一种邻近水体岩石层裂强度的测试装置及方法

摘要

本发明公开了一种邻近水体岩石层裂强度的测试装置，包括平台、气炮、冲头、第一组应变片、第二组应变片以及依次同轴设置的入射杆、套筒、透射杆和轴压提供装置，冲头设置于气炮的弹膛内，套筒内用于容置试样和水体，入射杆和透射杆均部分伸入套筒内，气炮、弹膛、入射杆、透射杆和轴压提供装置均通过底托固定在平台上，第一组应变片和第二组应变片与超动态应变仪电连接；本发明还提供一种利用上述装置对临近水体岩石的层裂强度进行测试的方法，通过对水体施加压力，从而以水体向试样施加轴压，模拟研究真实情况下邻近水体的岩石层裂情况，使得测试结果更加符合实际，最大强度地还原了目标的所处环境，测量结果精确可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及层裂强度测试技术领域，特别是涉及一种邻近水体岩石层裂强度的测试装置及方法。

背景技术

霍普金森杆装置的原型由霍普金森(Hopkinson)于1914年提出，按有无透射杆划分，分为自由式霍普金森压杆和分离式霍普金森压杆，对于材料动态力学性能的测试主要利用分离式霍普金森压杆。

现有的层裂强度测试装置大致分为两类，一类不带围压和轴压提供设备的测试装置，另一类就是提供围压的测试装置。这两类装置都是将试件直接与透射杆相连。

然而，越来越多的工程施工过程中，会遇到输水隧道、含水带等邻近水体情况。在不知道邻近水体岩石的层裂强度的前提下进行施工，很可能会因为施工扰动破坏邻近水体岩石，而导致水体涌出影响施工、威胁工作人员的生命安全，故获得邻近水体岩石的层裂强度对于保障施工的正常进行和施工人员的安全是至关重要的，而目前尚没有用于测量邻近水体岩石的层裂强度的装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种邻近水体岩石层裂强度的测试装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过模拟岩石邻近水体情况得到邻近水体岩石的层裂强度从而指导施工。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种邻近水体岩石层裂强度的测试装置，包括平台、气炮、冲头、第一组应变片、第二组应变片以及依次同轴设置的入射杆、套筒、透射杆和轴压提供装置，所述冲头设置于所述气炮的弹膛内，所述弹膛正对所述入射杆异于所述试样的一端，所述套筒内用于容置试样和水体，所述入射杆和透射杆均部分伸入所述套筒内，所述第一组应变片和所述第二组应变片用于轴向间隔设置于所述试样的侧壁上，所述气炮、弹膛、入射杆、透射杆和轴压提供装置均通过底托固定在所述平台上，所述第一组应变片和第二组应变片与超动态应变仪电连接。

优选地，所述入射杆异于所述套筒的一侧设置有连接板，所述连接板与所述轴压提供装置通过若干个连接杆连接。

优选地，所述连接杆为两个。

优选地，所述透射杆异于所述轴压提供装置的一端设置有橡胶垫。

优选地，所述橡胶垫的直径较所述套筒的内径大0.5～1mm。

优选地，所述第一组应变片和第二组应变片靠近所述入射杆。

优选地，所述套筒的材质为钢化玻璃、防弹玻璃或其它高强度的透明材料。

优选地，所述入射杆和透射杆的材料为40Cr合金钢。

本发明还提供一种利用上述邻近水体岩石层裂强度的测试装置对邻近水体岩石层裂强度进行测试的方法，包括以下步骤：

步骤一、按照设计的尺寸将临近水体岩石加工成圆柱形试样，并测得试样的密度ρ，在试样的一端侧壁上贴上第一组应变片和第二组应变片并测得两组应变片的间距；

步骤二、在所述试样的端部以及所述入射杆的端部涂抹润滑脂；

步骤三、将所述试样置于所述套筒内，使得所述试样表面紧贴所述套筒内壁；

步骤四、将所述入射杆与所述试样靠近所述第一组应变片及第二组应变片的一端相连，并将入射杆推进套筒内，且所述入射杆在所述套筒内的长度至少为5cm；

步骤五、向所述套筒内注入一定量的水，形成水体；

步骤六、将橡胶垫与所述透射杆一端相连，并将所述橡胶垫置于所述套筒内，使所述橡胶垫与所述水体紧密贴合；

步骤七、将所述气炮、弹膛、入射杆、透射杆和轴压提供装置通过所述底托均固定在所述平台上，根据需要使所述轴压提供装置对所述水体施加设定的轴压值，同时使一高速摄影仪或激光干涉仪正对所述试样；

