本發(fā)明涉及一種層狀巖石沖擊壓桿試驗中應力波分離的方法。

背景技術：

煤礦或沉積礦巖中，往往是層狀分布的巖體。層狀巖體在受到?jīng)_擊載荷作用時在其內(nèi)部以應力波形式傳播。不同的巖層因密度、強度、波阻抗等存在差異。應力波在層狀巖體傳播過程中產(chǎn)生反射、透射等，導致應力波混亂，即獨立的應力波多而散。在傳播過程中這么多應力波重疊、分離再重疊，到最后要從如此多的應力波信號中分離出獨立的應力波相當困難。對于單一均勻介質(zhì)沖擊壓桿實驗中，因為反射波、透射波較少，應變片的位置只需滿足入射波和反射波錯開即可得到獨立的波形信號。而對于層狀巖石，主要有兩種介質(zhì)組合而成的巖石，入射波從入射桿進入層狀巖石，在入射桿與巖石交界面發(fā)生反射、透射；透射進入巖石試樣的應力波在兩種巖石交界面又發(fā)生反射、透射；此時產(chǎn)生的反射波會在入射桿與巖石交界面發(fā)生反射、透射，而透射波會在巖石試樣與透射桿交界面發(fā)生反射、透射；這些反射波、透射波繼而衍生二次透、反射，導致波形多。如果應變片位置和單一均勻介質(zhì)沖擊壓桿實驗中一樣，這些波形就可能復合在一起，無法分辨出波形的來源，導致基礎數(shù)據(jù)不足而不能計算應力。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種層狀巖石沖擊試驗中應力波分離的方法，為在動載荷下層狀巖石不同巖層動態(tài)力學特性的測定提供基礎數(shù)據(jù)。

本發(fā)明采用的技術方案包括以下步驟：

(1)利用超聲波檢查儀測量入射桿材質(zhì)的波速v_bar；

(2)利用超聲波檢查儀測量組成層狀巖石試樣的兩種巖層的不同波速v₁、v₂；

(3)測量組成層狀巖石試樣的兩種巖層的厚度L_r1、L_r2；

(4)測量入射桿長度L_in、透射桿長度L_t；

(5)計算超聲波在組成層狀巖石試樣的兩種巖層分別傳播所需要的時間t₁、t₂：

t₁＝L_r1/v₁、t₂＝L_r2/v₂

(6)利用SHPB沖擊壓桿系統(tǒng)作空沖試驗，測量入射波的波形及半周期T；

(7)則在入射桿上應變片粘貼位置為：

第一應變片在入射桿上距離右端頭為：L_in1＝v_barT+L₀，L₀＝0.2m；

第二應變片靠近試樣一端，與第一應變片的間距為：

△L_in2＝2v_bart₁；

第三應變片靠近試樣一端，與第二應變片的間距為：

△L_in3＝2v_bart₁；

(8)在透射桿上應變片粘貼位置為：

第一透射桿應變片距離透射桿與試樣接觸面為：L_t1＝v_barT；

第二透射桿應變片遠離試樣一端，與第一透射桿應變片的間距為：

△L_t2＝2v_bart₂；

(9)進行層狀巖石沖擊試驗，利用不同位置的應變片獲取應力波信號，得到時間與應力波信號對應曲線；

(10)對所獲得的時間-與應力波信號曲線進行解析，以時間為變量，在相對應的時間段內(nèi)分解出獨立的波形；再以此為基礎，對混合波形信號逐一分時間段分解，得到入射桿上和透射桿上傳播的獨立波形。

本發(fā)明的技術效果在于：本發(fā)明通過不同粘貼位置的應變片獲取不同應力波波形和混合波形，以時間為變量，在相對應的時間段內(nèi)先分解出獨立的波形；再以此為基礎，對混合波形信號逐一分時間段分解，即可分離波形，為計算在動載荷下層狀巖石不同巖層動態(tài)力學強度等特性提供基礎數(shù)據(jù)。本發(fā)明中的方法具有過程簡便，易操作的優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中試驗裝置的結(jié)構示意圖。

