CN114755096A - 动态冲剪实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态冲剪实验装置及实验方法，该动态冲剪实验装置包括围压缸、入射杆和透射杆。其中，围压缸包括缸体、第一挡板和与第一挡板相对的第二挡板，第一挡板上设有第一孔，第二挡板上设有第二孔，入射杆部分穿过第一孔与围压缸连接，透射杆部分穿过第二孔与围压缸连接。本发明通过将试样夹持在入射杆和透射杆之间，然后通过入射杆向试样施加入射波，即通过入射杆向试样施加动态荷载，从而实现对试样进行冲剪实验的目的。此外，本发明提供的动态冲剪实验装置还通过设置围压缸，从而能够对试样施加围压以模拟试样在自然环境中受到的围压，进而实现在围压作用下对试样进行动态冲剪实验，有利于更加准确地获取试样的动态冲剪数据。

Description

动态冲剪实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及动态力学试验技术领域，尤其涉及一种动态冲剪实验装置及实验方法。

背景技术

为保证深部能源开采的安全性，需对深部岩石进行动力学性质研究。在相关技术中，为获取深部岩石的动态冲剪数据，常常采用霍普金森压杆对深部岩石进行动态冲剪实验，以获取深部岩石的动态冲剪数据。然而，传统的霍普金森压杆无法模拟深部岩石在自然环境中受到的各种作用力，从而无法准确获得深部岩石的动态冲剪数据。

发明内容

本发明实施例公开了一种动态冲剪实验装置及实验方法，能够为试样提供围压，以实现准确获取试样的动态冲剪数据的目的。

为了实现上述目的，第一方面，本发明公开了一种动态冲剪实验装置，所述动态冲剪实验装置用于冲剪试样，该动态冲剪实验装置包括：

围压缸，所述围压缸用于充注液体，以为所述试样施加围压，所述围压缸包括缸体、第一挡板和与所述第一挡板相对的第二挡板，所述第一挡板和所述第二挡板分别设置于所述缸体的两端，所述第一挡板上设有第一孔，所述第二挡板上设有第二孔；

入射杆，所述入射杆部分穿过所述第一孔与所述围压缸连接，所述入射杆用于向所述试样施加入射波；以及

透射杆，所述透射杆部分穿过所述第二孔与所述围压缸连接，所述入射杆和所述透射杆用于夹持所述试样。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述入射杆包括入射杆主体和与所述入射杆主体相连的冲头，所述冲头位于所述入射杆主体和所述透射杆之间，所述入射杆主体用于向所述试样施加入射波，所述冲头用于接收所述入射杆主体发出的所述入射波并将所述入射波传递至所述试样。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述冲头由第一圆柱体和第二圆柱体一体形成，所述第一圆柱体的底面圆心与所述第二圆柱体的底面圆心重叠，所述第一圆柱体与所述入射杆主体连接，且所述第二圆柱体的底面面积小于所述第一圆柱体的底面面积。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述入射杆主体和所述冲头的连接处设有固定筒，所述固定筒包覆在所述入射杆主体和所述冲头的连接处的外周。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述动态冲剪实验装置还包括第一适配器，所述第一适配器包覆在所述冲头和所述固定筒的外周，所述第一适配器具有第一端面和与所述第一端面相对的第二端面，所述冲头与所述试样的接触面与所述第一端面位于同一平面上，所述第二端面与所述第一挡板连接。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述透射杆包括透射杆主体和与所述透射杆主体相连的第二适配器，且所述第二适配器设于所述透射杆主体和所述入射杆之间，所述第二适配器朝向入射杆的一侧设有凹槽，所述凹槽用于容置冲剪后的所述试样。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述入射杆上设有第一应变片，所述第一应变片用于检测所述入射杆对所述试样施加的所述入射波以及所述入射波经所述试样反射后的反射波；

所述透射杆上设有第二应变片，所述第二应变片用于检测所述入射波透过所述试样后的透射波。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述缸体固定连接于所述第一挡板和所述第二挡板中的二者之一上，且所述缸体可活动连接于所述第一挡板和所述第二挡板中的二者之另一上。

第二方面，本发明还公开了一种动态冲剪实验装置的实验方法，所述动态冲剪实验装置为第一方面所述的动态冲剪实验装置，所述实验方法包括：

组装所述动态冲剪实验装置；

将所述试样夹持于所述入射杆和所述透射杆之间；

向所述围压缸充注液体；

所述入射杆向所述试样施加入射波。

作为一种可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述动态冲剪实验装置测量得到的所述试样的冲剪应力为：

