CN110320115A - 用于岩体应力波传播测试的霍普金森岩石杆装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于岩体应力波传播测试的霍普金森岩石杆装置及方法，装置包括发射系统、实验杆系统和数据采集处理系统，实验杆系统由依次设置的入射钢杆、入射岩石杆、透射岩石杆和吸收岩石杆组成，发射系统由气缸、炮筒和撞击杆组成，撞击杆设置于炮筒内部，所述入射钢杆、入射岩石杆和透射岩石杆上分别设置有入射钢杆应变片、入射岩石杆应变片和透射岩石杆应变片；入射钢杆应变片、入射岩石杆应变片和透射岩石杆应变片均与数据采集处理系统相连接。本发明可为岩体工程的设计、防护以及安全性和稳定性评估提供重要的理论和技术支持。
Description
技术领域
本发明属于岩石动力学与应力波传播研究领域。具体涉及一种用于岩体中应力波传播和衰减规律研究的霍普金森岩石杆实验装置及测试方法。
背景技术
针对地震频繁发生、工程钻爆开挖以及采矿诱发矿震等自然和人类活动，岩体的动力特性已成为研究的热点，被认为是研究工程岩体安全性和稳定性的关键科学问题之一。
分离式霍普金森压杆是用于研究材料动态力学特性的重要实验装置，现已广泛应用于岩石动力学特性的实验研究中。它的组成包括发射系统，实验杆系统和数据采集与处理系统。其测试思想是发射系统激发的应力波在实验杆中传播时兼具加载和测试的作用，依据实验杆中波传播的信息对试样两端面的应力-位移-时间关系进行解析，从而获取试样的动态响应特征，例如动态应力-应变关系。
岩体的动态力学特性根据研究的侧重点不同，可以分为2类：一是动载荷作用下岩石材料的动态响应问题，该研究的开展常选用长径比为1的试样(通常岩石试样的直径≤50mm)，国内外学者借助一维霍普金森杆、常规三轴霍普金森杆等开展了大量的实验研究；二是岩体中应力波传播和衰减的问题，该研究着重关注应力波随空间距离的传播和衰减规律，通常需要在长径比大于30的长试件上沿应力波传播方向布置多个测点开展相关实验研究。然而，由于长径比大于30的圆柱状岩石杆的制备难度较大，基于霍普金森岩石杆开展的有关岩体中应力波传播和衰减特性的实验研究鲜有报道，导致岩体中应力波传播和衰减特性的研究主要通过现场试验测试开展。现场试验虽然能够提供直接的岩体中应力波传播和衰减特性的结果，但是现场试验研究往往存在场地选取不方便，测试费用高，试验结果难以重复实现的缺陷。因此，十分有必要构建霍普金森岩石杆装置用于开展岩体中应力波传播和衰减规律的室内可重复实验研究。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种安装方便、操作简易、试验可控、结果可重复的用于岩体应力波传播测试的霍普金森岩石杆装置及方法，本发明不仅能弥补现有岩体中应力波传播实验研究方法的缺陷，更能为岩体工程的设计、防护以及安全性和稳定性评估提供重要的理论和技术支持。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于岩体应力波传播测试的霍普金森岩石杆装置，包括发射系统、实验杆系统和数据采集处理系统，实验杆系统由依次设置的入射钢杆、入射岩石杆、透射岩石杆和吸收岩石杆组成，所述发射系统由气缸、炮筒和撞击杆组成，所述撞击杆设置于炮筒内部，所述入射钢杆、入射岩石杆和透射岩石杆上分别设置有入射钢杆应变片、入射岩石杆应变片和透射岩石杆应变片；所述入射钢杆应变片、入射岩石杆应变片和透射岩石杆应变片均与数据采集处理系统相连接；实验时，发射系统内的压缩气体推动撞击杆撞击入射钢杆端部产生应力波；应力波通过入射钢杆传递至入射岩石杆产生入射应力波，入射应力波传播至入射岩石杆和透射岩石杆的界面将发生透反射，一部分入射应力波反射进入入射岩石杆形成反射拉伸波，并沿远离透射岩石杆方向传播，剩余入射应力波传递至透射岩石杆上成为透射应力波，继续向前传播并被吸收岩石杆吸收；入射钢杆应变片、入射岩石杆应变片和透射岩石杆应变片对入射应力波信号、反射应力波信号和透射应力波信号进行实时测量并传输至数据采集处理系统。
