CN113866025A - 一种原岩内部动态应变测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种原岩内部动态应变测试方法，步骤为：在以爆破孔为中心的爆炸冲击波作用区域内制备测量孔；准备一套型腔为正方体的模具，在模具内浇注砂浆，制备用于模拟原岩物理性质的试块；在制备好的试块表面粘贴应变片；准备一台超动态应变测试仪和一台计算机，将试块表面的应变片通过导线与超动态应变测试仪连接在一起，同时将超动态应变测试仪与计算机连接在一起；将试块送入测量孔内指定位置处并固定；控制爆破孔内的雷管起爆，爆炸冲击波经过测量孔后，应变片测量的数据由超动态应变测试仪进行采集，之后通过计算机对采集的数据进行分析并自动计算出应力数据。本发明保留了原岩环境与原岩结构，维持了三向高地应力场，应变测量误差小，数据真实可靠。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学测试技术领域，特别是涉及一种原岩内部动态应变测试方法。
背景技术
深部岩体是深部水利水电工程、深部金属矿开采、高放核废物处置库等工程的载体，当深部岩体进行工程开挖后，受到爆破扰动以及破坏冲击作用，会时常诱发一系列的破坏失稳甚至是地质灾害，其本质是处于三向高地应力状态下因开挖卸荷损伤的深部岩体，在爆破冲击波作用下发生的临界破裂与动力失稳现象。
目前，在三向高应力下深部岩体破坏失稳的诱发机制研究中，爆破冲击作用对深部岩体灾害的诱发机制尚不清楚，且严重缺乏基础性研究成果。而现阶段针对深部岩体临界破裂与动力失稳研究的室内岩石力学试验中，普遍是基于分离式霍普金森压杆技术(SHPB)的岩石高应变率冲击试验，但试验中却忽略了真实环境下的三向高地应力状态这一因素，导致获取的试验数据与实际情况存在较大差别，只能由经验获得折减系数以尽可能的减少误差。此外，霍普金森压杆冲击试验研究限制在一维应力波(平面波)的传播问题，而平面波在实际工程中并不存在，在实际工程中的爆破冲击波都是柱面波或球面波。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种原岩内部动态应变测试方法，能够最大程度的保留原岩环境与原岩结构，有效维持了真实环境下的三向高地应力场，能够拾取柱面波或球面波的应力状态，减小了应变测量误差，保证了数据的真实性和可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种原岩内部动态应变测试方法，包括如下步骤：
步骤一：在以爆破孔为中心的爆炸冲击波作用区域内制备测量孔；
步骤二：准备一套型腔为正方体的模具，在模具内浇注砂浆，制备用于模拟原岩物理性质的试块；
步骤三：在制备好的试块表面粘贴应变片；
步骤四：准备一台超动态应变测试仪和一台计算机，将试块表面的应变片通过导线与超动态应变测试仪连接在一起，同时将超动态应变测试仪与计算机连接在一起；
步骤五：将试块送入测量孔内的指定位置处并固定；
步骤六：控制爆破孔内的雷管起爆，爆炸冲击波经过测量孔后，应变片测量的数据由超动态应变测试仪进行采集，之后通过计算机对采集的数据进行分析并自动计算出应力数据。
在步骤二中，在制备好的试块内部嵌装有一根内嵌钢管，内嵌钢管与试块的上表面和下表面相垂直，内嵌钢管的上端延伸出试块的上表面，内嵌钢管的下端延伸出试块的下表面，内嵌钢管的上端和下端的延伸长度相等。
在步骤二中，试块的制备数量为多个，每个试块尺寸均相同，试块上表面的对角线长度记为a，测量孔的孔径记为b，且b＞a，其中b-a的差值范围为0～50mm。
在步骤三中，每一个试块上均粘贴有应变片，且每一个试块上的应变片数量均为三片，分别记为第一应变片、第二应变片及第三应变片，第一应变片的长度方向与爆炸冲击波的冲击方向呈0°夹角，第二应变片的长度方向与爆炸冲击波的冲击方向呈45°夹角，第三应变片的长度方向与爆炸冲击波的冲击方向呈90°夹角，且第一应变片、第二应变片及第三应变片均采用半桥接法。
在步骤四中，当试块的数量为多个时，多个试块之间采用串联方式连接，同时需要准备多根转接钢管，相邻试块之间均通过一根转接钢管连接，且转接钢管与试块上的内嵌钢管采用螺接固连方式。
