CN105527176B - 用于冲击荷载下深部节理岩体破裂机理的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于冲击荷载下深部节理岩体破裂机理的试验装置，包括水平构造应力加载系统、底部垫块、顶部垫块、应变片、高速动态采集系统、声发射探头、声发射数据采集仪、高速摄像‑节理开度一体化量测系统、激光光通量位移计信号接收装置和冲击荷载试验系统，所述水平构造应力加载系统由U型底座、液压柱、伺服控制系统和加载板组成，所述U型底座为U型钢结构，所述液压柱与所述伺服控制系统相连，且一侧与所述U型底座内侧指定位置焊接，另一侧与所述加载板连接，所述加载板内嵌力传感器和位移传感器，通过控制所述伺服控制系统。本发明在实现冲击荷载下深部节理岩体破裂机理试验的前提下，结构简易、造价低廉、操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学与工程技术领域，具体涉及一种用于冲击荷载下深部节理岩体破裂机理的试验装置。
背景技术
明显的冲击荷载动力学破坏现象，破坏力远大于静载荷。受地层构造作用和人类的开挖扰动以及岩体本身的非均一性和各向异性，地下岩体多呈现节理化，节理岩体组成了深部地下工程的主要围岩结构，其破裂破坏行为直接制约了围岩的承载性能，因此，深入研究深部复杂应力环境下节理岩体的动力学破坏特性及破裂演化机理具有重要的理论和工程实践意义。
申请号为CN201310425462.3的发明专利介绍了一种冲击地压真三轴模拟试验装置，该装置较好的模拟了冲击地压的发生条件，且三轴加载条件尤其适用于回采巷道发生的重力型冲击地压，但是该装置不能模拟深部地层环境下岩体真实应力状态。
申请号为CN201510149128.9的发明专利介绍了一种冲击地压模拟实验用静-动复合加载装置，该装置通过环形储能胶囊和储能弹簧模拟冲击地压发生的静载荷和动载荷条件，可得到实验过程中煤岩体破坏的临界静荷载和临界动荷载。
作者为张海波，2007年河海大学硕士学位论文《动-静荷载作用下不同倾角裂隙岩体力学性能试验模拟研究》，文中采用分离式Hopkinson压杆对不同倾角的裂隙岩体进行试验，没有考虑裂隙岩体在其他方向的受力情况，该方法不能真实反映裂隙岩体的受力特征。
从已有的模拟冲击荷载的装置和方法中可以看出存在以下方面的不足：首先是对于用于试验的岩石试样，只考虑了几何特征，如形状、尺寸和缺陷，并没有考虑到试验对象在实际工程中受到的力学特征，地下工程围岩都要受一定的地层约束，即在边界条件上是力或者位移的限制。其次，已有的装置和方法都只关注试样发生破坏时的荷载大小，而没有监测试样受到荷载后的变形以及破坏过程，从而忽视了煤岩体受动荷载后的大量对研究具有重要意义的信息。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于冲击荷载下深部节理岩体破裂机理的试验装置，既考虑到了试验试样所受的应力或位移边界条件，又能够监测试样受动荷载后的变形及破坏过程，大大丰富了动载研究中所能够提取到的信息，同时还具有结构简易、造价低廉、操作简单等特点。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
用于冲击荷载下深部节理岩体破裂机理的试验装置，包括水平构造应力加载系统、底部垫块、顶部垫块、应变片、高速动态采集系统、声发射探头、声发射数据采集仪、高速摄像-节理开度一体化量测系统、激光光通量位移计信号接收装置和冲击荷载试验系统，所述水平构造应力加载系统由U型底座、液压柱、伺服控制系统和加载板组成，所述U型底座为U型钢结构，所述液压柱与所述伺服控制系统相连，且一侧与所述U型底座内侧指定位置焊接，另一侧与所述加载板连接，所述加载板内嵌力传感器和位移传感器，通过控制所述伺服控制系统，可以为试样两侧施加等应力边界或施加位移边界，从而来模拟深部地层构造作用的两种应力状态，所述底部垫块、顶部垫块均为钢块，且宽度略窄于试样，分别放置在试样的底部和顶部，所述应变片粘贴在所述底部垫块和所述顶部垫块的中部，并与所述高速动态采集系统相连，通过对采集到的波形数据可以得到试样轴向的应力应变曲线，所述声发射探头呈正三角粘贴在试样正面，所述声发射探头呈倒三角粘贴在试样背面，并与所述声发射数据采集仪相连，所述高速摄像-节理开度一体化量测系统布置在试样正前方，所述激光光通量位移计信号接收装置布置在试样的正后方，试验装置配合普通的冲击载荷试验系统即可以进行试验，如霍普金森冲击系统、摆锤冲击系统或落锤冲击系统等。
