CN210893971U - 一种动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置，包括加载框架系统、岩石杆系统、电磁脉冲发射系统、轴压伺服控制加载系统、数据监测与采集系统。加载框架系统主要由支撑平台、连杆、岩石杆支座以及轴压加载固定挡板组成，起到提供支撑平台并引导岩石杆件对中的作用。岩石杆系统由满足不同试验需求的直径相等，长度和数量不等，材质相等或不等的岩石杆组成。电磁脉冲发射系统主要由电磁脉冲应力波激发腔及其控制系统构成。轴压伺服控制加载系统由液压加载油缸、轴压加载活塞以及轴压伺服控制系统组成。轴压伺服控制加载系统的功能为程序化控制油源系统的加载、保持和卸载，可保证静态轴压在测试过程保持相对稳定。

Description

一种动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置

技术领域

本实用新型属于岩体中应力波传播研究领域。更具体地说，涉及一种用于岩体中应力波传播和衰减规律研究的动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置。

背景技术

岩石材料不同于其他工程材料，其内部包含有大量的预先存在的缺陷，例如微孔洞、微裂隙、节理、节理组以及结构面等。这些预先存在的缺陷不仅控制着岩体材料的力学特性，还显著的影响岩体的波动特性(例如应力波传播和衰减)。因此，研究岩石材料和岩体结构的波动特性，尤其岩体内部节理或节理组对应力波传播和衰减规律，对分析和评估岩体工程在地震波或爆炸波等作用下的安全性和稳定性显得尤为重要。目前，研究岩石内部预先存在的节理裂隙等缺陷对波传播和衰减规律的影响的方法主要有两种，一种是利用超声波测量系统对节理岩石试样或者含内部缺陷岩石试样进行高频率、低幅值的超声波传播测量来分析节理裂隙对超声波传播和衰减规律的影响；另一种是利用传统一维霍普金森杆对含单一预制节理岩石试样进行高幅值、低频率的一维应力波传播测试来研究单一节理对应力波传播和衰减规律的影响。现有方法极大地促进了人们理解并掌握岩石节理对波传播和衰减规律。但是，上述两种方法均是基于等效直径和长度均小于等于50mm的小尺寸岩石节理开展的试验研究，无法开展接近于实际工况下的大尺度(岩体长度达到米级)岩体中应力波传播和衰减规律研究。因此，现有技术还有待改进。

实用新型内容

为解决现有实验装置及测试方法无法开展接近于实际情况下的大尺度(岩体长度达到米级)岩体结构中的应力波传播和衰减规律研究，本实用新型提出一种动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置，弥补了现有岩体中应力波传播实验研究装置的缺陷，尤其是解决了现有装置无法开展考虑岩体初始静应力条件下的岩体中应力波传播研究的技术难题，可为岩体工程的设计、防护以及安全性和稳定性评估提供重要的技术支持。

动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置主要由加载框架系统、岩石杆系统、电磁脉冲发射系统、轴压伺服控制加载系统、数据监测与采集系统组成。

加载框架系统主要由支撑平台、连杆、岩石杆支座以及轴压加载固定挡板组成，起到提供支撑平台并引导岩石杆件对中的作用。岩石杆系统主要由满足不同试验需求的直径相等，长度和数量不等，材质相等或不等的岩石杆组成。电磁脉冲发射系统主要由电磁脉冲应力波激发腔及其控制系统构成。轴压伺服控制加载系统主要由液压加载油缸、轴压加载活塞以及轴压伺服控制系统组成。轴压伺服控制加载系统的功能为程序化控制油源系统的加载、保持和卸载，可保证静态轴压在测试过程保持相对稳定。数据监测与采集系统主要由多通道高速同步记录仪、应变片、惠斯通电桥以及应变信号放大器构成，能确保岩体中应力波传播测试数据完整且有效的被记录和存储。

图1为动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置三维图，试验装置置于支撑平台1上，主要由加载框架系统、岩石杆系统、电磁脉冲发射系统、轴压伺服控制加载系统、数据监测与采集系统组成。入射端轴压加载固定挡板2固定于支撑平台1的入射端部，其中心和四周分别设置有大圆孔和小圆孔，此处的大圆孔和小圆孔是相对的说法，即入射端轴压加载固定挡板2中间设置的圆孔的尺寸大于四周设置的圆孔的尺寸，所以此处是清楚的。下面透射端轴压加载固定挡板11的大圆孔和小圆孔同此处的理解。

