CN112986011B - 一种平面二维应力波通过节理前后的传播特性测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面二维应力波通过节理前后的传播特性测试系统，包括加载系统、装载系统、节理模拟系统、加温装置和测量系统。节理模拟系统放置在装载系统之上，加载系统中的侧向摆锤正对节理模拟系统中的岩样平板侧面，用于给岩样平板施加冲击载荷，加温装置能够给岩样平板进行加热，测量系统能够测量出节理前后两块岩样平板测量点处的应变。本发明通过实验得到的结果比数值模拟得到的结果更加贴合实际，同一测量点通过贴多个方向应变片的方法来测量出在加热冷却后平面二维应力波通过该点传播的大小和方向，通过DIC技术来记录在高温过程中节理模拟系统的全场应变信息，将各点应变信息进行分解，进而测量平面二维应力波通过节理前后的传播特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种平面二维应力波通过节理前后的传播特性测试系统，属于岩土力学试验技术领域。
背景技术
随着经济建设的持续发展，地下空间开发以及地下能源的开采的工程项目不断增加。在此建设过程中，由于地震、岩爆、爆破等产生的应力波引发的安全事故成为地下工程的一个大问题，因此研究应力波的传播特性是必要的。现阶段的研究显示，岩体中的节理面是研究应力波传播的关键，应力波在通过节理时将发生一系列复杂的透射和反射现象，形成反射纵波、反射横波、透射纵波、透射横波，同时产生波形叠加现象。而节理的多种参数都对应力波的传播有影响，包括节理刚度、节理面倾角、节理间距、节理张开度、节理表面粗糙度、充填介质的塑形性质。应力波在自然环境中的传播是多维度的，但现今对应力波的试验研究大多集中在一维情形下，讨论纵波在一维岩杆中的传播特性，二维应力波的传播特性研究较少，解决二维应力波在岩体中传播问题能给在更高维度下研究应力波的传播特性提供理论基础，对在地下空间的开发和能源的开采过程中防止事故的发生有着较好的工程意义。
发明内容
为了测试平面二维应力波通过节理前后的传播特性，本发明提供了一种测试平面二维应力波通过节理前后的传播的试验装置，其目的是能够比较精确的测量出平面二维应力波在通过节理前后的传播特征。
本发明所采用的技术方案是：用于研究平面二维应力波在通过节理前后两块岩样平板中的传播特性的试验装置，主要包括：加载系统、装载系统、节理模拟系统、加温装置和测量系统五个部分。节理模拟系统放置在装载系统之上，加载系统中的侧向摆锤正对节理模拟系统中的岩样平板侧面，用于给岩样平板施加冲击载荷，加温装置能够给岩样平板进行加热，测量系统能够测量出节理前后两块岩样平板测量点处的应变。
本发明的加载系统由底座、支座、横杆、角度控制器和高度尺、侧向摆锤和顶部落锤组成。侧向摆锤用一细杆连接，细杆另一端用一滚轮放置在支座顶部中间，横杆固定在支座上，一端悬挂落锤，角度控制器张贴在支座侧面，高度尺张贴在支座正面。侧向摆锤的锤面形状为一平面，正对岩样平板侧面，侧向摆锤的摆动角度由角度控制器进行控制。顶部落锤的锤面为一球面，正对花岗岩正面，侧向摆锤的锤击高度用高度尺进行控制。通过摆锤冲击岩样平板侧面施加弹性纵波，通过落锤下落冲击平板正面施加弹性横波。装载系统用于调整岩样平板位置、支承岩样平板。
本发明的节理模拟系统包括放置在同一平面的两块岩样平板，两块岩样平板连接的一侧设有不同形状的宏观节理，用一U型挡板放置在两块岩样平板之间，将两块岩样平板间的缝隙做成凹槽，在凹槽中填入节理填充物。
本发明的加温装置包括加热模块、支承结构、石英顶罩和石棉隔热层。加热装置底部和四周采用金属外壳制成，石棉隔热层放置在石英顶罩的外部。加热装置能加热岩样平板使其达到一个预设的温度，通过石英顶罩能直接观测到内部岩样平板的信息，石棉隔热层能防止在岩样平板在加载过程中热量流失从而影响试验的准确性。
