冲盒3、模型盒4、提升系统、加速度监测系统，所述缓冲盒3位于所述模型盒4的下方，与所述模型盒4紧密连接；所述提升系统连接在所述模型盒4的上方，上下移动所述模型盒4；所述加速度监测系统位于所述模型盒4的侧面，所述监测模型盒4坠落后撞击过程的加速度与时间。坠落撞击试验中，提升系统用于提升模型盒4至所需高度后，模型盒4与所述缓冲盒3自由坠落，所述加速度监测系统监测模型盒4自由坠落后撞击过程的试验数据。利用坠落物体碰撞瞬间产生超重现象的原理，提高物理模型实际所处的竖向加速度状态。模型所处的初始位置高度越大，则自由坠落撞击地面时产生的加速度越大，从而可以开展不同重力加速度状态的模拟试验。装置结构简单，不仅具备离心模型试验的优势，可直接使用原型岩土材料建立模型，而且可开展大尺寸的三维物理模型试验，试验过程操作简易，维护成本低，可大规模使用。
进一步地，所述提升系统包括卷扬机6、离合器7与称重传感器8，所述卷扬机6依次与所述称重传感器8、离合器7连接，所述离合器7与所述模型盒4连接。均通过钢缆连接，在坠落撞击试验过程中，称重传感器8用于对模型盒4称重，卷扬机6为所述模型盒4的升降提供动力，带动所述模型盒4上下移动。待模型盒提升至设计高度后，通过离合器7断开模型盒4与离合器7的连接，使模型盒4自由坠落。
进一步地，所述加速度监测系统包括弹簧秤9与砝码10，所述弹簧秤9位于所述模型盒4的侧面上，所述砝码10与所述弹簧秤9连接。记录数据用于计算模型盒坠落后撞击过程的加速度与时间。
进一步地，所述模型盒4为透明的有机玻璃材质制成，其顶面开口，四个侧面与底面密封连接，相邻所述侧面可拆式密闭连接，方便建立与清除模型盒4中的待测试模型；所述模型盒4与所述缓冲盒3连接处设有滚轮5。使缓冲盒3与模型盒4可自由上下滑动，但不可在平面范围内运动。
进一步地，还包括底座1和滑动框架2，所述底座1与所述滑动框架2固定连接，采用硬度较高的金属材质，通过螺栓连接固定，形成稳定的外部框架；所述卷扬机6固定于所述滑动框架2的顶端；所述滚轮5沿所述滑动框架2上下移动。坠落物体与底座1碰撞，在碰撞瞬间可产生超重现象，提高物理模型实际所处的竖向加速度状态。
进一步地，所述缓冲盒3为内部填充大密度碎散颗粒材料的密闭六面体金属盒；所述散碎颗粒为钢砂或其它密度较大的材料，防止模型盒4撞击底座1时发生反弹。
参照附图1、2，本发明实施例还提供了采用所述坠落撞击式模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：
(1)撞击时间标定；在所述模型盒4中装入与待测物理模型质量相等的岩土材料，开启卷扬机6，带动所述模型盒4与所述缓冲盒3沿所述滑动框架2移动至设计高度；断开离合器7，所述模型盒4与所述缓冲盒3自由坠落，所述加速度监测系统的弹簧秤9读取所述模型盒4与所述缓冲盒3撞击底座1时的读数；所述模型盒4及缓冲盒3与底座1撞击过程的短暂时间可根据能量守恒定理与动量定理通过公式(1)、(2)计算(忽略空气阻力影响)；
其中，h为模型盒4提升的高度；v为模型盒4提升至不同的高度h后坠落至与底座1接触时的速度；g为重力加速度；m为加速度监测系统的砝码10质量；f为加速度监测系统的弹簧秤9读数最大值；t为模型盒4及缓冲盒3与底座1撞击过程的时间；
根据一系列撞击时间标定数据可建立同等质量模型盒4坠落高度h与撞击时间t的关系函数t＝f(h)；
(2)建立模型；按需模拟的岩土模型尺寸与结构等比例缩小至所述模型盒4的尺寸建立待测试模型；
(3)系统提升；根据撞击时间标定参数与设计的坠落撞击加速度，根据公式(3)、(4)计算待测试模型的设计提升高度h，通过所述提升系统将装有待测试模型的模型盒4与缓冲盒3提升至所述设计高度h；
其中，ad为设计撞击加速度；h为待测试模型在模型盒4中的设计提升高度；v为模型盒4提升至高度h后坠落至与底座接触时的速度；g为重力加速度；t为模型盒4及缓冲盒3与底座1撞击过程的时间，通过步骤1的标定数据确定；
(4)坠落撞击；通过离合器7断开模型盒4与离合器7之间的连接，所述模型盒4与缓冲盒3自由坠落停止时，读取所述加速度监测系统中弹簧秤9的最大受力值读数；
(5)数据处理；待测试模型坠落撞击试验结束后，通过对比与量测待测试模型坠落撞击前后的变形破坏状态及试验数据，分析原型在相同边界条件状态中的变形破坏规律。为岩土体在各种自然条件与人类工程状况下物理力学性质与变形破坏规律的研究提供有效的数据支持和指导。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。