专利名称：岩土工程抗爆结构模型试验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于岩土工程模型试验设备技术领域，主要提出一种岩土工程抗爆结构模型试验装置。
背景技术：
由于结构抗爆性能十分重要，国内外众多学者展开了相关研究，下面分别就国外和国内具有代表性的研究简要说明
例一美国Charles Ε. Joachim等人通过模型试验对地下炸药库偶然爆炸产生的爆炸荷载密度和岩体防护层厚度及强度对坑道外部破坏程度的影响、爆炸引起的空气冲击波和碎片的�：Τ潭冉辛搜芯俊ＤＰ褪匝榧负纬叽绫瘸呶�1:25，地下炸药库模型通道长lm，截面面积为84. 4cm2 (高9. 6cm,宽9. 6cm)，见图1 ；模型洞室长为72cm,截面面积为294. 4cm2 (宽20cm,高16cm)， 见图2。模拟材料为铺路砖，其尺寸为19. 7cmX9. 3cmX5. 8cm，将砖块以与竖直面成30°角砌筑(以19. 7cmX9. 3cm的面接触)，形成30°角的表面坡度，砖层上盖一层等厚度的薄砂
以模拟土壤覆盖层。整个砖模型砌筑在加强砼框架内，砼框架外为土介质。在砌筑砖层之前，先用薄镀锌钢片折成洞室的尺寸形状并放置在洞室位置处，然后沿钢片外表面开始砌砖。钢片与砖之间的空隙用厚约4cm的灰浆灌注。整个试验装置见图3。共做三次试验，试验1炸药药量为1. 27kg，试验2药量为0. 21kg，试验3药量为1. 27kg。炸药选择0. 085 kg/m的PETN炸药，药长48cm，放置在一薄木板上，然后将薄木板放入模型洞室中。我国具有代表性的开展爆炸动载试验的科研院所的基本情况、研究条件和实力及有关项目分述如下
例二中国矿业大学(北京)，在理论分析、调查研究以及借鉴国内外爆炸场所(包含爆炸塔、爆炸洞室、爆炸容器等)设计经验的基础上，设计并建造了爆炸洞室，其形状为球柱结合形圆柱筒体的长度为2. 5m，圆筒体和封口半球形壳面的内半径为lm，爆炸内腔的长度为lmX2+2.5m=4.5m。其筒壁结构层次依次为内层为IOmm厚的A3钢板，中层为40mm厚的木板垫层，外层为400mm厚的钢筋混凝土层。该爆炸洞室外部总长度为 450mmX2+4500mm=M00mm，如图4所示。为了便于试验观察，在筒体上方设置了观察窗口， 并安装了防弹玻璃。该爆炸洞室的极限模拟爆炸药量为lOOOgTNT。该爆炸洞室的特点是①爆炸洞室洞体采用完全对称式设计，炸药包在筒体中心引爆，爆炸力对爆炸洞室洞体的冲击力具有对称性，不会引起爆炸洞室洞体的整体平动趋势，而主要只产生对称于爆炸中心的微小变形和震动；②内层选用的A3钢板具有良好的塑性性能，在弹性较小的中层木板衬垫支撑下，可以在爆炸力作用下产生一定的径向位移，大幅度地消耗传播至内壁上的爆炸能量，从而减小了振动机械能向地面埋覆土层的传播，进而减小对周围建筑物的影响。例三我国某大学设计了室内大尺寸爆炸试验装置，该装置的主体为一地下半封
3闭式结构，试验坑内部净尺寸为长度X宽度X深度=IanX6mX:3m，爆炸试验坑坑壁由内向外依次为6mm钢板、700mm钢筋混凝土、500mm砂隔震层、240mm砖墙、500mm厚粘土层、外部MOmm维护砖墙、外部粘土层，坑底由上至下依次为6mm钢板、700mm钢筋混凝土、500mm 砂隔震层、外部粘土层，结构见图5所示。装置研制中考虑了爆炸冲击波从一种介质入射到另一种介质表面产生的反射和透射现象，通过对不同材料的排列组合，达到控制透射波与反射波的大小的目的，从而大大提高了该试验装置的整体抗爆性能。该装置可对结构或材料的抗爆性能进行试验研究。从上述这些试验设备看，其种类和规模多种多样，综合来说具有以下不足