本发明的测量系统分为两套装置：应变仪应变测试装置和DIC全场应变测量装置。应变仪应变测试装置包括应变片、应变传感器、超动态应变仪、采集卡和采集软件，将应变片连接应变片传感器并粘贴在岩样平板表面，将应变片传感器连接超动态应变仪，将超动态应变仪后的信号输出接口与采集卡应变输入接口相连接，启动计算机，用随机配备的网络连接线将电脑与采集卡连接，将电源适配及的电源插头与采集卡连接，并将电源适配及接通交流220V电源。该装置用于测量平面二维应力波在经过高温加热冷却损伤后的岩样平板中的传播特性；DIC全场应变装置包含两台图像采集器，用于测量在高温加载过程中平面二维应力波通过岩样平板节理前后的传播特性。
本发明的有益成果是：加载系统简单易操作，可以测量应力波在常温和高温材料下的传播特性，节理模拟系统能够模拟自然界出现的各种结构面和软弱夹层，能够从实验的尺度上研究平面二维应力波通过不同性质节理的传播特性，且可以对已有的二维波传播理论进行验证，改进了以往研究二维波传播特性时大多都是采用数值模拟的方式，通过实验得到的结果比数值模拟得到的结果更加贴合实际，可以为后续完善应力波传播的理论和实验研究提供参考，同一测量点通过贴多个方向应变片的方法来测量出在加热冷却后平面二维应力波通过该点传播的大小和方向，通过DIC技术来记录在高温过程中节理模拟系统的全场应变信息，将各点的应变信息进行分解，可以知道平面二维应力波通过节理后的反射、透射、波形转换的信息，从而测量平面二维应力波通过节理前后的传播特性。
附图说明
图1为研究平面二维应力波在经过高温加热冷却损伤后的岩样平板中的传播特性的试验装置。
图2为研究在高温加载过程中平面二维应力波通过岩样平板节理前后的传播特性的试验装置
图中：1底座；2岩样平板；3挡板；4滑轮；5U型挡板；6支座；7横杆；8高度尺；9角度控制器；10侧向摆锤；11顶部落锤；12金属外壳；13加热模块；14石英顶罩；15石棉隔热层；16支承结构；17侧面窗口；18高速摄像机。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明采用的技术方案为一种平面二维应力波通过节理前后的传播特性测试系统，该系统用于测量在经过高温和高温冷却下平面二维应力波在通，节理前后的传播特性。
该装置主要包括加载系统、装载系统、节理模拟系统、加温装置、测量系统。加载系统用于给岩样平板2试样提供弹性纵波和弹性横波。节理模拟系统主要用于模拟不同的节理面和节理填充物，加温装置主要用于给岩样加热，测量系统用于测量岩样平板2的应变。岩样2为一平板。
加载系统包括了支座6、横杆7、角度控制器9和高度尺8、侧向摆锤10和顶部落锤11。侧向摆锤10锤面为一平面，用一金属L型杆与横杆7连接，锤头正对岩样平板2侧面，摆动的角度可以由角度控制器9进行控制。顶部落锤11锤面为一球面，用一细线与横杆7连接，锤头正对岩样平板2顶面，锤击高度可以用高度尺8进行控制。
装载系统包括了底座1、红外线水平仪、滑轮4、挡板3。滑轮4安装在底座1平面上，用红外线水平仪确保滑轮4顶部在同一水平面上，在底座1平面四周安装挡板3，防止岩样平板受到冲击脱离支座。
节理模拟系统包括岩样平板2、U型挡板5和节理填充物。两块岩样平板水平放置在滑轮4上，经过加工后的节理面那一侧连接放置，留出一定的缝隙，用U型挡板5从缝隙下部往上套住，将两岩样平板间的缝隙做成槽，用胶带固定住U型挡板，在槽中注入预先配制好的节理填充物，用另一U型板从上往下套将槽封闭。
加温装置主要包括加热模块13，支承结构16，石英顶罩14，石棉隔热层15；加热装置底部和四周采用金属外壳12，顶部用石英顶罩5遮盖、石棉隔热层15放置在石英顶罩14外部。
测量系统包括两套装置，分别为应变仪应变测试装置和DIC全场应变测量装置。应变仪应变测试装置中的应变片分多向贴在岩样平板2的顶面，用于测量平面二维应力波在经过高温加热冷却损伤后的岩样平板中的应变，DIC全场应变测量装置的高速摄像机18放置在岩样平板上方正对平板顶面，用于测量在高温加载过程中平面二维应力波通过岩样平板2的应变。