进一步的，所述数据采集处理系统由超动态应变仪和示波器组成。
一种测试岩体应力波传播的方法，包括以下步骤：
步骤101：根据实验要求的应力波持续时间选择撞击杆；
步骤102：标定冲击气压与入射应力的关系；从小到大选择一系列气压开展撞击入射钢杆的实验，测得相应的入射应力，建立冲击气压与入射应力的关系；
步骤103：将入射钢杆、入射岩石杆、透射岩石杆和吸收岩石杆的两端打磨平整，测量并记录各杆件的直径和长度；按入射钢杆、入射岩石杆、透射岩石杆和吸收岩石杆的顺序依次紧密接触摆放且中心对正校准；
步骤104：根据所需入射应力选择撞击杆发射气压进行冲击试验，通过数据采集处理系统将入射钢杆、入射岩石杆和透射岩石杆上的各应力波信号进行记录与存储；
步骤105：基于记录与存储的数据，得到岩体中应力波传播和衰减规律。
进一步的，所述入射岩石杆、透射岩石杆和吸收岩石杆的直径为30mm～60mm，长度为直径的30～50倍。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明在现有分离式霍普金森压杆实验装置的基础上，引入了入射、透射和吸收岩石杆，提出了一种安装方便、操作简易、试验可控、结果可重复的用于岩体应力波传播测试的实验装置及方法。同时通过改变入射和透射岩石杆间的接触，可实现节理种类的多样化，从而更为全面地探究应力波在节理岩体中的传播和衰减规律。基于本发明装置开展的研究将具有较高的科学和工程应用意义，可为岩体工程的设计、防护以及安全性和稳定性评估提供重要的理论和技术支持。
附图说明
图1是实施例1利用霍普金森岩石杆装置研究应力波穿过单条倾斜节理的示意图。
图2是实施例2利用霍普金森岩石杆装置研究应力波穿过两条平行节理的示意图。
附图标记：1-气缸，2-炮筒，3-撞击杆，4-入射钢杆，5-入射钢杆应变片，6-入射岩石杆，7-入射岩石杆应变片，8-透射岩石杆，9-透射岩石杆应变片，10-吸收岩石杆，11-试样，12-单条倾斜节理，13-两条平行节理。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。
本发明用于岩体应力波传播测试的霍普金森岩石杆装置，由发射系统、实验杆系统和数据采集处理系统等组成。发射系统由气缸1、炮筒2和撞击杆3组成，实验杆系统包括入射钢杆4、入射岩石杆6、透射岩石杆8和吸收岩石杆10。由于岩石杆的脆性高、抗压和抗拉强度相对较低，因此，为避免撞击杆直接撞击入射岩石杆，造成入射岩石杆的损伤和破坏，在入射岩石杆6前端设置一根与入射岩石杆等直径和长度的入射钢杆4。实验时，发射系统内的压缩气体推动撞击杆3撞击入射钢杆4端部产生应力波并朝岩石杆方向传播。通过入射钢杆应变片5可监测撞击杆撞击入射钢杆产生的应力波信号，利用数据采集处理系统可计算出钢杆上应力波幅值的大小，进而可根据实验所需的入射应力幅值来选择合适的撞击杆发射气压开展实验。