或，

其中，τ为所述试样的冲剪应力，E为所述入射杆的弹性模量，A为所述入射杆与所述试样的接触面的面积，D为所述入射杆与所述试样的接触面的直径，B为所述试样的厚度，ε_i(t)为所述入射杆发出的所述入射波的入射应变脉冲，ε_r(t)为所述入射波经所述试样反射后的反射波的反射应变脉冲，ε_t(t)为所述入射波透过所述试样后的透射波的透射应变脉冲。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明实施例提供了一种动态冲剪实验装置及实验方法，该动态冲剪实验装置通过设置入射杆和透射杆，在进行实验时，将试样夹持在入射杆和透射杆之间，然后通过入射杆向试样施加入射波，即向试样施加动态荷载，从而实现对试样进行冲剪实验的目的。此外，本发明提供的动态冲剪实验装置还通过设置围压缸，当试样夹持于入射杆和投射杆之间后，向围压缸充注液体，以实现对试样施加均匀的围压的目的，从而模拟试样在自然环境中受到的围压，进而实现在围压作用下对试样进行动态冲剪实验，有利于更加准确地获取试样的动态冲剪数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例公开的动态冲剪实验装置结构示意图；

图2是本发明实施例公开的动态冲剪实验装置结构立体图；

图3是本发明实施例公开的动态冲剪实验装置结构分解图；

图4是本发明实施例公开的动态冲剪实验装置的实验方法的流程图。

主要附图标记说明：100、动态冲剪实验装置；11、围压缸；111、缸体；112、第一挡板；112a、第一孔；113、第二挡板；113a、第二孔；12、入射杆；121、入射杆主体；122、冲头；122a、第一圆柱体；122b、第二圆柱体；13、透射杆；131、透射杆主体；132、第二适配器；132a、凹槽；14、固定筒；15、第一适配器；16、第一密封圈；17、第二密封圈；18、第一应变片；19、第二应变片；20、工作平台；21、滑动杆；22、连接杆；23、热缩管；24、第三密封圈；200、试样。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

下面将结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

请一并参阅图1至图3，本申请公开了一种动态冲剪实验装置，该动态冲剪实验装置100用于冲剪试样200(如混凝土、岩石等)，从而通过获得试样200的冲剪应力。具体地，动态冲剪实验装置100包括围压缸11、入射杆12和透射杆13。其中，围压缸11用于充注液体，例如围压缸11可用于充注液压油、润滑油、机油或者水等，从而使得围压缸11能够对试样200施加围压。围压缸11包括缸体111、第一挡板112和与第一挡板112相对的第二挡板113，第一挡板112和第二挡板113分别设置于缸体111的两端，第一挡板112上设有第一孔112a，第二挡板113上设有第二孔113a。入射杆12部分穿过第一孔112a与围压缸11连接，入射杆12用于向试样200施加入射波。透射杆13部分穿过第二孔113a与围压缸11连接，试样200夹持于入射杆12和透射杆13之间。

本实施例提供的动态冲剪实验装置100通过设置入射杆12和透射杆13，且入射杆12穿过围压缸11的第一挡板112，透射杆13部分穿过围压缸11的第二挡板113。这样，在进行实验时，入射杆12和透射杆13能够对试样200施加一定的轴压，以将试样200夹持在入射杆12和透射杆13之间，也即试样200夹持在入射杆12和透射杆13之间且试样200位于围压缸11内，随后入射杆12向试样200施加入射波，即入射杆12向试样200施加动态荷载，从而实现对试样200进行冲剪实验的目的。本实施例提供的动态冲剪实验装置100通过设置围压缸11，当试样200夹持于入射杆12和透射杆13之间后，向围压缸11充注液体，以实现对试样200均匀地施加围压的目的，从而模拟试样200在自然环境中受到的围压，进而实现在围压作用下对试样200进行动态冲剪实验，有利于更加准确地获取试样200的动态冲剪数据。值得注意的是，本实施例提供的动态冲剪实验装置100采用液体加压的方式对试样200施加围压，这样能够使得试样200受到均匀恒定的围压，有利于更加真实的模拟试样200在自然环境中受到的围压。

进一步地，入射杆12包括入射杆主体121和与入射杆主体121相连的冲头122，冲头122位于入射杆主体121和透射杆13之间，也即，试样200夹持在冲头122与透射杆13之间。入射杆主体121背离冲头122的一端设有气枪和撞击杆，使得入射杆主体121能够向试样200施加入射波，从而冲头122能够接收入射杆主体121发出的入射波并将入射波传递至试样200，从而实现对试样200进行冲剪的目的。在对试样200进行冲剪的过程中，冲头122会沿入射杆12朝向透射杆13的方向运动，这样才能实现对试样200进行冲剪的目的。而本实施例将入射杆主体121和冲头122分体设置，可以使得入射杆12在发出入射波时，冲头122能够在入射波的作用下朝透射杆13运动并冲剪试样200，这样入射杆主体121的位置可以保持不变，即保持入射杆主体121与第一挡板112之间的位置关系不变，能够防止围压缸11出现漏液的情况。如果将入射杆主体121和冲头122做成一体，在冲剪试样200时，入射杆12会相对第一挡板112发生运动，在此过程中，围压缸11内的液体可能会渗漏，从而对试样200的动态冲剪实验造成影响。

一些实施例中，冲头122由第一圆柱体122a和第二圆柱体122b一体形成，第一圆柱体122a的底面圆心与所述第二圆柱体122b的底面圆心重叠，第一圆柱体122a与入射杆主体121连接，也即，第二圆柱体122b位于第一圆柱体122a与透射杆13之间，且试样200夹持于第二圆柱体122b与透射杆13之间。第二圆柱体122b用于对试样200施加冲击力，从而实现对试样200的冲剪目的。

具体地，入射杆主体121、第一圆柱体122a、第二圆柱体122b、试样200和透射杆13沿竖直方向Z的截面为圆形，即入射杆主体121、第一圆柱体122a、第二圆柱体122b、试样200和透射杆13的形状均为圆柱体，且入射杆主体121、第一圆柱体122a、试样200和透射杆13沿竖直方向Z的截面形状大小相等。这样有利于入射杆主体121向第二圆柱体122b传递入射波和接收入射波经试样后的反射波，以及有利于试样200向透射杆13传递透过试样200的入射波(以下将透过试样200的入射波称为透射波)，即有利于透射波的传递。此外，入射杆主体121、第二圆柱体122b、第一圆柱体122a、试样200和透射杆13沿竖直方向Z的截面的圆心在同一水平线上，能够使得入射波和透射波的传递效果更好。

因此，为保证入射杆主体121和透射杆13沿竖直方向Z的截面的圆心在同一水平线上，第一挡板112上的第一孔112a和第二挡板113上的第二孔113a均为圆孔，且第一孔112a和第二孔113a的圆心位于同一水平线上。

此外，为减少对入射波、反射波和透射波传递的影响，入射杆主体121、冲头122和透射杆13的材质相同，这样，波在入射杆主体121、冲头122和透射杆13内的传播效果相同，有利于提高动态冲剪实验的准确性。

进一步地，第二圆柱体122b的底面面积小于第一圆柱体122a的底面面积，即第二圆柱体122b沿竖直方向Z的截面面积小于第一圆柱体122a沿竖直方向Z的截面面积。由前述第一圆柱体122a和试样200沿竖直方向Z的截面大小相等可知，试样200沿竖直方向Z的截面面积大于第二圆柱体122b沿竖直方向Z的截面面积。这样有利于实现第二圆柱体122b从试样200的中心将试样200冲剪成两部分，有利于冲头122对试样200进行冲剪实验，以获得试样200的动态冲剪数据。

由于冲头122和入射杆主体121是分体设置的，为了防止冲头122从入射杆主体121上脱落，从而影响对试样200的动态冲剪实验。一些实施例中，动态冲剪实验装置100还包括固定筒14，固定筒14为中部镂空的圆柱体，固定筒14设于入射杆主体121和冲头122的连接处，即固定筒14包覆在入射杆主体121和冲头122的连接处的外周，从而将入射杆主体121和冲头122固定在一起。

具体地，固定筒14仅包覆部分或整个第一圆柱体122a，这样能够在实现将入射杆主体121与冲头122固定在一起的情况下，降低固定筒14的尺寸大小，有利于节约动态冲剪实验装置100的成本。

可选地，固定筒14由软材料制备得到，如固定筒14的材料可为聚四氟乙烯或橡胶等。由于入射杆主体121和冲头122的材料多为金属，采用软材料制备固定筒14，这样入射杆主体121发射的入射波能够全部传递至冲头122，而不会部分传递至固定筒14，有利于减少入射波的损耗。

为更好的减少入射波的损耗，即更好的提高固定筒14对入射波的阻隔作用，本实施例优选固定筒14包括第一筒体和包覆在第一筒体外周的第二筒体，且第一筒体的材质为聚四氟乙烯，第二筒体的材质为橡胶。

一些实施例中，动态冲剪实验装置100还包括第一适配器15，第一适配器15包覆在冲头122和固定筒14的外周。具体地，第一适配器15由三个一次连接的第一镂空圆柱体、第二镂空圆柱体和第三镂空圆柱体一体形成。其中第一镂空圆柱体的内直径与固定筒14沿竖直方向Z的截面的外直径相等，第二镂空圆柱体的外直径与第一镂空圆柱体的外直径相等，第二镂空圆柱体的内直径与第二圆柱体122b沿竖直方向Z上的截面的直径相等，第三镂空圆柱体的外直径与透射杆13沿竖直方向Z上的截面的直径相等，第三镂空圆柱体的内直径与第二圆柱体122b沿竖直方向Z上的截面的直径相等。第一适配器15具有第一端面(即第三镂空圆柱体与试样接触的表面)和与第一端面相对的第二端面(即第一镂空圆柱体背离第二镂空圆柱体的表面)，冲头122与试样200的接触面与第一端面位于同一平面上，第一适配器15的第一端面能够用于夹持试样200，也即将试样200夹持在第一适配器15和透射杆13之间，防止试样200脱离。

进一步地，第一适配器15的第一端面和冲头122的第一圆柱体122a沿竖直方向Z的截面面积之和与透射杆13沿竖直方向Z的截面面积相等。换言之，冲头122与试样200的接触面与第一适配器15的第一端面形成的组成了一个面，这个面的大小和形状与透射杆13沿竖直方向Z的截面的大小和形状相等。这样有利于试样200的密封，防止围压缸11内的液体渗入试样200，从而影响试样200的动态冲剪实验的实验结果。可以理解的是，在对试样200进行动态冲剪实验时，会对试样200施加围压，然而，为防止围压缸11内的液体渗入试样200而影响试样200的动态冲剪实验数据，通常会在试样200的外部包覆热缩管23，以实现隔离围压缸11内的液体的目的。由于热缩管23的两端还连接于透射杆13和第一适配器15，因此，使得第一适配器15的第一端面和冲头122的第一圆柱体122a沿竖直方向Z的截面面积之和与透射杆13沿竖直方向Z的截面面积相等，能够使热缩管紧密连接于第一适配器15和透射杆13的外周面，从而实现密封试样200的目的。

更进一步地，第一适配器15的第二端面与第一挡板112连接，从而防止围压缸11内的液体通过第一适配器15与固定筒14和第一适配器15与冲头122之间的空隙渗入试样200处，从而影响试样200的密封效果。

此外，为保证试样200具有良好的密封性能，一些实施例中，第一适配器15的第二端面与第一挡板112的连接处设有第一密封圈16，能够防止围压缸11内的液体通过第一挡板112与第二端面之间的缝隙深入，从而影响试样200的动态冲剪实验的实验结果。

进一步地，为防止围压缸11内的液体渗漏至围压缸11的外表面，入射杆主体121与第一挡板112的连接处和透射杆13与第二挡板113的连接处均设有第二密封圈17，即第一挡板112的第一孔112a处和第二孔113a处均设置有第二密封圈17，以加强围压缸11的密封性，防止围压缸11内的液体渗漏，从而影响围压缸11对试样200施加的围压大小，进而影响试样200的动态冲剪实验的实验数据。

一些实施例中，透射杆13包括透射杆主体131和与透射杆主体131相连的第二适配器132，且第二适配器132设于透射杆主体131和入射杆12之间，也即第二适配器132设于透射杆主体131与第一适配器15之间，试样200夹持在第一适配器15和第二适配器132之间。第二适配器132朝向入射杆12的一侧设有凹槽132a，该凹槽132a用于容置冲剪后的试样200。也即是说，冲头122在冲剪试样200的过程中，冲头122的第二圆柱体122b会将与第二圆柱体122b接触的试样200冲剪掉，这一部分将被送入凹槽132a内，从而实验人员能够从凹槽132a内回收被冲剪掉的试样200。

当然，透射杆13也可以不设置第二适配器132，直接在透射杆主体131朝向入射杆12的一侧设置凹槽132a以实现容纳冲头122冲剪下来的试样200。但本实施例优选设置第二适配器132的方案，这样，实验人员可根据冲头122的第二圆柱体122b与试样200的接触面积大小不同，从而更换不同的第二适配器132，进而提高动态冲剪实验的适配性。此外，采用设置第二适配器132的方案，当取下第二适配器132后，该动态冲剪实验装置100还可以用于进行关于试样200的其他动力学性能实验，这样有利于提高动态冲剪实验装置100的应用场景。

具体地，凹槽132a可为圆柱形凹槽、正方体凹槽或长方体凹槽等，只要冲头122的第二圆柱体122b能够插入凹槽132a内即可，这样才能保证凹槽132a能容置被冲头122冲剪下来的试样200。

一些实施例中，凹槽132a的深度可为2mm～4mm，例如凹槽132a的深度可为2mm、2.5mm、3mm、3.5mm或4mm等。当凹槽132a的深度满足前述要求时，凹槽132a能够容纳部分被冲剪掉的试样200，从而有利于试样200的回收。如果凹槽132a的深度小于前述范围，则被冲剪下来的试样200与试样主体之间的相对位移较少，不利于分离被冲剪下来的试样；如果凹槽132a的深度大于前述范围，不利于对透射波的传递，会增大试样200的测量误差。

