基于霍普金森压杆的动态剪切和摩擦测量装置及测量方法

摘要

本发明公开了一种基于霍普金森压杆的动态剪切和摩擦测量装置，包括分离式霍普金森压杆、动态剪切和摩擦装置及筒状围压缸；分离式霍普金森压杆包括发射装置以及与其分离的波形整形器、入射杆、透射杆和轴向预加载装置；动态剪切和摩擦装置安装在入射杆和透射杆的连接处且用于放置试样，筒状围压缸套设于动态剪切和摩擦装置，筒状围压缸、轴向预加载装置均通过油管与油缸连通。本发明还公开了一种基于霍普金森压杆的动态剪切和摩擦测量装置的测量方法。该基于霍普金森压杆的动态剪切和摩擦测量装置的目的是解决如何实现不同加载率和不同正应力条件下岩石试样的动态剪切性能以及内摩擦角φ值的测量，并能同时实现动态摩擦性能的测量的问题。

说明书

技术领域

本发明属于岩石动态物理力学测量技术领域，具体涉及一种基于霍普金森压杆的动态剪切和摩擦测量装置及测量方法。

背景技术

在涉及不同尺度的岩土工程和地球物理应用中，岩石可能会因钻探，爆破，滑坡或地震承受动态载荷而破坏。据统计，地球上每年都要发生数十次能对人类造成严重危害的地震，地震常常造成严重人员伤亡，还可能造成海啸、滑坡、崩塌、地裂缝等次生灾害。地震的发生涉及到孕震成核、断层失稳和破裂扩展等物理过程，具有高度复杂性。地壳内多数地震是沿原有断层发生的，岩石摩擦实验是断层力学和震源物理实验研究中的主要手段之一。粘聚力和内摩擦角是库仑模型中用于预测许多岩石工程和地球物理应用中岩石破坏的两个材料参数。尽管在静态条件下使用直接剪切或三轴压缩方法已对这两个参数进行了广泛的量化，但动态载荷对这些参数的影响尚不清楚。因此，期望开发一种确定岩石材料的动态剪切强度参数的方法。

目前国内外各类学者也已经开展了部分相关的实验来研究动态摩擦行为。如“磁盘针”试验，但它是为低速摩擦实验设计的，其中动摩擦仅在稳态条件下评估；压力剪切板冲击试验被用来研究考虑时间因素的摩擦，可以推断出一点上的正应力和剪应力历史，而无法改变正应力研究其摩擦特性。最近，科尔斯基拉杆的方法已经被用来测量钢和铝之间的动摩擦系数。在这种方法中，设计的夹具用于促进在承受动态拉伸载荷的界面处的滑动，并且法向压力由摩擦夹具上的螺钉扭矩施加。然而，由于施加正常压力的特殊方式，这种方法不适用于岩石类材料。

上世纪七八十年代，James Dieterich，Andy Ruina和James Rice等基于低速岩石摩擦实验结果，建立了速率-状态变量摩擦本构关系，该本构关系以及大量低速实验获取的本构参数如今广泛地应用于地震模拟，但是这不能很好的反映出加载率对岩石动态本构参数的影响。

有鉴于此，本领域技术人员亟需提供一种基于霍普金森压杆的动态剪切和摩擦测量装置及测量方法用于解决上述问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明解决的技术问题是如何实现不同加载率和不同正应力条件下岩石试样的动态剪切性能以及内摩擦角φ值的测量，并能同时实现动态摩擦性能的测量。

(二)技术方案

本发明的第一方面提供了一种基于霍普金森压杆的动态剪切和摩擦测量装置，包括分离式霍普金森压杆、动态剪切和摩擦装置及筒状围压缸；所述分离式霍普金森压杆包括发射装置以及与其分离的波形整形器、入射杆、透射杆和轴向预加载装置，所述入射杆与所述透射杆连接，所述波形整形器设于所述入射杆靠近所述发射装置的一端，所述轴向预加载装置安装在所述入射杆及所述透射杆上，所述入射杆上设有第一应变片，所述透射杆上设有第二应变片；

