CN107687973A - 利用霍普金森压杆测试岩石材料动态点载荷强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用霍普金森压杆测试岩石材料动态点载荷强度的方法，将霍普金森压杆的入射杆和透射杆加载试样的两端改进成圆锥型形成圆锥型加载端；选取岩石试样，试样高度与平均宽度之比为0.5～1.0，选择岩石试样最小尺寸方向为加载方向；将岩石试样放入入射杆和透射杆之间，使左、右两个圆锥型加载端分别与岩石试样紧密接触；对岩石试样的轴向两端施加加载力，通过霍普金森压杆原理得到动态破坏荷载Pd max；再通过点载荷强度公式和得到动态点载荷强度Is和对应的加载率本发明能够获得不同加载率下岩石材料的动态点荷载强度。

Description

利用霍普金森压杆测试岩石材料动态点载荷强度的方法
技术领域
本发明属于岩石材料性能测试技术领域，特别是涉及一种利用霍普金森压杆实验系统测试岩石材料动态点载荷强度的方法。
背景技术
岩体属于天然介质，由于受节理裂隙的影响，有时比较破碎。针对破碎岩体，在进行岩石抗压强度测试时，很难加工成直径50mm、高径比(试样高度和直径之比)2:1的圆柱型试样进行测试，一般采用点荷载试验进行试验。现有的岩石材料点荷载试验主要是静态点荷载试验，冲击荷载下的岩石点荷载试验技术是空白。因此非常有必要发展用于测试冲击荷载作用下岩石材料动态点荷载强度的试验技术和方法。
在测试岩石材料的静态点载荷强度实验中，材料试样有方块体或不规则块体试件以及岩心试样等形式，然后利用点载荷试验仪法进行测试。利用上述方法，通过调节实验系统加载速率范围，只能获得低加载率段材料的点载荷强度，更高加载率下的实验无法通过常规的点载荷试验仪完成。对于高加载率段岩石材料的动态性能测试实验，目前主要采用霍普金森装置。由于常规霍普金森实验系统中入射杆和透射杆的截面为平滑的圆面，无法满足点载荷锥型对心受力的实验要求，导致高加载率段材料的动态点载荷强度测试一直无法实现。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种利用改进的霍普金森压杆测试岩石材料动态点载荷强度的方法，能够获得不同加载率下岩石材料的动态点荷载强度。
本发明所采用的技术方案是，一种利用霍普金森压杆测试岩石材料动态点载荷强度的方法，按照以下步骤进行：
步骤1，将霍普金森压杆的入射杆和透射杆加载试样的两端，分别改进成圆锥型形成圆锥型加载端，形成入射杆上的圆锥型加载端和透射杆上的圆锥型加载端；
步骤2，选取岩石试样，岩石试样为圆柱型、方形或不规则块体，高度为25～50mm，加载处平均宽度与加载处两点间距之比为0.5～1.0，选择岩石试样最小尺寸方向为加载方向；将岩石试样放入入射杆和透射杆之间，使左边的入射杆上的圆锥型加载端和右边的透射杆上的圆锥型加载端分别与岩石试样紧密接触；
步骤3，对岩石试样的轴向两端施加加载力，通过霍普金森压杆试验原理得到动态破坏荷载Pdmax；
步骤4，再通过点载荷强度公式得到动态点载荷强度Is，其中，Ds为等效岩芯直径；
步骤5，最后通过加载率计算公式得到动态点载荷强度Is对应的加载率其中，t为试样加载开始到Pdmax的时间。
进一步的，所述步骤1中，选择直径为50mm的霍普金森压杆，入射杆上的圆锥型加载端和透射杆上的圆锥型加载端的锥端部曲率半径为5mm、锥顶角为60°、高度为38.3mm，入射杆和透射杆的直径为50mm。
进一步的，所述步骤2中，入射杆上的圆锥型加载端和透射杆上的圆锥型加载端的接触点距岩石试样自由端的距离不应小于加载点间距的1/2。
进一步的，所述步骤3中，通过霍普金森压杆原理得到动态破坏荷载Pdmax的步骤是：施加冲击载荷，在入射杆左端产生应力波，在杆中向右传播，并在入射杆上的圆锥型加载端、岩石试样和透射杆上的圆锥型加载端的接触处分别发生反射和透射，透射应力波最后被吸收杆吸收，在应力波传播过程中，入射杆上的应变片记录下应力波在传播过程中的入射应变脉冲εI(t)和反射应变脉冲εR(t)，透射杆上的应变片记录下应力波在传播过程中的透射应变脉冲εT(t)，利用加载力Pd、霍普金森压力杆的弹模E、霍普金森压力杆的圆柱横截面积A、按下式计算得到材料的动态破坏荷载Pdmax：
进一步的，所述步骤5中，通过霍普金森压杆原理得到岩石试样的破坏时间的步骤是：根据步骤3中得到的动态破坏荷载Pdmax所对应的加载力-加载时间的关系曲线，得到Pdmax对应的时刻t。
