CN110333289B - 一种二维平面波激发、传播和监测的测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种二维平面波激发、传播和监测的测试系统及方法，系统由平面波激发装置、支撑平台和数据监测系统组成，平面波激发装置设置于支撑平台的一侧，平面波激发装置包括框架、移动导轨、离合器、伺服电机、升降机、升降手轮、放摆装置、光电编码器、主轴、摆杆和摆锤；移动导轨设置于平面波激发装置的一侧，移动导轨上活动连接有离合器，可沿着移动导轨上下移动，伺服电机的输出轴与主轴连接，主轴通过摆杆与摆锤连接，主轴的末端设置有光电编码器；支撑平台包括平台支架、平台底板和侧挡板，平台支架的上表面均匀铺设有水平万向轮，侧挡板的内壁均匀铺设有侧面万向轮，水平万向轮和侧面万向轮形成有用于放置试样的轨道。

Description

一种二维平面波激发、传播和监测的测试系统及方法
技术领域
本发明属于岩石动力学和应力波传播领域。具体涉及一种用于岩体中二维平面波激发、传播和监测的测试系统及方法。
背景技术
研究并掌握应力波在岩体介质中的传播与衰减规律，对岩土工程实际具有重要意义。地震、工程钻爆开挖等自然现象和人类活动都会产生应力波，应力波在岩体介质中的传播将对已有地下构筑物以及地表建筑的稳定性和安全性产生影响。因此，开展岩体中应力波传播的研究对岩体工程的设计与防护至关重要。
现有用于岩体中应力波传播规律研究的主要室内实验装置为分离式霍普金森岩石杆设备。该装置通过圆柱状长岩石杆作为应力波传播的载体，可实现一维应力波在岩体中传播规律的研究。实际工程中波源产生的波，经过一定时间传播至较远距离时常当作平面波进行分析。然而，现有霍普金森杆设备难以实现二维平面应力波产生，限制了对岩体介质中应力波传播规律进行更广泛、更复杂、更接近实际的研究。因此，十分有必要构建一种可实现二维平面波激发、传播和监测的室内实验装置和测试系统。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种安装简便、操作方便、快速高效的用于二维平面波激发、传播和监测的测试系统及方法，可通过对较大尺寸的板状试样的动态试验实现对二维状态下岩体介质动态特性以及二维平面应力波在节理岩体中传播规律的研究。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种二维平面波激发、传播和监测的测试系统，由平面波激发装置、支撑平台和数据监测系统组成，所述平面波激发装置设置于支撑平台的一侧，平面波激发装置包括框架、移动导轨、离合器、伺服电机、升降机、升降手轮、放摆装置、光电编码器、主轴、摆杆和摆锤；所述移动导轨设置于平面波激发装置的一侧，移动导轨上活动连接有离合器，通过所述升降机和升降手轮控制所述离合器沿着移动导轨上下移动，所述伺服电机放置于所述离合器上，所述伺服电机的输出轴与所述主轴连接，所述主轴通过摆杆与所述摆锤连接，主轴的末端设置有所述光电编码器，所述放摆装置固定于主轴上方的框架上，用于将摆杆固定于初始位置并静止释放，摆杆可在主轴上水平移动，以调整摆锤的水平位置，升降手轮可带动升降机进行垂直方向的微调；
所述支撑平台包括平台支架、平台底板和侧挡板，所述平台底板安置于平台支架上，所述侧挡板安置于平台底板的两侧，所述平台底板的上表面均匀铺设有水平万向轮，侧挡板的内壁均匀铺设有侧面万向轮，所述水平万向轮和侧面万向轮形成有用于放置试样的轨道；
所述数据监测系统由电阻应变片、信号放大器、数据记录仪和计算机组成，电阻应变片贴于试样表面，用于监测试样表面的应变信号，应变片通过屏蔽导线与惠斯通电桥入口端连接，惠斯通电桥出口端通过屏蔽导线与信号放大器接线端入口连接，信号放大器接线端出口通过屏蔽导线与数据记录仪接线端入口连接，数据记录仪接线端出口通过数据线与计算机接线端连接形成数据采集、记录和存储回路。
进一步的，所述主轴的调节高度范围为1～2m；摆锤的摆角范围为0°～160°。