所述动态剪切和摩擦装置安装在所述入射杆和所述透射杆的连接处且用于放置试样，所述筒状围压缸套设于所述动态剪切和摩擦装置，所述筒状围压缸、所述轴向预加载装置均通过油管与油缸连通。

进一步地，所述动态剪切和摩擦装置包括导向管和后支撑座，所述入射杆可移动地穿设于所述导向管，所述后支撑座的一端通过所述轴向预加载装置夹持于所述透射杆上；所述后支撑座的另一端为中空结构且与所述试样抵接。

进一步地，所述筒状围压缸包括第一挡盖、第二挡盖以及两者密封形成的围压腔，所述第一挡盖固定连接于所述导向管，所述第二挡盖与所述围压腔固定连接且可滑动地设置于所述透射杆上。

进一步地，所述筒状围压缸的底部开设有注油孔，其顶部开设有排气孔；所述注油孔、所述排气孔上均设有孔塞。

进一步地，所述导向管靠近所述发射装置的一端设有圆台用于限位所述第一挡盖。

进一步地，所述入射杆沿其径向对称设置两个所述第一挡盖和/或所述透射杆沿其径向对称设置两个所述第二挡盖。

进一步地，所述轴向预加载装置包括第一端部、第二端部以及多个连接杆，所述第一端部安装在所述入射杆上，所述第二端部安装在所述透射杆上，所述第一端部与所述导向管抵接，每一个所述连接杆的两端分别连接所述第一端部、所述第二端部。

进一步地，所述导向管、所述后支撑座与所述入射杆和所述透射杆的轴线重合。

本发明的第二方面提供了一种基于霍普金森压杆的动态剪切和摩擦测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：

装配分离式霍普金森压杆、动态剪切和摩擦装置和筒状围压缸；

将试样放置于所述动态剪切和摩擦装置内，调整至同轴后，利用轴向预加载装置将所述试样加持稳定；

施加轴压至压力表示数为第一预定值，然后向所述筒状围压缸内注入液压油至压力表示数为第二预定值；

通过所述分离式霍普金森压杆对所述试样进行动态加载；

通过第一应变片、第二应变片获取对应的入射波、反射波和透射波；

依据应力-时间曲线获取对应加载率条件下动态剪切应力和动态摩擦应力。

进一步地，所述依据应力-时间曲线获取对应加载率条件下动态剪切强度和动态摩擦系数，具体包括如下步骤：

将所述应力-时间曲线出现第一个波峰的时间t

将所述第一个波峰后的波谷出现时间记为t'

其中，动态平均摩擦应力f

动态平均摩擦应力f

(三)有益效果

本发明提供的基于霍普金森压杆的动态剪切和摩擦测量装置，包括分离式霍普金森压杆、动态剪切和摩擦装置及筒状围压缸；其中，分离式霍普金森压杆用于提供动态加载条件；动态剪切和摩擦装置用于实现脆性材料动态剪切和动态摩擦过程；筒状围压缸用于提供围压，以实现材料在不同围压下动态剪切和摩擦动态剪切和摩擦的过程。试验装置结构简单、设计合理、使用方便，可应用于中-高速下岩石剪切破坏的研究及工程应用中，结合测量方法，能够实现不同加载率和不同正应力条件下岩石试样的动态剪切性能以及内摩擦角φ值的测量，并能同时实现动态摩擦性能的测量，使用效果好，便于推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例提供的一种基于霍普金森压杆的动态剪切和摩擦测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于霍普金森压杆的动态剪切和摩擦测量装置中筒状围压缸的剖视图；

图3是典型的剪应力-时间曲线图。

图中：

101-发射装置；102-子弹；103-波形整形器；104-入射杆；105-透射杆；106-轴向预加载装置；1061-第一端部；1062-第二端部；1063-连接杆；107-第一应变片；108-第二应变片；201-导向管；202-后支撑座；301-第一挡盖；302-第二挡盖；303-围压腔；304-注油孔；305-排气孔；306-孔塞；4-试样；5-油缸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

根据本发明实施例的第一方面提供了一种基于霍普金森压杆的动态剪切和摩擦测量装置，如图1-2所示，包括分离式霍普金森压杆、动态剪切和摩擦装置及筒状围压缸；分离式霍普金森压杆包括发射装置101以及与其分离的波形整形器103、入射杆104、透射杆105和轴向预加载装置106，入射杆104与透射杆105连接，波形整形器103设于入射杆104靠近发射装置101的一端，轴向预加载装置106安装在入射杆104及透射杆105上，入射杆104上设有第一应变片107，透射杆105上设有第二应变片108；

动态剪切和摩擦装置安装在入射杆104和透射杆105的连接处且用于放置试样4，筒状围压缸套设于动态剪切和摩擦装置，筒状围压缸、轴向预加载装置106均通过油管与油缸5连通。

在上述实施方式中，分离式霍普金森压杆用于提供动态加载条件；动态剪切和摩擦装置用于实现脆性材料动态剪切和动态摩擦过程；筒状围压缸用于提供围压，以实现材料在不同围压下动态剪切和摩擦动态剪切和摩擦的过程。试验装置结构简单、设计合理、使用方便，可应用于中-高速下岩石剪切破坏的研究及工程应用中，结合测量方法，能够实现不同加载率和不同正应力条件下岩石试样的动态剪切性能以及内摩擦角φ值的测量，并能同时实现动态摩擦性能的测量，使用效果好，便于推广。

其工作原理为：子弹102被发射后，经波形整形器103与入射杆104发生对心碰撞从而产生压缩应力波，应力波沿入射杆104传播至试样4，进而继续向透射杆105传播。

在一些可选的实施例中，动态剪切和摩擦装置包括导向管201和后支撑座202，入射杆104可移动地穿设于导向管201，后支撑座202的一端通过轴向预加载装置106夹持于透射杆105上；后支撑座202的另一端为中空结构且与试样4抵接。

在上述实施方式中，动态剪切和摩擦装置的冲头由入射杆104代替。

在一些可选的实施例中，筒状围压缸包括第一挡盖301、第二挡盖302以及两者密封形成的围压腔303，第一挡盖301固定连接于导向管201，第二挡盖302与围压腔303固定连接且可滑动地设置于透射杆105上。

具体地，围压腔303在为试样4提供围压的同时不会对分离式霍普金森压杆和试样4产生轴向摩擦的影响。

在一些可选的实施例中，筒状围压缸的底部开设有注油孔304，其顶部开设有排气孔305；注油孔304、排气孔305上均设有孔塞306。

在一些可选的实施例中，导向管201靠近发射装置101的一端设有圆台用于限位第一挡盖301。该台阶是具有较大直径的导向管段，以防止筒状围压缸向入射杆104远离试样4的一侧运动。其中，发射装置101可选用气枪。

在一些可选的实施例中，入射杆104沿其径向对称设置两个第一挡盖301和/或透射杆105沿其径向对称设置两个第二挡盖302。具体地，两个第一挡盖301和两个第二挡盖302均为上下对称设置，这样可使其对入射杆104和/或透射杆104产生均匀的力。

在上述实施方式中，第一挡盖301、第二挡盖302均为中心挖孔的圆形盖且螺纹套装于筒状围压缸。其中，中心挖空的孔径略大于导向管201的管径以及入射杆104、投射杆105的杆径。

在一些可选的实施例中，轴向预加载装置106包括第一端部1061、第二端部1062以及多个连接杆1063，第一端部1061安装在入射杆104上，第二端部1062安装在透射杆105上，第一端部1061与导向管201抵接，每一个连接杆1063的两端分别连接第一端部1061、第二端部1062。

其中，轴向预加载装置106用于对试样4施加轴向预应力，将其加持稳定。具体地，第一端部1061、第二端部1062可选用矩形的板状结构，连接杆1063的数量为4个，四个连接杆1063依次分布于第一端部1061、第二端部1062的四个边角处。