电磁脉冲应力波激发腔3穿过入射端轴压加载固定挡板2的中心大圆孔，并与之焊接形成整体结构，电磁脉冲应力波激发腔3的加载端与第一岩石杆5的入射端接触；第一岩石杆5由岩石杆支座6支撑在加载轴线上，第一岩石杆5的透射端截面与第二岩石杆7的入射端截面接触，两接触截面构成了第一节理12，第二岩石杆7由岩石杆支座6支撑在加载轴线上，第二岩石杆7的透射端截面与第三岩石杆8的入射端截面接触，两接触截面构成了第二节理13；第三岩石杆8由岩石杆支座6支撑在加载轴线上，其透射端截面与轴压加载活塞9接触；轴压加载活塞9与液压加载油缸10连为一体，用于将液压加载油缸内的油压传递至岩石杆中；液压加载油缸10穿过透射端轴压加载固定挡板11的中心大圆孔，并与之焊接形成整体结构；透射端轴压加载固定挡板11安置于支撑平台透射端，并可根据岩石杆系统的长度需要在支撑平台上前后移动调节岩石杆测试系统的长度；连杆4分别穿过入射端轴压加载固定挡板2和透射端轴压加载固定挡板11四周的小圆孔，将加载框架系统、岩石杆系统、电磁脉冲发射系统和轴压伺服控制加载系统连接为一整体结构，用于实现动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试研究。

为了解决现有技术中问题，本实用新型提供了一种动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置，该测试装置主要由加载框架系统、岩石杆系统、电磁脉冲发射系统、轴压伺服控制加载系统、数据监测与采集系统组成；

加载框架系统主要由支撑平台、连杆、岩石杆支座以及轴压加载固定挡板组成，岩石杆系统主要由满足不同试验需求的直径相等，长度和数量不等，材质相等或不等的岩石杆组成；电磁脉冲发射系统主要由电磁脉冲应力波激发腔及其控制系统构成；轴压伺服控制加载系统主要由液压加载油缸、轴压加载活塞以及轴压伺服控制系统组成；数据监测与采集系统主要由多通道高速同步记录仪、应变片、惠斯通电桥以及应变信号放大器构成；

该测试装置的主要组成部件名称为：支撑平台、入射端轴压加载固定挡板、电磁脉冲应力波激发腔、第一岩石杆、第二岩石杆、第三岩石杆、轴压加载活塞、液压加载油缸、透射端轴压加载固定挡板；以上部件的连接关系如下：

试验装置置于支撑平台上，入射端轴压加载固定挡板固定于支撑平台的入射端部，其中心和四周分别设置有大圆孔和小圆孔，此处的大圆孔和小圆孔是相对的说法，即入射端轴压加载固定挡板中间设置的圆孔的尺寸大于四周设置的圆孔的尺寸，电磁脉冲应力波激发腔穿过入射端轴压加载固定挡板的中心大圆孔，电磁脉冲应力波激发腔的加载端与第一岩石杆的入射端接触；第一岩石杆的透射端截面与第二岩石杆的入射端截面接触，两接触截面构成了第一节理，第二岩石杆的透射端截面与第三岩石杆的入射端截面接触，两接触截面构成了第二节理；第三岩石杆其透射端截面与轴压加载活塞接触；轴压加载活塞与液压加载油缸连为一体，轴压加载活塞将液压加载油缸内的油压传递至岩石杆中；液压加载油缸穿过透射端轴压加载固定挡板的中心大圆孔；透射端轴压加载固定挡板安置于支撑平台透射端；连杆分别穿过入射端轴压加载固定挡板和透射端轴压加载固定挡板四周的小圆孔，将加载框架系统、岩石杆系统、电磁脉冲发射系统和轴压伺服控制加载系统连接为一整体结构。

作为本实用新型的进一步改进，还包括若干个岩石杆支座，所述第一岩石杆由岩石杆支座支撑在加载轴线上，第二岩石杆由岩石杆支座支撑在加载轴线上，第三岩石杆由岩石杆支座支撑在加载轴线上。

作为本实用新型的进一步改进，电磁脉冲应力波激发腔穿过入射端轴压加载固定挡板的中心大圆孔，并与之焊接形成整体结构。

作为本实用新型的进一步改进，液压加载油缸穿过透射端轴压加载固定挡板的中心大圆孔，并与之焊接形成整体结构。

作为本实用新型的进一步改进，透射端轴压加载固定挡板安置于支撑平台透射端，根据岩石杆系统的长度需要在支撑平台上前后移动调节岩石杆测试系统的长度。

作为本实用新型的进一步改进，第一节理和第二节理构成一对平行节理组。

作为本实用新型的进一步改进，岩石杆表面设置若干个应变片，并通过屏蔽导线将应变片接入至数据监测与采集系统。

作为本实用新型的进一步改进，第一岩石杆和第二岩石杆接触面之间填充混合物形成一填充第一节理，第二岩石杆和第三岩石杆之间填充混合物构成一填充第二节理，第一节理和第二节理构成一对平行节理组，并且根据试验需要，两条节理填充物材质和含水量可相同亦可不相同。