由于动态冲剪实验装置100在对试样200进行动态剪切破坏实验的过程中，试样200的总变形量不超过试样200厚度H(即试样200沿水平方向上的厚度)的1％，即试样200的总应变小于1％，而试样200遭受破坏后产生的岩塞会移动进入第二适配器132的凹槽132a中，因此，为了保证试样200被剪切破坏后能够安全进入第二适配器132的凹槽132a中，以及保证实验的安全进行和岩塞能够成功回收，一些实施例中，第二适配器132的凹槽132a的深度可满足以下关系式：

d＝F_S·ΔH＝F_S·ε·H

其中，d为第二适配器132的凹槽132a的深度，F_S为安全系数，可取2～3，ΔH为试样200的厚度总变形量，ε为试样200的总应变比例，H为试样200的厚度。当第二适配器132的凹槽132a的深度满足前述关系式时，第二适配器132既能够容纳试样200遭受破坏后产生的岩塞，还能够保证实验的安全进行以及保证岩塞能够成功回收。

一些实施例中，入射杆12上设有第一应变片18，即入射杆主体121上设有第一应变片18，第一应变片18用于检测入射杆12对试样200施加的入射波以及入射波经试样200反射后的反射波，并将检测到的信息转化并输出为入射波的入射应变脉冲和反射波的反射应变脉冲，以便于实验人员根据入射波的入射应变脉冲和反射波的反射应变脉冲计算获取试样200的冲剪应力。

具体地，采用本实施例提供的动态冲剪实验装置100检测得到的试样200的冲剪应力可通过以下公式计算得到：

其中，τ为试样200的冲剪应力，E为入射杆12的弹性模量，A为入射杆12与试样200的接触面的面积，D为入射杆12与试样200的接触面的直径，即冲头122的第一圆柱体122a沿竖直方向Z的截面的直径，B为试样200沿水平方向X上的厚度，ε_i(t)为入射杆12发出的入射波的入射应变脉冲，ε_r(t)为入射波经试样200反射后的反射波的反射应变脉冲。

一些实施例中，透射杆13上设有第二应变片19，即透射杆主体131上设有第二应变片19，第二应变片19用于检测入射波透过试样200后的透射波，并将检测到的信息转化并输出为透射波的透射应变脉冲，有利于实验人员根据透射波的透射应变脉冲获取试样200的冲剪应力。

也即是说，采用本实施例提供的动态冲剪实验装置100检测得到的试样200的冲剪应力还可通过以下公式计算得到：

其中，τ为试样200的冲剪应力，E为入射杆12的弹性模量，A为入射杆12与试样200的接触面的面积，D为入射杆12与试样200的接触面的直径，即冲头122的第一圆柱体122a沿竖直方向Z的截面的直径，B为试样200沿水平方向X上的厚度，ε_t(t)为入射波透过试样200后的透射波的透射应变脉冲。

值得注意的是，由前述可知，入射杆12和透射杆13的组成材质相同，因此入射杆12的弹性模量等于透射杆13的弹性模量，此处的E也可为透射杆13的弹性模量。

可以理解的是，采用本申请提供的动态冲剪实验装置100进行动态冲剪实验，能够使得试样200两端受到的作用力大小相等，即入射杆12对试样200施加的作用力与透射杆13对试样200施加的作用力相等，因此，实验人员可以忽略动态冲剪试验中的惯性效应，从而根据上述两个公式均可计算得到试样200的冲剪应力。此外，采用上述两个公式计算试样200的冲剪应力，有利于校准实验误差。也即是说，实验人员可根据上述两个公式分别计算试样200的冲剪应力，然后两个计算结果的平均值作为试样200的冲剪应力，有利于降低实验误差。

具体地，本申请提供的动态冲剪实验装置100采用脉冲整形技术，即在入射杆主体121背离冲头122的一端设置一个或一组整形器，能够使得试样200两端受到的作用力大小相等，这样当试样200两端受到的力平衡时，即F₁＝F₂时，其中，F₁为入射杆12对试样200施加的力，F₂为透射杆13对试样200施加的力，ε_i(t)+ε_r(t)＝ε_t(t)。这样可以克服相关技术中的动态冲剪实验装置100的入射杆和透射杆对试样施加的力不相等，导致轴向惯性效应问题。

