一种层状岩石冲击压杆试验中应力波分离的方法

摘要

本发明公开了一种层状岩石冲击压杆试验中应力波分离的方法，其步骤为：利用超声波检测仪测出入射杆波速、组成层状岩石的两种岩层的不同波速；测出组成层状岩石的两种岩层的厚度；计算出超声波在组成层状岩石的两种岩层传播的时间；再利用冲击压杆试验系统空冲得到应力波的波形及半周期；计算出应力波的半波长、在组成层状岩石的两种岩层传播的不同时间内应力波在入射杆中的传播长度，从而确定出应变片的粘贴位置；通过不同粘贴位置的应变片获取应力波信号；以时间为变量，在相对应的时间段内分解出独立的波形；对混合波形信号逐一分时间段分解，得到所需应力波波形。本发明具有过程简便，易操作的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种层状岩石冲击压杆试验中应力波分离的方法。

背景技术

煤矿或沉积矿岩中，往往是层状分布的岩体。层状岩体在受到冲击载荷作用时在其内部以应力波形式传播。不同的岩层因密度、强度、波阻抗等存在差异。应力波在层状岩体传播过程中产生反射、透射等，导致应力波混乱，即独立的应力波多而散。在传播过程中这么多应力波重叠、分离再重叠，到最后要从如此多的应力波信号中分离出独立的应力波相当困难。对于单一均匀介质冲击压杆实验中，因为反射波、透射波较少，应变片的位置只需满足入射波和反射波错开即可得到独立的波形信号。而对于层状岩石，主要有两种介质组合而成的岩石，入射波从入射杆进入层状岩石，在入射杆与岩石交界面发生反射、透射；透射进入岩石试样的应力波在两种岩石交界面又发生反射、透射；此时产生的反射波会在入射杆与岩石交界面发生反射、透射，而透射波会在岩石试样与透射杆交界面发生反射、透射；这些反射波、透射波继而衍生二次透、反射，导致波形多。如果应变片位置和单一均匀介质冲击压杆实验中一样，这些波形就可能复合在一起，无法分辨出波形的来源，导致基础数据不足而不能计算应力。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种层状岩石冲击试验中应力波分离的方法，为在动载荷下层状岩石不同岩层动态力学特性的测定提供基础数据。

本发明采用的技术方案包括以下步骤：

(1)利用超声波检查仪测量入射杆材质的波速v_bar；

(2)利用超声波检查仪测量组成层状岩石试样的两种岩层的不同波速v₁、v₂；

(3)测量组成层状岩石试样的两种岩层的厚度L_r1、L_r2；

(4)测量入射杆长度L_in、透射杆长度L_t；

(5)计算超声波在组成层状岩石试样的两种岩层分别传播所需要的时间t₁、t₂：

t₁＝L_r1/v₁、t₂＝L_r2/v₂

(6)利用SHPB冲击压杆系统作空冲试验，测量入射波的波形及半周期T；

(7)则在入射杆上应变片粘贴位置为：

第一应变片在入射杆上距离右端头为：L_in1＝v_barT+L₀，L₀＝0.2m；

第二应变片靠近试样一端，与第一应变片的间距为：

△L_in2＝2v_bart₁；

第三应变片靠近试样一端，与第二应变片的间距为：

△L_in3＝2v_bart₁；

(8)在透射杆上应变片粘贴位置为：

第一透射杆应变片距离透射杆与试样接触面为：L_t1＝v_barT；

第二透射杆应变片远离试样一端，与第一透射杆应变片的间距为：

△L_t2＝2v_bart₂；

(9)进行层状岩石冲击试验，利用不同位置的应变片获取应力波信号，得到时间与应力波信号对应曲线；

(10)对所获得的时间-与应力波信号曲线进行解析，以时间为变量，在相对应的时间段内分解出独立的波形；再以此为基础，对混合波形信号逐一分时间段分解，得到入射杆上和透射杆上传播的独立波形。

本发明的技术效果在于：本发明通过不同粘贴位置的应变片获取不同应力波波形和混合波形，以时间为变量，在相对应的时间段内先分解出独立的波形；再以此为基础，对混合波形信号逐一分时间段分解，即可分离波形，为计算在动载荷下层状岩石不同岩层动态力学强度等特性提供基础数据。本发明中的方法具有过程简便，易操作的优点。

附图说明

图1是本发明中试验装置的结构示意图。

图2为入射杆上第一片应变片获取的波形信号。

图3为入射杆上第二片应变片获取的波形信号。

图4为入射杆上第三片应变片获取的波形信号。

图1中：

1、高压气罐；2、冲头；3、入射杆；4、第一应变片；

5、第二应变片；6、第三应变片；7、层状岩石试件；8、第一透射杆应变片；9、第二透射杆应变片；10、透射杆；11、轴向静压加载装置；12、数据采集处理系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明中的岩石力学试验中应变片包括粘贴在入射杆上的第一应变片4、第二应变片5、第三应变片6和粘贴在透射杆上的第一透射杆应变片8、第二透射杆应变片9。下面结合图1、2、3、4说明层状岩石力学试验中应力波分离的方法，具体操作步骤如下：

(1)利用超声波检查仪测出入射杆材质的波速v_bar；

(2)利用超声波检查仪测出组成层状岩石试样的两种岩层的不同波速v₁、v₂；

(3)测出组成层状岩石试样的两种岩层的厚度L_r1、L_r2；

(4)测出入射杆长度L_in、透射杆长度L_t；

(5)计算出超声波在组成层状岩石试样的两种岩层分别传播所需要的时间t₁、t₂：

t₁＝L_r1/v₁、t₂＝L_r2/v₂

(6)利用SHPB冲击压杆系统作空冲试验，测出入射波的波形，包括半周期T。

(7)则在入射杆上应变片粘贴位置为：

第一应变片位置L_in1(距离入射杆与试样接触面)L_in1＝v_barT+L₀

第二应变片位置L_in2(距离入射杆与试样接触面)L_in2＝v_barT+L₀-2v_bart₁

第三应变片位置L_in3(距离入射杆与试样接触面)L_in3＝v_barT+L₀-4v_bart₁

L₀＝0.2m。

(8)在透射杆上应变片粘贴位置为：

第一透射杆应变片位置L_t1(距离透射杆与试样接触面)L_t1＝v_barT

第二透射杆应变片位置L_t2(距离入射杆与试样接触面)L_t2＝v_barT+2v_bart₂

(9)进行层状岩石冲击试验，利用不同位置的应变片获取应力波信号，得到时间与应力波信号对应曲线，如图2。

(10)应力波信号分离：对所获得的时间与应力波曲线进行解析，如图2、3、4。根据图2、3、4中应力波位置及传播时间可计算出其传播速度，和第一步测出的波速v_bar对比，从而了解时间t₁、t₂的误差，并在图2中确定单独传播和叠加传播的时间范围t₁₁、t₂₁；以时间为变量，在相对应的时间段t₁₁内分解出独立的反射波部分波形，从而可得到整个半波形；再以此为基础，对混合波形信号逐一分时间段分解，如在t₂₁时间内为直接在入射杆和岩石试样接触面发生反射后的反射波和第一次在入射杆和岩石试样接触面透射后并在组成岩石试样的两层岩层交界面反射后再在入射杆和岩石试样接触面透射的波形叠加后呈现为t₂₁时间段混合波形，由于在t₁₁时间段已得到反射波波形，从而可分离混合波形得到另一波形。依次类推，还可逐一分离出入射杆上更多波形。同理，通过透射杆上得到的应力波波形，依次方法可分离出透射杆上的混合波形。从而得到入射杆上和透射杆上传播的独立波形，为层状岩石试样力学特性提供依据。例如根据一维应力波利用分离出来的相对应的入射波、反射波及透射波计算出岩石强度：

$\sigma \left(t\right)=\frac{A_e}{2A_s}[{\sigma }_I\left(t\right)-{\sigma }_R\left(t\right)+{\sigma }_T\left(t\right)]$

式中，σ(t)为岩石强度，A_e、A_s分别为入射杆和试样的横截面面积，σ_I(t)为入射应力，σ_R(t)为反射应力，σ_T(t)为透射应力，σ_I(t)＝Eε_I(t)，σ_R(t)＝Eε_R(t)σ_T(t)＝Eε_T(t),E入射杆动弹性模量，ε_I(t)、ε_R(t)、ε_T(t)分别为分离后对应的入射波、反射波及透射波应变。