本实用新型的有益效果是：

(1)动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置的杆件系统由长岩石杆组成，可用于开展接近实际工况下的节理岩体中应力波传播和衰减规律研究，弥补了现有霍普金森杆(金属杆)设备无法开展大尺寸岩体结构中应力波传播实验研究的缺陷。

(2)动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置的电磁脉冲转换应力波激发系统可精确控制并且可高度重复的产生高幅值、第频率的入射应力波，解决了现有霍普金森杆设备难以精确控制并高度重复产生入射应力波的难题。

(3)动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置的轴压伺服控制加载系统可实现静态轴压同步伺服控制加载并且可实现应力波传播过程岩石杆中静态轴压保持相对稳定，使得节理岩体中应力波传播和衰减规律研究更加接近真实工况，解决了现有装置无法开展考虑岩体初始静应力条件下的岩体中应力波传播研究的技术难题。

附图说明

图1是本实用新型动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置三维图；

图2是本实用新型动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置正视图；

图3是动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置俯视图。

图中标号对应部件名称如下：

1-支撑平台，2-入射端轴压加载固定挡板，3-电磁脉冲应力波激发腔，4-连杆，5-第一岩石杆，6-岩石杆支座，7-第二岩石杆，8-第三岩石杆，9-轴压加载活塞，10-液压加载油缸，11-透射端轴压加载固定挡板，12-第一节理，13-第二节理，14-应变片。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

最佳实施方式1

将分别加工并打磨好直径为50mm，长1500mm、1000mm、1500mm的鞍山岩岩石杆作为第一岩石杆5、第二岩石杆7和第三岩石8。第一岩石杆和第二岩石杆光滑接触形成一近似闭合的第一节理12，第二岩石杆和第三岩石杆仍然光滑接触构成以近似闭合的第二节理13，第一节理12和第二节理13构成一对平行节理组。我们指的闭合节理是指，两个光滑面接触紧贴合在一起就构成了一个闭合的节理面。

根据实验测试需要并结合入射应力波的持续时间在岩石杆表面若干个粘贴应变片14，并通过屏蔽导线将应变片接入至数据监测与采集系统。实验时，根据实验设计，先通过调节轴压伺服控制加载系统，利用轴压加载油缸10和轴压加载活塞9沿岩石杆轴向方向给岩石杆系统施加3MPa的轴向静态压力，用于模拟地下约100m深度岩体结构承受的自重应力，随后通过电磁脉冲应力波激发腔3根据实验设计所需激发并产生具有相应幅值和波长分别为200MPa和300μs的入射应力波，应力波随即沿第一、二、三岩石杆传播，并依次通过第一和第二节理，并在第一和第二节理处产生透射波和反射波，利用粘贴在岩石杆表面的应变片即可监测并记录不同位置处岩石杆上入射应力波，反射应力波和透射应力波的信号，最后基于实验监测的数据，按照一维应力波理论即可计算和分析应力波在含两条平行节理岩体中的传播与衰减规律。

最佳实施方式2

将分别加工并打磨好直径为50mm，长分别为1500mm、1500mm、1500mm的无损伤完整花岗岩岩石杆作为第一岩石杆5、第二岩石杆7和第三岩石8。第一岩石杆和第二岩石杆接触面之间填充厚度为2mm的质量百分比为30％高岭土和70％石英砂(粒径小于1mm)混合物形成一填充第一节理12，第二岩石杆和第三岩石杆之间同样填充厚度为2mm的质量百分比为30％高岭土和70％石英砂(粒径小于1mm)混合物构成一填充第二节理13，第一节理12和第二节理13构成一对平行节理组，并且两条节理填充物的含水量相同且均为10％。随后在每根花岗岩岩石杆表面中点位置处上下对称粘贴一组应变片14，并通过屏蔽导线将应变片接入至数据监测与采集系统。接下来根据实验设计，先通过调节轴压伺服控制系统，利用轴压加载油缸10和轴压加载活塞9沿岩石杆轴向方向给岩石杆系统施加27MPa的轴向静态压力，用于模拟地下1000m深度岩体结构承受的自重应力，随后通过电磁脉冲应力波激发腔3激发并产生波长持续时间、幅值分别为200μs和100MPa的入射应力波，应力波随即沿第一、二、三岩石杆传播，并依次通过第一和第二填充节理，并在第一和第二节理处产生透射波和反射波，利用粘贴在岩石杆表面的应变片即可监测并记录不同岩石杆上入射应力波，反射应力波和透射应力波的信号，最后基于实验监测的数据，按照一维应力波理论即可计算和分析应力波在含两条平行节理岩体中的传播与衰减规律。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置，其特征在于：