优选地，所述高速摄像-节理开度一体化量测系统由高速摄像机和激光光通量位移计组成，通过高速摄像-节理开度一体化量测系统发出激光，透过试样内部的预制裂隙，由所述激光光通量位移计信号接收装置接收。所述高速摄像-节理开度一体化量测系统可以监测试样表面位移场演化、裂纹起裂、节理开度变化等信息。
上述用于冲击荷载下深部节理岩体破裂机理的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S1、将底部垫块放在U型底座上，试样放置在底部垫块上，将顶部垫块放在试样的顶部，通过伺服控制系统控制水平构造应力加载系统为试样两侧施加等应力边界或施加位移边界；
S2、将应变片粘贴在底部垫块、顶部垫块的中部，并与高速动态采集系统相连，得到试样轴向的应力应变数据；
S3、将声发射探头粘贴在试样表面，3个粘贴于正面且呈正三角布置，3个粘贴于背面且呈倒三角布置，实现三维定位，并与声发射数据采集仪相连，采集试验全过程声发射响应特征；
S4、将组装好的试验装置放置在普通冲击荷载试验系统上，并使得冲击荷载试验系统直接与顶部垫块相接触；
S5、将高速摄像-节理开度一体化量测系统布置在试样正前方，激光光通量位移计信号接收装置布置在试样的正后方，通过高速摄像-节理开度一体化量测系统发出激光，透过试样内部的预制裂隙，由激光光通量位移计信号接收装置接收。
优选地，所述冲击荷载试验系统包括但不限于霍普金森压杆、摆锤冲击系统、落锤冲击系统。
本发明具有以下有益效果：
在实现冲击荷载下深部节理岩体破裂机理试验的前提下，结构简易、造价低廉、操作简单；利用普通的冲击荷载试验系统结合本发明就可进行试验；通过更换不同尺寸的加载端头、顶底部垫板就可研究试样的尺寸效应；高速摄像-节理开度一体化量测系统的设计，可以实时监测试样表面裂纹扩展过程、裂隙尖端张开位移等信息；声发射探头的特殊布置可以实现立体式三维定位，为研究试样内部的裂纹扩展、破裂机理提供依据，高速摄像-节理开度一体化量测系统和声发射系统的结合使用大大丰富了试验过程中获取到的数据，对于深入研究动载对岩体的作用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例用于冲击荷载下深部节理岩体破裂机理的试验装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中水平构造应力加载系统示意图。
图3为本发明实施例中高速摄像-节理开度一体化量测系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-3所示，本发明实施例提供了一种用于冲击荷载下深部节理岩体破裂机理的试验装置，包括水平构造应力加载系统、底部垫块5、顶部垫块6、应变片7、高速动态采集系统8、声发射探头9、声发射数据采集仪10、高速摄像-节理开度一体化量测系统11、激光光通量位移计信号接收装置12和冲击荷载试验系统，所述水平构造应力加载系统由U型底座1、液压柱2、伺服控制系统3和加载板4组成，所述U型底座1为U型钢结构，所述液压柱2与所述伺服控制系统3相连，且一侧与所述U型底座1内侧指定位置焊接，另一侧与所述加载板4连接，所述加载板4内嵌力传感器和位移传感器，通过控制所述伺服控制系统3，可以为试样两侧施加等应力边界或施加位移边界，从而来模拟深部地层构造作用的两种应力状态，所述底部垫块5、顶部垫块6均为钢块，且宽度略窄于试样，分别放置在试样的底部和顶部，所述应变片7粘贴在所述底部垫块5和所述顶部垫块6的中部，并与所述高速动态采集系统8相连，通过对采集到的波形数据可以得到试样轴向的应力应变曲线，所述声发射探头9呈正三角粘贴在试样正面，所述声发射探头9呈倒三角粘贴在试样背面，并与所述声发射数据采集仪10相连，所述高速摄像-节理开度一体化量测系统11布置在试样正前方，所述激光光通量位移计信号接收装置12布置在试样的正后方，试验装置配合普通的冲击载荷试验系统即可以进行试验，如霍普金森冲击系统、摆锤冲击系统或落锤冲击系统等。
所述高速摄像-节理开度一体化量测系统11由高速摄像机和激光光通量位移计组成，通过高速摄像-节理开度一体化量测系统11发出激光，透过试样内部的预制裂隙，由所述激光光通量位移计信号接收装置12接收。所述高速摄像-节理开度一体化量测系统11可以监测试样表面位移场演化、裂纹起裂、节理开度变化等信息。
本发明实施例还提供了上述用于冲击荷载下深部节理岩体破裂机理的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S1、将底部垫块5放在U型底座1上，试样放置在底部垫块5上，将顶部垫块6放在试样的顶部，通过伺服控制系统3控制水平构造应力加载系统为试样两侧施加等应力边界或施加位移边界；
S2、将应变片7粘贴在底部垫块5、顶部垫块6的中部，并与高速动态采集系统相连，得到试样轴向的应力应变数据；