在步骤四中，在每根转接钢管上均开设有用于导线穿入的穿线孔，在最顶端的转接钢管上还开设有限位孔，限位孔内穿装有一根限位支撑杆，在限位支撑杆与转接钢管的限位孔之间安装有限位螺钉，限位支撑杆与测量孔孔口之间进行卡挡配合。
在步骤四中，应变片的引线与导线之间采用焊接方式相连，在焊点裸露处粘贴防水隔离胶带，导线之间通过绑带进行捆扎，应变片通过强力胶粘贴在试块上表面，应变片表面涂覆有防水硅胶。
在步骤五中，当串联好的试块送入测量孔内的指定位置后，向测量孔内浇注砂浆，同时从最顶端的转接钢管管口内也同步浇注砂浆，保证测量孔内以及所有转接钢管和内嵌钢管的空隙都被砂浆填满，直到砂浆达到设定强度。
本发明的有益效果：
本发明的原岩内部动态应变测试方法，能够最大程度的保留原岩环境与原岩结构，有效维持了真实环境下的三向高地应力场，能够拾取柱面波或球面波的应力状态，减小了应变测量误差，保证了数据的真实性和可靠性。
附图说明
图1为实施例中的试块在测量孔完成安装后的效果图；
图2为实施例中的试块、应变片及转接钢管的装配效果图；
图中，1—爆破孔，2—测量孔，3—试块，4—超动态应变测试仪，5—计算机，6—内嵌钢管，7—第一应变片，8—第二应变片，9—第三应变片，10—转接钢管，11—导线，12—穿线孔，13—限位支撑杆，14—限位螺钉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种原岩内部动态应变测试方法，包括如下步骤：
步骤一：在以爆破孔1为中心的爆炸冲击波作用区域内制备测量孔2；本实施例中，测量孔2与爆破孔1的距离为10m，测量孔2的孔径为200mm，测量孔2的深度为2000mm；
步骤二：准备一套型腔为正方体的模具，在模具内浇注砂浆，制备用于模拟原岩物理性质的试块3；在制备好的试块3内部嵌装有一根内嵌钢管6，内嵌钢管6与试块3的上表面和下表面相垂直，内嵌钢管6的上端延伸出试块3的上表面，内嵌钢管6的下端延伸出试块3的下表面，内嵌钢管6的上端和下端的延伸长度相等；试块3的制备数量为多个，每个试块3尺寸均相同，试块3上表面的对角线长度记为a，测量孔2的孔径记为b，且b＞a，其中b-a的差值范围为0～50mm；本实施例中，试块3为边长100mm的正方体，内嵌钢管6的长度为200mm，内嵌钢管6的外径为43mm，内嵌钢管6的壁厚为3mm；
步骤三：在制备好的试块3表面粘贴应变片；每一个试块3上均粘贴有应变片，且每一个试块3上的应变片数量均为三片，分别记为第一应变片7、第二应变片8及第三应变片9，第一应变片7的长度方向与爆炸冲击波的冲击方向呈0°夹角，第二应变片8的长度方向与爆炸冲击波的冲击方向呈45°夹角，第三应变片9的长度方向与爆炸冲击波的冲击方向呈90°夹角，且第一应变片7、第二应变片8及第三应变片9均采用半桥接法；
步骤四：准备一台超动态应变测试仪4和一台计算机5，将试块3表面的应变片通过导线11与超动态应变测试仪4连接在一起，同时将超动态应变测试仪4与计算机5连接在一起；当试块3的数量为多个时，多个试块3之间采用串联方式连接，同时需要准备多根转接钢管10，相邻试块3之间均通过一根转接钢管10连接，且转接钢管10与试块3上的内嵌钢管6采用螺接固连方式；在每根转接钢管10上均开设有用于导线11穿入的穿线孔12，在最顶端的转接钢管10上还开设有限位孔，限位孔内穿装有一根限位支撑杆13，在限位支撑杆13与转接钢管10的限位孔之间安装有限位螺钉14，限位支撑杆13与测量孔2孔口之间进行卡挡配合；应变片的引线与导线11之间采用焊接方式相连，在焊点裸露处粘贴防水隔离胶带，导线11之间通过绑带进行捆扎，应变片通过强力胶粘贴在试块3上表面，应变片表面涂覆有防水硅胶；本实施例中，转接钢管10的长度为600mm，转接钢管10的内径为43mm，内嵌钢管6的壁厚为3mm；限位支撑杆13的直径为20mm，限位支撑杆13的长度为400mm；应变片的引线与导线11之间的焊接工艺要严格按照QJ/MR20170《手工焊接通用工艺规范》执行；
步骤五：将试块3送入测量孔2内的指定位置处并固定；当串联好的试块3送入测量孔2内的指定位置后，向测量孔2内浇注砂浆，同时从最顶端的转接钢管10管口内也同步浇注砂浆，保证测量孔2内以及所有转接钢管10和内嵌钢管6的空隙都被砂浆填满，直到砂浆达到设定强度，具体效果图如图1、2所示；
