CN111678807A - 预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置及方法，包括岩石试块、合金环、压力机、应变片、剪切垫块、支撑垫块、入射杆及透射杆，合金环为中间空的圆环形，合金环的内壁设有相对的两个平面，合金环内壁的两个平面之间的距离不小于岩石试块的长度，压力机向合金环两个平面所在位置的外壁施加正应力，应变片贴在合金环上，入射杆及透射杆用于向岩石试块施加剪切冲击荷载。本发明采用合金属环在岩石试件的两端施加正应力，然后采用SHPB杆对岩石试件施加剪切冲击荷载，通过校准合金环应力应变关系，可以定量计算冲击过程中合金环的正应力值，从而确定一定正应力条件下岩石材料的剪切强度。

Description

预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置及方法
技术领域
本发明属于岩石材料测试领域，涉及岩石材料的动态剪切强度的测定装置及方法，尤其涉及一种预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置及方法。
背景技术
岩石材料在实际工程中起着非常重要的作用，输水隧洞的围岩，水利大坝的坝基等都利用了岩石材料稳定的力学性能。然而，这些结构极易遭受地震荷载的破坏。当地震来临时，处于受压状态的岩石材料，瞬间遭受高应变率的地震荷载的冲击，很容易产生剪切裂纹而给结构的安全带来隐患。因此，测试受压状态的岩石材料的抗剪强度规律，对结构安全评估极为重要。
目前为了测试冲击荷载对岩石的破坏，通常采用SHPB试验装置，但一定正应力状态下的SHPB岩石剪切试验是困难的。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中在正应力状态下进行SHPB试验的困难，本发明提供一种预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置及方法。
技术方案：一种基于SHPB测试预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置，包括岩石试块、合金环、压力机、应变片、剪切垫块、支撑垫块、入射杆及透射杆，所述合金环为中间空的圆环形，合金环的内壁设有相对的两个平面，合金环内壁的两个平面之间的距离不小于岩石试块的长度，压力机向合金环两个平面所在位置的外壁施加正应力，应变片贴在合金环上，岩石试块在两端部的前表面和后表面分别刻有两条凹槽，入射杆位于岩石试块前，透射杆位于岩石试块后，剪切垫块安装在岩石试块前表面，支撑垫块安装在岩石试块后表面，入射杆及透射杆用于向岩石试块施加剪切冲击荷载。
进一步地，剪切垫块的大小与岩石试块前表面两个凹槽之间的区域大小相同，剪切垫块与岩石试块的前表面紧密贴合。
进一步地，支撑垫块的安装面设有凹槽，支撑垫块的凹槽大小与岩石试块后表面两个凹槽之间的区域大小相同，支撑垫块凹槽两端与岩石试块的后表面紧密贴合。
进一步地，应变片有四个，合金环内侧和外侧各粘贴两个应变片。
进一步地，岩石试块同一端部的前表面凹槽与后表面凹槽位于同一平面。
进一步地，合金环内壁的两个平面之间的距离等于岩石试块的长度。
进一步地，岩石试块为长方体结构，横截面为正方形。
一种使用上述基于SHPB测试预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置的测试方法，包括以下步骤：
步骤一、根据合金环的尺寸和入射杆、透射杆杆径尺寸制备岩石试块待测；
步骤二、将应变片粘贴于合金环内侧和外侧，并利用压力机对合金环施加不同拉荷载，测试对应的应变值，对合金环的应力应变关系进行校准；
步骤三、把岩石试块放入合金环中，使岩石试块的两端面朝向合金环内壁两个平面，控制压力机朝合金环外壁施加正压力，施力方向为岩石试块的长度方向，使岩石试块被合金环夹持并预加正应力；
步骤四、将合金环放置在SHPB装置试块区，将剪切垫块安装在岩石试块前表面，将支撑垫块安装在岩石试块后表面，入射杆位于剪切垫块前，透射杆位于支撑垫块后；
步骤五、采用SHPB对岩石试块施加冲击荷载，记录应变片测量结果，并计算岩石试块所遭受的平均正应力和平均剪切应力，
