水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置及方法

摘要

水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置及方法，所述装置包括水激波发生器、霍普金森压杆，所述水激波发生器安装在霍普金森压杆入射杆的一端，水激波发生器包括容器、压力调节旋钮、水压传感器、雷管、导爆管、防水炸药。其测试方法按霍普金森压杆试验方法进行。本发明最大限度的还原了水下爆炸应力状态，为水下爆破时岩石动态力学性能测试，提供了一种行之有效的可靠测量装置及方法，有利于对水下爆炸爆破机理、能量分布、传播规律、动力响应等的研究并指导工程施工，对水工设施和建构筑物采取有效的防护，最大限度地降低爆炸负效应。本发明结构合理、实验方便、理论简单、操作简便易行，模拟真实，测量结果准确可靠。为实现水下精准爆破提供了可能。

说明书

技术领域

本发明公开了一种水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置及方法；特别涉及一种基于霍普金森压杆实验系统的水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置及方法，属于材料力学性能测量技术领域。

技术背景

早在1914年霍普金森(Hopkinson)就提出了材料在高速加载条件下的动态力学性能测试方法，荷载的施加是通过子弹或爆炸波冲击长杆，由炸药爆炸时或子弹撞击到坚硬物体表面所产生荷载。1949年Kolsky采用雷管产生的爆炸波冲击钢砧，使钢砧冲击钢杆从而产生入射压缩波，这种装置很类似现代的SHPB装置了。目前，实验所用荷载施加装置为高压汽炮，以高压气体作为动力，推动发射腔内的冲头，使其高速撞击系统的入射杆，从而产生应力脉冲。以上荷载施加装置及方法是一种模拟刚性接触条件下载荷作用于岩石的动态力学性能测试方法，仅能模拟如土石方爆破对岩石的冲击等的刚性荷载情况，以测量高速加载条件下岩石的动态力学性能。还有一种爆破，其有一面或多面临空在水面以下，称为水下爆破，水下爆破和岩石爆破有很大不同，水下爆破过程产生的爆炸冲击载荷通过对水体的压缩进行传播，水体是均质且各项同性的介质，水深、水压对炸药的爆炸威力也有很大的影响，这与非水下环境下是不尽相同的。当前水下爆破的应用越来越广，对其研究也越来越多，主要集中在如水电站、港口码头、桥梁建造,海洋湖泊、运河港湾航道的疏通,以及大坝的修建、沉船的打捞等领域。但对于水下爆炸载荷对岩石的爆破冲击作用的室内试验研究却很少，缺少简单、经济、易操作的相关实验设备。水下爆破研究晚于岩石爆破，而对于水下爆破荷载作用下岩石的动态力学性能的测试装置及方法目前更是少见报道，至今为止，很少见到有涉及水下爆炸的载荷模拟装置及水下爆炸时岩石动态力学性能的测试方法的公开报道，因此研发一种适合模拟水下爆破脆性材料表面应力测量设备及方法，来研究水下爆破环境下材料的强度特性，成为本领域的亟需。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种结构合理、实验方便、操作简便易行、最大限度真实模拟水下爆炸应力状态、测量结果准确可靠的水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置及方法。

本发明水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置，所述装置包括水激波发生器、入射杆、透射杆、应变片、采集仪；所述水激波发生器安装在入射杆的一端，入射杆的另一端设有与入射杆同轴线安装的透射杆，在入射杆与透射杆接近端之间设有供容置待测试样的容室，在入射杆与透射杆上各设有一组与采集仪电连接的应变片；

所述水激波发生器包括容器、压力调节旋钮、水压传感器、雷管、导爆管、防水炸药，所述容器内注满水，雷管、防水炸药一体安装悬置在水中，导爆管一端与雷管连接，另一端延伸至容器外；所述水压传感器嵌装在容器壁上，一端延伸至容器内与水接触，另一端与采集仪连接；在容器上还设有一个螺纹孔，压力调节旋钮旋装在所述螺纹孔中。

本发明水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置，所述应变片分别安装在入射杆与透射杆接近端的杆壁上；安装在入射杆上的应变片定义为第一组应变片，安装在透射杆上的应变片定义为第二组应变片。

本发明水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置，所述应变片粘贴在入射杆或透射杆的杆壁上，或所述应变片嵌装在入射杆或透射杆上。

本发明水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置，导爆管的一端穿过压力调节旋钮延伸至容器外。

本发明水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置，所述水激波发生器的容器为空心圆柱体或空心球。

本发明水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置，容器为空心圆柱体时，空心圆柱体的一端是封闭底面，另一端为开口，在开口端的璧上设有螺纹，压力调节旋钮旋装在所述螺纹上；空心圆柱体与入射杆同轴线安装，且空心圆柱体的封闭底面与入射杆的一端接触；

