CN111855343B - 一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置和方法，该装置包括底座，所述底座上端且沿其长度方向依次设有动态加载部件、岩石杆件部件及能量吸收部件，所述岩石杆件部件外连接有数据监测采集单元，所述岩石杆件部件上方设有动态可视化监测单元，该实验方法包括节理的制作、标定弹簧压缩量与入射应力关系、测量方杆长宽高、进行数据采集和图形采集、实现应变信号及节理压缩变形动态过程图形的采集与存储、数据图形的处理计算及最后的对比分析。本发明不仅能弥补现有岩体动力学研究方法的缺陷，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。
Description
技术领域
本发明涉及岩石动力学和应力波传播技术领域，具体涉及一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置和方法。
背景技术
节理是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造，是一种地质现象。因为地质构造活动的空间、应力复杂性以及岩石本身的非均质性等，造成生成的节理表现出粗糙、起伏度不一等形貌特征。岩石节理对岩体中应力波的传播具有显著的影响，其研究成果广泛的应用在岩土工程地震响应、地质物理探测等领域。根据大量的岩石节理力学实验发现，节理的力学性质及透反射性质与其形貌特征是密切相关的，又因为在实际工程地质结构中，节理的形貌是极其复杂的，因此在研究岩石节理的力学性质及应力波传播特性时，应当要考虑岩石节理的形貌特征。
目前用于材料动态力学性质及波传播实验主要是霍普金森压杆。霍普金森压杆主要组成包括动力系统、杆件系统及数据采集与处理系统。其思想是动力系统产生应力波在实验杆中传播，依据入射杆及透射杆中波的应变信号，对试样两端面的应力-位移-时间关系或透反射系数进行求解，从而获取试样的动态响应或透反射特征。
目前岩体的动态力学特征研究主要有两个方面：一是动载荷下岩石的动态响应问题；二是岩体中应力波传播和衰减问题。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，然而传统霍普金森压杆是对获取的试样整体测试信号进行分析，所以对于节理岩体而言，很难将节理和岩石区分开来分析，以至于节理的动态力学特性研究较少。因此，现在需要一种新的方案。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置和方法，本发明不仅能弥补现有岩体动力学研究方法的缺陷，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。
为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案：一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置，包括底座，所述底座上端且沿其长度方向依次设有动态加载部件、岩石杆件部件及能量吸收部件，所述岩石杆件部件外连接有数据监测采集单元，所述岩石杆件部件上方设有动态可视化监测单元。
作为本发明的一种改进，所述动态加载部件包括动态加载支撑基座、动态加载支撑基座上端间隔平行设有的一组轨道及轨道之间设有的弹簧和冲击压力板。
作为本发明的一种改进，所述轨道均沿所述底座长度方向设置，所述轨道沿所述底座宽度方向间隔平行布设，所述冲击压力板对应所述岩石杆件部件位置另一侧设有所述弹簧。
作为本发明的一种改进，所述岩石杆件部件包括靠近所述动态加载部件位置设置的撞击岩石方杆、靠近所述能量吸收部件位置设置的透射岩石方杆及撞击岩石方杆与透射岩石方杆之间设有的入射岩石方杆。
作为本发明的一种改进，所述撞击岩石方杆、入射岩石方杆及透射岩石方杆均沿所述底座长度方向设置，所述底座上端且对应所述撞击岩石方杆、入射岩石方杆及透射岩石方杆位置均分别设有岩石方杆支撑基座，所述岩石方杆支撑基座上端之间布设有导轨，所述撞击岩石方杆、入射岩石方杆及透射岩石方杆下端且对应所述导轨位置均分别均匀设有滑轮，所述入射岩石方杆对应所述撞击岩石方杆位置一侧端端部设有整形片，所述入射岩石方杆与所述透射岩石方杆之间对拼形成节理。滑轮与导轨配合，可实现撞击岩石方杆、入射岩石方杆及透射岩石方杆沿底座长度方向滑动，整形片为软质材料，例如：橡胶等。
