[發(fā)明專利]用于巖體應(yīng)力波傳播測試的霍普金森巖石桿裝置及方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910573802.4
• 申請(qǐng)日: 2019-06-28
• 公開（公告）號(hào): CN110320115A
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱建波;李瑞;周韜;鄧稀肥;彭琦
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/307
• 分類號(hào): G01N3/307;G01N3/06
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 劉子文

本發(fā)明公開一種用于巖體應(yīng)力波傳播測試的霍普金森巖石桿裝置及方法，裝置包括發(fā)射系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)桿系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)桿系統(tǒng)由依次設(shè)置的入射鋼桿、入射巖石桿、透射巖石桿和吸收巖石桿組成，發(fā)射系統(tǒng)由氣缸、炮筒和撞擊桿組成，撞擊桿設(shè)置于炮筒內(nèi)部，所述入射鋼桿、入射巖石桿和透射巖石桿上分別設(shè)置有入射鋼桿應(yīng)變片、入射巖石桿應(yīng)變片和透射巖石桿應(yīng)變片；入射鋼桿應(yīng)變片、入射巖石桿應(yīng)變片和透射巖石桿應(yīng)變片均與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)相連接。本發(fā)明可為巖體工程的設(shè)計(jì)、防護(hù)以及安全性和穩(wěn)定性評(píng)估提供重要的理論和技術(shù)支持。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于巖石動(dòng)力學(xué)與應(yīng)力波傳播研究領(lǐng)域。具體涉及一種用于巖體中應(yīng)力波傳播和衰減規(guī)律研究的霍普金森巖石桿實(shí)驗(yàn)裝置及測試方法。

背景技術(shù)

針對(duì)地震頻繁發(fā)生、工程鉆爆開挖以及采礦誘發(fā)礦震等自然和人類活動(dòng)，巖體的動(dòng)力特性已成為研究的熱點(diǎn)，被認(rèn)為是研究工程巖體安全性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。

分離式霍普金森壓桿是用于研究材料動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的重要實(shí)驗(yàn)裝置，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于巖石動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究中。它的組成包括發(fā)射系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)桿系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。其測試思想是發(fā)射系統(tǒng)激發(fā)的應(yīng)力波在實(shí)驗(yàn)桿中傳播時(shí)兼具加載和測試的作用，依據(jù)實(shí)驗(yàn)桿中波傳播的信息對(duì)試樣兩端面的應(yīng)力-位移-時(shí)間關(guān)系進(jìn)行解析，從而獲取試樣的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，例如動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

巖體的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性根據(jù)研究的側(cè)重點(diǎn)不同，可以分為2類：一是動(dòng)載荷作用下巖石材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題，該研究的開展常選用長徑比為1的試樣(通常巖石試樣的直徑≤50mm)，國內(nèi)外學(xué)者借助一維霍普金森桿、常規(guī)三軸霍普金森桿等開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究；二是巖體中應(yīng)力波傳播和衰減的問題，該研究著重關(guān)注應(yīng)力波隨空間距離的傳播和衰減規(guī)律，通常需要在長徑比大于30的長試件上沿應(yīng)力波傳播方向布置多個(gè)測點(diǎn)開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。然而，由于長徑比大于30的圓柱狀巖石桿的制備難度較大，基于霍普金森巖石桿開展的有關(guān)巖體中應(yīng)力波傳播和衰減特性的實(shí)驗(yàn)研究鮮有報(bào)道，導(dǎo)致巖體中應(yīng)力波傳播和衰減特性的研究主要通過現(xiàn)場試驗(yàn)測試開展。現(xiàn)場試驗(yàn)雖然能夠提供直接的巖體中應(yīng)力波傳播和衰減特性的結(jié)果，但是現(xiàn)場試驗(yàn)研究往往存在場地選取不方便，測試費(fèi)用高，試驗(yàn)結(jié)果難以重復(fù)實(shí)現(xiàn)的缺陷。因此，十分有必要構(gòu)建霍普金森巖石桿裝置用于開展巖體中應(yīng)力波傳播和衰減規(guī)律的室內(nèi)可重復(fù)實(shí)驗(yàn)研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種安裝方便、操作簡易、試驗(yàn)可控、結(jié)果可重復(fù)的用于巖體應(yīng)力波傳播測試的霍普金森巖石桿裝置及方法，本發(fā)明不僅能彌補(bǔ)現(xiàn)有巖體中應(yīng)力波傳播實(shí)驗(yàn)研究方法的缺陷，更能為巖體工程的設(shè)計(jì)、防護(hù)以及安全性和穩(wěn)定性評(píng)估提供重要的理論和技術(shù)支持。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種用于巖體應(yīng)力波傳播測試的霍普金森巖石桿裝置，包括發(fā)射系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)桿系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)桿系統(tǒng)由依次設(shè)置的入射鋼桿、入射巖石桿、透射巖石桿和吸收巖石桿組成，所述發(fā)射系統(tǒng)由氣缸、炮筒和撞擊桿組成，所述撞擊桿設(shè)置于炮筒內(nèi)部，所述入射鋼桿、入射巖石桿和透射巖石桿上分別設(shè)置有入射鋼桿應(yīng)變片、入射巖石桿應(yīng)變片和透射巖石桿應(yīng)變片；所述入射鋼桿應(yīng)變片、入射巖石桿應(yīng)變片和透射巖石桿應(yīng)變片均與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)相連接；實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)的壓縮氣體推動(dòng)撞擊桿撞擊入射鋼桿端部產(chǎn)生應(yīng)力波；應(yīng)力波通過入射鋼桿傳遞至入射巖石桿產(chǎn)生入射應(yīng)力波，入射應(yīng)力波傳播至入射巖石桿和透射巖石桿的界面將發(fā)生透反射，一部分入射應(yīng)力波反射進(jìn)入入射巖石桿形成反射拉伸波，并沿遠(yuǎn)離透射巖石桿方向傳播，剩余入射應(yīng)力波傳遞至透射巖石桿上成為透射應(yīng)力波，繼續(xù)向前傳播并被吸收巖石桿吸收；入射鋼桿應(yīng)變片、入射巖石桿應(yīng)變片和透射巖石桿應(yīng)變片對(duì)入射應(yīng)力波信號(hào)、反射應(yīng)力波信號(hào)和透射應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量并傳輸至數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和示波器組成。

一種測試巖體應(yīng)力波傳播的方法，包括以下步驟：

步驟101：根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求的應(yīng)力波持續(xù)時(shí)間選擇撞擊桿；