空心圆柱体的长度大于等于30cm；空心圆柱体的直径与入射杆端部相匹配；

雷管和炸药悬置于空心圆柱体中靠近空心圆柱体封闭底面的位置，距离空心圆柱体封闭底面10～15cm；

当容器开口端的螺纹设置在开口端的内璧时，压力调节旋钮为外表面设有螺纹的圆柱状；

当容器开口端的螺纹设置在开口端的外璧时，压力调节旋钮为设有外套的圆柱体，在所述外套内表面设有螺纹。

本发明水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置，容器为空心球时，球壳表面设有一个与入射杆端部相匹配的平面，所述平面的中心垂线与入射杆轴线重合；球壳上设有一螺纹孔，压力调节旋钮旋装在所述螺纹孔中；

空心球的直径大于等于30cm；

雷管和炸药悬置于空心球的中心位置。

本发明水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置，所述防水炸药为乳化炸药。

本发明水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试方法，包括下述步骤：

步骤一

将岩石试样安装在设于入射杆与透射杆接近端之间的容室中，使入射杆与透射杆的接近端端面分别与试样对称的两个面接触；

将炸药、雷管安装在水激波发生器中，导爆管一端与炸药、雷管连接，另一端穿过压力调节旋钮延伸至水激波发生器外；

步骤二

根据预定的水下爆炸位置对应的水的深度，确定相应深度处水的压强数值P，调节压力调节旋钮进入水激波发生器的深度，直至与压力传感器电连接的采集仪显示的水激波发生器中水压达到P；

步骤三

开启采集仪后，起爆炸药，在水激波发生器中产生水激波，直接冲击入射杆，通过入射杆对试样施加冲击载荷；

采集仪实时记录并存储爆炸所产生入射应力波到达第一组应变片的反射应变ε_R、第二组应变片的透射应变ε_T，按公式1～3计算得到试样的应变值ε_S，动态抗压强度σ_s，平均应变率

$>{ϵ}_s\left(t\right)=\frac{2C_0}{L}{\int }_0^t{ϵ}_R\left(t\right)dt---\left(1\right)$>

$>{\sigma }_s\left(t\right)=E\left(\frac{A}{A_S}\right){ϵ}_T\left(t\right)---\left(2\right)$>

$>{\stackrel{·}{ϵ}}_s\left(t\right)=\frac{2C_0}{L}{ϵ}_R\left(t\right)---\left(3\right)$>

式中A表示压杆的横截面积，A_S表示试样的横截面积，C₀表示压杆的弹性波速，通过查询仪器自带的部件力学性能参数确定，C₀为定值；L表示试样的长度，E表示压杆的弹性模量。

原理和优势

本发明一种水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置及方法，通过水筒密封，确保雷管和炸药置于全封闭的水环境中爆炸，安全可靠。同时通过调节水筒盖达到调节水压的功效，使得实验能模拟不同水深、不同水压环境下的爆炸冲击效果。炸药冲击波以水为介质，能对入射杆端部进行全断面均匀加载，特别是水筒和入射杆是断面接触，炸药冲击波对入射杆端部加载时，水桶与入射杆可以方便分离，不会对施加到入射杆端面的水击波产生干扰，确保霍普金森压杆试验中，入射杆端部承受的水击波的均匀性及水击波在入射杆中传递的稳定性和可靠性，有效提升霍普金森压杆试验的精度。克服了目前采用高压气体带动冲头进行冲击不能完全模拟水下爆炸冲击的缺点。通过本发明可以测得在水激波荷载作用下岩石的动态力学特性，对爆破机理、能量分布、传播规律、动力响应等能进行深入的研究，有利于水下爆破时合理利用能量对目标进行有效破坏，同时对水工设施和建构筑物采取有效的防护，最大限度地降低爆炸负效应。为水下爆破时岩石动态力学性能测试，提供了一种行之有效的可靠测量装置及方法。

本发明结构合理、实验方便、理论简单、操作简便易行。最大限度的还原了水下爆炸应力状态，模拟真实，测量结果准确可靠。为实现水下精准爆破提供了可能。

附图说明

附图1为本发明中空心圆柱体水激波发生器结构示意图；

附图2为本发明中空心圆柱体水激波发生器容器开口端的螺纹设置在开口端的外璧时的结构示意图；

附图3为本发明中空心球水激波发生器结构示意图；

附图4为本发明水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置示意图。

图中：1—容器、2—水压传感器、3—压力调节旋钮、4—雷管、5—导爆管、6—防水炸药、7—水、8—入射杆、9—试样、10—透射杆、11—第一组应变片、12—第二组应变片。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1

