CN110887746A - 基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法 - Google Patents

基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法 Download PDF

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Abstract

一种基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法,依据大型岩体结构面剪切失稳的数据,统计分析后确定超大尺寸岩体结构面剪切试验的壁岩和结构面的物理力学参数,采用长方体钢模具浇筑超大尺寸岩体结构面混凝土下试样,依据同样的方法浇筑上试样;在上、下试样周围布置高频电流线圈,通过改变线圈中电流的大小和方向来调节洛伦兹力的大小和方向;将确定的高频线圈中电流的数据输入到智能计算机中,通过电流分控制器控制高频线圈中电流的大小和方向;试验过程中,在切向载荷作用下光纤电流传感器受到压力而产生变形,通过光纤通道将数据传输到智能计算机中,对剪切试验的切向载荷进行修正。本发明提高了试验结果的准确性和科学性。

Description

基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载 方法
技术领域
本发明涉及基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法,属于室内物理力学试验技术领域。
背景技术
随着经济的快速发展,我国在中西部大型基础建设上的投资越来越大,如大型水电工程、高速铁路、深部资源开采、战略石油储备以及核电工程等大型项目,这些项目的施工建设在提高人民生活水平、促进经济进一步发展的同时,也带来了较多的工程地质灾害问题,如滑坡、泥石流、岩爆、地震等,导致工程区岩体的稳定性及灾变问题相当突出,严重威胁着人民的生命和财产安全。经过调查研究,这些工程地质不稳定现象多数与煤岩体中的结构面的剪切失稳有关,而结构面是否发生剪切失稳是由其抗剪强度决定,以露天矿山边坡为例,只有当关键结构面受到的下滑力小于其抗剪强度时,边坡才可保持稳定性。然而,对于大型露天边坡而言,总体边坡、组合台阶边坡的关键结构面尺寸达数十米甚至上百米,由于结构面抗剪强度尺寸效应的存在,传统的小型室内剪切试验得到的结构面抗剪强度指标误差较大,因此,进行超大尺寸岩体结构面剪切试验非常有必要。但存在以下问题:(1)超大尺寸岩体结构面剪切试验所需的切向载荷非常大,利用油缸进行加载的油压非常大,存在安全隐患;(2)在试样端部进行切向加载会造成局部应力集中,导致切向载荷不均匀分布,试样端部先于结构面破坏;(3)在两侧布置牛腿,利用多油缸推动的方法可实现切向加载,但牛腿中的钢板需贯穿试样,对试样的完整性破坏较大,严重影响岩体中应力分布,得出的数据存在较大误差;(4)考虑安全性问题,试验操作人员要远离试验设备足够距离,需较长的导线传输控制信号,利用电缆传输信号会造成信号的损伤,且防水性、抗震性、抗干扰能力不强。因此,利用洛伦兹力为试样提供较为均匀的切向载荷、光纤通道信号传输的稳定性、电磁屏蔽导线对电磁场干扰的屏蔽特性,提出一种基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法非常有必要。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题,本发明提供一种基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法,能避免超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载导致的局部破碎问题,使剪切试样受到较为均匀的切向载荷,光纤通道能保证实验人员的安全性且降低信号的衰减,电磁屏蔽导线能屏蔽电磁场的干扰,稳定传输电流控制的电信号,为大尺寸岩体锚固结构面剪切试验的设计提供科学依据。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法,所述方法包括以下步骤:
(1)依据大型岩体结构面剪切失稳的数据,统计分析后确定超大尺寸岩体结构面剪切试验的试验需求,包括壁岩的密度、尺寸、弹性模量、泊松比和强度,结构面的尺寸和形态特征,法向力、剪切力和剪切速率;
(2)依据步骤(1)确定的壁岩和结构面的物理力学参数,参照《混凝土结构设计规范》GB 50010-2015,采用长方体钢模具浇筑超大尺寸岩体结构面混凝土下试样;
(3)在浇筑超大尺寸岩体结构面混凝土上试样之前,将钢筋笼布置在长方体钢模具中,然后依据步骤(2)同样的方法浇筑上试样;
(4)在上、下试样周围布置设计好的高频电流线圈,通过高频电流产生高频电磁场,在钢筋笼表面产生高频涡流,与磁场相互作用从而使钢筋笼受到洛伦兹力,根据步骤(1)确定的应力环境,通过改变线圈中电流的大小和方向来调节洛伦兹力的大小和方向,进而满足剪切试验的切向加载要求;
(5)通过编程,将步骤(4)确定的高频线圈中电流的数据输入到智能计算机中,产生电流控制信号,依次通过光纤交换机、光电信号转换器,将电流控制信号传输到电流总控制器中;