进一步的，所述摆锤锤头的形状为板状或圆柱状，圆柱状锤头用于产生一维应力波，板状锤头用于产生二维平面应力波。
进一步的，所述平台底板的左右两侧设置有宽度调节螺钉，通过螺钉的松紧可调节两个侧挡板之间的宽度。
进一步的，所述平台底板末端设置有尾部缓冲板，尾部缓冲板由橡胶垫层组成，用于吸收试样的冲击能量。
进一步的，所述升降机和升降手轮通过蜗轮蜗杆连接。
一种二维平面波激发、传播和监测的测试方法，包括以下步骤：
(1)将试样放置在支撑平台上，通过宽度调节螺钉调节两个侧挡板之间的宽度，使支撑平台的两侧挡板正好夹紧试样，确保试样可在轨道内自由移动；
(2)通过升降机和升降手轮粗调摆锤位置，将摆锤与试样冲击面在垂直方向对齐，然后调整主轴与摆杆的连接位置，将摆锤与试样冲击面在水平方向对齐；
(3)用伺服电机带动摆锤至测试设定角度后释放，具体角度由光电编码器测量，并由软件计算出相应的冲击速度和能量；
(4)摆锤撞击试样后，伺服电机带动摆锤返回至初始位置并通过放摆装置固定，以防试样受到二次撞击，试样受到撞击后沿支撑平台轨道运动，尾部缓冲板达到缓冲效果；同时，摆锤撞击试样时在试样内部产生二维平面波并沿着试样内部向试样末端传递；
(5)试验所需数据通过电阻应变片测量，电阻应变片贴于试样表面，用于监测试样表面的应变信号，应变信号通过屏蔽导线经由惠斯通电桥传输至信号放大器，应变信号经由信号放大器放大后通过屏蔽导线输出至数据记录仪进行记录和存储，最终通过数据线将应变信号数据由数据记录仪输出至计算机上进行分析处理。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.传统的霍普金森试验系统只能激发一维应力波，针对于岩体应力波传播的试验研究被限定在一维传播状态。然而，实际工程中的应力波传播通常不是一维状态的，尤其是涉及到断续节理的应力波传播的研究。本发明的应力波激发装置，通过板状锤头撞击试样端部产生二维平面应力波，不仅能够通过更换锤头实现不同形态应力波的加载，同时能够通过控制摆角和摆长实现不同冲击速度的加载。因此本发明弥补了传统霍布金森岩石杆实验系统无法实现二维平面波激发与波传播试验研究的缺陷，为含复杂结构面岩体介质的波传播研究提供了实验平台。
2.传统的二维平面应力波通常都得采取现场试验，场地要求严格，不便于寻找合适的场所，同时操作复杂，测试受到现场岩体各向异性的影响，导致结果可重复性不高，并且现场试验费用昂贵，而采用本发明专利则能够在实验室内激发二维平面应力波，弥补上述缺陷，并且操作简单，试验可重复性好。基于本发明系统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是本发明测试系统的三维结构示意图；
图2-1至图2-3分别是平面波激发装置的主视结构、侧视结构和俯视结构示意图；
图3-1至图3-3分别是支撑平台的主视结构、侧视结构和俯视结构示意图；
图4是平板试样尺寸估算示意图；
图5是含断续节理的岩石试样示意图。
附图标记：1-框架，2-移动导轨，3-离合器，4-伺服电机，5-升降机，6-升降手轮，7-放摆装置，8-光电编码器，9-主轴，10-摆杆，11-摆锤，12-平台支架，13-侧挡板，14-水平万向轮，15-侧面万向轮，16-宽度调节螺钉，17-平台底板，18-尾部缓冲板，19-试样
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。
该发明提供了一种能够实现二维平面波激发、传播和数据监测的测试系统。该系统由平面波激发装置、支撑平台和数据监测系统组成，见图1。平面波激发装置通过板状摆锤正向撞击试样，从而在试样内部产生二维平面应力波。支撑轨道平台通过铺设万向轮为试样移动提供摩擦力小、平整度高的运动轨道，从而减小试样运动过程中摩擦力的影响。数据监测系统通过粘贴在试样表面上的应变片对应变信号进行实时测量，应变信号通过屏蔽导线经由惠斯通电桥传输至信号放大器，应变信号经由信号放大器放大后通过屏蔽导线输出至数据记录仪进行记录和存储，最终通过数据线将应变信号数据由数据记录仪输出至计算机上进行分析处理。