入射钢杆4非撞击端与入射岩石杆6入射端自由且紧密的贴合，应力波通过入射钢杆4传递至入射岩石杆6产生入射应力波εI(t)，入射应力波传播至入射岩石杆6和透射岩石杆8的界面将发生透反射，一部分入射应力波反射进入入射岩石杆6形成反射拉伸波εR(t)，并沿远离透射岩石杆8方向传播，剩余入射应力波传递至透射岩石杆8上成为透射应力波εT(t)，继续向前传播并被吸收岩石杆吸收。利用入射钢杆应变片5、入射岩石杆应变片7和透射岩石杆应变片9可将入射应力波信号、反射应力波信号和透射应力波信号进行实时测量。应变片通过桥盒与超动态应变仪和示波器连接，从而将岩石杆上监测的应力波信号进行采集和存储。基于一维应力波传播规律，可进行岩体中应力波传播特性的研究。
透射系数Tc和反射系数Rc常用来分析岩体中节理对应力波传播的影响，其定义为透射应力波和反射应力波峰值峰值与入射波峰值之比，分别为：
式中：maxεT(t)表示透射岩石杆上应变片测得的透射应力波最大值，maxεI(t)表示入射岩石杆上应变片测得的入射应力波最大值，maxεR(t)表示入射岩石杆上应变片测得的反射应力波最大值，t表示应力波的持续时间。
能量耗散规律也是节理岩体波传播的一个重要研究内容。由于测试时，岩石杆端部被润滑剂(例如凡士林)充分润滑，故可忽略入射岩石杆和透射岩石杆界面处因摩擦导致的能力耗散。因此，应力波穿过节理的能量耗散ED可通过入射应力波能量EI、反射应力波能量ER和透射应力波能量ET来确定，其定义如下：
ED＝EI-ER-ET (6)
式中：A、E、ρ和C分别表示岩石杆的横截面积、弹性模量、密度和纵波波速。
最佳实施例1：
见图1，首先分别加工直径为50mm，长分别为2000mm、1500mm、500mm的花岗岩岩石杆作为入射岩石杆6、透射岩石杆8和吸收岩石杆10。将入射岩石杆6和透射岩石杆8相接触的一端切割打磨至实验所需角度(如45°)，使其能够完整接触。其次根据入射应力波的持续时间在入射岩石杆6和透射岩石杆8的合适位置粘贴入射岩石杆应变片7和应变片透射岩石杆9。然后将入射岩石杆6、透射岩石杆8、吸收岩石杆10与入射钢杆4(直径50mm，长度2000mm)相组装，并把入射钢杆应变片5、入射岩石杆应变片7和透射岩石杆应变片9通过桥盒与超动态应变仪和示波器连接。实验时，为避免单条节理表面齿状结构被冲击破坏，应将入射应力波最大幅值控制在30MPa(30MPa为本实施例所用花岗岩节理单轴压缩实验的弹性极限)以下，为此需将子弹发射气压控制在4.0psi以内，需要说明的是：该气压为本发明专利设备对应的发射气压，由于炮筒2加工工艺的差异，不同炮筒2所对应的子弹发射气压应严格根据子弹撞击入射钢杆4产生的入射应力波最大幅值确定；气缸1内产生的压力将推动撞击杆3(直径50mm，长度100mm)在炮筒2内运动，撞击杆产生应力波，应力波随即沿入射钢杆4传递至入射岩石杆6形成入射应力波，并继续沿入射岩石杆6向单条倾斜节理12和透射岩石杆8方向传播。通过数据采集处理系统将岩石杆上的各应力波信号进行记录与存储，基于实验监测的数据，按照所述公式(1)至(6)即可计算和分析应力波穿过单条倾斜节理的传播与衰减规律。
最佳实施例2：