参见附图1、4，发明水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试装置，所述装置包括水激波发生器、入射杆8、透射杆10、应变片、采集仪；所述水激波发生器包括容器1、压力调节旋钮3、水压传感器2、雷管4、导爆管5、防水炸药6，所述容器1为长度60cm的空心圆柱体，一端是封闭底面，另一端为开口，容器1内注满水7，雷管4、防水炸药6一体安装悬置在水中距空心圆柱体封闭底面10～15cm，防水炸药6为乳化炸药；导爆管5一端与雷管4连接，另一端穿过压力调节旋钮3延伸至容器1外；所述水压传感器2嵌装在容器1壁上，一端延伸至容器1内与水接触，另一端与采集仪连接；在容器1开口端的内璧上设有内螺纹，压力调节旋钮3为外表面设有螺纹的圆柱状并旋装在所述内螺纹上，所述容器1安装在入射杆8的一端，容器1的空心圆柱体的直径与入射杆8端部相匹配，入射杆8的另一端设有与入射杆8同轴线安装的透射杆10，在入射杆8与透射杆10接近端之间设有供容置待测试样的容室，在入射杆8与透射杆10上各设有一组与采集仪电连接的应变片；

所述应变片分别安装在入射杆8与透射杆10接近端的杆壁上；安装在入射杆8上的应变片定义为第一组应变片11，安装在透射杆10上的应变片定义为第二组应变片12；

所述应变片粘贴在入射杆8或透射杆10的杆壁上。

所述采集仪为DH 3817动-静应变仪。

实施例2

参见附图1、2、4，本实施例与实施例1的区别在于：

在空心圆柱体开口端的外璧上设有外螺纹，压力调节旋钮3为设有外套14的圆柱体，在所述外套14内表面设有螺纹并旋装在空心圆柱体开口端的外螺纹上，所述应变片嵌装在入射杆8或透射杆10上。

实施例3

参见附图1、3、4，本实施例与实施例1的区别在于：

容器1为空心球，球壳表面设有一个与入射杆8端部相匹配的平面17，所述平面17的中心垂线与入射杆8轴线重合；球壳上设有一螺纹孔18，压力调节旋钮3旋装在所述螺纹孔18中；

空心球的直径为45cm；

雷管4和防水炸药6悬置于空心球的中心位置。

实施例4：

参见附图4，水下爆炸载荷作用下岩石动态力学性能测试方法，包括下述步骤：

步骤一

将岩石试样9安装在设于入射杆8与透射杆10接近端之间的容室中，使入射杆8与透射杆10的接近端端面分别与试样9对称的两个面接触；

将乳化炸药6、雷管4安装在容器1中，导爆管5一端与乳化炸药6、雷管4连接，另一端穿过压力调节旋钮3延伸至容器1外；乳化炸药用量为5g；

步骤二

根据预定的水下爆炸位置对应的水的深度为20m，计算相应深度处水的压强数值P＝196kPa，调节压力调节旋钮3进入容器1中的深度，直至与压力传感器2电连接的采集仪显示的容器1中水压达到P；

步骤三

开启采集仪(DH 3817动-静应变仪)后，起爆炸药，在容器1中产生水激波，直接冲击入射杆8，通过入射杆8对试样施加冲击载荷；

采集仪实时记录并存储爆炸所产生入射应力波到达第一组应变片11的最大反射应变ε_R＝0.0039，第二组应变片12的最大透射应变ε_T＝263.7×10^-6；按公式1～3计算得到试样的应变值ε_S，动态抗压强度σ_s，平均应变率

$>{ϵ}_s\left(t\right)=\frac{2C_0}{L}{\int }_0^t{ϵ}_R\left(t\right)dt---\left(1\right)$>

$>{\sigma }_s\left(t\right)=E\left(\frac{A}{A_S}\right){ϵ}_T\left(t\right)---\left(2\right)$>

$>{\stackrel{·}{ϵ}}_s\left(t\right)=\frac{2C_0}{L}{ϵ}_R\left(t\right)---\left(3\right)$>

式中A表示入射杆或透射杆的横截面积，A_S表示试样的横截面积，C₀表示入射杆或透射杆的弹性波速，L表示试样的长度，E表示入射杆或透射杆的弹性模量；

本实施例中实测ε_R、ε_T值分别为：ε_R＝0.0039，ε_T＝263.7×10^-6；

入射杆的尺寸为Φ50×2000mm；

试样9的尺寸为Φ50×50mm；

入射杆或透射杆的弹性波速C₀＝5190m/s；

入射杆或透射杆的弹性模量E＝210GPa；

经过计算得到：

ε_S＝0.00201；σ_s＝55.38MPa；