适用于真三轴霍普金森压杆试验的水-力耦合加载装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种适用于真三轴霍普金森压杆试验的水‑力耦合加载装置及试验方法，包括装置本体；装置本体为正六面密封腔体结构，装置本体的内腔中设置有制样架，放置于制样架上的试样位于装置本体的内腔中心，装置本体每个侧面的中部设置有与内腔连通的通孔，加压杆的一端穿过通孔与试样的外侧面抵接，另一端与霍普金森压杆抵接；装置本体的内腔与水压施加系统连通，水压施加系统根据设置于装置本体内腔、与试样等高的压力传感器采集的压力值对装置本体内部水压进行动态平衡控制；加压杆为套杆结构，外层隔水杆为空心杆，内层加压杆为实心杆，外层隔水杆与内层加压杆之间设置有海绵。本发明在考虑水深和围压耦合加载的条件下实现真三轴霍普金森压杆试验。

说明书

技术领域

本发明涉及岩体力学试验技术领域，具体地指一种适用于真三轴霍普金森压杆试验的水-力耦合加载装置及试验方法。

背景技术

在深水岩体开挖过程中，岩石等材料不仅要承受高地应力和爆破开挖等产生的工程扰动，还会受到水压的作用。水深越深，水压也越大，在水压的作用下岩石的各项性质与陆上存在不同。目前，国内外开展岩石等材料在高地应力的动态力学特性研究，大多是基于传统的一维或者三维动静组合加载霍普金森压杆实验装置，该装置虽然能够开展等围压或者三向围压条件下的岩石动静组合加载试验研究，但是无法实时考虑水压作用对岩石试样的影响。目前较为通常的做法是先将岩石试样在水中放置至饱水状态，或者通过渗流的方式模拟水压对岩石试样的影响，但这显然与深水条件下岩体的实际工况不符合。

综上，目前国内外尚没有将模拟水深系统和动静组合加载系统，特别是真三轴动静组合加载系统结合在一起考虑水深和围压耦合加载的真三轴动静组合加载霍普金森杆装置。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，提出一种适用于真三轴霍普金森压杆试验的水-力耦合加载装置及试验方法，在考虑水深和围压耦合加载的条件下实现真三轴霍普金森压杆试验。

为实现上述目的，本发明所设计的一种适用于真三轴霍普金森压杆试验的水-力耦合加载装置，其特殊之处在于，包括装置本体、加压杆和水压施加系统；

所述装置本体为正六面密封腔体结构，所述装置本体的内腔中设置有制样架，放置于制样架上的试样位于装置本体的内腔中心，所述装置本体每个侧面的中部设置有与内腔连通的通孔，加压杆的一端穿过通孔与试样的外侧面抵接，所述加压杆的另一端与霍普金森压杆抵接；

所述装置本体的内腔与水压施加系统连通，所述水压施加系统根据设置于装置本体内腔、与试样等高的压力传感器采集的压力值对装置本体内部水压进行动态平衡控制；

所述加压杆为套杆结构，外层隔水杆为空心杆，内层加压杆为实心杆，所述外层隔水杆与内层加压杆之间设置有海绵，外层隔水杆与橡胶套密封固定连接。

进一步地，所述水压施加系统包括设置于装置本体上表面的注水口、下表面的出水口，所述注水口和出水口分别通过进水管、出水管与水压控制系统连通，所述水压控制系统与压力传感器电连接，实时采集装置本体的内腔水压值，通过调节进水管、出水管中水流大小使得内腔水压值达到水压试验值的动态平衡。

更进一步地，所述装置本体每个侧面的通孔上设有密封胶圈，所述密封胶圈与外层隔水杆密封固定。

更进一步地，所述制样架包括底部支撑杆和设置于底部支撑杆上方的置样托盘，所述置样托盘的中部设置有用于放置试样的通孔，所述试样与置样托盘卡接配合。

更进一步地，所述装置本体的侧面设置有盖板，所述盖板通过固定螺丝固定，所述盖板的一侧通过活动铰链与装置本体连接。

更进一步地，所述外层隔水杆和内层加压杆的截面均为圆形。

更进一步地，所述水压施加系统还包括设置于装置本体上表面的泄压阀。

本发明还提出一种适用于真三轴霍普金森压杆试验的水-力耦合加载装置的试验方法，其特殊之处在于，所述方法基于上述的适用于真三轴霍普金森压杆试验的水-力耦合加载装置实现，包括如下步骤；

1)将试样放置于制样架上；

2)启动霍普金森杆加压设备，推动加压杆向试样移动，直至试样的六个面均与加压杆接触；

3)调整霍普金森杆加压设备，将围压设置为试验值；

4)确认装置本体的密封状态，启动水压施加系统，将水压逐步增加至试验值，并根据试验要求，静置试样到规定时间；

5)启动霍普金森杆冲击系统，进行冲击试验，使得冲击杆在冲击压力的作用下高速运动，撞击到加压杆的内层加压杆上，根据力的传递原理，冲击杆的力和冲击波传递到内层加压杆，内层加压杆再将力和冲击波作用到试样上，试样在力和冲击波作用下产生大的变形和破碎；

6)完成冲击试验后，调节水压施加系统完全卸载水压，待水清空后，调节霍普金森杆冲击系统，卸载作用于试样上的围压，待围压完全卸载后，取出冲击后的试样。

优选地，所述水压施加系统的水压调节范围为0～200kPa。

本发明提出的适用于真三轴霍普金森压杆试验的水-力耦合加载装置可以实时模拟不同水深条件下水压作用对岩石试样的影响，可用于深水条件下爆炸实验。本发明的试验方法能够在考虑水深和围压耦合加载的条件下实现真三轴霍普金森压杆试验。

附图说明

图1为本发明一种适用于真三轴霍普金森压杆试验的水-力耦合加载装置的整体结构示意图。

图2为装置本体的前视图。

图3为加压杆的剖视图。

图4为装置本体的内部俯视图。

图5为装置本体内部制样架的俯视图。

图6为装置本体的外部后视图。

图7为本发明试验时的三维示意图。

图中，装置本体1，通孔2，加压杆3，注水口4，出水口5，压力传感器6，制样架7，底部支撑杆7-1，置样托盘7-2，试样8，外层隔水杆9，内层加压杆10，海绵11，泄压阀12，水压控制系统13，密封胶圈14，盖板15，活动铰链16，固定螺丝17，进水管18，出水管 19，橡胶套20。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出的一种适用于真三轴霍普金森压杆试验的水-力耦合加载装置，包括装置本体1、加压杆3和水压施加系统。

装置本体1为正六面密封腔体结构，装置本体1的内腔中设置有制样架7，如图4、图5所示，放置于制样架7上的试样8位于装置本体1的内腔中心，制样架7包括底部支撑杆7-1和设置于底部支撑杆7-1上方的置样托盘7-2，置样托盘7-2的中部设置有用于放置试样 8的通孔，试样8与置样托盘7-2卡接配合。

装置本体1每个侧面的中部设置有与内腔连通的通孔2，通孔2 上设有密封胶圈14，加压杆3的一端穿过通孔2与试样8的外侧面抵接，加压杆3的另一端与霍普金森压杆抵接。

装置本体1的内腔与水压施加系统连通，水压施加系统根据设置于装置本体1内腔、与试样8等高的压力传感器6采集的压力值对装置本体1内部水压进行动态平衡控制。

如图2所示，水压施加系统包括设置于装置本体1上表面的注水口4和泄压阀12、设置于下表面的出水口5，注水口4和出水口5分别通过进水管18、出水管19与水压控制系统13连通，水压控制系统 13与压力传感器6电连接，实时采集装置本体1的内腔水压值，通过调节进水管18、出水管19中水流大小使得内腔水压值达到水压试验值的动态平衡。

如图3所示，加压杆3为套杆结构，外层隔水杆9为空心杆，内层加压杆10为实心杆，外层隔水杆9和内层加压杆10的截面均为圆形。外层隔水杆9与内层加压杆10之间设置有用于吸水的海绵11，外层隔水杆9与橡胶套20密封固定连接。密封胶圈14与外层隔水杆 9密封固定。橡胶套20与外层隔水杆9端部密封固定连接，橡胶套 20具有弹性，方便内层杆伸缩，可防水，同时由于橡胶套20较薄，对力和波的传递几乎没有影响，对试验结果也无明显影响。

如图6所示，装置本体1的侧面设置有用于取放试样8的盖板15，盖板15通过固定螺丝17固定，盖板15的一侧通过活动铰链16与装置本体1连接。

水压施加系统可以模拟0～20m水深，满足一般深水工程试验需求。模拟水深实现方式基本原理：P＝ρgh，P-水压，ρ-水的密度，g-重力加速度，一般取10m/s

如图7所示，采用上述适用于真三轴霍普金森压杆试验的水-力耦合加载装置进行真三轴霍普金森压杆试验的水-力耦合加载试验的方法，包括如下步骤；

1)首先打开装置本体1的盖板15，将试样8放置在装置本体1 内部的置样架7正中间；

2)启动霍普金森杆加压设备，推动加压杆3的内层加压杆10向试样8缓慢移动，直至六个方向的内层加压杆10刚好将试样8压紧且不至于使试样8产生变形和破碎；

3)调整加压设备，缓慢将围压加到试验设置的压力值；

4)关闭盖板15，拧紧固定螺丝17，确认装置本体1的密封状态，启动水压施加系统，将水压逐步增加至试验值，并根据试验要求，静置试样8到规定时间；此实施例中水压施加系统的水压调节范围为 0～200kPa。

5)启动霍普金森杆冲击系统，进行冲击试验，其作用过程是冲击系统内部有一根可以根据冲击压力快速移动的不锈钢金属杆称为冲击杆，使得冲击杆在冲击压力的作用下高速运动，然后撞击到加压杆3的内层加压杆10上，根据力的传递原理，冲击杆的力和冲击波传递到内层加压杆10，内层加压杆10再将力和冲击波作用到试样上，试样8在力和冲击波作用下产生大的变形和破碎。此作用过程极短，可用于模拟爆炸的瞬时作用。外层隔水杆9、海绵11在此过程中保持静止不动，海绵11同时起到吸收向外透射、向内反射的波的作用，防止透射波、反射波再次作用到内层加压杆10上影响试验结果。

6)完成冲击试验后，调节水压施加系统完全卸载水压，待水清空后，调节霍普金森杆冲击系统，卸载作用于试样上的围压，待围压完全卸载后，取出冲击后的试样8。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。