见图2，首先分别制备直径50mm，长2000mm、1500mm、500mm的花岗岩岩石杆作为入射岩石杆6、透射岩石杆8和吸收岩石杆10。将直径与岩石杆相同，长度为200-500mm的与岩石杆同材质的花岗岩试样11放置在入射岩石杆6和透射岩石杆8之间，使其形成两条平行节理13。其次根据入射应力波的持续时间在入射岩石杆6和透射岩石杆8的合适位置粘贴入射岩石杆应变片7和透射岩石杆应变片9。然后将入射岩石杆6、试样11、透射岩石杆8、吸收岩石杆10与入射钢杆4相组装，并把入射钢杆应变片5,入射岩石杆应变片7和透射岩石杆应变片9通过桥盒与超动态应变仪和示波器连接。实验时，为避免节理表面结构被冲击破坏，应将入射应力波最大幅值控制在30MPa(30MPa为本实验所用花岗岩节理单轴压缩实验的弹性极限)以下，为此需将子弹发射气压控制在4.0psi以内，需要说明的是：该气压为本实施例设备对应的发射气压，由于炮筒加工工艺的差异，不同炮筒所对应的子弹发射气压应严格根据子弹撞击入射杆产生的入射应力波最大幅值确定；气缸1内产生的压力将推动撞击杆3(直径50mm，长度100mm)在炮筒2内运动，撞击杆产生应力波，应力波随即沿钢杆传递至入射岩石杆6形成入射应力波，并继续沿入射岩石杆6向两条平行节理13和透射岩石杆8方向传播。通过数据采集处理系统将岩石杆上的各应力波信号进行记录与存储，基于实验监测的数据，按照所述公式(1)至(6)即可计算和分析应力波穿过两条平行节理的传播衰减规律。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于岩体应力波传播测试的霍普金森岩石杆装置，其特征在于，包括发射系统、实验杆系统和数据采集处理系统，所述实验杆系统由依次设置的入射钢杆、入射岩石杆、透射岩石杆和吸收岩石杆组成，所述发射系统由气缸、炮筒和撞击杆组成，所述撞击杆设置于炮筒内部，所述入射钢杆、入射岩石杆和透射岩石杆上分别设置有入射钢杆应变片、入射岩石杆应变片和透射岩石杆应变片；所述入射钢杆应变片、入射岩石杆应变片和透射岩石杆应变片均与数据采集处理系统相连接；实验时，发射系统内的压缩气体推动撞击杆撞击入射钢杆端部产生应力波；应力波通过入射钢杆传递至入射岩石杆产生入射应力波εI(t)，入射应力波传播至入射岩石杆和透射岩石杆的界面将发生透反射，一部分入射应力波反射进入入射岩石杆形成反射拉伸波εR(t)，并沿远离透射岩石杆方向传播，剩余入射应力波传递至透射岩石杆上成为透射应力波εT(t)，继续向前传播并被吸收岩石杆吸收；入射钢杆应变片、入射岩石杆应变片和透射岩石杆应变片对入射应力波信号、反射应力波信号和透射应力波信号进行实时测量并传输至数据采集处理系统。
2.根据权利要求1所述的一种用于岩体应力波传播测试的霍普金森岩石杆装置，其特征在于，所述数据采集处理系统由超动态应变仪和示波器组成。
3.一种测试岩体应力波传播的方法，基于权利要求1所述霍普金森岩石杆装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤101：根据实验要求的应力波持续时间选择撞击杆；
步骤102：标定冲击气压与入射应力的关系；从小到大选择一系列气压开展撞击入射钢杆的实验，测得相应的入射应力，建立冲击气压与入射应力的关系；
步骤103：将入射钢杆、入射岩石杆、透射岩石杆和吸收岩石杆的两端打磨平整，测量并记录各杆件的直径和长度；按入射钢杆、入射岩石杆、透射岩石杆和吸收岩石杆的顺序依次紧密接触摆放且中心对正校准；
步骤104：根据所需入射应力选择撞击杆发射气压进行冲击试验，通过数据采集处理系统将入射钢杆、入射岩石杆和透射岩石杆上的各应力波信号进行记录与存储；
步骤105：基于记录与存储的数据，得到岩体中应力波传播和衰减规律。
4.根据权利要求3所述一种测试岩体应力波传播的方法，其特征在于，所述入射岩石杆、透射岩石杆和吸收岩石杆的直径为30mm～60mm，长度为直径的30～50倍。
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