该系统可通过摆锤的长度，摆锤尺寸和放摆角度实现速度调节，当摆锤主轴固定在高位时，摆杆长度为1.3米，在最大摆角160°的情况下，最大速度为7m/s，而在低位时，所适用的摆杆长度为0.65米，在最大摆角160°的情况下，具有5m/s的冲击速度。研究节理对波传播的影响，不考虑应力波对岩石板造成破坏的情况，因此所施加的应力幅值较小，以保证撞击过程岩石板中不会产生微裂隙。摆锤主轴固定在低位时，速度区间较小，在低速度区间的调节更加精准。因此研究应力波在岩石板中的传播时，选择低位低速的冲击形式。
在进行断续节理岩体的波传播试验时，要求波长与节理段长度、岩桥长度量级相当，考虑室内试验对试验对象尺寸的限制，将波长、节理段长度和岩桥长度设定在厘米范围，这要求入射脉冲的持续时间大致应达到10-5s量级。根据所选择撞击锤头的材料为高强度硅锰钢，其波速C0为5000m/s，可以得到锤头在垂直于冲击面方向的长度为2.5cm。
如图2-1至图2-3所示，平面波激发装置主体由框架1、移动导轨2、离合器3、伺服电机4、升降机5、升降手轮6、放摆装置7、光电编码器8、主轴9、摆杆10和摆锤11组成。为了使摆锤冲击速度能够分别满足低档速度和高档速度要求，冲击主轴9可以在高、低两个位置进行调整，两个高度分别为1.3m和1.95m。离合器3上固定伺服电机4，调整过程采用手摇式涡轮蜗杆升降机5和升降手轮6使主轴9在移动导轨2上进行上下的调整，移动至合适位置后，采用螺钉固定位置，准确定位。主轴9在不同的高度位置时，可以更换不同长度的摆杆10，满足不同冲击速度和冲击能量的需求。在高位时，安装1.3m长的摆杆，最大摆角为160°，最大冲击速度为7m/s。在低位时，安装0.65m长的摆杆，最大摆角为160°，所能达到的最大冲击速度为5m/s。在同样的最大摆角情况下，更长的摆杆能够施加更大幅值的应力波，从而达到岩石破坏的应力幅值要求。相反，较短的摆杆能够将应力幅值控制在较小的范围内，从而提高小幅值应力波施加的精度。另外，摆锤11锤头可以更换，根据实验需求，可以更换不同尺寸的板状锤头以及不同尺寸的柱状锤头。锤头的长度控制应力波的持续时间，锤头横截面的形状和尺寸控制应力波作用范围。圆柱状锤头可用于施加一维应力波，板状锤头能够对板状试样施加二维平面应力波。摆锤11的精确位置可以进行水平和垂直方向的微调，确保摆锤11与试样19的对齐，保证撞击产生平面波的效果。摆锤11由伺服电机带动至指定角度后释放，具体角度由光电编码器8测量，并由软件计算出相应的冲击速度和能量。摆锤11撞击试样后，由伺服电机4带动其返回初始位置并通过放摆装置7固定，以防止对试样19施加二次撞击，以免对试验波形造成影响。
如图3-1至图3-3所示，支撑平台由平台支架12、平台底板17、侧挡板13和尾部缓冲板18组成。在平台底板17上表面以及两侧的侧挡板13上分别铺设水平万向轮14和侧面万向轮15。试样19的移动和导向由排列的万向轮保证，两者接触时为滚动摩擦，摩擦阻力小。平台宽500mm，长3000mm，能够实现将岩体内部的结构面设计在厘米尺度的二维平面进行研究。安装万向轮的平面平整度达到3度(±0.1mm)或以上。平台底板尾部设置含有橡胶材料的尾部缓冲板18，吸收试样的冲击能量，防止试样滑出平台。水平万向轮14和侧面万向轮15既起到减小摩擦阻力的作用，又起到试样导向的作用；同时侧挡板13可以通过宽度调节螺钉16在平台宽度方向进行小幅移动，从而调节两个侧挡板之间的宽度，调节余量为±5mm，以便满足不同宽度试样的需求。
具体的，上述测试系统试验时的操作步骤如下：
步骤1：加工好试验所需试样为含断续节理的岩石板试样19，含断续节理的岩石板示意图见图5。试样长2000mm，宽500mm，厚25mm，断续节理设置在距离撞击端300mm的位置，同时分别在节理前后相应位置粘贴电阻应变片，以便后续试验时监测在节理处传播的应力波信号；