一、现有的抗爆结构模型试验设备一般分为两种，一是只针对某一抗爆结构专门设计的试验设备，如例一，这样的设备没有制式化，不能重复利用，必将产生经济的浪费；二是设备虽是制式化，但是设备不能很好的满足岩土工程地下结构的抗爆性能研究，如例二，设备只设置了观察孔，且坑道方向与观察孔方向垂直，对于模型就位后坑道开挖、安插锚索等模拟工序操作无法实现，也不利于观察模型破坏情况，又如例三，设备虽然比较符合岩土介质中抗爆结构的性能研究，但是模型尺寸较大，占地面积大，且试验模型全埋入地下，给模型的浇筑、洞室开挖、施加锚索(杆)等围护结构、以及锚索的应力应变的量测等带来很大困难，使设备可应用范围受到限制。二、现有抗爆结构模型试验设备应用时，所能模拟的爆炸类型有限。一般只能模拟集团装药埋置爆炸的情况，很少能够模拟武器侵彻爆炸和核触地或钻地爆炸等情形。因此现有抗爆结构模型试验设备的应用受到限制，无法利用其开展钻地武器侵彻爆炸和核武器触地或钻地爆炸对地下结构的破坏作用的研究。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种岩土工程抗爆结构模型试验装置，其目的在于 在尺寸适中的设备中，可模拟不同爆炸形式；满足岩土工程模拟开挖、安插围护结构及量测设备均方便可行的要求；允许试验药量较大；可试验的抗爆结构尺寸较大；可模拟武器重复打击的情形；便于在试验中观察结构的破坏情况等。利用该装置可研究不同爆炸方式、不同药量、不同侵深、不同武器单次打击或多次重复打击对坑道工程产生的不同破坏效应，试验结果可为地下抗爆工程设计和科学研究提供重要依据。本发明完成其发明任务所采取的技术方案为一种岩土工程抗爆结构模型试验装置，所述模型试验装置由侧限箱体和下部的爆炸坑拼装构成，并设置有配套的消波机构、锁紧机构及滑动定位机构；所述的侧限箱体为四个且两两相向，垂直布置，并设置在长方形地下爆炸坑的边缘，与地下爆炸坑一起构成长方体的爆炸试验模型室；每个侧限箱体的横断面相同且均为梯形，顶面开口，其余各面均为特制钢板，在钢板围成的箱体内表面布置有加强槽钢和角钢，箱体中浇注高强钢纤维砼，试验时可利用其自重抵抗爆炸荷载在装置边界产生的向上的摩擦力和向外的倾覆力；每个侧限箱体的长度方向上均勻分布六个由预埋钢管形成的圆孔，用以对穿锁紧拉杆；所述侧限箱体的底板上安装有四个轮子，可在所述的滑动定位机构上滑动；所述地下爆炸坑为长方体，由此对应设置于地下爆炸坑长边的侧限箱体其长度大于位于地下爆炸坑短边的侧限箱体，在长度较长的两个侧限箱体的中间长度处沿宽度方向布置有圆形观察孔，可在其中安装摄像设备，用来观察试验现象；所述消波机构包括铝制消波格栅和位于地下爆炸坑底部的木质消波板，所述铝制消波格栅连接在侧限箱体的前板上；所述滑动定位机构包括双向千斤顶油缸、导轨和限位块；所述双向千斤顶油缸对应每一个侧限箱体设置，双向千斤顶油缸的千斤顶拉杆通过拉杆与侧限箱体相联; 对应导轨具有轨道槽，限位块设置在靠近地下爆炸坑边缘的轨道上；所述锁紧机构由锁紧拉杆、侧限连接块及螺母组成，侧限连接块设置在两相邻侧限箱体交接处，“L”形的侧限连接块其一侧焊接固定在一个侧限箱体的侧板上，“L”形的侧限连接块两侧上所具有的连接孔分别与两相邻侧限箱体的锁紧拉杆对应，并分别套置在两相邻侧限箱体的锁紧拉杆上， 通过螺母将两相邻的侧限箱体固定一体；每个侧限箱体设置六根锁紧拉杆，每根锁紧拉杆穿入侧限箱体长度方向上预埋钢管形成的圆孔中，两端分别穿过两个侧限连接块上的连接孔，与两相邻侧限箱体的锁紧拉杆配合，将该侧限箱体与所相邻的两个侧限箱体联接固定一体。本发明采用上述技术方案具有以下有益效果
