一种地下空间层裂强度的测试装置以及该装置的应用制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种层裂强度的测试装置以及该装置的应用；特别涉及一种地下空间表面层裂强度的测试装置以及该装置的应用。本发明专利技术所设计的测试装置，包括气枪(1)、冲头(2)、入射杆(3)、围压提供装置(4)、第一组应变片(5)、第二组应变片(6)、试样(7)、透射杆(8)、轴压提供装置(9)；所述试样(7)一端的端部设有凹槽(10)。本发明专利技术由于试件制备简单，材料的初始应力易于添加，从而具有测量操作简单、快速、实用、结果可靠等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种地下空间层裂强度的测试装置以及该装置的应用
本专利技术涉及一种层裂强度的测试装置以及该装置的应用；特别涉及一种地下空间表面层裂强度的测试装置以及该装置的应用。技术背景早在1914年霍普金森(Hopkinson)就提出了材料在高速加载条件下的动态力学性能测试方法。目前，在没有初始应力条件下，基于霍普金森压杆试验装置测定岩石等脆性材料层裂强度的方法已有多种，比如层裂块速度法和拉回速度法，层裂块速度法利用试样内某点应力与质点速度间的关系σ＝ρCV，通过测量层裂块脱落速度计算试样的层裂强度，其中σ为试样内某质点的拉伸应力，ρ为试样密度，C为试样内应力波速度，V为试样内某质点的振动速度；拉回速度法利用试件自由面处质点的拉回速度与拉伸应力的关系计算试样的层裂强度，其中ΔV为试件自由面处质点的振动速度差即所谓的拉回速度。层裂也是地下工程中常见的一种破坏现象。由于地下岩体具有初始应力，与常规的层裂破坏不同，这种破坏的特点是岩石在承受冲击荷载之前就已经具有初始轴压和围压。现有层裂强度的测试装置主要有两类，一类不带围压和轴压提供设备的测试装置，另一类就是提供围压的测试装置。显然，这两种设备在测量地下空间表面层裂强度时存在明显的缺陷，都不能准确的反映地下硐室周边岩石发生层裂破坏的受力情况，从而不能准确的获得其层裂强度。到目前为止还未见考虑到围压和轴压的地下空间表面层裂强度的测试方法和装置。
技术实现思路
本专利技术针对现有层裂强度的测试装置以及层裂强度的测试方法存在的不足之处，如没有考虑轴压及围压条件的现状，提供一种层裂强度的测试装置以及该装置的应用。本专利技术一种地下空间表面层裂强度的测试装置，除了包括气枪(1)、冲头(2)、入射杆(3)；还包括围压提供装置(4)、第一组应变片(5)、第二组应变片(6)、试样(7)、透射杆(8)、轴压提供装置(9)；所述试样(7)一端的端部设有凹槽(10)；组装后，所述试样(7)带凹槽的一端与透射杆(8)的一端相连，所述试样(7)的另一端与入射杆(3)相连，所述透射杆(8)的另一端与轴压提供装置(9)相连；所述第一组应变片(5)安装在试样(7)上，且靠近入射杆(3)，所述第二组应变片(6)安装在试样(7)上，且靠近凹槽(10)；所述围压提供装置(4)与试样(7)接触。专利技术一种地下空间表面层裂强度的测试装置，所述试样(7)为一端端部设有凹槽(10)的圆柱形试样。专利技术一种地下空间表面层裂强度的测试装置，所述圆柱形试样的直径与入射杆(3)的直径相等，所述射杆(3)的直径与透射杆(8)的直径相等。专利技术一种地下空间表面层裂强度的测试装置，所述凹槽(10)为U型槽；所述U型槽槽口的宽度为试样(7)直径的1/2～3/4，优选为1/2～2/3，进一步优选为11/20～2/3；槽深H为1.5-4倍槽口的宽度，优选为1.8-3.5倍槽口的宽度，进一步优选为2.0-2.5倍槽口的宽度；所述U型槽的对称轴与试样(7)的轴线重合。专利技术一种地下空间表面层裂强度的测试装置，所述试样(7)的长度为15-40cm，优选为18-30cm，进一步优选为20-30cm；组装后，第一组应变片(5)与第二组应变片(6)的间距为5-30cm，优选为5-15cm，进一步优选为,5～10cm。