步骤2：将含断续节理的岩石板试样19放置在支撑平台底板17上，调节平台宽度，使支撑平台侧挡板13正好夹紧试样，同时又不对试样侧面施加侧向约束力，确保试样在轨道内无摩擦且自由的移动；
步骤3：通过手摇式涡轮蜗杆升降机5将摆锤主轴9固定在低位，选择0.65m的摆杆10进行安装，摆锤11的锤头为板状锤头，板状锤头宽500mm、厚度25mm、长度25mm；
步骤4：将摆锤11与试样19撞击面大致对齐，通过升降机5和升降手轮6调整摆锤位置，将摆锤与试样撞击面在垂直方向对齐，然后调整主轴9与摆杆10的连接位置，将摆锤与试样撞击面在水平方向对齐。
步骤5：用伺服电机4带动摆锤11至60°后释放，具体角度由光电编码器测量，并由软件计算出相应的冲击速度和能量；
步骤6：摆锤11撞击平板试样19后，伺服电机4带动摆锤11返回初始位置并通过放摆装置7固定，以防试样收到二次撞击，试样19受到撞击后沿支撑平台轨道运动，到达平台末端后通过平台末端设置含有橡胶材料的尾部缓冲板18进行缓冲，同时，摆锤11撞击试样时在试样19内部产生二维平面波并沿着试样内部向试样末端传递；
步骤7：利用粘贴在试样表面上的应变片对应变信号进行实时测量，应变信号通过屏蔽导线经由惠斯通电桥传输至信号放大器，应变信号经由信号放大器放大后通过屏蔽导线输出至数据记录仪进行记录和存储，最终通过数据线将应变信号数据由数据记录仪输出至计算机上进行分析处理。通过对节理前后应力波信号的处理分析，从而得到岩体中的断续节理对波传播产生的影响。
具体的，板状锤头长度确定方法如下：
在自然状态下，波长通常与岩体中的结构面尺寸相当，通常在以米为单位的尺度量级上。而在室内试验中，考虑室内条件限制，将波长与岩体结构面均等比例缩小至厘米量级，因此要求入射脉冲的持续时间大致达到10-5s量级，根据下式：
其中：τ表示入射脉冲持续时间
L表示撞击锤头的长度
C0表示锤头中应力波传播波速
选择撞击锤头的材料为高强度硅锰钢，其波速C0为5000m/s，因此，可以计算出锤头的长度要求为2.5cm。
具体的，试样长度确定方法：
平板撞击试验对波长的要求是：波长需与断续节理尺寸相当，考虑到试验可操作性，波长需设置在厘米级别，以波长为10cm试算试样长度(图示见图4)。
为了避免试样边界的反射波对试验的影响，入射区域的长度L1设置为3倍波长，即30cm。
透射区域的长度L2的长度取决于测点的布置，测点在沿试样长度方向的布置需要满足：
1)不受左侧边界反射波的影响，因此要求测点P与左侧边界的距离至少为3倍波长，即30cm；
2)有足够长的距离来反映波在通过断续节理之后的传播过程。由于断续节理上每一点传播至测点P的波传播行程不相同，后至波对前至波的影响随着测点距节理的距离H的不同而变化。当节理最边缘B点传播至P点的后至波对从O点传播至P点的前至波波幅不产生影响时，P点之后的波趋于稳定。即：
其中：W表示试样宽度(见图5)，H表示测点到断续节理的距离(图5)，λ表示波长。
代入W＝500mm，λ＝100mm，求得H的最小值为1250mm。综合条件1)、2)，L2的长度至少应为1550mm。因此，综合L1和L2，试样长度设置为2米。
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 (3)

1.一种二维平面波激发、传播和监测的测试系统，其特征在于，由平面波激发装置、支撑平台和数据监测系统组成，所述平面波激发装置设置于支撑平台的一侧，平面波激发装置包括框架（1）、移动导轨（2）、离合器（3）、伺服电机（4）、升降机（5）、升降手轮（6）、放摆装置（7）、光电编码器（8）、主轴（9）、摆杆（10）和摆锤（11）；所述移动导轨（2）设置于平面波激发装置的一侧，移动导轨（2）上活动连接有离合器（3），通过所述升降机（5）和升降手轮（6）控制所述离合器（3）沿着移动导轨（2）上下移动，所述伺服电机（4）放置于所述离合器（3）上，所述伺服电机（4）的输出轴与所述主轴（9）连接，所述主轴（9）通过摆杆（10）与所述摆锤（11）连接，主轴（9）的末端设置有所述光电编码器（8），放摆装置(7)固定于主轴(9)的上方，以将摆杆(10)固定于初始位置并静止释放，摆杆（10）可在主轴（9）上水平移动，以调整摆锤（11）的水平位置，升降手轮（6）可带动升降机（5）进行垂直方向的微调；