圖2為入射桿上第一片應變片獲取的波形信號。

圖3為入射桿上第二片應變片獲取的波形信號。

圖4為入射桿上第三片應變片獲取的波形信號。

圖1中：

1、高壓氣罐；2、沖頭；3、入射桿；4、第一應變片；

5、第二應變片；6、第三應變片；7、層狀巖石試件；8、第一透射桿應變片；9、第二透射桿應變片；10、透射桿；11、軸向靜壓加載裝置；12、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明中的巖石力學試驗中應變片包括粘貼在入射桿上的第一應變片4、第二應變片5、第三應變片6和粘貼在透射桿上的第一透射桿應變片8、第二透射桿應變片9。下面結(jié)合圖1、2、3、4說明層狀巖石力學試驗中應力波分離的方法，具體操作步驟如下：

(1)利用超聲波檢查儀測出入射桿材質(zhì)的波速v_bar；

(2)利用超聲波檢查儀測出組成層狀巖石試樣的兩種巖層的不同波速v₁、v₂；

(3)測出組成層狀巖石試樣的兩種巖層的厚度L_r1、L_r2；

(4)測出入射桿長度L_in、透射桿長度L_t；

(5)計算出超聲波在組成層狀巖石試樣的兩種巖層分別傳播所需要的時間t₁、t₂：

t₁＝L_r1/v₁、t₂＝L_r2/v₂

(6)利用SHPB沖擊壓桿系統(tǒng)作空沖試驗，測出入射波的波形，包括半周期T。

(7)則在入射桿上應變片粘貼位置為：

第一應變片位置L_in1(距離入射桿與試樣接觸面)L_in1＝v_barT+L₀

第二應變片位置L_in2(距離入射桿與試樣接觸面)L_in2＝v_barT+L₀-2v_bart₁

第三應變片位置L_in3(距離入射桿與試樣接觸面)L_in3＝v_barT+L₀-4v_bart₁

L₀＝0.2m。

(8)在透射桿上應變片粘貼位置為：

第一透射桿應變片位置L_t1(距離透射桿與試樣接觸面)L_t1＝v_barT

第二透射桿應變片位置L_t2(距離入射桿與試樣接觸面)L_t2＝v_barT+2v_bart₂

(9)進行層狀巖石沖擊試驗，利用不同位置的應變片獲取應力波信號，得到時間與應力波信號對應曲線，如圖2。

(10)應力波信號分離：對所獲得的時間與應力波曲線進行解析，如圖2、3、4。根據(jù)圖2、3、4中應力波位置及傳播時間可計算出其傳播速度，和第一步測出的波速v_bar對比，從而了解時間t₁、t₂的誤差，并在圖2中確定單獨傳播和疊加傳播的時間范圍t₁₁、t₂₁；以時間為變量，在相對應的時間段t₁₁內(nèi)分解出獨立的反射波部分波形，從而可得到整個半波形；再以此為基礎，對混合波形信號逐一分時間段分解，如在t₂₁時間內(nèi)為直接在入射桿和巖石試樣接觸面發(fā)生反射后的反射波和第一次在入射桿和巖石試樣接觸面透射后并在組成巖石試樣的兩層巖層交界面反射后再在入射桿和巖石試樣接觸面透射的波形疊加后呈現(xiàn)為t₂₁時間段混合波形，由于在t₁₁時間段已得到反射波波形，從而可分離混合波形得到另一波形。依次類推，還可逐一分離出入射桿上更多波形。同理，通過透射桿上得到的應力波波形，依次方法可分離出透射桿上的混合波形。從而得到入射桿上和透射桿上傳播的獨立波形，為層狀巖石試樣力學特性提供依據(jù)。例如根據(jù)一維應力波利用分離出來的相對應的入射波、反射波及透射波計算出巖石強度：

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

式中，σ(t)為巖石強度，A_e、A_s分別為入射桿和試樣的橫截面面積，σ_I(t)為入射應力，σ_R(t)為反射應力，σ_T(t)為透射應力，σ_I(t)＝Eε_I(t)，σ_R(t)＝Eε_R(t)σ_T(t)＝Eε_T(t),E入射桿動彈性模量，ε_I(t)、ε_R(t)、ε_T(t)分別為分離后對應的入射波、反射波及透射波應變。