本发明的有益效果是结合霍普金森压杆实验装置的特点和岩石材料静态点载荷性能测试的要求，提出利用改进的霍普金森压杆加载端的方法测量岩石动态点载荷强度。本发明通过把常规的霍普金森压杆入射杆和透射杆的圆平面加载端统一改进为圆锥型加载端，并基于霍普金森压杆的实验原理进行岩石动态点载荷试验测试，试验结果的精度和准确度可以得到保证。
附图说明
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获得其他的附图。
图1是本发明采用改进的霍普金森压杆进行岩石材料动态点载荷实验示意图。
图2是本发明改进的霍普金森压杆的圆锥型加载端的结构示意图。
图3是本发明实施例2中动态点荷载试验加载方式图。
图4是本发明实施例2中试验过程中记录到的应力脉冲信号图。
图5是本发明实施例2中红砂岩试样破坏状态图。
图1中，1.冲击载荷，2.入射杆上的应变片，3.入射杆，4.入射杆上的圆锥型加载端，5.岩石试样，6.透射杆上的圆锥型加载端，7.透射杆上的应变片，8.透射杆，9.吸收杆。
具体实施方式
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做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。
一种利用改进的霍普金森压杆测试岩石材料动态点载荷强度的方法，具体实验时的原理如图1所示，改进直径为50mm的霍普金森压杆的圆平面加载端。将霍普金森压杆入射杆和透射杆加载试样的两端改进成圆锥型(加压锥型状和常规静态点荷载试验装置中的加压锥形状一致)，使其满足锥端部曲率半径为5mm，锥顶角为60°。如图2所示，加载端由圆柱杆和圆锥端组成；Φ50mm为入射杆和透射杆(即圆柱杆)的直径。38.3mm指的是圆锥型加载端的高度。
岩石试样5形状为圆柱型、方形或不规则块体，试样高度为25～50mm，加载处平均宽度与加载处两点间距之比为0.5～1.0。选择岩石试样5最小尺寸方向(高度方向)为加载方向；将岩石试样5安装在霍普金森压杆测试装置上，即放入入射杆3和透射杆8之间，使左、右两个入射杆上的圆锥型加载端4、透射杆上的圆锥型加载端6分别与岩石试样5紧密接触；对试样的轴向两端施加加载力，通过霍普金森压杆原理得到动态破坏荷载Pdmax，再通过点载荷强度公式得到动态点载荷强度Is。
通过常规霍普金森压杆试验原理，得到破坏载荷的具体过程是：利用加载力Pd、霍普金森压力杆的弹模E、霍普金森压力杆的圆柱横截面积A、按下式计算得到材料的动态破坏荷载Pdmax：
式中：εI(t)、εR(t)和εT(t)分别为常规霍普金森压杆试验中测到的入射应变脉冲、反射应变脉冲和透射应变脉冲；Pdmax为动态破坏荷载(N)，Pdmax即入射应变脉冲εI(t)、反射应变脉冲εR(t)和透射应变脉冲εT(t)叠加后的最大值；
再根据点载荷强度公式：得到动态点载荷强度Is；式中，Ds为等效岩芯直径。
动态点载荷强度Is对应的加载率计算公式如下：
式中，t为试样加载开始到Pdmax的时间。
实施例1
1.进行岩石动态点荷载试验时，岩石试样5形状为圆柱型、方形或不规则块体，试样高度为25～50mm，加载处平均宽度与加载处两点间距之比为0.5～1.0。选择岩石试样5最小尺寸方向(高度方向)为加载方向。将岩石试样5放入入射杆上的圆锥型加载端4和透射杆上的圆锥型加载端6之间，使左、右两个圆锥型加载端分别与岩石试样5紧密接触。量测加载点间距Ds及垂直于加载方向岩石试样5的宽度(或平均宽度)。岩石试样5安装完毕后，施加冲击载荷1，在入射杆3左端产生应力波，在杆中向右传播，并在入射杆上的圆锥型加载端4、岩石试样5和透射杆上的圆锥型加载端6的接触处分别发生反射和透射，透射应力波最后被吸收杆9吸收。在应力波传播过程中，入射杆上的应变片2记录下应力波在传播过程中的入射应变脉冲εI(t)和反射应变脉冲εR(t)，透射杆上的应变片7记录下应力波在传播过程中的透射应变脉冲εT(t)。
2.根据记录下的冲击试验过程中入射杆3中的入射应变脉冲εI(t)、反射应变脉冲εR(t)和透射杆8中的透射应变脉冲εT(t)，按下式计算得到材料的动态破坏荷载Pdmax：
再根据点载荷强度公式得到动态点载荷强度Is。
动态点载荷强度Is对应的加载率
式中：Pdmax为动态破坏荷载(N)，即入射应变脉冲εI(t)、反射应变脉冲εR(t)和透射应变脉冲εT(t)叠加后的最大值；E为是霍普金森压力杆的弹模(MPa)，A为霍普金森压力杆的圆柱横截面积(mm2)，εI(t)为入射应变脉冲，εR(t)反射应变脉冲，εT(t)为透射应变脉冲(无单位)；IS为动态动态点载荷强度(MP)，为等效岩芯直径(mm)。