S3、将声发射探头9粘贴在试样表面，3个粘贴于正面且呈正三角布置，3个粘贴于背面且呈倒三角布置，实现三维定位，并与声发射数据采集仪10相连，采集试验全过程声发射响应特征；
S4、将组装好的试验装置放置在普通冲击荷载试验系统上，并使得冲击荷载试验系统直接与顶部垫块6相接触；
S5、将高速摄像-节理开度一体化量测系统11布置在试样正前方，激光光通量位移计信号接收装置12布置在试样的正后方，通过高速摄像-节理开度一体化量测系统11发出激光，透过试样内部的预制裂隙，由激光光通量位移计信号接收装置12接收。
所述冲击荷载试验系统包括但不限于霍普金森压杆、摆锤冲击系统、落锤冲击系统。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.用于冲击荷载下深部节理岩体破裂机理的试验装置，其特征在于：包括水平构造应力加载系统、底部垫块(5)、顶部垫块(6)、应变片(7)、高速动态采集系统(8)、声发射探头(9)、声发射数据采集仪(10)、高速摄像-节理开度一体化量测系统(11)、激光光通量位移计信号接收装置(12)和冲击荷载试验系统，所述水平构造应力加载系统由U型底座(1)、液压柱(2)、伺服控制系统(3)和加载板(4)组成，所述U型底座(1)为U型钢结构，所述液压柱(2)与所述伺服控制系统(3)相连，且一侧与所述U型底座(1)内侧指定位置焊接，另一侧与所述加载板(4)连接，所述加载板(4)内嵌力传感器和位移传感器，通过控制所述伺服控制系统(3)，可以为试样两侧施加等应力边界或施加位移边界，从而来模拟深部地层构造作用的两种应力状态，所述底部垫块(5)、顶部垫块(6)均为钢块，且宽度略窄于试样，分别放置在试样的底部和顶部，所述应变片(7)粘贴在所述底部垫块(5)和所述顶部垫块(6)的中部，并与所述高速动态采集系统(8)相连，所述声发射探头(9)呈正三角粘贴在试样正面，所述声发射探头(9)呈倒三角粘贴在试样背面，并与所述声发射数据采集仪(10)相连，所述高速摄像-节理开度一体化量测系统(11)布置在试样正前方，所述激光光通量位移计信号接收装置(12)布置在试样的正后方；该试验装置的试验方法包括如下步骤：
S1、将底部垫块(5)放在U型底座(1)上，试样放置在底部垫块(5)上，将顶部垫块(6)放在试样的顶部，通过伺服控制系统(3)控制水平构造应力加载系统为试样两侧施加等应力边界或施加位移边界；
S2、将应变片(7)粘贴在底部垫块(5)、顶部垫块(6)的中部，并与高速动态采集系统相连，得到试样轴向的应力应变数据；
S3、将声发射探头(9)粘贴在试样表面，3个粘贴于正面且呈正三角布置，3个粘贴于背面且呈倒三角布置，实现三维定位，并与声发射数据采集仪(10)相连，采集试验全过程声发射响应特征；
S4、将组装好的试验装置放置在普通冲击荷载试验系统上，并使得冲击荷载试验系统直接与顶部垫块(6)相接触；
S5、将高速摄像-节理开度一体化量测系统(11)布置在试样正前方，激光光通量位移计信号接收装置(12)布置在试样的正后方，通过高速摄像-节理开度一体化量测系统(11)发出激光，透过试样内部的预制裂隙，由激光光通量位移计信号接收装置(12)接收。
2.如权利要求1所述的用于冲击荷载下深部节理岩体破裂机理的试验装置，其特征在于：所述高速摄像-节理开度一体化量测系统(11)由高速摄像机和激光光通量位移计组成，通过高速摄像-节理开度一体化量测系统(11)发出激光，透过试样内部的预制裂隙，由所述激光光通量位移计信号接收装置(12)接收。
3.如权利要求1所述的用于冲击荷载下深部节理岩体破裂机理的试验装置，其特征在于，所述冲击荷载试验系统包括但不限于霍普金森压杆、摆锤冲击系统、落锤冲击系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Su Haijian Inventor after: Guo Qingzhen Inventor after: Jing Hongwen Inventor after: Han Guansheng Inventor after: Wei Liyuan Inventor after: Wu Xingjie Inventor after: Liu Jiawei Inventor before: Su Haijian Inventor before: Jing Hongwen Inventor before: Han Guansheng Inventor before: Wei Liyuan Inventor before: Wu Xingjie |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |