CN115950767A - 三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于节理岩体动力学与工程技术领域，具体涉及三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法，1、圆柱体全贯通节理岩体试样的制作；2、空杆预实验；3、开展空杆冲击预实验，满足入射应力波+反射应力波≈透射应力波开展正式实验；4、将试样放入围压装置进行加载和冲击实验；5、设定发射装置的冲击气压和子弹的位置，对所需的工况进行实验；6、基于采集的入射应力波、反射应力波和透射应力波，计算节理岩体试样的动态抗压强度、弹性模量和峰值应变，再计算圆柱体全贯通节理岩体试样的入射能、反射能、透射能和致裂能量。本发明很好地分析深埋节理岩体的动态力学特性，对揭示隧道等工程围岩在动静组合下的失稳机制具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于节理岩体动力学与工程技术领域，具体涉及一种三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法。
背景技术
地质构造演化过程中会形成大量交叉节理岩体，这些岩体可能会遭受到各种动力扰动，如地震、工程***和机械振动等。且这些岩体在遭受动荷载前就已经处于一定的静态应力或地应力下，如深部围岩稳定性问题，为典型的岩体动静组合加载问题。当埋深引起的垂直地应力与岩体周围的水平地应力相等时，该位置处的岩体可看作处于三维围压荷载条件下，且其中一个水平地应力可看作轴向预应力。相比于工程岩体的表征单元体，部分大型节理可看作是全贯通节理，其对岩体的影响不同于非贯通节理，由于加载设备与方法的限制，对于全贯通交叉节理岩石的研究相对较少。因此，掌握全贯通交叉节理岩体在动静组合加载下的力学特性为工程岩体的破坏机制及控制围岩失稳提供了依据。
目前，已有一些学者利用新型的动荷载设备来研究不同节理结构岩体的动态力学响应。其中分离式霍普金森压杆(SHPB)***由于其易操作性和精确性已被广泛用于岩石材料在101-103/s-1应变率范围下动态力学行为研究。利用改进的SHPB***，人们做了大量研究了解节理几何结构对岩体动态力学特性的影响。但以往的研究对象多为含非贯通节理的棱柱状岩石，这是因为与圆柱试样相比，非贯通交叉节理的制作方法更为简单，且加载方式更多的涉及到单轴动态压缩实验。对于三维动静组合载下的圆柱体全贯通交叉节理岩体的研究非常有限。
发明内容
本发明提供一种三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法，圆柱体节理岩体试样的制备避免了切割后的试样横截面潜在的直径减小，满足了SHPB方法中试样的质量问题以及动态应力平衡假设，动静组合加载方式包括轴向静荷载、环向静荷载和轴向动荷载。可以满足实际工程岩体所处的深埋与***开挖等环境，所求得的全贯通节理岩体的动态力学特性更加符合工程实际。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法，本实验方法是利用分离式霍普金森压杆***结合三维动静组合加载***进行，三维动静组合加载***包括发射装置、轴压加载装置、围压加载装置、数据采集***，本实验方法具体包括以下步骤：
步骤S1、制备岩体试样：
步骤S1-1、在现场选取均质岩石材料；
步骤S1-2、将步骤S1-1中选取的岩石材料切割一块呈立方体的岩体试样；
步骤S2、制备粘结试样：
步骤S2-1、将步骤S1-2中的岩体试样，切割出至少一条与垂直方向存在夹角α的次垂直节理，切割的所有次垂直节理形成一个次垂直节理组；
步骤S2-2、从含有垂直节理组的位置沿垂直方向进行取芯；
步骤S2-3、利用透明胶带，将步骤S2-2中取出的岩芯粘结组合在一起形成粘结试样；
步骤S3、制备圆柱体全贯通交叉节理岩体试样：
步骤S3-1、从靠近步骤S2制备的粘结试样顶面的位置，沿水平方向进行切割形成上端面；
步骤S3-2、再切割出至少一条与水平方向存在夹角β的次水平节理，切割的所有次水平节理形成一个次水平节理组；
步骤S3-3、从靠近经过步骤S3-1和步骤S3-2后的粘结试样底面的位置，沿水平方向进行切割形成下端面，形成圆柱体全贯通交叉节理岩体试样；
步骤S4、对圆柱体全贯通交叉节理岩体试样进行加工：
步骤S4-1、利用透明胶带，将步骤S3-3制备的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样***粘结包裹起来；