E是霍普金森压力杆的弹模，该量在安装霍普金森实验系统的过程中已经标定，属于常量。A可以利用标尺或游标卡尺进行测量杆子的直径，然后按圆形面积公式计算得到。εI(t)、εR(t)和εT(t)利用霍普金森实验系统可以得到。Ds可以利用标尺或游标卡尺进行测量。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
实施例2
对红砂岩进行动态点荷载试验。将红砂岩加工成规格为Φ50×50mm圆柱形岩石试样。将试样两端的标记点与霍普金斯杆锥形加载端对心，并保持试样水平(如图3所示)。通过轴向加载，记录冲击过程记录的应力脉冲信号(如图4所示)，完成动态点荷载试验。试验破坏后的图片如图5所示。
计算得到该次试验红砂岩动态点荷载强度为5.53MPa，破坏时间130μs，对应的加载率为42534.55MPA·s-1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种利用霍普金森压杆测试岩石材料动态点载荷强度的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤1，将霍普金森压杆的入射杆(3)和透射杆(8)加载试样的两端，分别改进成圆锥型形成圆锥型加载端，形成入射杆上的圆锥型加载端(4)和透射杆上的圆锥型加载端(6)；
步骤2，选取岩石试样(5)，岩石试样(5)为圆柱型、方形或不规则块体，高度为25～50mm，加载处平均宽度与加载处两点间距之比为0.5～1.0，选择岩石试样(5)最小尺寸方向为加载方向；将岩石试样(5)放入入射杆(3)和透射杆(8)之间，使左边的入射杆上的圆锥型加载端(4)和右边的透射杆上的圆锥型加载端(6)分别与岩石试样(5)紧密接触；
步骤3，对岩石试样(5)的轴向两端施加加载力，通过霍普金森压杆试验原理得到动态破坏荷载Pdmax；
步骤4，再通过点载荷强度公式得到动态点载荷强度Is，其中，Ds为等效岩芯直径；
步骤5，最后通过加载率计算公式得到动态点载荷强度Is对应的加载率其中，t为试样加载开始到Pdmax的时间。
2.根据权利要求1所述的利用霍普金森压杆测试岩石材料动态点载荷强度的方法，其特征在于，所述步骤1中，选择直径为50mm的霍普金森压杆，入射杆上的圆锥型加载端(4)和透射杆上的圆锥型加载端(6)的锥端部曲率半径为5mm、锥顶角为60°、高度为38.3mm，入射杆(3)和透射杆(8)的直径为50mm。
3.根据权利要求1所述的利用霍普金森压杆测试岩石材料动态点载荷强度的方法，其特征在于，所述步骤2中，入射杆上的圆锥型加载端(4)和透射杆上的圆锥型加载端(6)的接触点距岩石试样(5)自由端的距离不应小于加载点间距的1/2。
4.根据权利要求1所述的利用霍普金森压杆测试岩石材料动态点载荷强度的方法，其特征在于，所述步骤3中，通过霍普金森压杆原理得到动态破坏荷载Pdmax的步骤是：
施加冲击载荷(1)，在入射杆(3)左端产生应力波，在杆中向右传播，并在入射杆上的圆锥型加载端(4)、岩石试样(5)和透射杆上的圆锥型加载端(6)的接触处分别发生反射和透射，透射应力波最后被吸收杆(9)吸收，在应力波传播过程中，入射杆上的应变片(2)记录下应力波在传播过程中的入射应变脉冲εI(t)和反射应变脉冲εR(t)，透射杆上的应变片(7)记录下应力波在传播过程中的透射应变脉冲εT(t)，
利用加载力Pd、霍普金森压力杆的弹模E、霍普金森压力杆的圆柱横截面积A、按下式计算得到材料的动态破坏荷载Pdmax：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>max</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>E</mi> <mi>A</mi> <mfrac> <msub> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>I</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>R</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>T</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
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