本發(fā)明涉及層裂強(qiáng)度測試技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種鄰近水體巖石層裂強(qiáng)度的測試裝置及方法。

背景技術(shù)：

霍普金森桿裝置的原型由霍普金森(hopkinson)于1914年提出，按有無透射桿劃分，分為自由式霍普金森壓桿和分離式霍普金森壓桿，對于材料動態(tài)力學(xué)性能的測試主要利用分離式霍普金森壓桿。

現(xiàn)有的層裂強(qiáng)度測試裝置大致分為兩類，一類不帶圍壓和軸壓提供設(shè)備的測試裝置，另一類就是提供圍壓的測試裝置。這兩類裝置都是將試件直接與透射桿相連。

然而，越來越多的工程施工過程中，會遇到輸水隧道、含水帶等鄰近水體情況。在不知道鄰近水體巖石的層裂強(qiáng)度的前提下進(jìn)行施工，很可能會因為施工擾動破壞鄰近水體巖石，而導(dǎo)致水體涌出影響施工、威脅工作人員的生命安全，故獲得鄰近水體巖石的層裂強(qiáng)度對于保障施工的正常進(jìn)行和施工人員的安全是至關(guān)重要的，而目前尚沒有用于測量鄰近水體巖石的層裂強(qiáng)度的裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種鄰近水體巖石層裂強(qiáng)度的測試裝置及方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，通過模擬巖石鄰近水體情況得到鄰近水體巖石的層裂強(qiáng)度從而指導(dǎo)施工。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：本發(fā)明提供一種鄰近水體巖石層裂強(qiáng)度的測試裝置，包括平臺、氣炮、沖頭、第一組應(yīng)變片、第二組應(yīng)變片以及依次同軸設(shè)置的入射桿、套筒、透射桿和軸壓提供裝置，所述沖頭設(shè)置于所述氣炮的彈膛內(nèi)，所述彈膛正對所述入射桿異于所述試樣的一端，所述套筒內(nèi)用于容置試樣和水體，所述入射桿和透射桿均部分伸入所述套筒內(nèi)，所述第一組應(yīng)變片和所述第二組應(yīng)變片用于軸向間隔設(shè)置于所述試樣的側(cè)壁上，所述氣炮、彈膛、入射桿、透射桿和軸壓提供裝置均通過底托固定在所述平臺上，所述第一組應(yīng)變片和第二組應(yīng)變片與超動態(tài)應(yīng)變儀電連接。

優(yōu)選地，所述入射桿異于所述套筒的一側(cè)設(shè)置有連接板，所述連接板與所述軸壓提供裝置通過若干個連接桿連接。

優(yōu)選地，所述連接桿為兩個。

優(yōu)選地，所述透射桿異于所述軸壓提供裝置的一端設(shè)置有橡膠墊。

優(yōu)選地，所述橡膠墊的直徑較所述套筒的內(nèi)徑大0.5～1mm。

優(yōu)選地，所述第一組應(yīng)變片和第二組應(yīng)變片靠近所述入射桿。

優(yōu)選地，所述套筒的材質(zhì)為鋼化玻璃、防彈玻璃或其它高強(qiáng)度的透明材料。

優(yōu)選地，所述入射桿和透射桿的材料為40cr合金鋼。

本發(fā)明還提供一種利用上述鄰近水體巖石層裂強(qiáng)度的測試裝置對鄰近水體巖石層裂強(qiáng)度進(jìn)行測試的方法，包括以下步驟：

步驟一、按照設(shè)計的尺寸將臨近水體巖石加工成圓柱形試樣，并測得試樣的密度ρ，在試樣的一端側(cè)壁上貼上第一組應(yīng)變片和第二組應(yīng)變片并測得兩組應(yīng)變片的間距；

步驟二、在所述試樣的端部以及所述入射桿的端部涂抹潤滑脂；

步驟三、將所述試樣置于所述套筒內(nèi)，使得所述試樣表面緊貼所述套筒內(nèi)壁；

步驟四、將所述入射桿與所述試樣靠近所述第一組應(yīng)變片及第二組應(yīng)變片的一端相連，并將入射桿推進(jìn)套筒內(nèi)，且所述入射桿在所述套筒內(nèi)的長度至少為5cm；