⑴装置中侧限箱体截面形状科学合理，具有强度高、自重大的优点，能有效抵抗爆炸荷载在装置边界产生的向上的摩擦力和向外的倾覆力，大大提高了装置自身的抗爆能力。⑵装置中采用格栅状消波板，利用波的透反射及叠加原理，能有效吸收爆炸冲击波，减小模型边界的影响，更真实地模拟实际中爆炸冲击波的传播。⑶装置中采用的锁紧机构和滑动定位机构，不仅能准确牢固定位侧限箱体，形成高抗力爆炸模型试验空间，而且拆装简单、方便，有利于岩土工程抗爆结构模型试验的开展。⑷装置尺寸适中，采用了制式化、�？榛纳杓扑悸罚僮餍院茫芍馗蠢茫谠剂耸匝榫�、时间和人力。ω装置实现了在抗爆模型试验中，先浇筑模型，后开挖洞室、安插锚杆等施工顺序，符合实际工程中的施工顺序，能够很好的模拟实际工况，特别是对于一些受施工工况影响较大的地下结构，大大提高了试验结果的准确性，这是迄今为止同类型装置不能做到的。(6)装置较好地解决了多项复杂的爆炸模拟试验技术难题，可模拟多种爆炸形式， 既可模拟常规钻地武器侵彻到洞室围岩中不同部位爆炸的球面或柱面冲击波爆炸条件，又可模拟大型核武器触地爆炸或小型核武器钻地爆炸的情形；既可进行某一类型的结构体系动力性能的研究，也可进行某一种构件的动力性能研究；既可进行爆炸波在介质内传播规律的研究，还可进行不同爆炸冲击波模拟技术的研发。(7)装置的适用性较强，根据不同的相似设计，既可以选用低密度、低弹模(如黄土等)，也可以选用高密度、高弹模(如水泥砂浆、混凝土等)材料在该装置上进行爆炸模型试验。
图1、2为美国Charles Ε. Joachim等所提出的模型试验洞室示意图。图3为美国Charles Ε. Joachim等所提出的模型试验装置示意图。图4为中国矿业大学所提出的爆炸洞室示意图。图5为我国某大学所提出的爆炸试验坑示意图。图6为本发明装置的剖面示意图。
图7为本发明装置中侧限箱体的正立面图。图8为图7的侧视图。图9为图7的俯视图。图10为本发明装置的平面图。图11为本发明装置中侧限连接块示意图。图12为图11的侧视图。图13为图11的俯视图。图14为本发明装置中铝制消波格栅示意图。图15为本发明装置中木质消波板示意图。图16为本发明装置中导轨主视图。图17为本发明装置中导轨立体图。图中1、底板，2、螺母，3、锁紧拉杆，4、侧板，5、连接角钢，6、前板，7、垫圈，8、六角扁螺母，9、拉杆，10、后板I，11、钢管，12、后板II，13、六角螺钉，14、千斤顶反力支架，15、双向千斤顶油缸，16、千斤顶拉杆，17、导轨，18、侧限连接块，19、限位块，20、木质消波板，21、 铝制消波格栅，22、23、24、25、侧限箱体，26、轮子，27、地下爆炸坑，28、观察孔。
具体实施例方式如图6-10所示，一种岩土工程抗爆结构模型试验装置，所述模型试验装置由侧限箱体22、23、M、25和下部的爆炸坑27拼装构成，从平面上看，整个装置近似十字形，并设置有配套的消波机构、锁紧机构及滑动定位机构；所述的侧限箱体22、23、M、25为四个且两两相向，垂直布置，四个侧限箱体的结构相同，只是长度不同，长度分别为2. ^!和1.5m，在长度较长的两个侧限箱体的中间长度处沿宽度方向布置有圆形观察孔观，可在其中安装摄像设备，用来观察试验现象；所述的两两相向、垂直布置的四个侧限箱体设置在地下爆炸坑的边缘，与地下爆炸坑一起构成长方体的爆炸试验模型室；每个侧限箱体的横断面相同且均为梯形，上顶面宽度为0. 4m,下底面宽度为0. 8m,高度为1. 8m,顶面开口，其余各面均为特制的钢板框架结构，在钢板围成的箱体内表面布置有加强槽钢和连接角钢5，钢板厚度为 2cm，钢板围成的空间内浇注高强钢纤维砼，试验时利用其自重抵抗爆炸荷载在装置边界产生的向上的摩擦力和向外产生的倾覆力；每个侧限箱体的长度方向上均勻分布六个由预埋钢管形成的圆孔，用以对穿锁紧拉杆3 ；所述侧限箱体的底板上安装有四个轮子沈，用以在轨道上移动；所述地下爆炸坑27为长方体，长2. 4m,宽1. 5m,深0. 