(6)通过电磁屏蔽导线将电流总控制器产生的信号稳定地传输到电流分控制器中,通过电流分控制器智能控制高频线圈中电流的大小和方向;
(7)试验过程中,在切向载荷作用下,光纤电流传感器受到压力而产生变形,通过其内部电流的变化产生结构面所受剪切力和剪切位移的数据,通过光纤通道将数据传输到智能计算机中,进而对剪切试验的切向载荷进行修正。
进一步,所述步骤(2)中,浇筑的剪切试样尺寸,长度大于5m,宽度大于2m,高度大于1m。
再进一步,所述步骤(3)中,钢筋笼所采用的金属材料具有超导特征,在高频电磁场的作用下能产生洛伦兹力。
所述步骤(4)中,高频电流与洛伦兹力的大小按照如下公式确定:
F=qvB+qE
式中,F是洛伦兹力,q是带电粒子的电荷量,E是电场强度,v是带电粒子的速度,B是磁感应强度。
所述步骤(4)中,高频电流线圈设计为三维立体空间布置,围绕整个剪切试样。
所述步骤(5)中,智能计算器输出的电信号首先通过电缆传输到光纤交换机,经过光电转换产生光信号,然后通过光纤通道传输到光电信号转换器,经过光电转换产生电信号,最后通过电磁屏蔽导线传输到电流总控制器。
图1中的电磁屏蔽导线能屏蔽电磁场的干扰,稳定传输电流控制的电信号;光纤通道可根据需求延长,能保证实验人员的安全性,其稳定性、防水性、耐热性和抗震性较高,抗电磁干扰能力强,信号衰减小。
本发明的有益效果为:能避免超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载导致的局部破碎问题,使剪切试样受到较为均匀的切向载荷,光纤通道能保证实验人员的安全性且降低信号的衰减,电磁屏蔽导线能屏蔽电磁场的干扰,稳定传输电流控制的电信号,提高了试验结果的准确性和科学性,为超大尺寸岩体结构面剪切试验的设计提供科学依据;对于大型露天矿山减少投资、降低生产成本、保证开采安全和大型水利水电等工程建设项目安全保障具有着重要的意义。
附图说明
图1是本发明的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法流程图。
具体实施方式
下面结合对本发明作进一步说明。
参照图1,一种基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法,所述方法包括以下步骤:
(1)依据大型岩体结构面剪切失稳的数据,统计分析后确定超大尺寸岩体结构面剪切试验的试验需求,包括壁岩的密度、尺寸、弹性模量、泊松比和强度等物理力学参数,结构面的尺寸和形态特征等物理力学参数,法向力、剪切力和剪切速率等应力环境;
(2)依据步骤(1)确定的壁岩和结构面的物理力学参数,参照《混凝土结构设计规范》GB 50010-2015,采用长方体钢模具浇筑超大尺寸岩体结构面混凝土下试样;
(3)在浇筑超大尺寸岩体结构面混凝土上试样之前,将钢筋笼布置在长方体钢模具中,然后依据步骤(2)同样的方法浇筑上试样;
(4)在上、下试样周围布置设计好的高频电流线圈,通过高频电流产生高频电磁场,在钢筋笼表面产生高频涡流,与磁场相互作用从而使钢筋笼受到洛伦兹力,根据步骤(1)确定的应力环境,通过改变线圈中电流的大小和方向来调节洛伦兹力的大小和方向,进而满足剪切试验的切向加载要求;
(5)通过编程,将步骤(4)确定的高频线圈中电流的数据输入到智能计算机中,产生电流控制信号,依次通过光纤交换机、光电信号转换器,将电流控制信号传输到电流总控制器中;
(6)通过电磁屏蔽导线将电流总控制器产生的信号稳定地传输到电流分控制器中,通过电流分控制器智能控制高频线圈中电流的大小和方向;
(7)试验过程中,在切向载荷作用下,光纤电流传感器受到压力而产生变形,通过其内部电流的变化产生结构面所受剪切力和剪切位移的数据,通过光纤通道将数据传输到智能计算机中,进而对剪切试验的切向载荷进行修正。
进一步,所述步骤(2)中,浇筑的剪切试样尺寸,长度大于5m,宽度大于2m,高度大于1m。
再进一步,所述步骤(3)中,钢筋笼所采用的金属材料具有超导特征,在高频电磁场的作用下能产生洛伦兹力。
所述步骤(4)中,高频电流与洛伦兹力的大小按照如下公式确定:
F=qvB+qE
式中,F是洛伦兹力,q是带电粒子的电荷量,E是电场强度,v是带电粒子的速度,B是磁感应强度。
所述步骤(4)中,高频电流线圈设计为三维立体空间布置,围绕整个剪切试样;
所述步骤(5)中,智能计算器输出的电信号首先通过电缆传输到光纤交换机,经过光电转换产生光信号,然后通过光纤通道传输到光电信号转换器,经过光电转换产生电信号,最后通过电磁屏蔽导线传输到电流总控制器;
图1中的电磁屏蔽导线能屏蔽电磁场的干扰,稳定传输电流控制的电信号;光纤通道可根据需求延长,能保证实验人员的安全性,其稳定性、防水性、耐热性和抗震性较高,抗电磁干扰能力强,信号衰减小。
本实施例的方法能避免超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载导致的局部破碎问题,使剪切试样受到较为均匀的切向载荷,光纤通道能保证实验人员的安全性且降低信号的衰减,电磁屏蔽导线能屏蔽电磁场的干扰,稳定传输电流控制的电信号,提高了试验结果的准确性和科学性,为超大尺寸岩体结构面剪切试验的设计提供科学依据;对于大型露天矿山减少投资、降低生产成本、保证开采安全和大型水利水电等工程建设项目安全保障具有着重要的意义。