所述支撑平台包括平台支架（12）、平台底板（17）和侧挡板（13），所述平台底板（17）安置于平台支架（12）上，所述侧挡板（13）安置于平台底板（17）的两侧，所述平台底板（17）的上表面均匀铺设有水平万向轮（14），侧挡板（13）的内壁均匀铺设有侧面万向轮（15），所述水平万向轮（14）和侧面万向轮（15）形成有用于放置试样（19）的轨道；平台底板（17）尾部设置含有橡胶材料的尾部缓冲板（18），用于吸收试样（19）的冲击能量，防止试样（19）滑出平台；
所述数据监测系统由电阻应变片、信号放大器、数据记录仪和计算机组成，电阻应变片贴于试样表面，用于监测试样表面的应变信号，电阻应变片通过屏蔽导线与惠斯通电桥入口端连接，惠斯通电桥出口端通过屏蔽导线与信号放大器接线端入口连接，信号放大器接线端出口通过屏蔽导线与数据记录仪接线端入口连接，数据记录仪接线端出口通过数据线与计算机接线端连接形成数据采集、记录和存储回路；摆锤（11）的摆角范围为0°~160°；所述平台底板（17）的左右两侧设置有宽度调节螺钉（16）；所述升降机（5）和升降手轮（6）通过蜗轮蜗杆连接；侧挡板（13）能够通过宽度调节螺钉（16）在平台宽度方向进行移动，以调节两个侧挡板（13）之间的宽度，调节余量为±5mm，以满足不同宽度试样的需求；所述主轴（9）能够在高、低两个位置进行调整，两个高度分别为1.3m和1.95m；主轴（9）在不同的高度位置时，更换不同长度的摆杆（10），以满足不同冲击速度和冲击能量的需求；在1.95m高位时，安装1.3m长的摆杆（10），最大摆角为160°，最大冲击速度为7m/s；在1.3m低位时，安装0.65m长的摆杆（10），最大摆角为160°，最大冲击速度为5m/s；所述摆锤（11）锤头的形状为板状，板状锤头用于产生二维平面应力波。
2.根据权利要求1所述的一种二维平面波激发、传播和监测的测试系统，其特征在于，所述尾部缓冲板（18）由橡胶垫层组成。
3.一种二维平面波激发、传播和监测的测试方法，所述测试方法基于权利要求1-2任意一项所述的二维平面波激发、传播和监测的测试系统，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将试样放置在支撑平台上，通过宽度调节螺钉(16)调节两个侧挡板（13）之间的宽度，使支撑平台的两侧挡板正好夹紧试样，确保试样（19）可在轨道内自由移动；
（2）通过升降机（5）和升降手轮（6）粗调摆锤位置，将摆锤（11）与试样（19）冲击面在垂直方向对齐，调整主轴（9）与摆杆（10）的连接位置，将摆锤（11）与试样（19）冲击面在水平方向对齐；
（3）用伺服电机（4）带动摆锤（11）至测试设定角度后释放，具体角度由光电编码器(8)测量，并由软件计算出相应的冲击速度和能量；
（4）摆锤（11）撞击试样后，伺服电机（4）带动摆锤返回至初始位置并通过放摆装置(7)固定，以防试样（19）受到二次撞击，试样受到撞击后沿支撑平台轨道运动，尾部缓冲板（18）达到缓冲效果；同时，摆锤（11）撞击试样（19）时在试样（19）内部产生二维平面波并沿着试样内部向试样末端传递；
（5）试验所需数据通过电阻应变片测量，电阻应变片贴于试样表面，用于监测试样表面的应变信号，应变信号通过屏蔽导线经由惠斯通电桥传输至信号放大器，应变信号经由信号放大器放大后通过屏蔽导线输出至数据记录仪进行记录和存储，最终通过数据线将应变信号数据由数据记录仪输出至计算机上进行分析处理。
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