由于试样200设置于围压缸11内，为方便将试样200组装于动态冲剪实验装置100上或者方便试样200从动态冲剪实验装置100上拆卸下来。一些实施例中，围压缸11的缸体111固定连接于第一挡板112和第二挡板113中的二者之一上，且缸体111可活动连接于第一挡板112和第二挡板113中的二者之另一上。举例来说，当缸体111固定连接于第一挡板112上时，缸体111可活动连接于第二挡板113；当缸体111固定连接于第二挡板113上时，缸体111可活动连接于第一挡板112上。以缸体111固定连接于第二挡板113上，且缸体111可活动连接于第一挡板112上为例，在开始动态冲剪实验前，需将试样200夹持于入射杆12和透射杆13之间，此时可以将缸体111从第一挡板112上拆解下来，使得围压缸11内的入射杆12和透射杆13显露出来，方便实验人员将试样200夹持于入射杆12和透射杆13之间。随后，实验人员再将缸体111组装于第一挡板112上，使得第一挡板112、缸体111和第二挡板113围合形成一个密闭空间，以便于对试样200施加围压。最后，实验结束后，实验人员可再次将缸体111从第一挡板112上拆解下来，从而将试样200回收。

一些实施例中，动态冲剪实验装置100提供的轴压大小在整个试验过程中都大于或等于围压大小，因为在试样200与动态冲剪实验装置100的冲头122、第一适配器15和第二适配器132的接触面处会涂抹真空脂(即真空润滑脂，由精炼合成油作为基础油稠无机稠化剂，并加有结构稳定剂、防腐蚀添加剂精制而成)作为耦合剂，以此保证试样200与冲头122、第一适配器15和第二适配器132的充分接触。然而，当围压缸11内的液体采用液压油、润滑油或机油等时，真空脂可与围压缸11内的液体互溶，可能会导致围压缸11内的液体会渗入到试样200与冲头122、第一适配器15和第二适配器132之间的接触面，从而对实验结果造成影响。当动态冲剪实验装置100提供的围压大于轴压时，可能会导致渗入前述接触面的油压过大，从而抵消了动态冲剪实验装置100提供的轴压，进而使试样200与冲头122、第一适配器15和第二适配器132分离，导致试样200掉落。因此，为避免前述情况，动态冲剪实验装置100提供的轴压大小在整个试验过程中都大于或等于围压大小。

换言之，动态冲剪实验装置100满足以下关系式：

σ₀(A_b-A_S)≤σ₁(A_b-A_S)

即σ₀≤σ₁，其中，σ₀为围压缸11对试样200施加的围压大小，σ₁为透射杆13对试样200施加的轴压大小(也可为入射杆12对试样200施加的轴压大小，两者大小相等)；A_b为透射杆主体131沿竖直方向Z的截面面积，A_S为所述凹槽132a沿竖直方向Z的截面面积。

进一步地，试样200是通过与冲头122和第二适配器132之间的摩擦，从而保持在冲头122、第一适配器15和第二适配器132之间的状态。因此为了保证试样200不会脱离冲头122、第一适配器15和第二适配器132，试样200与冲头122之间的摩擦力和试样200与第二适配器132之间的摩擦力需满足以下关系式：

试样200与冲头122之间的摩擦力：F₁＝μ(σ₁-σ₀)A_S≥mg；

试样200与第二适配器132之间的摩擦力：F₂＝μ(σ₁-σ₀)(A_b-A_S)≥mg；

其中，μ为涂抹真空脂后的试样200与杆件之间的摩擦系数，m为试样200的质量，g为比例系数，取9.8N/kg。

也即，当A_S＞(A_b-A_S)时，动态冲剪实验装置100对试样200施加的轴压大小和围压大小之间的差值需满足以下关系式：

当A_S＝(A_b-A_S)时，动态冲剪实验装置100对试样200施加的轴压大小和围压大小之间的差值需满足以下关系式：

当A_S＜(A_b-A_S)时，动态冲剪实验装置100对试样200施加的轴压大小和围压大小之间的差值需满足以下关系式：

一些实施例中，动态冲剪实验装置100还包括工作平台20，入射杆12、围压缸11和透射杆13等均设置于工作平台20上。具体地，围压缸11的第一挡板112和第二挡板113中的二者之一固定设置于工作平台20上，围压缸11的第一挡板112和第二挡板113中的二者之一活动设置于工作平台20上。即当围压缸11的第一挡板112固定设置于工作平台20上时，围压缸11的第二挡板113活动设置于工作平台20上；当围压缸11的第二挡板113固定设置于工作平台20上时，围压缸11的第一挡板112活动设置于工作平台20上。这样设置是为了方便拆解围压缸11，从而方便实验人员将试样200组装于动态冲剪实验装置100上或者方便实验人员将试样200从动态冲剪实验装置100上拆卸下来。

以下将以第一挡板112固定设置于工作平台20上，第二挡板113活动设置于工作平台20上，且围压缸11的缸体111固定连接于第二挡板113为例进行阐述。

具体地，工作平台20上设有滑动杆21，滑动杆21穿过第二挡板113，使得第二挡板113可相对滑动杆21滑动，即使得第二挡板113可相对工作平台20滑动，从而改变缸体111与第一挡板112之间的相对位置。也即，实验人员可通过滑动第二挡板113使得缸体111与第一挡板112分离，或使缸体111与第一挡板112连接形成密闭的空间。