Claims (6)

1.一种基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)依据大型岩体结构面剪切失稳的数据,统计分析后确定超大尺寸岩体结构面剪切试验的试验需求,包括壁岩的密度、尺寸、弹性模量、泊松比和强度,结构面的尺寸和形态特征,法向力、剪切力和剪切速率;
(2)依据步骤(1)确定的壁岩和结构面的物理力学参数,参照《混凝土结构设计规范》GB50010-2015,采用长方体钢模具浇筑超大尺寸岩体结构面混凝土下试样;
(3)在浇筑超大尺寸岩体结构面混凝土上试样之前,将钢筋笼布置在长方体钢模具中,然后依据步骤(2)同样的方法浇筑上试样;
(4)在上、下试样周围布置设计好的高频电流线圈,通过高频电流产生高频电磁场,在钢筋笼表面产生高频涡流,与磁场相互作用从而使钢筋笼受到洛伦兹力,根据步骤(1)确定的应力环境,通过改变线圈中电流的大小和方向来调节洛伦兹力的大小和方向,进而满足剪切试验的切向加载要求;
(5)通过编程,将步骤(4)确定的高频线圈中电流的数据输入到智能计算机中,产生电流控制信号,依次通过光纤交换机、光电信号转换器,将电流控制信号传输到电流总控制器中;
(6)通过电磁屏蔽导线将电流总控制器产生的信号稳定地传输到电流分控制器中,通过电流分控制器智能控制高频线圈中电流的大小和方向;
(7)试验过程中,在切向载荷作用下,光纤电流传感器受到压力而产生变形,通过其内部电流的变化产生结构面所受剪切力和剪切位移的数据,通过光纤通道将数据传输到智能计算机中,进而对剪切试验的切向载荷进行修正。
2.如权利要求1所述的基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法,其特征在于,所述步骤(2)中,浇筑的剪切试样尺寸,长度大于5m,宽度大于2m,高度大于1m。
3.如权利要求1或2所述的基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法,其特征在于,所述步骤(3)中,钢筋笼所采用的金属材料具有超导特征,在高频电磁场的作用下能产生洛伦兹力。
4.如权利要求1或2所述的基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法,其特征在于,所述步骤(4)中,高频电流与洛伦兹力的大小按照如下公式确定:
F=qvB+qE
式中,F是洛伦兹力,q是带电粒子的电荷量,E是电场强度,v是带电粒子的速度,B是磁感应强度。
5.如权利要求1或2所述的基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法,其特征在于,所述步骤(4)中,高频电流线圈设计为三维立体空间布置,围绕整个剪切试样。
6.如权利要求1或2所述的基于洛伦兹力的超大尺寸岩体结构面剪切试验的切向加载方法,其特征在于,所述步骤(5)中,智能计算器输出的电信号首先通过电缆传输到光纤交换机,经过光电转换产生光信号,然后通过光纤通道传输到光电信号转换器,经过光电转换产生电信号,最后通过电磁屏蔽导线传输到电流总控制器。
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