作为本发明的一种改进，所述节理包括非充填类节理及充填类节理，所述非充填类节理是通过在入射岩石方杆与透射岩石方杆相对应端端部分别进行切割整合形成的，所述充填类节理是通过在入射岩石方杆与透射岩石方杆之间填充有填充物形成的。非充填类节理形貌特征多样，充填类节理中填充物为黏土、砂砾或岩石碎屑等软弱材料。
作为本发明的一种改进，所述能量吸收部件包括吸收橡胶模块、橡胶模块基座及反力板，所述橡胶模块基座设于所述底座上端，所述橡胶模块基座上端设有所述吸收橡胶模块，所述吸收橡胶模块对应所述岩石杆件部件位置另一侧设有所述反力板，所述反力板竖直固定设于所述底座上端。
作为本发明的一种改进，所述数据监测采集单元包括应变片、惠斯通桥路、动态应变仪及示波器，所述动态可视化监测单元包括支撑架、光源及高速摄像机。
作为本发明的一种改进，所述应变片包括设于所述入射岩石方杆上的第一应变片及设于所述透射岩石方杆上的第二应变片，所述第二应变片与所述示波器连接，所述第一应变片与所述示波器之间依次设有惠斯通桥路及动态应变仪，所述光源、高速摄像机均设于所述节理位置上方，所述光源、高速摄像机均分别通过所述支撑架固定设有所述底座上方。
作为本发明的一种改进，一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验方法，该实验方法包括以下步骤：
步骤1：制作节理，选择非充填类节理或充填类节理类型并制作，在选择非充填类节理类型时，对节理形貌特征进行选定，在选择充填类节理类型时，对填充物材料进行选定；
步骤2：对节理及其附近岩石散斑处理；
步骤3：测量并记录撞击岩石方杆、入射岩石方杆、透射岩石方杆的长度、宽度及高度，按照撞击岩石方杆、入射岩石方杆、透射岩石方杆的顺序依次紧密接触摆放且中心对正校准；
步骤4：将第一应变片贴在入射岩石方杆上，第二应变片贴在透射岩石方杆，并接通惠斯通桥路、动态应变仪及示波器；
步骤5：标定弹簧压缩量与入射应力的关系，从小到大选择一系列弹簧压缩量开展空杆撞击实验，测得相应的入射应力幅值，建立弹簧压缩量与入射应力幅值的关系；
步骤6：将光源和高速摄像机安装在节理上方，对准节理两侧附近岩石，选定曝光时间、图像分辨率参数，将动态可视化监测单元的触发装置接入示波器，保证数据采集与图像采集同时触发；
步骤7：根据所需入射应力幅值选择相应的弹簧压缩量，并进行冲击实验，通过数据监测采集单元、动态可视化监测单元将入射岩石方杆、透射岩石方杆上的应变电信号及节理压缩变形的动态过程图像进行采集与存储；
步骤8：基于记录与存储的应变信号数据以及一维波传播理论，得到应力波透过节理的反射和透射规律，通过图像技术分析处理，获得节理及两侧岩石的应变场、位移场，然后通过分析和计算得到节理的动态力学参数，包括动态法向刚度、最大允许闭合量；
步骤9：改变节理类型或形貌特征或填充物材料，重复上述步骤，获得不同类型或形貌特征或填充物材料的节理的力学性质及波传播规律，然后对比分析节理类型或形貌特征或填充物材料对节理动态力学性质的影响。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1、利用杆件端面组成的节理，能直接研究节理的动态力学性质及波传播规律，采用岩石材料制作杆件，更能真实模拟岩石节理；
2、节理多样化，改变入射岩石方杆与透射岩石方杆间的端面接触，实现不同种类节理的制作(包括非充填类节理、充填类节理)，也可以实现节理形貌特征的变化(包括起伏角、粗糙度和、吻合度)，从而更为全面地探究不同节理类型和节理形貌对其动态力学性质及应力波传播和衰减规律；
3、采用动态可视化监测单元能实现节理动态压缩变形过程的采集，可以实现节理在动荷载作用下的力学位移场及应变场动态可视化研究。
附图说明
图1为本发明一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置的正视结构图；
图2为本发明一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置的俯视结构简图；
图3中a为所述非充填类节理示意图；
图3中b为所述充填类节理示意图；
附图标记列表：1、底座；2、动态加载部件；3、岩石杆件部件；4、能量吸收部件；5、数据监测采集单元；6、动态可视化监测单元；7、动态加载支撑基座；8、轨道；9、弹簧；10、冲击压力板；11、撞击岩石方杆；12、透射岩石方杆；13、入射岩石方杆；14、岩石方杆支撑基座；15、导轨；16、滑轮；17、整形片；18、节理；19、吸收橡胶模块；20、橡胶模块基座；21、反力板；22、惠斯通桥路； 23、动态应变仪；24、示波器；25、支撑架；26、光源；27、高速摄像机；28、第一应变片；29、第二应变片。
具体实施方式
实施例1：参见图1、图2，现对本发明提供的一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置进行说明，包括底座1，所述底座1上端且沿其长度方向依次设有动态加载部件2、岩石杆件部件3及能量吸收部件4，所述岩石杆件部件3外连接有数据监测采集单元5，所述岩石杆件部件3上方设有动态可视化监测单元6。
实施例2：参见图1、图2，现对本发明提供的一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置进行说明，所述动态加载部件2包括动态加载支撑基座7、动态加载支撑基座7上端间隔平行设有的一组轨道8及轨道8之间设有的弹簧9和冲击压力板10。
实施例3：参见图1、图2，现对本发明提供的一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置进行说明，所述轨道8均沿所述底座1长度方向设置，所述轨道8沿所述底座1宽度方向间隔平行布设，所述冲击压力板10对应所述岩石杆件部件3位置另一侧设有所述弹簧9。
实施例4：参见图1、图2，现对本发明提供的一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置进行说明，所述岩石杆件部件3包括靠近所述动态加载部件2位置设置的撞击岩石方杆11、靠近所述能量吸收部件4位置设置的透射岩石方杆12及撞击岩石方杆11与透射岩石方杆12之间设有的入射岩石方杆13。
实施例5：参见图1、图2、图3，现对本发明提供的一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置进行说明，所述撞击岩石方杆11、入射岩石方杆13及透射岩石方杆12均沿所述底座1长度方向设置，所述底座1上端且对应所述撞击岩石方杆11、入射岩石方杆13及透射岩石方杆12位置均分别设有岩石方杆支撑基座14，所述岩石方杆支撑基座14上端之间布设有导轨15，所述撞击岩石方杆11、入射岩石方杆13及透射岩石方杆12下端且对应所述导轨15 位置均分别均匀设有滑轮16，所述入射岩石方杆13对应所述撞击岩石方杆11 位置一侧端端部设有整形片17，所述入射岩石方杆13与所述透射岩石方杆12 之间对拼形成节理18。
实施例6：参见图3，现对本发明提供的一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置进行说明，所述节理18包括非充填类节理及充填类节理，所述非充填类节理是通过在入射岩石方杆13与透射岩石方杆12相对应端端部分别进行切割整合形成的，所述充填类节理是通过在入射岩石方杆13与透射岩石方杆12之间填充有填充物形成的。
实施例7：参见图1、图2，现对本发明提供的一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置进行说明，所述能量吸收部件4包括吸收橡胶模块 19、橡胶模块基座20及反力板21，所述橡胶模块基座20设于所述底座1上端，所述橡胶模块基座20上端设有所述吸收橡胶模块19，所述吸收橡胶模块19对应所述岩石杆件部件3位置另一侧设有所述反力板21，所述反力板21竖直固定设于所述底座1上端。
实施例8：参见图1、图2，现对本发明提供的一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置进行说明，所述数据监测采集单元5包括应变片、惠斯通桥路22、动态应变仪23及示波器24，所述动态可视化监测单元6包括支撑架25、光源26及高速摄像机27。
实施例9：参见图1、图2，现对本发明提供的一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置进行说明，所述应变片包括设于所述入射岩石方杆 13上的第一应变片28及设于所述透射岩石方杆12上的第二应变片29，所述第二应变片29与所述示波器24连接，所述第一应变片28与所述示波器24之间依次设有惠斯通桥路22及动态应变仪23，所述光源26、高速摄像机27均设于所述节理18位置上方，所述光源26、高速摄像机27均分别通过所述支撑架25固定设有所述底座1上方。
实施例10：现对本发明提供的一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验方法进行说明，该实验方法包括以下步骤：
步骤1：制作节理，选择非充填类节理或充填类节理类型并制作，在选择非充填类节理类型时，对节理形貌特征进行选定，在选择充填类节理类型时，对填充物材料进行选定；
步骤2：对节理及其附近岩石散斑处理；
步骤3：测量并记录撞击岩石方杆、入射岩石方杆、透射岩石方杆的长度、宽度及高度，按照撞击岩石方杆、入射岩石方杆、透射岩石方杆的顺序依次紧密接触摆放且中心对正校准；
步骤4：将第一应变片贴在入射岩石方杆上，第二应变片贴在透射岩石方杆，并接通惠斯通桥路、动态应变仪及示波器；
步骤5：标定弹簧压缩量与入射应力的关系，从小到大选择一系列弹簧压缩量开展空杆撞击实验，测得相应的入射应力幅值，建立弹簧压缩量与入射应力幅值的关系；
步骤6：将光源和高速摄像机安装在节理上方，对准节理两侧附近岩石，选定曝光时间、图像分辨率参数，将动态可视化监测单元的触发装置接入示波器，保证数据采集与图像采集同时触发；
步骤7：根据所需入射应力幅值选择相应的弹簧压缩量，并进行冲击实验，通过数据监测采集单元、动态可视化监测单元将入射岩石方杆、透射岩石方杆上的应变电信号及节理压缩变形的动态过程图像进行采集与存储；
步骤8：基于记录与存储的应变信号数据以及一维波传播理论，得到应力波透过节理的反射和透射规律，通过图像技术分析处理，获得节理及两侧岩石的应变场、位移场，然后通过分析和计算得到节理的动态力学参数，包括动态法向刚度、最大允许闭合量；
步骤9：改变节理类型或形貌特征或填充物材料，重复上述步骤，获得不同类型或形貌特征或填充物材料的节理的力学性质及波传播规律，然后对比分析节理类型或形貌特征或填充物材料对节理动态力学性质的影响。
本发明还可以将实施例2、3、4、5、6、7、8、9所述技术特征中的至少一个与实施例1组合形成新的实施方式。
工作原理：
撞击岩石方杆获取弹簧的弹性能后，冲击入射岩石方杆，在入射岩石方杆上产生入射应力波，入射应力波传播至节理界面处将发生透反射，一部分入射波进入入射岩石方杆形成反射拉伸波，并沿与原方向相反的方向传播；另一部分入射应力波传递至透射岩石方杆上成为透射波，继续向前传播，最后被吸收橡胶模块吸收和耗散。入射应力波触发示波器记录数据时，同时触发高速摄像机工作，获取应力波通过节理时的动态图像，根据图像分析技术，获得节理附近岩块的位移场和应变场，再进行节理的动态力学行为研究。
为避免节理面发生破坏，应控制入射应力幅值小于岩石杆材料在其标准单轴压缩试验中弹性变形阶段的最大强度值。通过数据监测采集单元，可获取入射岩石方杆上的应变片、透射岩石方杆上的应变片的入射应力波信号、反射应力波信号及透射应力波信号，并进行采集和储存，再基于一维应力波传播理论，可进行岩体中节理对应力波传播特性影响研究。
透射系数T和反射系数R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与入射波峰值之比，分别为:
其中，εT(t)为透射波应变值，εI(t)为入射波应变值，εR(t)为反射波应变值。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置的实验方法，其特征在于，所述实验装置包括底座（1），所述底座（1）上端且沿其长度方向依次设有动态加载部件（2）、岩石杆件部件（3）及能量吸收部件（4），所述动态加载部件（2）包括动态加载支撑基座（7）、动态加载支撑基座（7）上端间隔平行设有的一组轨道（8）及轨道（8）之间设有的弹簧（9）和冲击压力板（10），所述岩石杆件部件（3）外连接有数据监测采集单元（5），所述岩石杆件部件（3）上方设有动态可视化监测单元（6）；所述轨道（8）均沿所述底座（1）长度方向设置，所述轨道（8）沿所述底座（1）宽度方向间隔平行布设，所述冲击压力板（10）对应所述岩石杆件部件（3）位置另一侧设有所述弹簧（9）；所述岩石杆件部件（3）包括靠近所述动态加载部件（2）位置设置的撞击岩石方杆（11）、靠近所述能量吸收部件（4）位置设置的透射岩石方杆（12）及撞击岩石方杆（11）与透射岩石方杆（12）之间设有的入射岩石方杆（13）；所述撞击岩石方杆（11）、入射岩石方杆（13）及透射岩石方杆（12）均沿所述底座（1）长度方向设置，所述底座（1）上端且对应所述撞击岩石方杆（11）、入射岩石方杆（13）及透射岩石方杆（12）位置均分别设有岩石方杆支撑基座（14），所述岩石方杆支撑基座（14）上端之间布设有导轨（15），所述撞击岩石方杆（11）、入射岩石方杆（13）及透射岩石方杆（12）下端且对应所述导轨（15）位置均分别均匀设有滑轮（16），所述入射岩石方杆（13）对应所述撞击岩石方杆（11）位置一侧端端部设有整形片（17），所述入射岩石方杆（13）与所述透射岩石方杆（12）之间对拼形成节理（18）；