步骤S4-2、对步骤S4-1中包裹后的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样进行打磨，确保圆柱体全贯通交叉节理岩体试样不垂直度和不平行度均小于0.02mm；
步骤S5、根据当前工况的围压和轴压参数以及静荷载的施加速率，确定所需轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值；
步骤S6、进行正式实验：
步骤S6-1、设定轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的设定值为步骤S5所需的轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值；
步骤S6-2、将步骤S4中经过加工后的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样放入围压加载装置中；然后利用轴压加载装置以缓慢且恒定的加载速率对全贯通交叉节理岩体试样施加轴向压力，直至达到目标值，静待确保轴向压力一直处于稳定值；
同时利用围压加载装置以缓慢且恒定的加载速率对全贯通交叉节理岩体试样施加环向压力，直至达到目标值，静待确保环向压力一直处于稳定值；
步骤S6-3、设定发射装置的冲击气压值和子弹在炮筒中的位置，利用发射装置对全贯通交叉节理岩体试样开展动静组合冲击试验，记录每次冲击的子弹速度；
步骤S7、分析当前三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样的动态力学特性：根据数据采集***监测的步骤S6中入射应力波、反射应力波和透射应力波信号，分析当前三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样的动态力学特性。
作为本发明的进一步优选，在进行步骤S6之前，需要先进行步骤a空杆预实验：
步骤Sa-1、设定轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的设定值为步骤S5所需的轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值；
步骤Sa-2、调节分离式霍普金森压杆***中入射杆和透射杆的平整度和贴合度；
步骤Sa-3、利用轴压加载装置以缓慢且恒定的加载速率施加轴向荷载，直至达到轴向加载速率的设定值，静待确保轴向荷载处于稳定值；
同时利用围压加载装置以缓慢且恒定的加载速率施加环向荷载，直至达到环向加载速率的设定值，静待确保环向荷载处于稳定值；
步骤Sa-4、利用发射装置开展空杆冲击预实验，通过数据采集***记录入射应力波、反射应力波和透射应力波信号；
步骤Sa-5、根据数据采集***监测的入射应力波、反射应力波和透射应力波信号分析入射杆和透射杆的平整度和贴合度，是否满足(入射应力波-透射应力波)/入射应力波小于0.1且反射应力波大小<10MPa的要求；
若满足要求进行下一步，若不满足重复步骤S6-2-步骤S6-5直至满足(入射应力波-透射应力波)/入射应力波小于0.1且反射应力波大小<10MPa。
作为本发明的进一步优选，步骤S2-1中夹角α和步骤S3-2夹角β均在0-90°之间。
作为本发明的进一步优选，当次垂直节理组具有两条次垂直节理，且次水平节理组具有两条次水平节理时，步骤S3中的切割顺序为下端面、第一条次水平节理、第二条次水平节理、上端面。
作为本发明的进一步优选，步骤S3-3中，下端面与上端面之间间距在51mm-53mm范围内。
作为本发明的进一步优选，步骤S6-3和步骤S6-2中均是静待5min。
作为本发明的进一步优选，步骤S7具体包括以下步骤：
步骤S7-1、根据数据采集***监测的步骤S6中入射应力波、反射应力波和透射应力波信号，得到入射应力波εI(t)、反射应力波εR(t)和透射应力波εT(t)；
步骤S7-2、再根据三波法计算得到三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样在冲击试验过程中的法向应力σ、法向应变ε和应变率
随时间t变化的曲线，即σt、ε(t)和
步骤S7-3、根据步骤S7-2中的σt、ε(t)和
计算节理岩体的动态抗压强度、弹性模量、峰值应变；
步骤S7-4、利用一维应力波理论和冲击动力学法计算试样的入射能、反射能、透射能和致裂能量，从而分析当前三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样的抗压强度、弹性模量、峰值应变和致裂能量的动态力学特性。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明能在试样制备方面，研究了圆柱体全贯通交叉节理岩体的制备，以避免切割后的试样横截面不是圆形；并且可改变节理圆柱体全贯通交叉节理岩体试样的节理条数和节理倾角，拓展了岩石动力学研究对象的节理结构。