步骤六：控制爆破孔1内的雷管起爆，爆炸冲击波经过测量孔2后，应变片测量的数据由超动态应变测试仪4进行采集，之后通过计算机5采集的数据进行分析并自动计算出应力数据；本实施例中，根据试块3上应变片的布置方式可知，实际应变ε与应变测试仪的应变读数ε仪满足关系式ε＝ε仪/(1+μ)，式中，μ为试块3的材料泊松比；
建立以下三个公式：
式中，α1为0°，α2为45°，α3为90°，
为α1等于0°时试块3的线应变，
为α2等于45°时试块3的线应变，
为α3等于90°时试块3的线应变，εx为试块3在X轴方向上的线应变，εy为试块3在Y轴方向上的线应变，ψxy为试块3的切应变；
将上述三个公式进行联立，可解得εx、εy和ψxy，之后将解得的εx、εy和ψxy代入以下三个公式：
可求得最大主应变ε1、最小主应变ε2以及最大主应力方向与X轴方向之间的夹角α；
最后，根据广义虎克定律，将求得的最大主应变ε1、最小主应变ε2代入以下三个公式：
可求得最大主应力σ1、最小主应力σ2以及最大切应力τmax，式中，μ为试块3的材料泊松比，E为试块3的弹性模量；
上述所有计算过程均在计算机5中自动完成。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
Claims (8)
1.一种原岩内部动态应变测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：在以爆破孔为中心的爆炸冲击波作用区域内制备测量孔；
步骤二：准备一套型腔为正方体的模具，在模具内浇注砂浆，制备用于模拟原岩物理性质的试块；
步骤三：在制备好的试块表面粘贴应变片；
步骤四：准备一台超动态应变测试仪和一台计算机，将试块表面的应变片通过导线与超动态应变测试仪连接在一起，同时将超动态应变测试仪与计算机连接在一起；
步骤五：将试块送入测量孔内的指定位置处并固定；
步骤六：控制爆破孔内的雷管起爆，爆炸冲击波经过测量孔后，应变片测量的数据由超动态应变测试仪进行采集，之后通过计算机对采集的数据进行分析并自动计算出应力数据。
2.根据权利要求1所述的一种原岩内部动态应变测试方法，其特征在于：在步骤二中，在制备好的试块内部嵌装有一根内嵌钢管，内嵌钢管与试块的上表面和下表面相垂直，内嵌钢管的上端延伸出试块的上表面，内嵌钢管的下端延伸出试块的下表面，内嵌钢管的上端和下端的延伸长度相等。
3.根据权利要求2所述的一种原岩内部动态应变测试方法，其特征在于：在步骤二中，试块的制备数量为多个，每个试块尺寸均相同，试块上表面的对角线长度记为a，测量孔的孔径记为b，且b＞a，其中b-a的差值范围为0～50mm。
4.根据权利要求3所述的一种原岩内部动态应变测试方法，其特征在于：在步骤三中，每一个试块上均粘贴有应变片，且每一个试块上的应变片数量均为三片，分别记为第一应变片、第二应变片及第三应变片，第一应变片的长度方向与爆炸冲击波的冲击方向呈0°夹角，第二应变片的长度方向与爆炸冲击波的冲击方向呈45°夹角，第三应变片的长度方向与爆炸冲击波的冲击方向呈90°夹角，且第一应变片、第二应变片及第三应变片均采用半桥接法。
5.根据权利要求4所述的一种原岩内部动态应变测试方法，其特征在于：在步骤四中，当试块的数量为多个时，多个试块之间采用串联方式连接，同时需要准备多根转接钢管，相邻试块之间均通过一根转接钢管连接，且转接钢管与试块上的内嵌钢管采用螺接固连方式。
6.根据权利要求5所述的一种原岩内部动态应变测试方法，其特征在于：在步骤四中，在每根转接钢管上均开设有用于导线穿入的穿线孔，在最顶端的转接钢管上还开设有限位孔，限位孔内穿装有一根限位支撑杆，在限位支撑杆与转接钢管的限位孔之间安装有限位螺钉，限位支撑杆与测量孔孔口之间进行卡挡配合。
7.根据权利要求6所述的一种原岩内部动态应变测试方法，其特征在于：在步骤四中，应变片的引线与导线之间采用焊接方式相连，在焊点裸露处粘贴防水隔离胶带，导线之间通过绑带进行捆扎，应变片通过强力胶粘贴在试块上表面，应变片表面涂覆有防水硅胶。
8.根据权利要求7所述的一种原岩内部动态应变测试方法，其特征在于：在步骤五中，当串联好的试块送入测量孔内的指定位置后，向测量孔内浇注砂浆，同时从最顶端的转接钢管管口内也同步浇注砂浆，保证测量孔内以及所有转接钢管和内嵌钢管的空隙都被砂浆填满，直到砂浆达到设定强度。
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