所述实验方法，包括以下步骤：
步骤1：制作节理，选择非充填类节理或充填类节理类型并制作，在选择非充填类节理类型时，对节理形貌特征进行选定，在选择充填类节理类型时，对填充物材料进行选定；
步骤2：对节理及其附近岩石散斑处理；
步骤3：测量并记录撞击岩石方杆、入射岩石方杆、透射岩石方杆的长度、宽度及高度，按照撞击岩石方杆、入射岩石方杆、透射岩石方杆的顺序依次紧密接触摆放且中心对正校准；
步骤4：将第一应变片贴在入射岩石方杆上，第二应变片贴在透射岩石方杆，并接通惠斯通桥路、动态应变仪及示波器；
步骤5：标定弹簧压缩量与入射应力的关系，从小到大选择一系列弹簧压缩量开展空杆撞击实验，测得相应的入射应力幅值，建立弹簧压缩量与入射应力幅值的关系；
步骤6：将光源和高速摄像机安装在节理上方，对准节理两侧附近岩石，选定曝光时间、图像分辨率参数，将动态可视化监测单元的触发装置接入示波器，保证数据采集与图像采集同时触发；
步骤7：根据所需入射应力幅值选择相应的弹簧压缩量，并进行冲击实验，通过数据监测采集单元、动态可视化监测单元将入射岩石方杆、透射岩石方杆上的应变电信号及节理压缩变形的动态过程图像进行采集与存储；
步骤8：基于记录与存储的应变信号数据以及一维波传播理论，得到应力波透过节理的反射和透射规律，通过图像技术分析处理，获得节理及两侧岩石的应变场、位移场，然后通过分析和计算得到节理的动态力学参数，包括动态法向刚度、最大允许闭合量；
步骤9：改变节理类型或形貌特征或填充物材料，重复上述步骤，获得不同类型或形貌特征或填充物材料的节理的力学性质及波传播规律，然后对比分析节理类型或形貌特征或填充物材料对节理动态力学性质的影响。
2.根据权利要求1所述的一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置的实验方法，其特征在于：所述节理（18）包括非充填类节理及充填类节理，所述非充填类节理是通过在入射岩石方杆（13）与透射岩石方杆（12）相对应端端部分别进行切割整合形成的，所述充填类节理是通过在入射岩石方杆（13）与透射岩石方杆（12）之间填充有填充物形成的。
3.根据权利要求1所述的一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置的实验方法，其特征在于：所述能量吸收部件（4）包括吸收橡胶模块（19）、橡胶模块基座（20）及反力板（21），所述橡胶模块基座（20）设于所述底座（1）上端，所述橡胶模块基座（20）上端设有所述吸收橡胶模块（19），所述吸收橡胶模块（19）对应所述岩石杆件部件（3）位置另一侧设有所述反力板（21），所述反力板（21）竖直固定设于所述底座（1）上端。
4.根据权利要求1所述的一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置的实验方法，其特征在于：所述数据监测采集单元（5）包括应变片、惠斯通桥路（22）、动态应变仪（23）及示波器（24），所述动态可视化监测单元（6）包括支撑架（25）、光源（26）及高速摄像机（27）。
5.根据权利要求4所述的一种岩石节理动态力学特性及其波传播规律室内实验装置的实验方法，其特征在于：所述应变片包括设于所述入射岩石方杆（13）上的第一应变片（28）及设于所述透射岩石方杆（12）上的第二应变片（29），所述第二应变片（29）与所述示波器（24）连接，所述第一应变片（28）与所述示波器（24）之间依次设有惠斯通桥路（22）及动态应变仪（23），所述光源（26）、高速摄像机（27）均设于所述节理（18）位置上方，所述光源（26）、高速摄像机（27）均分别通过所述支撑架（25）固定设有所述底座（1）上方。
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