5m,坑底浇注18cm厚C30 细石砼，坑四壁浇注IOcm厚C30细石砼，如图10所示，由此对应设置于地下爆炸坑长边的侧限箱体22J4其长度大于位于地下爆炸坑短边的侧限箱体23、25 ；所述消波机构包括铝制消波格栅21和木质消波板20，如图6所示，铝制消波格栅21通过螺钉连接在侧限箱体的前板6上，木质消波板20铺置在地下爆炸坑底部；如图14所示，铝制消波格栅21为多孔铝合金板，板厚均为1cm，其中两块尺寸为2330mmX 1800mm，另两块尺寸为1470mmX 1800mm， 板中均勻布置有Φ58的圆孔，孔中心距均为70mm，钻孔面积约等于不钻孔面积；如图15 所示，木质消波板20为多孔木板，板厚5cm，尺寸为1500 mmX MOOmm，板中均勻布置有70 mmX 70mm的方孔，孔中心距均为100mm，钻孔面积约等于不钻孔面积。如图6所示，所述滑动定位机构包括双向千斤顶油缸15、导轨17和限位块19 ；对应每一个侧限箱体设置双向千斤顶油缸，所述双向千斤顶油缸15与千斤顶反力支架14联接，双向千斤顶油缸的千斤顶拉杆 16通过拉杆9与侧限箱体相连；利用双向千斤顶油缸实现侧限箱体的移开与合拢，完全合拢后侧限箱体与地下爆炸坑边缘紧密接触；对应每个侧限箱体设置有两条轨道槽，所述轨道槽深0. ^!，宽0. ^!，长1.8m，每条轨道槽内有一条导轨，如图16、图17所示，导轨17由三段铸造件组成，铸造件凸起部分为三角形，宽200mm，高80mm，长590mm，通过地脚螺栓固定在轨道槽内；限位块19设置在靠近地下爆炸坑边缘的轨道上，用于限制侧限箱体的最大前移位置；所述锁紧机构由锁紧拉杆3、侧限连接块18及螺母2组成，如图10所示，侧限连接块18设置在两相邻侧限箱体交接处，“L”形的侧限连接块其一侧焊接固定在一个侧限箱体的侧板4上，“L”形的侧限连接块两侧上所具有的连接孔分别与两相邻侧限箱体的锁紧拉杆3对应，并分别套置在两相邻侧限箱体的锁紧拉杆3上，通过螺母2将两相邻的侧限箱体固定一体；所述锁紧拉杆3共有M根，每个侧限箱体设置6根锁紧拉杆，其中12根长1. 8m, 12根长2. 7m，每根锁紧拉杆穿入侧限箱体长度方向上预埋钢管形成的圆孔中，两端分别穿过两个侧限连接块上的连接孔，与两相邻侧限箱体的锁紧拉杆配合，将该侧限箱体与所相邻的两个侧限箱体联接固定一体，锁紧时可共同提供抵抗爆炸荷载的约束反力。采用所述岩土工程抗爆结构模型试验装置开展模型试验时，利用所述滑动定位机构分别将四个侧限箱体合拢至限位块处，围在地下爆炸坑四周，形成的模型试验空间净尺寸为长X宽X高 =2. 4mX 1. 5mX 2. 3m，可在该空间内采用相似材料进行试验。
本发明装置的设置及试验过程为
⑴采用滑动定位机构分别将四个侧限箱体合拢至限位块处，围在地下爆炸坑四周，形成模型试验的空间；
⑵调整装置位置，使侧限连接块18与相邻的侧限箱体紧密结合，侧限连接块18 —面焊接固定在一个侧限箱体侧板上，另一面用锁紧拉杆锁紧于另一侧限箱体侧板上，各侧限箱体侧板与侧限连接块之间交错运用焊接固定和拉杆锁紧；同时为确保四个侧限箱体能沿导轨顺利合拢，各侧限箱体侧板与焊接固定在相邻侧限箱体上的侧限连接块之间预留有适当的安装间隙，箱体就位后在间隙处将24个5mm厚的“U”形垫板套在锁紧拉杆3上，再拧紧螺母2 以确保侧限箱体、锁紧拉杆3和侧限连接块三者紧密结合，从而将侧限箱体准确牢固定位；
⑶在模型空间内浇筑模型、埋置压力、加速度等传感器，待模型基本成型，具有一定强度后，利用滑动定位机构拉开四个侧限箱体，对模型进行开挖、安插围护结构和布置其它量测仪器等必要操作；
⑷将量测数据传输线从侧限箱体中的观察孔或模型与侧限箱体结合处引出；
(5)采用步骤⑵的方法合拢四个侧限箱体；
(6)埋置炸药，可针对不同爆炸方式选择不同埋置方法，如集团装药或平面装药等； ⑵根据不同爆炸方式，在模型上部适当采取保护措施，如加消波海绵等；