步骤八、开启所述超动态应变仪，通过所述气炮将所述冲头以设定的速度发射，所述冲头撞击所述入射杆，通过所述超动态应变仪分别记录并存取所述冲头撞击所述入射杆所产生入射应力波的波前到达所述第一组应变片和第二组应变片的时间点，得到所述入射应力波的波前到达所述第二组应变片与到达所述第一组应变片的时间差Δt；通过公式C＝δ/Δt计算得出试样内应力波的传播速度C，δ表示第一组应变片与第二组应变片之间的间距；通过所述高速摄影仪或激光干涉仪测得所述套筒内层裂块的脱落速度V；然后将所得试样的密度ρ、试样内应力波的传播速度C及套筒内层裂块的脱落速度V代入公式б_t＝ρVC中，即可得到在设定轴压下的试样的层裂强度б_t。

本发明邻近水体岩石层裂强度的测试装置及方法与现有技术相比取得了以下有益效果：

本发明在测试装置中通过对水体施加压力，从而以水体向试样施加轴压。在测试过程中，由于水体的存在，有利于模拟研究真实情况下邻近水体的岩石层裂情况，使得测试结果更加符合实际；水体的设置，方便于轴压施加，轴压与水体的设置起到相辅相成的作用；本发明提出的方法理论简单、操作简便易行，最大强度地还原了目标的所处环境，测量结果精确可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明邻近水体岩石层裂强度的测试装置一种视角的结构示意图；

图2为本发明邻近水体岩石层裂强度的测试装置另一种视角的结构示意图；

其中，1-气炮，2-冲头，3-入射杆，4-第一组应变片，5-第二组应变片，6-套筒，7-试样，8-水体，9-橡胶垫，10-透射杆，11-轴压提供装置，12-弹膛，13-平台，14-连接板，15-连接杆。

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。

本发明的目的是提供一种邻近水体岩石层裂强度的测试装置及方法，以解决现有技术存在的问题，通过模拟岩石邻近水体情况得到邻近水体岩石的层裂强度从而指导施工。

本发明提供一种邻近水体岩石层裂强度的测试装置，包括平台、气炮、冲头、第一组应变片、第二组应变片以及依次同轴设置的入射杆、套筒、透射杆和轴压提供装置，所述冲头设置于所述气炮的弹膛内，所述弹膛正对所述入射杆异于所述试样的一端，所述套筒内用于容置试样和水体，所述入射杆和透射杆均部分伸入所述套筒内，所述第一组应变片和所述第二组应变片用于轴向间隔设置于所述试样的侧壁上，所述气炮、弹膛、入射杆、透射杆和轴压提供装置均通过底托固定在所述平台上，所述第一组应变片和第二组应变片与超动态应变仪电连接。

本发明还提供一种利用上述邻近水体岩石层裂强度的测试装置对邻近水体岩石层裂强度进行测试的方法，包括以下步骤：

步骤一、按照设计的尺寸将临近水体岩石加工成圆柱形试样，并测得试样的密度ρ，在试样的一端侧壁上贴上第一组应变片和第二组应变片并测得两组应变片的间距；

步骤二、在所述试样的端部以及所述入射杆的端部涂抹润滑脂；

步骤三、将所述试样置于所述套筒内，使得所述试样表面紧贴所述套筒内壁；

步骤四、将所述入射杆与所述试样靠近所述第一组应变片及第二组应变片的一端相连，并将入射杆推进套筒内，且所述入射杆在所述套筒内的长度至少为5cm；

步骤五、向所述套筒内注入一定量的水，形成水体；

步骤六、将橡胶垫与所述透射杆一端相连，并将所述橡胶垫置于所述套筒内，使所述橡胶垫与所述水体紧密贴合；

步骤七、将所述气炮、弹膛、入射杆、透射杆和轴压提供装置通过所述底托均固定在所述平台上，根据需要使所述轴压提供装置对所述水体施加设定的轴压值，同时使一高速摄影仪或激光干涉仪正对所述试样；

步骤八、开启所述超动态应变仪，通过所述气炮将所述冲头以设定的速度发射，所述冲头撞击所述入射杆，通过所述超动态应变仪分别记录并存取所述冲头撞击所述入射杆所产生入射应力波的波前到达所述第一组应变片和第二组应变片的时间点，得到所述入射应力波的波前到达所述第二组应变片与到达所述第一组应变片的时间差Δt；通过公式C＝δ/Δt计算得出试样内应力波的传播速度C，δ表示第一组应变片与第二组应变片之间的间距；通过所述高速摄影仪或激光干涉仪测得所述套筒内层裂块的脱落速度V；然后将所得试样的密度ρ、试样内应力波的传播速度C及套筒内层裂块的脱落速度V代入公式б_t＝ρVC中，即可得到在设定轴压下的试样的层裂强度б_t。

本发明邻近水体岩石层裂强度的测试装置及方法通过对水体施加压力，从而以水体向试样施加轴压。在测试过程中，由于水体的存在，有利于模拟研究真实情况下邻近水体的岩石层裂情况，使得测试结果更加符合实际；水体的设置，方便于轴压施加，轴压与水体的设置起到相辅相成的作用；本发明提出的方法理论简单、操作简便易行，最大强度地还原了目标的所处环境，测量结果精确可靠。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图1和图2所示，本发明提供一种邻近水体8岩石层裂强度的测试装置，包括平台13、气炮1、冲头2、第一组应变片4、第二组应变片5以及依次同轴设置的入射杆3、套筒6、透射杆10和轴压提供装置11，平台13为一个具有一定长度且上面平坦的床体。