步驟五、向所述套筒內(nèi)注入一定量的水，形成水體；

步驟六、將橡膠墊與所述透射桿一端相連，并將所述橡膠墊置于所述套筒內(nèi)，使所述橡膠墊與所述水體緊密貼合；

步驟七、將所述氣炮、彈膛、入射桿、透射桿和軸壓提供裝置通過所述底托均固定在所述平臺上，根據(jù)需要使所述軸壓提供裝置對所述水體施加設(shè)定的軸壓值，同時使一高速攝影儀或激光干涉儀正對所述試樣；

步驟八、開啟所述超動態(tài)應(yīng)變儀，通過所述氣炮將所述沖頭以設(shè)定的速度發(fā)射，所述沖頭撞擊所述入射桿，通過所述超動態(tài)應(yīng)變儀分別記錄并存取所述沖頭撞擊所述入射桿所產(chǎn)生入射應(yīng)力波的波前到達(dá)所述第一組應(yīng)變片和第二組應(yīng)變片的時間點，得到所述入射應(yīng)力波的波前到達(dá)所述第二組應(yīng)變片與到達(dá)所述第一組應(yīng)變片的時間差δt；通過公式c＝δ/δt計算得出試樣內(nèi)應(yīng)力波的傳播速度c，δ表示第一組應(yīng)變片與第二組應(yīng)變片之間的間距；通過所述高速攝影儀或激光干涉儀測得所述套筒內(nèi)層裂塊的脫落速度v；然后將所得試樣的密度ρ、試樣內(nèi)應(yīng)力波的傳播速度c及套筒內(nèi)層裂塊的脫落速度v代入公式бt＝ρvc中，即可得到在設(shè)定軸壓下的試樣的層裂強(qiáng)度бt。

本發(fā)明鄰近水體巖石層裂強(qiáng)度的測試裝置及方法與現(xiàn)有技術(shù)相比取得了以下有益效果：

本發(fā)明在測試裝置中通過對水體施加壓力，從而以水體向試樣施加軸壓。在測試過程中，由于水體的存在，有利于模擬研究真實情況下鄰近水體的巖石層裂情況，使得測試結(jié)果更加符合實際；水體的設(shè)置，方便于軸壓施加，軸壓與水體的設(shè)置起到相輔相成的作用；本發(fā)明提出的方法理論簡單、操作簡便易行，最大強(qiáng)度地還原了目標(biāo)的所處環(huán)境，測量結(jié)果精確可靠。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明鄰近水體巖石層裂強(qiáng)度的測試裝置一種視角的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明鄰近水體巖石層裂強(qiáng)度的測試裝置另一種視角的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1-氣炮，2-沖頭，3-入射桿，4-第一組應(yīng)變片，5-第二組應(yīng)變片，6-套筒，7-試樣，8-水體，9-橡膠墊，10-透射桿，11-軸壓提供裝置，12-彈膛，13-平臺，14-連接板，15-連接桿。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的目的是提供一種鄰近水體巖石層裂強(qiáng)度的測試裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，通過模擬巖石鄰近水體情況得到鄰近水體巖石的層裂強(qiáng)度從而指導(dǎo)施工。

本發(fā)明提供一種鄰近水體巖石層裂強(qiáng)度的測試裝置，包括平臺、氣炮、沖頭、第一組應(yīng)變片、第二組應(yīng)變片以及依次同軸設(shè)置的入射桿、套筒、透射桿和軸壓提供裝置，所述沖頭設(shè)置于所述氣炮的彈膛內(nèi)，所述彈膛正對所述入射桿異于所述試樣的一端，所述套筒內(nèi)用于容置試樣和水體，所述入射桿和透射桿均部分伸入所述套筒內(nèi)，所述第一組應(yīng)變片和所述第二組應(yīng)變片用于軸向間隔設(shè)置于所述試樣的側(cè)壁上，所述氣炮、彈膛、入射桿、透射桿和軸壓提供裝置均通過底托固定在所述平臺上，所述第一組應(yīng)變片和第二組應(yīng)變片與超動態(tài)應(yīng)變儀電連接。

本發(fā)明還提供一種利用上述鄰近水體巖石層裂強(qiáng)度的測試裝置對鄰近水體巖石層裂強(qiáng)度進(jìn)行測試的方法，包括以下步驟：

步驟一、按照設(shè)計的尺寸將臨近水體巖石加工成圓柱形試樣，并測得試樣的密度ρ，在試樣的一端側(cè)壁上貼上第一組應(yīng)變片和第二組應(yīng)變片并測得兩組應(yīng)變片的間距；

步驟二、在所述試樣的端部以及所述入射桿的端部涂抹潤滑脂；

步驟三、將所述試樣置于所述套筒內(nèi)，使得所述試樣表面緊貼所述套筒內(nèi)壁；

步驟四、將所述入射桿與所述試樣靠近所述第一組應(yīng)變片及第二組應(yīng)變片的一端相連，并將入射桿推進(jìn)套筒內(nèi)，且所述入射桿在所述套筒內(nèi)的長度至少為5cm；

步驟五、向所述套筒內(nèi)注入一定量的水，形成水體；

步驟六、將橡膠墊與所述透射桿一端相連，并將所述橡膠墊置于所述套筒內(nèi)，使所述橡膠墊與所述水體緊密貼合；

步驟七、將所述氣炮、彈膛、入射桿、透射桿和軸壓提供裝置通過所述底托均固定在所述平臺上，根據(jù)需要使所述軸壓提供裝置對所述水體施加設(shè)定的軸壓值，同時使一高速攝影儀或激光干涉儀正對所述試樣；

步驟八、開啟所述超動態(tài)應(yīng)變儀，通過所述氣炮將所述沖頭以設(shè)定的速度發(fā)射，所述沖頭撞擊所述入射桿，通過所述超動態(tài)應(yīng)變儀分別記錄并存取所述沖頭撞擊所述入射桿所產(chǎn)生入射應(yīng)力波的波前到達(dá)所述第一組應(yīng)變片和第二組應(yīng)變片的時間點，得到所述入射應(yīng)力波的波前到達(dá)所述第二組應(yīng)變片與到達(dá)所述第一組應(yīng)變片的時間差δt；通過公式c＝δ/δt計算得出試樣內(nèi)應(yīng)力波的傳播速度c，δ表示第一組應(yīng)變片與第二組應(yīng)變片之間的間距；通過所述高速攝影儀或激光干涉儀測得所述套筒內(nèi)層裂塊的脫落速度v；然后將所得試樣的密度ρ、試樣內(nèi)應(yīng)力波的傳播速度c及套筒內(nèi)層裂塊的脫落速度v代入公式бt＝ρvc中，即可得到在設(shè)定軸壓下的試樣的層裂強(qiáng)度бt。

本發(fā)明鄰近水體巖石層裂強(qiáng)度的測試裝置及方法通過對水體施加壓力，從而以水體向試樣施加軸壓。在測試過程中，由于水體的存在，有利于模擬研究真實情況下鄰近水體的巖石層裂情況，使得測試結(jié)果更加符合實際；水體的設(shè)置，方便于軸壓施加，軸壓與水體的設(shè)置起到相輔相成的作用；本發(fā)明提出的方法理論簡單、操作簡便易行，最大強(qiáng)度地還原了目標(biāo)的所處環(huán)境，測量結(jié)果精確可靠。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

實施例一：

如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供一種鄰近水體8巖石層裂強(qiáng)度的測試裝置，包括平臺13、氣炮1、沖頭2、第一組應(yīng)變片4、第二組應(yīng)變片5以及依次同軸設(shè)置的入射桿3、套筒6、透射桿10和軸壓提供裝置11，平臺13為一個具有一定長度且上面平坦的床體。

沖頭2設(shè)置于氣炮1的彈膛12內(nèi)，氣炮1和彈膛12通過底托固定設(shè)置于平臺13上，而彈膛12正對入射桿3異于試樣7的一端；入射桿3、透射桿10和軸壓提供裝置11也均通過底托固定在平臺13上，其中入射桿3下方的底托只對其起支撐作用，當(dāng)入射桿3受到?jīng)_頭2的沖擊作用后能夠相對其下方的底托滑動，并撞擊試樣7。

入射桿3異于套筒6的一側(cè)設(shè)置有連接板14，連接板14的形狀與軸壓提供裝置11的截面形狀相匹配，連接板14與軸壓提供裝置11通過兩個連接桿15連接，連接桿15可以將入射桿3和軸壓固定裝置連接固定在一起，使軸壓提供裝置11能夠更好地為水體8施加軸壓；

套筒6的材質(zhì)為鋼化玻璃、防彈玻璃或其它高強(qiáng)度的透明材料，套筒6內(nèi)用于容置試樣7和水體8，試樣7和水體8都呈圓柱狀，其中試樣7靠近入射桿3，水體8靠近透射桿10，入射桿3和透射桿10均部分伸入套筒6內(nèi)部，第一組應(yīng)變片4和第二組應(yīng)變片5用于軸向間隔設(shè)置于試樣7的側(cè)壁上，由于試樣7靠近入射桿3的一端層裂會比較嚴(yán)重，故使第一組應(yīng)變片4和第二組應(yīng)變片5靠近入射桿3，第一組應(yīng)變片4和第二組應(yīng)變片5與超動態(tài)應(yīng)變儀電連接。

透射桿10異于軸壓提供裝置11的一端設(shè)置有橡膠墊9；優(yōu)選地，橡膠墊9的直徑較套筒6的內(nèi)徑大0.5～1mm，以更好地將水體8密封在套筒6內(nèi)；

入射桿3、透射桿10、連接桿15和連接板14可根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇，入射桿3的尺寸為φ50×2000mm，透射桿10尺寸為φ50×1500mm，其材料均優(yōu)選為40cr合金鋼。

本發(fā)明還提供一種利用上述鄰近水體8巖石層裂強(qiáng)度的測試裝置對鄰近水體8巖石層裂強(qiáng)度進(jìn)行測試的方法，包括以下步驟：

步驟一、按照設(shè)計的尺寸將臨近水體8巖石加工成圓柱形試樣7，試樣7的長度為35cm，并將試樣7外表面打磨平整、光滑，使其不平整度小于0.02mm，以減小應(yīng)力波在試樣7內(nèi)部傳播過程中產(chǎn)生的畸變和彌散效應(yīng)，測得試樣7的密度ρ＝2740kg/m³，在試樣7的一端側(cè)壁上貼上第一組應(yīng)變片4和第二組應(yīng)變片5并測得兩組應(yīng)變片的間距δ＝400mm；

步驟二、在試樣7的端部以及入射桿3的端部涂抹潤滑脂；

步驟三、將試樣7置于套筒6內(nèi)，使得試樣7表面緊貼套筒6內(nèi)壁，即使試樣7被密封在套筒6內(nèi)；

步驟四、將入射桿3與試樣7靠近第一組應(yīng)變片4及第二組應(yīng)變片5的一端相連，并將入射桿3推進(jìn)套筒6內(nèi)，且入射桿3在套筒6內(nèi)的長度至少為5cm；

步驟五、向套筒6內(nèi)注入一定量的水，形成水體8，水體8的長度為20cm；

步驟六、將橡膠墊9與透射桿10一端相連，并將橡膠墊9置于套筒6內(nèi)，使橡膠墊9與水體8緊密貼合，即水體8也被密封在套筒6內(nèi)；

步驟七、將氣炮1、彈膛12、入射桿3、透射桿10和軸壓提供裝置11通過底托均固定在平臺13上，根據(jù)需要使軸壓提供裝置11對水體8施加設(shè)定的軸壓值，本實施例中水體8被加載的軸壓為0.4mpa，同時使一高速攝影儀正對試樣7靠近水體8的一端，高速攝影儀的型號為fastcamsa1.1675000fps；

步驟八、開啟超動態(tài)應(yīng)變儀(dh3817動-靜應(yīng)變儀)，通過氣炮1將沖頭2以設(shè)定的速度(2m/s)發(fā)射，沖頭2撞擊入射桿3，通過超動態(tài)應(yīng)變儀分別記錄并存取沖頭2撞擊入射桿3所產(chǎn)生入射應(yīng)力波的波前到達(dá)第一組應(yīng)變片4和第二組應(yīng)變片5的時間點，得到入射應(yīng)力波的波前到達(dá)第二組應(yīng)變片5與到達(dá)第一組應(yīng)變片4的時間差δt＝98.66μs；通過公式c＝δ/δt計算得出試樣7內(nèi)應(yīng)力波的傳播速度c＝4054.162m/s，δ表示第一組應(yīng)變片4與第二組應(yīng)變片5之間的間距；通過高速攝影儀或激光干涉儀測得套筒6內(nèi)層裂塊的脫落速度v＝2.24m/s；然后將所得試樣7的密度ρ、試樣7內(nèi)應(yīng)力波的傳播速度c及套筒6內(nèi)層裂塊的脫落速度v代入公式бt＝ρvc中，計算得到試樣7的層裂強(qiáng)度бt＝24.88mpa。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，“第一”、“笫二”、僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性；本發(fā)明中的應(yīng)變片的數(shù)量不以本實施例為限，可以在試樣7的側(cè)壁上設(shè)置多組應(yīng)變片測得多組δt并計算出相應(yīng)的應(yīng)力波的傳播c，最后取平均值，即只要能夠能夠準(zhǔn)確測得應(yīng)力波在試樣7中的傳播速度即可。

本發(fā)明中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進(jìn)行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。