⑶进行爆炸试验，试验后利用滑动定位机构拉开侧限箱体，对模型进行解剖，结合量测数据观察并分析试验结果；
⑶试验后也可在不拉开侧限箱体的情况下，先通过观察孔观察结构的外观破坏情况， 并结合试验过程中录制的结构破坏过程影像，决定下一步试验内容；对于可重复利用的试验材料，可只置换受影响部分的模型材料，缩短试验周期，节约试验经费；爆炸试验全部完成后，可拉开侧限箱体，对模型进行解剖。
权利要求
1.一种岩土工程抗爆结构模型试验装置，其特征在于所述模型试验装置由侧限箱体 (22、23、24、25)和下部的爆炸坑(27)拼装构成，并设置有配套的消波机构、锁紧机构及滑动定位机构；所述的侧限箱体(22、23、24、25)为四个且两两相向，垂直布置，并设置在地下爆炸坑(27)的边缘，与地下爆炸坑一起构成长方体的爆炸试验模型室；每个侧限箱体的横断面相同且均为梯形，顶面开口，其余各面均为钢板框架结构，每个侧限箱体的长度方向上均勻分布六个由预埋钢管形成的圆孔，用以对穿锁紧拉杆(3)；所述侧限箱体的底板(1)上安装有四个轮子(26)；所述地下爆炸坑为长方体，由此对应设置于地下爆炸坑长边的侧限箱体(22、24)其长度大于位于地下爆炸坑短边的侧限箱体(23、25)；所述消波机构为多孔板状结构，包括安装在侧限箱体前板(6)上的铝制消波格栅(21)和铺置在地下爆炸坑底部的木质消波板(20)；所述滑动定位机构包括双向千斤顶油缸(15)、导轨(17)和限位块(19)； 所述双向千斤顶油缸(15)对应每一个侧限箱体设置，双向千斤顶油缸(15)的千斤顶拉杆 (16)通过拉杆(9)与侧限箱体相联；对应导轨(17)具有轨道槽，限位块(19)设置在靠近地下爆炸坑边缘的轨道上；所述锁紧机构由锁紧拉杆(3)、侧限连接块(18)及螺母(2)组成， 侧限连接块(18)设置在两相邻侧限箱体交接处，“L”形的侧限连接块其一侧焊接固定在一个侧限箱体的侧板(4)上，“L”形的侧限连接块两侧上所具有的连接孔分别与两相邻侧限箱体的锁紧拉杆(3)对应，并分别套置在两相邻侧限箱体的锁紧拉杆(3)上，通过螺母(2)将两相邻的侧限箱体固定一体；每个侧限箱体设置六根锁紧拉杆(3)，每根锁紧拉杆穿入侧限箱体长度方向上预埋钢管形成的圆孔中，两端分别穿过两个侧限连接块上的连接孔，与两相邻侧限箱体的锁紧拉杆配合，将该侧限箱体与所相邻的两个侧限箱体联接固定一体。
2.根据权利要求1所述的岩土工程抗爆结构模型试验装置，其特征在于在长度较长两个侧限箱体的中间长度处沿宽度方向上具有圆形观察孔(28)。
全文摘要
本发明属于岩土工程模型试验设备技术领域，提出的岩土工程抗爆结构模型试验装置由侧限箱体和下部的爆炸坑拼装构成，并设置有配套的消波机构、锁紧机构及滑动定位机构；消波机构包括铝制消波格栅(21)和木质消波板(20)；滑动定位机构包括双向千斤顶油缸(15)、导轨(17)和限位块(19)；锁紧机构由锁紧拉杆(3)、侧限连接块(18)和螺母(2)组成。本发明在尺寸适中的设备中，可模拟不同爆炸形式；满足洞室开挖、安插围护结构及其测量设备均方便可行的要求；可重复利用，并且在试验中利于观察结构破坏情况；试验结果可为地下抗爆工程设计和科学研究提供重要依据。
文档编号G01M99/00GK102262003SQ20111010481
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月25日 优先权日2011年4月25日
发明者张向阳, 徐景茂, 明治清, 沈俊, 陈伟, 陈安敏, 顾金才, 顾雷雨 申请人:中国人民解放军总参谋部工程兵科研三所
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