该测试装置主要由加载框架系统、岩石杆系统、电磁脉冲发射系统、轴压伺服控制加载系统、数据监测与采集系统组成；

加载框架系统主要由支撑平台、连杆、岩石杆支座以及轴压加载固定挡板组成，岩石杆系统主要由满足不同试验需求的直径相等，长度和数量不等，材质相等或不等的岩石杆组成；电磁脉冲发射系统主要由电磁脉冲应力波激发腔及其控制系统构成；轴压伺服控制加载系统主要由液压加载油缸、轴压加载活塞以及轴压伺服控制系统组成；数据监测与采集系统主要由多通道高速同步记录仪、应变片、惠斯通电桥以及应变信号放大器构成；

该测试装置的主要组成部件名称为：支撑平台（1）、入射端轴压加载固定挡板（2）、电磁脉冲应力波激发腔（3）、第一岩石杆（5）、第二岩石杆（7）、第三岩石杆（8）、轴压加载活塞（9）、液压加载油缸（10）、透射端轴压加载固定挡板（11）；以上部件的连接关系如下：

试验装置置于支撑平台（1）上，入射端轴压加载固定挡板（2）固定于支撑平台（1）的入射端部，其中心和四周分别设置有大圆孔和小圆孔，此处的大圆孔和小圆孔是相对的说法，即入射端轴压加载固定挡板（2）中间设置的圆孔的尺寸大于四周设置的圆孔的尺寸，电磁脉冲应力波激发腔（3）穿过入射端轴压加载固定挡板（2）的中心大圆孔，电磁脉冲应力波激发腔（3）的加载端与第一岩石杆（5）的入射端接触；第一岩石杆（5）的透射端截面与第二岩石杆（7）的入射端截面接触，两接触截面构成了第一节理（12），第二岩石杆（7）的透射端截面与第三岩石杆（8）的入射端截面接触，两接触截面构成了第二节理（13）；第三岩石杆（8）其透射端截面与轴压加载活塞（9）接触；轴压加载活塞（9）与液压加载油缸（10）连为一体，轴压加载活塞（9）将液压加载油缸内的油压传递至岩石杆中；液压加载油缸（10）穿过透射端轴压加载固定挡板（11）的中心大圆孔；透射端轴压加载固定挡板（11）安置于支撑平台透射端；连杆（4）分别穿过入射端轴压加载固定挡板（2）和透射端轴压加载固定挡板（11）四周的小圆孔，将加载框架系统、岩石杆系统、电磁脉冲发射系统和轴压伺服控制加载系统连接为一整体结构。

2.根据权利要求1所述的一种动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置，其特征在于：还包括若干个岩石杆支座（6），所述第一岩石杆（5）由岩石杆支座（6）支撑在加载轴线上，第二岩石杆（7）由岩石杆支座（6）支撑在加载轴线上，第三岩石杆（8）由岩石杆支座（6）支撑在加载轴线上。

3.根据权利要求1所述的一种动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置，其特征在于：电磁脉冲应力波激发腔（3）穿过入射端轴压加载固定挡板（2）的中心大圆孔，并与之焊接形成整体结构。

4.根据权利要求1所述的一种动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置，其特征在于：液压加载油缸（10）穿过透射端轴压加载固定挡板（11）的中心大圆孔，并与之焊接形成整体结构。

5.根据权利要求1所述的一种动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置，其特征在于：透射端轴压加载固定挡板（11）安置于支撑平台透射端，根据岩石杆系统的长度需要在支撑平台上前后移动调节岩石杆测试系统的长度。

6.根据权利要求1所述的一种动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置，其特征在于：第一节理（12）和第二节理（13）构成一对平行节理组。

7.根据权利要求1所述的一种动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置，其特征在于：岩石杆表面设置若干个应变片，并通过屏蔽导线将应变片接入至数据监测与采集系统。

8.根据权利要求1所述的一种动静组合电磁加载霍普金森岩石杆波传播测试装置，其特征在于：第一岩石杆和第二岩石杆接触面之间填充混合物形成一填充第一节理，第二岩石杆和第三岩石杆之间填充混合物构成一填充第二节理，第一节理（12）和第二节理（13）构成一对平行节理组，并且根据试验需要，两条节理填充物材质和含水量可相同亦可不相同。

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