Figure BDA0002485826810000021
Figure BDA0002485826810000022
其中，
Figure BDA0002485826810000023
为岩石试块所受平均正应力，
Figure BDA0002485826810000024
为岩石试块所受平均剪切应力，Fr为合金环对岩石试件的预压荷载值，A为岩石试块承受压荷载的截面面积，Fs为SHPB的冲击荷载值。
有益效果：本发明提供一种预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置及方法，相比较现有技术，该装置通过采用压力机在合金属环外壁施加正压力，将正压力作用在岩石试件的两端，然后采用SHPB杆对岩石试件施加剪切冲击荷载，通过校准合金环应力应变关系，可以定量计算冲击过程中合金环的正应力值，从而确定一定正应力条件下岩石材料的剪切强度。
附图说明
图1为合金环与岩石试块安装组合示意图；
图2为图1合金环与岩石试块安装组合A-A的剖视图；
图3为合金环与岩石试块、入射杆、透射杆、剪切垫块、支撑垫块的组装关系示意图；
图4为岩石试块的结构示意图；
图5为压力机向合金环施加正应力的示意图；
图中，岩石试块1、合金环2、应变片3、剪切垫块4、支撑垫块5、入射杆6、透射杆7、凹槽8、压力机9。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
如图3所示，一种基于SHPB测试预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置，包括岩石试块1、合金环2、应变片3、剪切垫块4、支撑垫块5、入射杆6、透射杆7及压力机9(压力机9在图5中有显示)。如图1、2所示，合金环2为中间空的圆环形，合金环2的内壁设有相对的两个平面，合金环2内两个平面之间的距离不小于岩石试块1的长度，否则岩石试块1安装不上去，最好能够略大于或等于岩石试块1的长度，使得岩石试块1刚好可以安装上，并在当压力机9在合金环2的外壁施力时能够给岩石试块1产生正应力，应变片3贴在合金环2上，应变片3有四个，合金环2内侧和外侧各粘贴两个应变片3，用于测量不同荷载下对应的合金环2的应变值，校准合金环的压力-应变关系。如图4，本实施例选取的岩石试块1为截面是正方形的长方体结构，尺寸为50mm×50mm×94mm，实际可根据合金环2及入射杆6透射杆7的杆径确定尺寸。岩石试块1在两端部的前表面和后表面分别刻有两条9mm深，3mm宽的凹槽8，刻凹槽是为了限定剪切破坏的位置，岩石试块1同一端部的前表面凹槽与后表面凹槽位于同一平面，即为剪切面。入射杆6位于岩石试块1前，透射杆7位于岩石试块1后，剪切垫块4安装在岩石试块1前表面，支撑垫块5安装在岩石试块1后表面，入射杆6及透射杆7用于向岩石试块1施加剪切冲击荷载。其中，剪切垫块4的大小与岩石试1块前表面两个凹槽之间的区域大小相同，剪切垫块4与岩石试块1的前表面两个凹槽中间的区域紧密贴合。支撑垫块5的安装面设有凹槽，支撑垫块5的凹槽大小与岩石试块1后表面两个凹槽之间的区域大小相同，支撑垫块5凹槽两端与岩石试块1的后表面两个凹槽外侧区域紧密贴合。
一种使用该装置的基于SHPB测试预加正应力条件下岩石动态剪切强度的方法，包括以下步骤：
步骤一、根据合金环的尺寸和入射杆、透射杆杆径尺寸制备岩石试块待测；
步骤二、将应变片粘贴于合金环内侧和外侧，并利用压力机对合金环施加不同拉荷载，测试对应的应变值，对合金环的应力应变关系进行校准；
步骤三、把岩石试块放入合金环中，使岩石试块的两端面朝向合金环内壁两个平面，如图5所示，控制压力机朝合金环外壁施加正压力，施力方向为岩石试块的长度方向，使岩石试块被合金环夹持并预加正应力；
步骤四、将合金环放置在SHPB装置试块区，将剪切垫块安装在岩石试块前表面，将支撑垫块安装在岩石试块后表面，入射杆位于剪切垫块前，透射杆位于支撑垫块后；
步骤五、采用SHPB对岩石试块施加冲击荷载，记录应变片测量结果，并计算岩石试块所遭受的平均正应力和平均剪切应力，
Figure BDA0002485826810000031
Figure BDA0002485826810000041
其中，
Figure BDA0002485826810000042
