CN109342564A - 一种用于研究高温下应力波在节理岩体中传播特性的试验装置 - Google Patents

一种用于研究高温下应力波在节理岩体中传播特性的试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于研究高温下应力波在节理岩体中传播特性的试验装置，包括：发射系统，装载系统，测量系统以及加温装置四个部分。加温装置采用分段加热的方法，能够满足复杂的试验需求。测量系统主要包括两个测量系统，一个采用应变片来测量岩石的局部位移，从而得到波速变化，在试样温度较低时可以采用此种方式。另一种采用数字图像处理技术。本发明操作简单、可以控制初始波形和初始波速，可以较好的满足试验需求；可以对试样的位置进行微调，避免岩石加工时留下的误差对试验结果的影响；加热装置可以进行分段加热，可以满足复杂的试验要求；采用两套测量系统，确保试验精度。

Description

一种用于研究高温下应力波在节理岩体中传播特性的试验 装置
技术领域
本发明涉及一种用于研究高温条件下弹性纵波在节理岩体中传播特征的试验装置及方法。
背景技术
自然界岩体一般都存在节理、断层及软弱夹层等缺陷，在实际工程中，节理岩体往往具有非均质、各向异性和非线性的特点。随着经济建设的持续发展，地下岩土工程的规模越来越大，所涉及的岩体力学问题也越来越复杂，对岩体力学研究提出了更高的要求。地下岩土工程在施工和使用过程中不可避免地会遇到爆破施工、矿山开采、地震、滑坡、岩爆等地下工程问题。这些地下工程问题都与应力波在节理岩体中的传播特性息息相关，因此研究应力波在节理岩体中传播特性对地下岩石工程问题的防治具有较好的工程意义。现阶段理论研究表明：当应力波在地下节理岩体中传播时，岩体节理等结构面会严重影响波的传播规律，导致波幅值的衰减、高频滤波、信号的延迟以及波传播速度的减慢，阻碍应力波的传播，加剧应力波能量的衰减。然而，现有关于岩体中应力波传播特性的研究主要集中于数值研究以及常温岩体，关于岩体中应力波传播特性试验以及高温条件下应力波传播的研究较少。
发明内容
为了测试高温条件下弹性纵波在岩体中的传播特征，本发明提供了一种测试高温岩体中弹性纵波传播特征的试验装置，其目的是能够较为精准测量出不同温度下弹性纵波在节理处的传播特征。
本发明采用的技术方案是：用于研究弹性纵波在节理处的传播特征的试验装置，它主要包括：发射系统，装载系统，测量系统以及加温装置四个部分。
本发明的发射系统主要由：包括底座，子弹，发射腔室，红外测速仪，驱动线圈以及和驱动线圈相连的储能电源和控制开关发射腔室、动力系统、子弹组成。其中本发明的发射腔室的管道采用高强度绝缘材料制成，子弹由电枢和金属弹体组成。动力系统是采用交变电流产生的磁性波来驱动子弹，可以通过改变放电电压来改变子弹的初始速度，从而得到不同初始波速的弹性纵波在节理岩体的传播特征。同时，可以通过调节子弹的形状得到不同初始波形的弹性波在节理岩体的传播特征。本发明的装载系统主要作用是确保两个岩样以及子弹的中心线处于一条水平线上，可以通过微调装载系统的滑轮位置来调节岩样的位置，从而确保岩样位于同一水平面上。
本发明的加温装置采用分段加热的方法，每一根石杆都采用三段加热方式，采用多段加热方式能够有效地对加热区进行加热的同时能够对同根石杆进行分级加热，能够满足复杂的试验需求。
本发明的测量系统主要包括两个测量系统，一个采用应变片来测量岩石的局部位移，从而得到波速变化，在试样温度较低时可以采用此种方式。另一种采用数字图像处理技术(DIC技术)，当温度高于300摄氏度时，应变片法测应变无法较好地实现试验需求，而DIC技术可以较好地解决这个问题。在温度较低时，可以将两种测量得到的数据进行对比，从而确保试验的准确度。
本发明的有益效果是：发射系统操作简单、可以控制初始波形和初始波速，可以较好的满足试验需求；可以对试样的位置进行微调，避免岩石加工时留下的误差对试验结果的影响；加热装置可以进行分段加热，可以满足复杂的试验要求；采用两套测量系统，确保试验精度。
附图说明
图1为用于研究弹性纵波在节理处的传播特征的试验装置正视图；
图2为支座详图；
图3为滑轮详图；
图4为加热装置详图