2、以往的研究对象多是棱柱状非贯通节理岩体，这种试样也不能加载围压；本发明在实验方面，为了避免岩体试样在加载时节理发生错动，分别设置轴向应力和环向应力的加载速率，并同时缓慢加载以达到各自的目标值。另外，可以通过改变发射装置中的冲击气压值和子弹在炮筒中的位置实现不同的应变率加载。同时可以通过改变轴向压力目标值、环向压力目标值和冲击气压值来分析不同加载工况下节理岩体的动态力学特性。
3、本发明设计的圆柱体全贯通节理岩体制备方法和三维动静组合加载实验方式，考虑了岩石动力学实验对象中节理结构的不足，即含不同条数和不同倾角节理的岩体试样，又避免了切割后岩体试样横截面非圆形的问题。同时考虑了不同动静组合加载方式下节理岩体的力学特性试验方法，更够更好的满足实际工程岩体的动态破坏条件，如深埋***开挖的隧道围岩，试样制备方式简单，实验操作方式便捷，对揭示隧道等工程围岩在动静组合荷载下的失稳机制具有重要意义。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例1中步骤S2-1的简单示意图；
图2是本发明实施例1中步骤S2-2的简单示意图；
图3是本发明实施例1中圆柱体全贯通交叉节理岩体试样的结构示意图；
图4是本发明实施例1中对圆柱体全贯通交叉节理岩体试样受力示意图；
图5是本发明实施例2中步骤S2-1的简单示意图；
图6是本发明实施例2中步骤S2-2的简单示意图；
图7是本发明实施例2中圆柱体全贯通交叉节理岩体试样的结构示意图；
图8是本发明实施例2中对圆柱体全贯通交叉节理岩体试样受力示意图；
图9是本发明三维动静组合加载***结构示意图；
图10是本发明圆柱体全贯通交叉节理岩体试样的应变率随时间变化曲线图；
图11是本发明动态应力-应变曲线。
图中：1、次垂直节理；2、岩样取芯装置；3、岩体固定夹具；4、上端面；5、次水平节理；6、下端面；7、氮气瓶；8、发射控制***；9、子弹；10、惠斯通电桥；11、应变放大器；12、示波器；13、轴压液压加载仪；14、轴压和围压的控制***；15、围压装置；16、炮筒；17、入射杆应变片；18、圆柱体全贯通交叉节理岩体试样；19、透射杆应变片；20、轴压加载固定***；21、速度监测仪；22、入射杆；23、透射杆；24、堵头。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
本申请提供一种三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法，如图1至图11所示，本实验方法是利用分离式霍普金森压杆***结合三维动静组合加载***进行，三维动静组合加载***包括发射装置、轴压加载装置、围压加载装置、数据采集***，其中：
如图9所示，发射装置包括氮气瓶、发射控制***、子弹、炮筒、速度监测仪；轴压加载装置包括轴压液压加载仪、轴压加载固定***、轴压装置的堵头；围压加载装置和轴压加载装置通过轴压和围压的控制***控制；数据采集***包括惠斯通电桥、应变放大器、示波器、入射杆应变片、透射杆应变片。
上述实验方法具体包括以下步骤：
步骤S1、制备岩体试样：
步骤S1-1、在现场选取岩石材料；
步骤S1-2、将步骤S1-1中选取的岩石材料切割一块呈立方体的岩体试样。
步骤S2、制备粘结试样：
步骤S2-1、将步骤S1-2中的岩体试样，切割出至少一条与垂直方向存在夹角α的次垂直节理，切割的所有次垂直节理形成一个次垂直节理组；优选地，夹角α在0-90°之间；
步骤S2-2、从含有垂直节理组的位置沿垂直方向进行取芯；
步骤S2-3、利用透明胶带，将步骤S2-2中取出的岩芯粘结组合在一起形成粘结试样。
步骤S3、制备圆柱体全贯通交叉节理岩体试样：
步骤S3-1、从靠近步骤S2制备的粘结试样顶面的位置，沿水平方向进行切割形成上端面；
步骤S3-2、再切割出至少一条与水平方向存在夹角β的次水平节理，切割的所有次水平节理形成一个次水平节理组；优选地，夹角β在0-90°之间；
步骤S3-3、从靠近经过步骤S3-1和步骤S3-2后的粘结试样底面的位置，沿水平方向进行切割形成下端面，形成圆柱体全贯通交叉节理岩体试样；
具体地，下端面与上端面之间间距在50mm-100mm范围内；优选地，上端面与下端面之间的间距为50mm。
步骤S4、对圆柱体全贯通交叉节理岩体试样进行加工：
步骤S4-1、利用透明胶带，将步骤S3-3制备的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样***粘结包裹起来；
步骤S4-2、对步骤S4-1中包裹后的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样进行打磨，确保圆柱体全贯通交叉节理岩体试样不垂直度和不平行度均小于0.02mm。
步骤S5、根据当前工况的围压和轴压参数以及静荷载的施加速率，确定所需轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值。
步骤a、空杆预实验：
步骤Sa-1、设定轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的设定值为步骤S5所需的轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值；
步骤Sa-2、调节分离式霍普金森压杆***中入射杆和透射杆的平整度和贴合度；
步骤Sa-3、利用轴压加载装置以缓慢且恒定的加载速率施加轴向荷载，直至达到轴向加载速率的设定值，静待5min确保轴向荷载处于稳定值；
同时利用围压加载装置以缓慢且恒定的加载速率施加环向荷载，直至达到环向加载速率的设定值，静待5min确保环向荷载处于稳定值；
步骤Sa-4、利用发射装置开展空杆冲击预实验，通过数据采集***记录入射应力波、反射应力波和透射应力波信号；
步骤Sa-5、根据数据采集***监测的入射应力波、反射应力波和透射应力波信号分析入射杆和透射杆的平整度和贴合度，是否满足(入射应力波-透射应力波)/入射应力波小于0.1且反射应力波大小<10MPa的要求；
若满足要求进行下一步，若不满足重复步骤S6-2-步骤S6-5直至满足(入射应力波-透射应力波)/入射应力波小于0.1且反射应力波大小<10MPa。
步骤S6、进行正式实验：
步骤S6-1、设定轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的设定值为步骤S5所需的轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值；
步骤S6-2、将步骤S4中经过加工后的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样放入围压加载装置中；然后利用轴压加载装置以缓慢且恒定的加载速率对全贯通交叉节理岩体试样施加轴向压力，直至达到目标值，静待5min确保轴向压力一直处于稳定值；
同时利用围压加载装置以缓慢且恒定的加载速率对全贯通交叉节理岩体试样施加环向压力，直至达到目标值，静待5min确保环向压力一直处于稳定值；
步骤S6-3、设定发射装置的冲击气压值和子弹在炮筒中的位置，利用发射装置对全贯通交叉节理岩体试样开展动静组合冲击试验，记录每次冲击的子弹速度。
步骤S7、分析当前三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样的动态力学特性：
步骤S7-1、根据数据采集***监测的步骤S6中入射应力波、反射应力波和透射应力波信号，得到入射应力波εI(t)、反射应力波εR(t)和透射应力波εT(t)；
步骤S7-2、再根据三波法计算得到三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样的应力σ、应变ε和应变率
随时间t变化的曲线，即σt、ε(t)和
步骤S7-3、根据步骤S7-2中的σt、ε(t)和
计算节理岩体的动态抗压强度、弹性模量、峰值应变；
步骤S7-4、利用一维应力波理论和冲击动力学法计算试样的入射能、反射能、透射能和致裂能量，从而分析当前三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样的抗压强度、弹性模量、峰值应变和致裂能量的动态力学特性。
本实施方案在当次垂直节理组具有两条次垂直节理，且次水平节理组具有两条次水平节理时，步骤S3中的切割顺序为下端面、第一条次水平节理、第二条次水平节理、上端面。
实施例1
本实施例利用上述实验方法，当制备次垂直节理和次水平节理均为一条，且次垂直节理与垂直方向夹角α、次水平节理与水平方向夹角β均为5°的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样时，如图1至图4所示，具体如下：
步骤S1、制备岩体试样：
步骤S1-1、在现场选取完整性和均匀性较好的岩石材料；
步骤S1-2、利用DQ-4岩石切割机将步骤S1-1中选取的岩石材料切割成一块边长为15cm的立方体岩体试样，此时的岩体试样表面不用作特殊磨平处理；
步骤S2、制备粘结试样：
步骤S2-1、如图1所示，将步骤S1-2中的岩体试样，切割出一条与垂直方向存在夹角α(α＝5°)的次垂直节理，切割的一条次垂直节理形成一个次垂直节理组；
再用岩体固定夹具3，将步骤S2-1中切割后的岩石组合在一起并夹紧；
步骤S2-2、如图2所示，从含有垂直节理组的位置沿垂直方向进行取芯，取出的岩芯如图3所示由两半岩石组成；
步骤S2-3、利用透明胶带，将步骤S2-2中取出的岩芯粘结组合在一起形成粘结试样(如图3所示)；
步骤S3、如图3所示，制备圆柱体全贯通交叉节理岩体试样：
步骤S3-1、从靠近步骤S2制备的粘结试样顶面的位置，沿水平方向利用DQ-4岩石切割机进行切割形成上端面；
步骤S3-2、再利用岩石切割机切割出一条与水平方向存在夹角β(β＝20°)的次水平节理，切割的一条次水平节理形成一个次水平节理组；
步骤S3-3、通过考虑岩石切割机的刀盘厚度，从靠近经过步骤S3-1和步骤S3-2后的粘结试样底面的位置，沿水平方向进行切割形成下端面，使得上端面与下端面之间的距离为50mm，形成圆柱体全贯通交叉节理岩体试样；
步骤S4、对圆柱体全贯通交叉节理岩体试样进行加工：
步骤S4-1、利用透明胶带，将步骤S3-3制备的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样***粘结包裹起来，透明薄胶带的厚度并不影响节理岩体的变形；
步骤S4-2、对步骤S4-1中包裹后的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样进行打磨，优选地，利用SHM-200型双端面磨石机进行打磨，确保圆柱体全贯通交叉节理岩体试样不垂直度和不平行度均小于0.02mm。
实施例2
本实施例利用上述实验方法，当制备次垂直节理和次水平节理均为两条，且次垂直节理
与垂直方向夹角h、次水平节理与水平方向夹角g均为20°的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样时，如图5至图8所示，具体如下：
步骤S1、制备岩体试样：
步骤S1-1、在现场选取完整性和均匀性较好的岩石材料；
步骤S1-2、利用DQ-4岩石切割机将步骤S1-1中选取的岩石材料切割成一块边长为15cm的立方体岩体试样，此时的岩体试样表面不用作特殊磨平处理；
步骤S2、制备粘结试样：
步骤S2-1、如图5所示，将步骤S1-2中的岩体试样，切割出两条与垂直方向存在夹角h(h＝20°)的次垂直节理，切割的两条次垂直节理形成一个次垂直节理组；
再用岩体固定夹具3，将步骤S2-1中切割后的岩石组合在一起并夹紧；
步骤S2-2、如图2所示，采用岩样取芯装置2从含有垂直节理组的位置沿垂直方向进行取芯，取出的岩芯如图6所示由三块岩石组成；
步骤S2-3、利用透明胶带，将步骤S2-2中取出的岩芯粘结组合在一起形成粘结试样(如图7所示)；
步骤S3、如图7所示，制备圆柱体全贯通交叉节理岩体试样：
步骤S3-1、从靠近步骤S2制备的粘结试样顶面的位置，沿水平方向利用DQ-4岩石切割机进行切割形成上端面；
步骤S3-2、再利用岩石切割机切割出两条与水平方向存在夹角g的次水平节理，切割的两条次水平节理形成一个次水平节理组；
步骤S3-3、通过考虑岩石切割机的刀盘厚度，从靠近经过步骤S3-1和步骤S3-2后的粘结试样底面的位置，沿水平方向进行切割形成下端面，使得上端面与下端面之间的距离为50mm，形成圆柱体全贯通交叉节理岩体试样；
步骤S4、对圆柱体全贯通交叉节理岩体试样进行加工：
步骤S4-1、利用透明胶带，将步骤S3-3制备的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样***粘结包裹起来，透明薄胶带的厚度并不影响节理岩体的变形；
步骤S4-2、对步骤S4-1中包裹后的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样进行打磨，优选地，利用SHM-200型双端面磨石机进行打磨，确保圆柱体全贯通交叉节理岩体试样不垂直度和不平行度均小于0.02mm。
研究人员可类比上述两实施例的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样的制作方法，制作含不同节理条数和节理倾角的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样。
制备圆柱体全贯通交叉节理岩体试样后再进行三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体的力学特性实验。目前，关于交叉节理岩石的实验主要存在两个问题，一是以往的节理类型多为非贯通节理，二是交叉节理的加载方式几乎仅有单轴加载。对于三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体的研究少之又少，然而，相对于隧道等地下工程来说，实际工程中存在的大型节理岩体可看作全贯通交叉节理，在***开挖或地震等动荷载作用下极易发生围岩失稳等灾害。而对这方面的研究还尚不充分。为了解决该问题，提出了以下方法步骤：
步骤S5、根据当前工况的围压和轴压参数以及静荷载的施加速率，确定所需轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值；
具体地，利用轴压和围压的控制***设置轴向加载速率和环向加载速率以及轴压目标值和围压目标值。
步骤a、为了消除SHPB***的误差，开展空杆预实验：
步骤Sa-1、设定轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的设定值为步骤S5所需的轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值；
具体地，通过轴压液压加载仪和围压装置分别加载轴向压力和环向压力，直至达到所需的轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值。
步骤Sa-2、初步调节分离式霍普金森压杆***中入射杆和透射杆的平整度和贴合度，使分离式霍普金森压杆***中轴线重合，并使入射杆和透射杆紧密贴合，即中间没有圆柱体全贯通交叉节理岩体试样；
步骤Sa-3、利用轴压加载装置以缓慢且恒定的加载速率施加轴向荷载，直至达到轴向加载速率的设定值，静待确保轴向荷载处于稳定值；
同时利用围压加载装置以缓慢且恒定的加载速率施加环向荷载，直至达到环向加载速率的设定值，静待确保环向荷载处于稳定值；
步骤Sa-4、利用发射装置开展空杆冲击预实验，通过数据采集***记录入射应力波、反射应力波和透射应力波信号；
具体地，打开数据采集***并等待触发，其工作方式为利用入射杆应变片和透射杆应变片监测入射杆和透射杆上的冲击信号，包括入射应力波、透射应力波和反射应力波，通过惠斯通电桥传递给应变放大器，并通过示波器显示出来，利用示波器可将入射应力波εI(t)、反射应力波εR(t)和透射应力波εT(t)输出到EXCEL表格中开展后续计算。其中的子弹测速仪可测量每次实验时子弹的速度，以此也可更加精确的控制试样的应变率。
步骤Sa-5、根据数据采集***监测的入射应力波、反射应力波和透射应力波信号分析入射杆和透射杆的平整度和贴合度，是否满足(入射应力波-透射应力波)/入射应力波小于0.1且反射应力波大小<10MPa的要求；
若满足要求进行下一步，若不满足重复步骤S6-2-步骤S6-5直至满足(入射应力波-透射应力波)/入射应力波小于0.1且反射应力波大小<10MPa。
步骤S6、进行正式实验：
步骤S6-1、设定轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的设定值为步骤S5所需的轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值；
具体地，通过轴压液压加载仪和围压装置分别加载轴向压力和环向压力，直至达到所需的轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值。
步骤S6-2、将步骤S4中经过加工后的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样两端涂抹些许润滑油以减小试样与SHPB杆之间的摩擦，后放入围压加载装置中；然后利用轴压加载装置以缓慢且恒定的加载速率对全贯通交叉节理岩体试样施加轴向压力，直至达到目标值，静待确保轴向压力一直处于稳定值；
同时利用围压加载装置以缓慢且恒定的加载速率对全贯通交叉节理岩体试样施加环向压力，直至达到目标值，静待确保环向压力一直处于稳定值；若要研究不同的轴压和围压的工况，则可修改轴压目标值和围压目标值。
步骤S6-3、打开数据采集***并等待触发。利用发射控制***设置发射装置的冲击气压值和子弹在炮筒中的位置，待冲击气压达到目标值后，点击发射子弹开始实验，利用发射装置对全贯通交叉节理岩体试样开展动静组合冲击试验，记录每次冲击的子弹速度。若要研究不同应变率的工况，则可修改冲击气压值或子弹在炮筒中的位置。
步骤S7、分析当前三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样的动态力学特性：
根据数据采集***监测的步骤S6中入射应力波、反射应力波和透射应力波信号，分析当前三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样的动态力学特性。
具体地，根据数据采集***监测到的入射应力波εI(t)、反射应力波εR(t)和透射应力波εT(t)，可以根据三波法(公式(1)-(3))计算全贯通交叉节理岩石试样在冲击试验过程中的法向应力σ、法向应变ε和应变率
随时间t变化的曲线，即σt、ε(t)和
其中应变率随时间变化的曲线
的顶端水平段的平均值即为试样真正的应变率，如图10所示。应力-应变曲线(即σ-ε曲线)的峰值即为试样的动态抗压强度，σ-ε曲线的直线上升段的斜率即为弹性模量，动态抗压强度所对应的横坐标即为峰值应变，如图11所示。
根据数据采集***监测到的入射应力波εI(t)、反射应力波εR(t)和透射应力波εT(t)，利用一维应力波理论和冲击动力学法(公式(4))计算节理岩体试样的入射能EI、反射能ER、透射能ET和致裂能量EA。
式中，Ae、Ce和Ee分别是入射杆的横截面积、纵波波速和杨氏模量。As和Ls分别是圆柱体全贯通交叉节理岩体试样的横截面积和长度。
本实施方案避免了圆柱体全贯通交叉节理岩体试样横截面非圆形问题，并且针对此类型节理岩体，设计了一种三维动静组合加载的实验方法以研究节理岩体的动态力学特性。对于圆柱体全贯通交叉节理岩体试样制备来说，可灵活制作含不同节理条数和节理倾角的岩体试样。设计不同节理条数可以分析节理个数和间距对动态岩体力学特性的影响，设计不同角度可以分析节理倾角(即各向异性)对动态岩体力学特性的影响。基于此，在试样大小允许的范围内，我们可以设计多种倾角或节理条数的节理岩体试样，大大满足了实际工程岩体复杂节理的要求。
在加载工况方面，参考附图9可知，为了避免加载过程中岩体节理发生错动，利用轴压和围压的控制***对节理岩体施加缓慢而恒定的轴向加载速率和环向加载速率，并分别设定轴向压力和围压的目标值。最后通过改变冲击气压值和子弹在炮筒中的位置来获取不同的应变率的大小。以此来实现实际工程岩体所处的复杂地质环境。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.一种三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法，其特征在于，本实验方法是利用分离式霍普金森压杆***结合三维动静组合加载***进行，三维动静组合加载***包括发射装置、轴压加载装置、围压加载装置、数据采集***，本实验方法具体包括以下步骤：
步骤S1、制备岩体试样：
步骤S1-1、在现场选取岩石材料；
步骤S1-2、将步骤S1-1中选取的岩石材料切割一块呈立方体的岩体试样；
步骤S2、制备粘结试样：
步骤S2-1、将步骤S1-2中的岩体试样，切割出至少一条与垂直方向存在夹角α的次垂直节理，切割的所有次垂直节理形成一个次垂直节理组；
步骤S2-2、从含有垂直节理组的位置沿垂直方向进行取芯；
步骤S2-3、利用透明胶带，将步骤S2-2中取出的岩芯粘结组合在一起形成粘结试样；
步骤S3、制备圆柱体全贯通交叉节理岩体试样：
步骤S3-1、从靠近步骤S2制备的粘结试样顶面的位置，沿水平方向进行切割形成上端面；
步骤S3-2、再切割出至少一条与水平方向存在夹角β的次水平节理，切割的所有次水平节理形成一个次水平节理组；
步骤S3-3、从靠近经过步骤S3-1和步骤S3-2后的粘结试样底面的位置，沿水平方向进行切割形成下端面，形成圆柱体全贯通交叉节理岩体试样；
步骤S4、对圆柱体全贯通交叉节理岩体试样进行加工：
步骤S4-1、利用透明胶带，将步骤S3-3制备的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样***粘结包裹起来；
步骤S4-2、对步骤S4-1中包裹后的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样进行打磨，确保圆柱体全贯通交叉节理岩体试样不垂直度和不平行度均小于0.02mm；
步骤S5、根据当前工况的围压和轴压参数以及静荷载的施加速率，确定所需轴向加载速率、环向加载速率以及轴压和围压的目标值；
步骤S6、进行正式实验：
步骤S6-1、设定轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的设定值为步骤S5所需的轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值；
步骤S6-2、将步骤S4中经过加工后的圆柱体全贯通交叉节理岩体试样放入围压加载装置中；然后利用轴压加载装置以缓慢且恒定的加载速率对全贯通交叉节理岩体试样施加轴向压力，直至达到目标值，静待确保轴向压力一直处于稳定值；
同时利用围压加载装置以缓慢且恒定的加载速率对全贯通交叉节理岩体试样施加环向压力，直至达到目标值，静待确保环向压力一直处于稳定值；
步骤S6-3、设定发射装置的冲击气压值和子弹在炮筒中的位置，利用发射装置对全贯通交叉节理岩体试样开展动静组合冲击试验，记录每次冲击的子弹速度；
步骤S7、分析当前三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样的动态力学特性：
根据数据采集***监测的步骤S6中入射应力波、反射应力波和透射应力波信号，分析当前三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样的动态力学特性。
2.根据权利要求1所述的一种三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法，其特征在于：在进行步骤S6之前，需要先进行步骤a空杆预实验：
步骤Sa-1、设定轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的设定值为步骤S5所需的轴向加载速率、环向加载速率以及轴压的目标值；
步骤Sa-2、调节分离式霍普金森压杆***中入射杆和透射杆的平整度和贴合度；
步骤Sa-3、利用轴压加载装置以缓慢且恒定的加载速率施加轴向荷载，直至达到轴向加载速率的设定值，静待确保轴向荷载处于稳定值；
同时利用围压加载装置以缓慢且恒定的加载速率施加环向荷载，直至达到环向加载速率的设定值，静待确保环向荷载处于稳定值；
步骤Sa-4、利用发射装置开展空杆冲击预实验，通过数据采集***记录入射应力波、反射应力波和透射应力波信号；
步骤Sa-5、根据数据采集***监测的入射应力波、反射应力波和透射应力波信号分析入射杆和透射杆的平整度和贴合度，是否满足(入射应力波-透射应力波)/入射应力波小于0.1且反射应力波大小<10MPa的要求；
若满足步骤Sa-5中的要求进行下一步，若不满足重复步骤S6-2-步骤S6-5直至满足(入射应力波-透射应力波)/入射应力波小于0.1且反射应力波大小<10MPa。
3.根据权利要求2所述的一种三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法，其特征在于：步骤S2-1中夹角α和步骤S3-2夹角β均在0-90°之间。
4.根据权利要求2所述的一种三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法，其特征在于：当次垂直节理组具有两条次垂直节理，且次水平节理组具有两条次水平节理时，步骤S3中的切割顺序为下端面、第一条次水平节理、第二条次水平节理、上端面。
5.根据权利要求2所述的一种三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法，其特征在于：步骤S3-3中，下端面与上端面之间间距在51mm-53mm范围内。
6.根据权利要求2所述的一种三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法，其特征在于：步骤S6-3和步骤S6-2中均是静待5min。
7.根据权利要求2所述的一种三维动静组合加载下节理岩体动态力学特性实验方法，其特征在于：步骤S7具体包括以下步骤：
步骤S7-1、根据数据采集***监测的步骤S6中入射应力波、反射应力波和透射应力波信号，得到入射应力波εI(t)、反射应力波εR(t)和透射应力波εT(t)；
步骤S7-2、再根据三波法计算得到三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样在冲击试验过程中的法向应力σ、法向应变ε和应变率
随时间t变化的曲线，即σt、ε(t)和
步骤S7-3、根据步骤S7-2中的σt、ε(t)和
计算节理岩体的动态抗压强度、弹性模量、峰值应变；
步骤S7-4、利用一维应力波理论和冲击动力学法计算试样的入射能、反射能、透射能和致裂能量，从而分析当前三维动静组合加载下全贯通交叉节理岩体试样的抗压强度、弹性模量、峰值应变和致裂能量的动态力学特性。
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|---|---|---|---|---|
| KR102642062B1 (ko) * | 2023-10-17 | 2024-03-04 | 국방과학연구소 | 충돌체 특성 시험 장치 |
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