此外，由前述可知，为防止围压缸11出现漏液的情况，透射杆13固定连接于第二挡板113上，因此，第二挡板113在相对工作平台20滑动过程中，透射杆13也会相对工作平台20滑动。也即是说，通过第二挡板113能够带动透射杆13相对工作平台20滑动，从而改变入射杆12与透射杆13之间的间距，以便于将试样200夹持于入射杆12和透射杆13之间或者将试样200从动态冲剪实验装置100上拆卸下来。

一些实施例中，第二挡板113上还设置有连接杆22，该连接杆22固定设置于第二挡板113上，且第一挡板112与连接杆22相对应的位置处设置有通孔。当围压缸11的缸体111与第一挡板112紧密连接时，连接杆22可穿过第一挡板112上的通孔，此时，在第一挡板112背离第二挡板113的一侧设置螺母、密封圈等固定件，使得连接杆22固定连接于第一挡板112上，从而第二挡板113无法相对工作平台20滑动，使得第一挡板112、缸体111和第二挡板113围合形成一个密闭空间，能够防止在实验过程中第二挡板113相对工作平台20滑动，造成围压缸11内的液体泄露的问题。

请参阅图1和图4，本申请实施例还提供了一种动态冲剪实验装置100的实验方法，该动态冲剪实验装置100为前述的动态冲剪实验装置100，具体地，该实验方法包括：

步骤201：组装动态冲剪实验装置。

即将第一挡板112、入射杆主体121、冲头122、固定筒14、第一适配器15、第二适配器132、透射杆主体131和第二挡板113等安装于相应的位置，以便于实验的进行。

步骤202：制作试样。

具体地，试样200可为混凝土或岩石等材料，本实施例以试样200为岩石材料为例阐述如何制作试样200。首先，将岩石材料加工成圆盘。然后在圆盘上沿相同方向钻出标称直径的岩芯，即在圆盘上沿相同的方向钻出与入射杆主体121和透射杆主体131沿竖直方向Z上的截面的直径相同的岩芯。接着，将岩芯切成多块薄圆盘。最后，根据国际岩石力学学会建议的方法，对薄圆盘的端面进行抛光，以使得薄圆盘得表面粗糙度小于或等于0.5％，以及使得薄圆盘在整个厚度上的直线度达到±0.02mm。

步骤203：将试样夹持于入射杆和透射杆之间。

具体地，先在第一适配器15和第二适配器132上分别套设第三密封圈24；然后在试样200的外周面(即未与第一适配器15和第二适配器132接触的表面)涂抹硅胶；接着在试样200的外周面上套设热缩管23，且热缩管23的长度大于试样200的厚度(厚度即为试样200安装于动态冲剪实验装置100时，试样200在水平方向X上的长度)；紧接着再将热缩管23的两端分别套设于第一适配器15和透射杆主体131上，且第一适配器15和透射杆主体131上的密封圈均被套设于热缩管23内；最后用热风枪均匀地加热热缩管23，使得热缩管23更加紧密贴合于试样200上，有利于减少试样200与第一适配器15和透射杆主体131之间的摩擦力，能够保证动态冲剪实验装置100的动态荷载的准确测量，从而减少实验误差。此外，采用该方式将试样200夹持于入射杆12和透射杆13之间，能够将试样200和围压缸11内的液体隔离开，防止围压缸11内的液体渗入试样200内而影响试样200的实验效果。

步骤204：向围压缸充注液体。

向围压缸11内充注液体，如向围压缸11内充注液压油、润滑油、机油或者水等，以实现对试样200施加围压的实验目的。

步骤205：入射杆向试样施加入射波。

入射杆12向试样200施加入射波后，冲头122接收到入射波后对试样200进行冲剪，此时，实验人员记录第一应变片18检测到的入射杆12发出的入射波的入射应变脉冲和入射波经试样200反射后的反射波的反射应变脉冲，以及记录第二应变片19检测到的入射波透过试样200后的透射波的透射应变脉冲。至此，对试样200的动态冲剪实验结束。

进一步地，由于采用本申请提供的动态冲剪实验装置100进行动态冲剪实验，试样200两端受到的作用力相等(具体原理可参阅前述内容，此处不再赘述)，即入射杆12对试样200施加的作用力与透射杆13对试样200施加的作用力相等，因此，实验人员可以忽略动态冲剪试验中的惯性效应，从而实验检测得到的试样200的冲剪应力可通过以下公式计算得到：