图中：1底座；2试样；3发射系统；4支座；5子弹；6发射腔室；7驱动线圈；8支撑；9固定螺栓；10滑轮；11螺杆；12外滑轮；13轴承；14内滑轮；15高速摄像机；16应变片；17金属外壳；18加热丝；19连接装置；20石棉隔热层；21石棉密封板。
具体实施方式
如图1所示，本发明采用的技术方案为一种用于研究高温下应力波在节理岩体中传播特性的试验装置，该装置用于测量高温条件下不同初始波速和初始波形的弹性纵波在节理处的传播特征。
该装置主要包括发射系统3，装载系统，测量系统和加热系统。发射系统用于发射子弹，为岩石试样2提供一个初始波形。装载装置主要是用于放置岩石试样2，测量装置用于测量岩石试样2中部的应变，加热系统用于加热岩石试样2。岩石试样2为长条形石杆。
发射系统3包括底座1，子弹5，发射腔室6，红外测速仪，驱动线圈7。发射腔室6与底座1相连，驱动线圈7缠绕于发射腔室6的外部，子弹5位于发射腔室6内部，子弹5的表面与发射腔室6的内表面相接触并涂有润滑油。红外测速仪位于发射腔室6的右侧，用于测量子弹5的发射速度。
装载系统包括支座4以及红外线水平仪。支座4包括支撑8，固定螺栓9，滑轮10，螺杆11。螺杆11通过固定螺栓9与支撑8连接，同时，滑轮10套在螺杆11上并在滑轮10两侧各放置一个固定螺栓9固定滑轮位置。滑轮10包括外滑轮12，轴承13、内滑轮14，外滑轮12与内滑轮14通过轴承13连接，外滑轮12与内滑轮14与轴承13焊接连接。固定螺栓9与内滑轮14接触，内滑轮14和外滑轮12通过轴承13相连，减少摩擦力对试验结果的影响。岩石试样2放置在滑轮10上，试验时，通过调节固定螺栓9的位置移动滑轮10的位置，从而调节岩石试样2的位置，并用红外线水平仪确保岩石试样2处于水平位置。
测量装置包括两套测量系统，两套测量系统分别为应变片测量系统、数字图像处理测量系统，应变片测量系统的应变片16贴在试样2的外表面，数字图像处理测量系统的高速摄像机15的镜头正对岩石试样2。将两种测量系统测量得到的应变片16数据与高速摄像机15数据进行对比，从而确保试验的准确度。
图4是加热装置的详图，加热装置主要包括金属外壳17、加热丝18、连接装置19、石棉隔热层20、石棉密封板21。金属外壳17采用不锈钢材料，石棉隔热层20位于金属外壳17内部，并与金属外壳17紧密连接，加热丝18均匀分布在加热装置上部，连接装置19焊接于金属外壳17上。加热装置分为上下两层，便于试验时安装，加热装置底部凹槽处与支撑8相接触。两个加热装置用连接装置19连接并充分接触。加热装置的中部设有一个有耐热透明材料制成的观察窗，通过观察窗用于对高速摄像机15的摄影进行观测，位于岩石试样2两端的加热装置采用石棉密封板21密封。加热装置的内部设有温度传感器和外部的控制装置。
底座1的材质为钢材，避免试验时发生震荡影响试验结果。金属弹体的形状可以为圆柱体、圆锥体等，不同形状的弹体可以提供从而得到不同的初始波形。发射腔室6采用氧化铝陶瓷材料高硬度绝缘材料组成制成。试验时，打开控制开关给驱动线圈输入脉冲大电流，电流流经驱动线圈产生脉冲强磁场使电枢内产生感应电流。由于驱动线圈中的电流和电枢中的感应电流方向相反而互相排斥，从而给子弹一个初始加速度使得子弹加速向右运动，通过改变放电电压来改变子弹的初始速度从而获得不同波速的弹性纵波。驱动线圈7通过控制开关与储能电源相连。
本发明所涉及的装置采用分段式加热，本实施方式中采用三个加热装置对一根石杆进行分级加热。
试验时，选取加工精度较好的岩石试样2放置滑轮10上，通过调节滑轮10的位置使得岩石试样2与岩石试样2之间，岩石试样2与子弹5充分接触并且重合，安装好加热装置，按照试验需求设定加热装置以及加热时间，架设高速摄像机15以及贴好应变片16。将子弹5推回发射腔室6的顶部，根据试验需求设定放电电压，待试验温度达到要求时，打开发射系统3的控制开关，发射子弹5，保存试验数据。当试验温度低于300摄氏度时，采用应变片法和数字图像处理技术对岩石的应变进行测量，确保试验结果的精确性；但温度不小于300摄氏度时，应变片16测应变无法较好地实现试验需求，采用数字图像处理测量系统测量，而DIC技术可以较好地解决这个问题。

Claims (7)