试验时，若测量平面二维应力波在经过高温加热冷却损伤后的岩样平板中的传播特性，将节理模拟系统放入加温装置中进行加热并冷却到常温，随后将节理模拟系统放置在滑轮4上调至水平，与侧向摆锤10锤头处于同一平面，让顶部落锤11处于岩样平板2顶面正上方，选择并标记节理前后测量点，并在测量点上贴上多向应变片，连接应变仪，记录下测量点的应变信息并保存试验数据。若测量在高温加载过程中平面二维通过岩样平板节理前后的传播特性，将散斑图案的随机图案喷涂于节理模拟系统中的岩样平板2待测表面，并将节理模拟系统放入加温装置中，用石英顶罩14将上部封闭，盖上石棉隔热层15，将加载系统放在加热装置侧面，侧向摆锤10锤头与岩样平板处于同一水平面且正对岩样平板侧面，架设DIC全场应变测量装置的高速摄像机18在石英顶罩14上方，待岩样温度达到试验预设温度时打开石棉隔热层15和侧面窗口17，将摆锤调至合适角度释放冲击岩样平板侧面，并用两个高速摄像机18分别记录下节理前后两块岩样平板的应变，保存试验数据。
Claims (2)
1.一种平面二维应力波通过节理前后的传播特性测试系统，其特征在于：包括：加载系统、装载系统、节理模拟系统、加温装置和测量系统；节理模拟系统放置在装载系统之上，加载系统中的侧向摆锤正对节理模拟系统中的岩样平板侧面，用于给岩样平板施加冲击载荷，加温装置能够给岩样平板进行加热，测量系统能够测量出节理前后两块岩样平板测量点处的应变；
加载系统由底座、支座、横杆、角度控制器和高度尺、侧向摆锤和顶部落锤组成；侧向摆锤用一细杆连接，细杆另一端用一滚轮放置在支座顶部中间，横杆固定在支座上，一端悬挂落锤，角度控制器张贴在支座侧面，高度尺张贴在支座正面；侧向摆锤的锤面形状为一平面，正对岩样平板侧面，侧向摆锤的摆动角度由角度控制器进行控制；顶部落锤的锤面为一球面，正对花岗岩正面，侧向摆锤的锤击高度用高度尺进行控制；通过摆锤冲击岩样平板侧面施加弹性纵波，通过落锤下落冲击平板正面施加弹性横波；装载系统用于调整岩样平板位置、支承岩样平板；
节理模拟系统包括放置在同一平面的两块岩样平板，两块岩样平板连接的一侧设有宏观节理，用一U型挡板放置在两块岩样平板之间，将两块岩样平板间的缝隙做成凹槽，在凹槽中填入节理填充物；
加温装置包括加热模块、支承结构、石英顶罩和石棉隔热层；加热装置底部和四周采用金属外壳制成，石棉隔热层放置在石英顶罩的外部；加热装置能加热岩样平板使其达到一个预设的温度，通过石英顶罩能直接观测到内部岩样平板的信息，石棉隔热层能防止在岩样平板在加载过程中热量流失从而影响试验的准确性；
测量系统分为两套装置：应变仪应变测试装置和DIC全场应变测量装置；应变仪应变测试装置包括应变片、应变传感器、超动态应变仪、采集卡和采集软件，将应变片连接应变片传感器并粘贴在岩样平板表面，将应变片传感器连接超动态应变仪，将超动态应变仪后的信号输出接口与采集卡应变输入接口相连接，启动计算机，用随机配备的网络连接线将电脑与采集卡连接，将电源适配及的电源插头与采集卡连接，并将电源适配及接通交流220V电源。
2.根据权利要求1所述的一种平面二维应力波通过节理前后的传播特性测试系统，其特征在于：试验时，若测量平面二维应力波在经过高温加热冷却损伤后的岩样平板中的传播特性，将节理模拟系统放入加温装置中进行加热并冷却到常温，随后将节理模拟系统放置在滑轮上调至水平，与侧向摆锤锤头处于同一平面，让顶部落锤处于岩样平板顶面正上方，选择并标记节理前后测量点，并在测量点上贴上多向应变片，连接应变仪，记录下测量点的应变信息并保存试验数据；若测量在高温加载过程中平面二维通过岩样平板节理前后的传播特性，将散斑图案的随机图案喷涂于节理模拟系统中的岩样平板待测表面，并将节理模拟系统放入加温装置中，用石英顶罩将上部封闭，盖上石棉隔热层，将加载系统放在加热装置侧面，侧向摆锤锤头与岩样平板处于同一水平面且正对岩样平板侧面，架设DIC全场应变测量装置的高速摄像机在石英顶罩上方，待岩样温度达到试验预设温度时打开石棉隔热层和侧面窗口，将摆锤调至角度释放冲击岩样平板侧面，并用两个高速摄像机分别记录下节理前后两块岩样平板的应变，保存试验数据。
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