专利技术一种地下空间表面层裂强度的测试装置，所述试样(7)与透射杆(8)接触部位的不平整度小于等于0.02mm，所述透射杆(8)与试样(7)接触部位的不平整度小于等于0.02mm；所述试样(7)与入射杆(3)接触部位的不平整度小于等于0.02mm，所述入射杆(3)与试样(7)接触部位的不平整度小于等于0.02mm。专利技术一种地下空间表面层裂强度的测试装置还包括高速摄影仪；当所述地下空间表面层裂强度的测试装置含有高速摄影仪时，其应用包括下述步骤：步骤一测量试样密度ρ，按设计的尺寸，加工成试样(7)；所述试样(7)一端的端部设有凹槽(10)；步骤二将气枪(1)、冲头(2)、入射杆(3)围压提供装置(4)、第一组应变片(5)、第二组应变片(6)、透射杆(8)、轴压提供装置(9)、高速摄影仪以及步骤一所得试样(7)进行组装；组装后所述试样(7)带凹槽的一端与透射杆(8)的一端相连，所述试样(7)的另一端与入射杆(3)相连，所述透射杆(8)的另一端与轴压提供装置(9)相连；所述第一组应变片(5)安装在试样(7)上，且靠近入射杆(3)，所述第二组应变片(6)安装在试样(7)上，且靠近凹槽(10)；所述第一组应变片(5)、第二组应变片(6)与超动态应变仪连接；所述围压提供装置(4)与试样(7)接触；所述高速摄影仪正对试样(7)的凹槽(10)；步骤三设定围压值和轴压值，并根据设定的围压值和轴压值，通过围压提供装置(4)以及轴压提供装置(9)分别向试样(7)施压围压和轴压；步骤四开启超动态应变仪，通过气枪(1)将冲头(2)以设定的速度发射，冲头(2)撞击入射杆(3)，通过超动态应变仪记录并存取冲头(2)撞击入射杆(3)所产生入射应力波到达第一组应变片(5)、第二组应变片(6)的时间点，用所述入射应力波的波前到达第二组应变片(6)的时间点减去所述入射应力波的波前到达第一组应变片(5)的时间点，得到Δt2；通过公式(1)计算得出试样内应力波传播速度CC＝δ/Δt2(1)公式(1)中，C表示试样内应力波传播速度，δ表示第一组应变片(5)与第二组应变片(6)之间的间距；通过高速摄影仪测得凹槽(10)内层裂块的脱落速度V；步骤五将步骤一所得ρ、步骤四所得C、V，代入公式(2)中，即可得到步骤三所设定轴压和围压条件下的试样层裂强度σt，σt＝ρCV(2)。当所述地下空间表面层裂强度的测试装置含有高速摄影仪时，其应用的步骤四中，通过高速摄影仪测得U型槽内某一碎片的飞行距离l以及碎片飞行的时间Δt1；通过公式V＝l/Δt1可计算得出U型槽内碎片的飞行速度，该速度即为层裂块的脱落速度V，也可直接通过高速摄影仪测得U型槽内某一碎片的脱落速度V。本专利技术的入射杆(3)透射杆(8)可为现有的常用的入射杆和透射杆，其材质优选为40Cr合金钢。专利技术一种地下空间表面层裂强度的测试装置还包括激光测振仪或者激光干涉仪；当所述地下空间表面层裂强度的测试装置含激光测振仪或者激光干涉仪时，其应用包括下述步骤：步骤A测量试样密度ρ后，按设计的尺寸，加工成试样(7)；所述试样(7)一端的端部设有凹槽(10)；步骤B将气枪(1)、冲头(2)、入射杆(3)围压提供装置(4)、第一组应变片(5)、第二组应变片(6)、透射杆(8)、轴压提供装置(9)、激光测振仪或者激光干涉仪以及步骤A所得试样(7)进行组装；组装后所述试样(7)带凹槽的一端与透射杆(8)的一端相连，所述试样(7)的另一端与入射杆(3)相连，所述透射杆(8)的另一端与轴压提供装置(9)相连；所述第一组应变片(5)安装在试样(7)上，且靠近入射杆(3)，所述第二组应变片(6)安装在试样(7)上，且靠近凹槽(10)；所述第一组应变片(5)、第二组应变片(6)与超动态应变仪连接；所述围压提供装置(4)与试样(7)接触；激光测振仪或者激光干涉仪正对试样(7)的凹槽(10)；步骤C设定围压值和轴压值，并根据设定的围压值和轴压值，通过围压提供装置(4)以及轴压提供装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