1.一种用于研究高温下应力波在节理岩体中传播特性的试验装置，其特征在于：该装置用于测量高温条件下不同初始波速和初始波形的弹性纵波在节理处的传播特征；
该装置主要包括发射系统(3)，装载系统，测量系统和加热系统；发射系统用于发射子弹，为岩石试样(2)提供一个初始波形；装载装置主要是用于放置岩石试样(2)，测量装置用于测量岩石试样(2)中部的应变，加热系统用于加热岩石试样(2)；岩石试样(2)为长条形石杆；
发射系统(3)包括底座(1)，子弹(5)，发射腔室(6)，红外测速仪，驱动线圈(7)；发射腔室(6)与底座(1)相连，驱动线圈(7)缠绕于发射腔室(6)的外部，子弹(5)位于发射腔室(6)内部，子弹(5)的表面与发射腔室(6)的内表面相接触并涂有润滑油；红外测速仪位于发射腔室(6)的右侧，用于测量子弹(5)的发射速度；
装载系统包括支座(4)以及红外线水平仪；支座(4)包括支撑(8)，固定螺栓(9)，滑轮(10)，螺杆(11)；螺杆(11)通过固定螺栓(9)与支撑(8)连接，同时，滑轮(10)套在螺杆(11)上并在滑轮(10)两侧各放置一个固定螺栓(9)固定滑轮位置；滑轮(10)包括外滑轮(12)，轴承(13)、内滑轮(14)，外滑轮(12)与内滑轮(14)通过轴承(13)连接，外滑轮(12)与内滑轮(14)与轴承(13)焊接连接；固定螺栓(9)与内滑轮(14)接触，内滑轮(14)和外滑轮(12)通过轴承(13)相连，减少摩擦力对试验结果的影响；岩石试样(2)放置在滑轮(10)上，试验时，通过调节固定螺栓(9)的位置移动滑轮(10)的位置，从而调节岩石试样(2)的位置，并用红外线水平仪确保岩石试样(2)处于水平位置；
测量装置包括两套测量系统，两套测量系统分别为应变片测量系统、数字图像处理测量系统，应变片测量系统的应变片(16)贴在试样2的外表面，数字图像处理测量系统的高速摄像机(15)的镜头正对岩石试样(2)；将两种测量系统测量得到的应变片(16)数据与高速摄像机(15)数据进行对比，从而确保试验的准确度；
加热装置主要包括金属外壳(17)、加热丝(18)、连接装置(19)、石棉隔热层(20)、石棉密封板(21)；金属外壳(17)采用不锈钢材料，石棉隔热层(20)位于金属外壳(17)内部，并与金属外壳(17)紧密连接，加热丝(18)均匀分布在加热装置上部，连接装置(19)焊接于金属外壳(17)上；加热装置分为上下两层，便于试验时安装，加热装置底部凹槽处与支撑(8)相接触；两个加热装置用连接装置(19)连接并充分接触。
2.根据权利要求1所述的一种用于研究高温下应力波在节理岩体中传播特性的试验装置，其特征在于：加热装置的中部设有一个有耐热透明材料制成的观察窗，通过观察窗用于对高速摄像机(15)的摄影进行观测，位于岩石试样(2)两端的加热装置采用石棉密封板(21)密封；加热装置的内部设有温度传感器和外部的控制装置。
3.根据权利要求1所述的一种用于研究高温下应力波在节理岩体中传播特性的试验装置，其特征在于：底座(1)的材质为钢材，避免试验时发生震荡影响试验结果；金属弹体的形状为圆柱体、圆锥体，不同形状的弹体可以提供从而得到不同的初始波形。
4.根据权利要求1所述的一种用于研究高温下应力波在节理岩体中传播特性的试验装置，其特征在于：发射腔室(6)采用氧化铝陶瓷材料高硬度绝缘材料组成制成。
5.根据权利要求1所述的一种用于研究高温下应力波在节理岩体中传播特性的试验装置，其特征在于：试验时，打开控制开关给驱动线圈输入脉冲大电流，电流流经驱动线圈产生脉冲强磁场使电枢内产生感应电流；由于驱动线圈中的电流和电枢中的感应电流方向相反而互相排斥，从而给子弹一个初始加速度使得子弹加速向右运动，通过改变放电电压来改变子弹的初始速度从而获得不同波速的弹性纵波；驱动线圈(7)通过控制开关与储能电源相连。
6.根据权利要求1所述的一种用于研究高温下应力波在节理岩体中传播特性的试验装置，其特征在于：试验时，选取加工好的岩石试样(2)放置滑轮(10)上，通过调节滑轮(10)的位置使得岩石试样(2)与岩石试样(2)之间，岩石试样(2)与子弹(5)充分接触并且重合，安装好加热装置，按照试验需求设定加热装置以及加热时间，架设高速摄像机(15)以及贴好应变片(16)；将子弹(5)推回发射腔室(6)的顶部，根据试验需求设定放电电压，待试验温度达到要求时，打开发射系统(3)的控制开关，发射子弹(5)，保存试验数据。
7.根据权利要求1所述的一种用于研究高温下应力波在节理岩体中传播特性的试验装置，其特征在于：当试验温度低于300摄氏度时，采用应变片法和数字图像处理技术对岩石的应变进行测量；但温度不小于300摄氏度时，采用数字图像处理测量系统测量。
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