在一些可选的实施例中，导向管201、后支撑座202与入射杆104和透射杆105的轴线重合。

在一具体的实施例中，入射杆104的直径为25.4mm，导向管201的外径为38mm，与试样4的直径相同，导向管201的内径为25.6mm，比入射杆104的直径大0.2mm。

导向管201的一侧有台阶，台阶的高度为16mm、长度为15mm，该台阶是具有较大直径的导向管段，以防止筒状围压缸向入射杆104远离试样4的一侧运动，导向管201的长度为110.5mm。

后支撑座202为一圆形凹槽，其外径为38mm、厚度为10mm，槽内径为25.8mm，略大于入射杆104的直径0.4mm，槽深度为5mm，用于收集岩芯，导向管201固定于入射杆104外，后支撑座202利用轴向预加载装置106夹持于透射杆104的端前部，保持入射杆104、导向管201、后支撑座202和透射杆105的轴线重合一致，入射杆104冲击试样4时导向管201尽管受到筒状围压缸施加的侧向压力，但仍确保入射杆104在其内部自由滑动。

试样4为岩石材料或其他脆性材料加工成圆盘，从同一岩块沿相同方向钻出标称直径为38mm的岩芯，然后将这些岩芯切成厚度为15mm的薄盘。根据ISRM建议的方法，对圆盘样品的端面进行仔细的抛光，以使其表面粗糙度达到0.5％，在整个厚度上的直线度达到±0.02mm。

根据本发明实施例的第二方面提供了一种基于霍普金森压杆的动态剪切和摩擦测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：

S1、装配分离式霍普金森压杆、动态剪切和摩擦装置和筒状围压缸；

S2、将试样4放置于动态剪切和摩擦装置内，调整至同轴后，利用轴向预加载装置106将试样5加持稳定；

S3、施加轴压至压力表示数为第一预定值，然后向筒状围压缸内注入液压油至压力表示数为第二预定值；

S4、通过分离式霍普金森压杆对试样4进行动态加载；

S5、通过第一应变片107、第二应变片108获取对应的入射波、反射波和透射波；

S6、依据应力-时间曲线获取对应加载率条件下动态剪切应力和动态摩擦应力。

在上述实施方式中，在步骤S2中，试样4优选为长径比小于1的圆盘试样。

在一些可选的实施例中，在步骤S6中，依据应力-时间曲线获取对应加载率条件下动态剪切应力和动态摩擦应力，具体包括如下步骤：

S601、将应力-时间曲线出现第一个波峰的时间t

S602、将第一个波峰后的波谷出现时间记为t'

其中，动态摩擦应力f

动态摩擦应力f

在上述实施方式中，将分离式霍普金森压杆与动态摩擦装置以及筒状围压缸装备完备，确保子弹102、入射杆104、导向管201、后支撑座202和轴向预加载装置106在同一轴线上；

将第一应变片107、第二应变片108分别贴在入射杆104和透射杆105上的对称位置；

将加工好的试样4用防水胶带沿周长方向缠绕，放置于导向管201和后支撑座202之间，调整至同轴后，启动轴向预加载装置106对试样4施加小于1MPa的轴向预应力，将其加持稳定；

将筒状围压缸的第二挡盖302向左侧推动，使筒状围压缸与第一挡盖301紧密接触，然后利用螺栓固定，继续施加轴压至压力表示数为9MPa，然后利用注油孔304向筒状围压缸注入液压油至压力表示数为20MPa。

完成以上步骤后，即可通过分离式霍普金森压杆对试样进行动态加载；

入射波和反射波由入射杆104上的第一应变片测得的，透射波由透射杆105的第二应变片108测得的，所有的应变片信号都通过信号调节器和惠斯通电桥传输到八通道Sigma数字示波器；

应力-时间曲线中出现第一个波峰的时间t

冲击完成后，利用油泵卸除轴压，再利用油泵卸除围压，然后拧开螺栓，取出试样。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。