为岩石试块所受平均正应力，
Figure BDA0002485826810000043
为岩石试块所受平均剪切应力，Fr为合金环对岩石试件的预压荷载值，A为岩石试块承受压荷载的截面面积，Fs为SHPB的冲击荷载值。

Claims (8)

1.一种基于SHPB测试预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置，其特征在于，包括岩石试块、合金环、压力机、应变片、剪切垫块、支撑垫块、入射杆及透射杆，所述合金环为中间空的圆环形，合金环的内壁设有相对的两个平面，合金环内壁的两个平面之间的距离不小于岩石试块的长度，压力机向合金环两个平面所在位置的外壁施加正应力，应变片贴在合金环上，岩石试块在两端部的前表面和后表面分别刻有两条凹槽，入射杆位于岩石试块前，透射杆位于岩石试块后，剪切垫块安装在岩石试块前表面，支撑垫块安装在岩石试块后表面，入射杆及透射杆用于向岩石试块施加剪切冲击荷载。
2.根据权利要求1所述的基于SHPB测试预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置，其特征在于，剪切垫块的大小与岩石试块前表面两个凹槽之间的区域大小相同，剪切垫块与岩石试块的前表面紧密贴合。
3.根据权利要求1或2所述的基于SHPB测试预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置，其特征在于，支撑垫块的安装面设有凹槽，支撑垫块的凹槽大小与岩石试块后表面两个凹槽之间的区域大小相同，支撑垫块凹槽两端与岩石试块的后表面紧密贴合。
4.根据权利要求1或2任一所述的基于SHPB测试预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置，其特征在于，应变片有四个，合金环内侧和外侧各粘贴两个应变片。
5.根据权利要求1或2任一所述的基于SHPB测试预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置，其特征在于，岩石试块同一端部的前表面凹槽与后表面凹槽位于同一平面。
6.根据权利要求1或2任一所述的基于SHPB测试预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置，其特征在于，合金环内壁的两个平面之间的距离等于岩石试块的长度。
7.根据权利要求1或2任一所述的基于SHPB测试预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置，其特征在于，岩石试块为长方体结构，横截面为正方形。
8.一种使用如权利要求1-7所述的基于SHPB测试预加正应力条件下岩石动态剪切强度的装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据合金环的尺寸和入射杆、透射杆杆径尺寸制备岩石试块待测；
步骤二、将应变片粘贴于合金环内侧和外侧，并利用压力机对合金环施加不同拉荷载，测试对应的应变值，对合金环的应力应变关系进行校准；
步骤三、把岩石试块放入合金环中，使岩石试块的两端面朝向合金环内壁两个平面，控制压力机朝合金环外壁施加正压力，施力方向为岩石试块的长度方向，使岩石试块被合金环夹持并预加正应力；
步骤四、将合金环放置在SHPB装置试块区，将剪切垫块安装在岩石试块前表面，将支撑垫块安装在岩石试块后表面，入射杆位于剪切垫块前，透射杆位于支撑垫块后；
步骤五、采用SHPB对岩石试块施加冲击荷载，记录应变片测量结果，并计算岩石试块所遭受的平均正应力和平均剪切应力，
Figure FDA0002485826800000021
Figure FDA0002485826800000022
其中，
Figure FDA0002485826800000023
为岩石试块所受平均正应力，
Figure FDA0002485826800000024
为岩石试块所受平均剪切应力，Fr为合金环对岩石试件的预压荷载值，A为岩石试块承受压荷载的截面面积，Fs为SHPB的冲击荷载值。
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