冲头2设置于气炮1的弹膛12内，气炮1和弹膛12通过底托固定设置于平台13上，而弹膛12正对入射杆3异于试样7的一端；入射杆3、透射杆10和轴压提供装置11也均通过底托固定在平台13上，其中入射杆3下方的底托只对其起支撑作用，当入射杆3受到冲头2的冲击作用后能够相对其下方的底托滑动，并撞击试样7。

入射杆3异于套筒6的一侧设置有连接板14，连接板14的形状与轴压提供装置11的截面形状相匹配，连接板14与轴压提供装置11通过两个连接杆15连接，连接杆15可以将入射杆3和轴压固定装置连接固定在一起，使轴压提供装置11能够更好地为水体8施加轴压；

套筒6的材质为钢化玻璃、防弹玻璃或其它高强度的透明材料，套筒6内用于容置试样7和水体8，试样7和水体8都呈圆柱状，其中试样7靠近入射杆3，水体8靠近透射杆10，入射杆3和透射杆10均部分伸入套筒6内部，第一组应变片4和第二组应变片5用于轴向间隔设置于试样7的侧壁上，由于试样7靠近入射杆3的一端层裂会比较严重，故使第一组应变片4和第二组应变片5靠近入射杆3，第一组应变片4和第二组应变片5与超动态应变仪电连接。

透射杆10异于轴压提供装置11的一端设置有橡胶垫9；优选地，橡胶垫9的直径较套筒6的内径大0.5～1mm，以更好地将水体8密封在套筒6内；

入射杆3、透射杆10、连接杆15和连接板14可根据实际情况进行选择，入射杆3的尺寸为Φ50×2000mm，透射杆10尺寸为Φ50×1500mm，其材料均优选为40Cr合金钢。

本发明还提供一种利用上述邻近水体8岩石层裂强度的测试装置对邻近水体8岩石层裂强度进行测试的方法，包括以下步骤：

步骤一、按照设计的尺寸将临近水体8岩石加工成圆柱形试样7，试样7的长度为35cm，并将试样7外表面打磨平整、光滑，使其不平整度小于0.02mm，以减小应力波在试样7内部传播过程中产生的畸变和弥散效应，测得试样7的密度ρ＝2740kg/m³，在试样7的一端侧壁上贴上第一组应变片4和第二组应变片5并测得两组应变片的间距δ＝400mm；

步骤二、在试样7的端部以及入射杆3的端部涂抹润滑脂；

步骤三、将试样7置于套筒6内，使得试样7表面紧贴套筒6内壁，即使试样7被密封在套筒6内；

步骤四、将入射杆3与试样7靠近第一组应变片4及第二组应变片5的一端相连，并将入射杆3推进套筒6内，且入射杆3在套筒6内的长度至少为5cm；

步骤五、向套筒6内注入一定量的水，形成水体8，水体8的长度为20cm；

步骤六、将橡胶垫9与透射杆10一端相连，并将橡胶垫9置于套筒6内，使橡胶垫9与水体8紧密贴合，即水体8也被密封在套筒6内；

步骤七、将气炮1、弹膛12、入射杆3、透射杆10和轴压提供装置11通过底托均固定在平台13上，根据需要使轴压提供装置11对水体8施加设定的轴压值，本实施例中水体8被加载的轴压为0.4MPa，同时使一高速摄影仪正对试样7靠近水体8的一端，高速摄影仪的型号为FASTCAMSA 1.1675000fps；

步骤八、开启超动态应变仪(DH3817动-静应变仪)，通过气炮1将冲头2以设定的速度(2m/s)发射，冲头2撞击入射杆3，通过超动态应变仪分别记录并存取冲头2撞击入射杆3所产生入射应力波的波前到达第一组应变片4和第二组应变片5的时间点，得到入射应力波的波前到达第二组应变片5与到达第一组应变片4的时间差Δt＝98.66μs；通过公式C＝δ/Δt计算得出试样7内应力波的传播速度C＝4054.162m/s，δ表示第一组应变片4与第二组应变片5之间的间距；通过高速摄影仪或激光干涉仪测得套筒6内层裂块的脱落速度V＝2.24m/s；然后将所得试样7的密度ρ、试样7内应力波的传播速度C及套筒6内层裂块的脱落速度V代入公式б_t＝ρVC中，计算得到试样7的层裂强度б_t＝24.88MPa。

在本发明的描述中，需要说明的是，“第一”、“笫二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；本发明中的应变片的数量不以本实施例为限，可以在试样7的侧壁上设置多组应变片测得多组Δt并计算出相应的应力波的传播C，最后取平均值，即只要能够能够准确测得应力波在试样7中的传播速度即可。

本发明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。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。