或，

其中，τ为试样200的冲剪应力，E为入射杆12的弹性模量，A为入射杆12与试样200的接触面的面积，D为入射杆12与试样200的接触面的直径，即冲头122的第一圆柱体122a沿竖直方向Z的截面的直径，B为试样200沿水平方向X上的厚度，ε_i(t)为入射杆12发出的入射波的入射应变脉冲，ε_r(t)为入射波经试样200反射后的反射波的反射应变脉冲，ε_t(t)为入射波透过试样200后的透射波的透射应变脉冲。

采用上述两个公式计算试样200的冲剪应力，有利于校准实验误差。也即，实验人员可根据上述两个公式分别计算试样200的冲剪应力，然后取两个计算结果的平均值作为试样200的冲剪应力，有利于降低实验误差。

以上对本发明实施例公开的动态冲剪实验装置及实验方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的动态冲剪实验装置及实验方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种动态冲剪实验装置，其特征在于，所述动态冲剪实验装置用于冲剪试样，所述动态冲剪实验装置包括：

围压缸，所述围压缸用于充注液体，以为所述试样施加围压，所述围压缸包括缸体、第一挡板和与所述第一挡板相对的第二挡板，所述第一挡板和所述第二挡板分别设置于所述缸体的两端，所述第一挡板上设有第一孔，所述第二挡板上设有第二孔；

入射杆，所述入射杆部分穿过所述第一孔与所述围压缸连接，所述入射杆用于向所述试样施加入射波；以及

透射杆，所述透射杆部分穿过所述第二孔与所述围压缸连接，所述入射杆和所述透射杆用于夹持所述试样。

2.根据权利要求1所述的动态冲剪实验装置，其特征在于，所述入射杆包括入射杆主体和与所述入射杆主体相连的冲头，所述冲头位于所述入射杆主体和所述透射杆之间，所述入射杆主体用于向所述试样施加入射波，所述冲头用于接收所述入射杆主体发出的所述入射波并将所述入射波传递至所述试样。

3.根据权利要求2所述的动态冲剪实验装置，其特征在于，所述冲头由第一圆柱体和第二圆柱体一体形成，所述第一圆柱体的底面圆心与所述第二圆柱体的底面圆心重叠，所述第一圆柱体与所述入射杆主体连接，且所述第二圆柱体的底面面积小于所述第一圆柱体的底面面积。

4.根据权利要求2所述的动态冲剪实验装置，其特征在于，所述入射杆主体和所述冲头的连接处设有固定筒，所述固定筒包覆在所述入射杆主体和所述冲头的连接处的外周。

5.根据权利要求4所述的动态冲剪实验装置，其特征在于，所述动态冲剪实验装置还包括第一适配器，所述第一适配器包覆在所述冲头和所述固定筒的外周，所述第一适配器具有第一端面和与所述第一端面相对的第二端面，所述冲头与所述试样的接触面与所述第一端面位于同一平面上，所述第二端面与所述第一挡板连接。

6.根据权利要求1所述的动态冲剪实验装置，其特征在于，所述透射杆包括透射杆主体和与所述透射杆主体相连的第二适配器，且所述第二适配器设于所述透射杆主体和所述入射杆之间，所述第二适配器朝向入射杆的一侧设有凹槽，所述凹槽用于容置冲剪后的所述试样。

7.根据权利要求1-6任一项所述的动态冲剪实验装置，其特征在于，所述入射杆上设有第一应变片，所述第一应变片用于检测所述入射杆对所述试样施加的所述入射波以及所述入射波经所述试样反射后的反射波；

所述透射杆上设有第二应变片，所述第二应变片用于检测所述入射波透过所述试样后的透射波。

8.根据权利要求1-6任一项所述的动态冲剪实验装置，其特征在于，所述缸体固定连接于所述第一挡板和所述第二挡板中的二者之一上，且所述缸体可活动连接于所述第一挡板和所述第二挡板中的二者之另一上。

9.一种动态冲剪实验装置的实验方法，所述动态冲剪实验装置为权利要求1-8中任一项所述的动态冲剪实验装置，所述实验方法包括：

组装所述动态冲剪实验装置；

将所述试样夹持于所述入射杆和所述透射杆之间；

向所述围压缸充注液体；

所述入射杆向所述试样施加入射波。

10.根据权利要求9所述的动态冲剪实验装置的实验方法，其特征在于，所述动态冲剪实验装置测量得到的所述试样的冲剪应力为：

或，

其中，τ为所述试样的冲剪应力，E为所述入射杆的弹性模量，A为所述入射杆与所述试样的接触面的面积，D为所述入射杆与所述试样的接触面的直径，B为所述试样的厚度，ε_i(t)为所述入射杆发出的所述入射波的入射应变脉冲，ε_r(t)为所述入射波经所述试样反射后的反射波的反射应变脉冲，ε_t(t)为所述入射波透过所述试样后的透射波的透射应变脉冲。

Images