种地下空间表面层裂强度的测试装置，包括气枪(1)、冲头(2)、入射杆(3)；其特征在于：还包括围压提供装置(4)、第一组应变片(5)、第二组应变片(6)、试样(7)、透射杆(8)、轴压提供装置(9)；所述试样(7)一端的端部设有凹槽(10)；组装后，所述试样(7)带凹槽的一端与透射杆(8)的一端相连，所述试样(7)的另一端与入射杆(3)相连，所述透射杆(8)的另一端与轴压提供装置(9)相连；所述第一组应变片(5)安装在试样(7)上，且靠近入射杆(3)，所述第二组应变片(6)安装在试样(7)上，且靠近凹槽(10)；所述围压提供装置(4)与试样(7)接触。

【技术特征摘要】
1.一种地下空间表面层裂强度的测试装置，包括气枪(1)、冲头(2)、入射杆(3)；其特征在于：还包括围压提供装置(4)、第一组应变片(5)、第二组应变片(6)、试样(7)、透射杆(8)、轴压提供装置(9)；所述试样(7)一端的端部设有凹槽(10)；组装后，所述试样(7)带凹槽的一端与透射杆(8)的一端相连，所述试样(7)的另一端与入射杆(3)相连，所述透射杆(8)的另一端与轴压提供装置(9)相连；所述第一组应变片(5)安装在试样(7)上，且靠近入射杆(3)，所述第二组应变片(6)安装在试样(7)上，且靠近凹槽(10)；所述围压提供装置(4)与试样(7)接触；所述凹槽(10)为U型槽；所述U型槽槽口的宽度为试样(7)直径的1/2～3/4；槽深H为1.5-4倍槽口的宽度；所述U型槽的对称轴与试样(7)的轴线重合。2.根据权利要求1所述的一种地下空间表面层裂强度的测试装置；其特征在于：所述试样(7)为一端端部设有凹槽(10)的圆柱形试样。3.根据权利要求2所述的一种地下空间表面层裂强度的测试装置；其特征在于：所述圆柱形试样的直径与入射杆(3)的直径相等，所述射杆(3)的直径与透射杆(8)的直径相等。4.根据权利要求2所述的一种地下空间表面层裂强度的测试装置；其特征在于：所述试样(7)的长度为20-30cm；组装后，第一组应变片(5)与第二组应变片(6)的间距为5～10cm。5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种地下空间表面层裂强度的测试装置；其特征在于：所述试样(7)与透射杆(8)接触部位的不平整度小于等于0.02mm，所述透射杆(8)与试样(7)接触部位的不平整度小于等于0.02mm；所述试样(7)与入射杆(3)接触部位的不平整度小于等于0.02mm，所述入射杆(3)与试样(7)接触部位的不平整度小于等于0.02mm。6.如权利要求5所述一种地下空间表面层裂强度的测试装置的应用，当所述测试装置还包括高速摄影仪时；其特征在于所述应用包括下述步骤：步骤一测量试样密度ρ后，按设计的尺寸，加工成试样(7)；所述试样(7)一端的端部设有凹槽(10)；步骤二将气枪(1)、冲头(2)、入射杆(3)围压提供装置(4)、第一组应变片(5)、第二组应变片(6)、透射杆(8)、轴压提供装置(9)、高速摄影仪以及步骤一所得试样(7)进行组装；组装后所述试样(7)带凹槽的一端与透射杆(8)的一端相连，所述试样(7)的另一端与入射杆(3)相连，所述透射杆(8)的另一端与轴压提供装置(9)相连；所述第一组应变片(5)安装在试样(7)上，且靠近入射杆(3)，所述第二组应变片(6)安装在试样(7)上，且靠近凹槽(10)；所述第一组应变片(5)、第二组应变片(6)与超动态应变仪连接；所述围压提供装置(4)与试样(7)接触；所述高速摄影仪正对试样(7)的凹槽(10)；步骤三设定围压值和轴压值，并根据设定的围压值和轴压值，通过围压提供...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶明，李夕兵，曹文卓，褚夫蛟，杨伟，蒋海波，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43