岩石动态冲击试验系统及试验方法与流程

1.本发明涉及地下岩石工程力学领域，尤其涉及一种岩石动态冲击试验系统及试验方法。


背景技术：

2.随着地下工程不断向深处复杂区域进发，高地应力现象所带来的围岩失稳现象愈发频繁，对于大型地下洞室而言更是如此，如岩爆和冲击地压等地质灾害现象均与高地应力密切相关。岩石在动态冲击下的变形破坏特性已成为工程关注的焦点，对指导后续洞室的开挖支护具有重要指导意义。以往在研究岩石的动态力学特性时，多采用落锤及单向霍普金森杆等试验装置开展相关研究，主要针对岩石在单方向上受到动态冲击开展研究。但在实际的工程中，岩石多处于三向受力状态，因此在地应力较为复杂的状态下，岩石有可能受到来自不同方向的冲击载荷作用，包括仅来自某一方向单冲击作用，或者是来自多方向的联合冲击作用。
3.另外，岩石受到冲击作用的发生时间会随着应力调整产生动态的变化。以往试验的限制主要体现在没有可用于模拟岩石受到多方向联合冲击作用且具备不同冲击时序的成套设备。
4.在地下洞室的开挖过程中，三向应力的方向不会一直固定，因此在不同可能发生岩爆或冲击地压的区域，岩石所受到的冲击载荷方向与水平线可呈现出不同的夹角，即可能出现偏心冲击的现象。而之前的相关试验设备主要针对岩石试件所受到的冲击载荷为水平方向，较少开展偏心冲击的研究。对于高地应力区域的洞室围岩，岩石的动态力学特性是优化设计措施和改善施工工艺的重要依据。因此开展高地应力区岩石在不同冲击方向、冲击角度及冲击时序组合下的动态力学特性研究显得尤为重要，而目前尚未有相关的试验装置及方法。


技术实现要素：

5.为克服现有岩石冲击试验存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种可模拟地下围岩受到不同方向、不同角度与不同时序的岩石动态冲击试验系统及试验方法。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.岩石动态冲击试验系统，包括检测平台、控制系统和设置在检测平台四周的多个冲击组件，所述冲击组件包括充气设备、高压钢管、冲击弹块和入射杆，所述高压钢管通过伸缩旋转支架固定安装，使其相对于检测平台的方向和角度可调，高压钢管的入口端通过高压软管与充气设备相连，且在高压钢管内靠近入口端的部位设有电磁阀，出口端与入射杆滑动套接，所述冲击弹块可滑动的安装在高压钢管内的入口端与电磁阀之间，所述控制系统与充气设备和电磁阀电性连接，并可按照时序控制其启停。
8.进一步的是，所述冲击组件包括四个，分别设置在检测平台前后左右四个方向上，
其冲击点分别对准位于检测平台上的岩石试件的四个面的中心区域。
9.进一步的是，所述充气设备为氮气瓶，所述高压软管与氮气瓶的连接处设有控制阀，所述高压钢管的入口端设有排气阀和压力表。
10.进一步的是，所述控制阀、排气阀和压力表与控制系统电性连接。
11.进一步的是，所述高压钢管的入口端与电磁阀之间的内壁上设有固定凸台，所述冲击弹块安放在固定凸台上。
12.进一步的是，所述检测平台包括固定平台、动态电阻仪和透射杆，所述透射杆包括多根，设置在固定平台的四周，其外端与固定平台固定连接，内端抵接在放置在固定平台上的岩石试件的表面，所述透射杆上设有透射杆应变片，所述入射杆上设有入射杆应变片，所述透射杆应变片和入射杆应变片分别通过导线与动态电阻仪电性连接。
13.进一步的是，所述透射杆的外端通过螺栓与固定平台螺纹连接。
14.进一步的是，所述透射杆在岩体试件的一个面上至少设备两根，并间隔布置。
15.进一步的是，所述固定平台顶部还设有支撑架，所述支撑架上设有高速摄像仪。
16.采用上述岩石动态冲击试验系统进行岩石试验的方法，包括以下步骤：
17.a、获取需要进行力学检测的岩石试件，并按照检测平台要求加工成适当的尺寸；
18.b、将岩石试件放置在固定平台上，并在其周围安装好透射杆，使透射杆的内端与岩石试件表面接触；
19.c、根据检测需要布置好冲击组件，并调整冲击组件的方向和角度，使入射杆的内端与岩石试件表面接触，外端一部分位于高压钢管内，保证入射杆稳定即可；
20.d、在入射杆和透射杆上分别设置好入射杆应变片和透射杆应变片，并用导线接入动态电阻仪；
21.e、利用控制系统设置好冲击组件的冲击力度和冲击间隔时间，然后启动设备对岩石试件进行冲击，最后收集试验数据对岩石的动态力学特性进行分析。
22.本发明的有益效果是：通过在检测平台的周围设置多个冲击组件作为岩石发生动态冲击作用的动力来源，实现多方向的冲击，并能通过调整高压钢管的角度实现多角度冲击，同时可通过控制各个冲击组件的冲击顺序，实现多时序的冲击，从而更精确的模拟出高地应力区岩石在不同冲击方向、冲击角度及冲击时序组合下的动态力学特性，有利于分析出岩石在复杂应力路径下的动态力学性能。
附图说明
23.图1是本发明试验系统整体结构示意图。
24.图中标记为，1-检测平台，2-控制系统，3-冲击组件，4-岩石试件，5-伸缩旋转支架，6-电磁阀，10-透射杆应变片，11-固定平台，12-动态电阻仪，13-透射杆，14-导线，15-螺栓，16-支撑架，17-高速摄像仪，30-入射杆应变片，31-充气设备，32-高压钢管，33-冲击弹块，34-入射杆，35-高压软管，36-控制阀，37-排气阀，38-压力表，39-固定凸台。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明进一步说明。
26.如图1所示，本发明的岩石动态冲击试验系统，包括检测平台1、控制系统2和设置
在检测平台1四周的多个冲击组件3，所述冲击组件3包括充气设备31、高压钢管32、冲击弹块33和入射杆34，所述高压钢管32通过伸缩旋转支架5固定安装，使其相对于检测平台1的方向和角度可调，高压钢管32的入口端通过高压软管35与充气设备31相连，且在高压钢管32内靠近入口端的部位设有电磁阀6，出口端与入射杆34滑动套接，所述冲击弹块33可滑动的安装在高压钢管32内的入口端与电磁阀6之间，所述控制系统2与充气设备31和电磁阀6电性连接，并可按照时序控制其启停。
27.相对现有的岩石检测系统，本发明的主要改进点是增加了多个冲击组件3，并且能够通过调整伸缩旋转支架5来改变高压钢管32的角度，从而实现不同角度的冲击试验。所述冲击组件3的冲击过程是：首先将电磁阀6关闭，将冲击弹块33从高压钢管32的入口端放入，并接好高压软管35，然后利用充气设备31对高压钢管32进行充气，冲击弹块33被气体推压在电磁阀6上，待压力达到设定要求后，开启电磁阀6，高压气体将冲击弹块33喷出，撞向入射杆34，入射杆34再将作用力传递到检测平台1上的岩石试件4上，实现对岩石试件4的冲击作用。
28.考虑试验要求和布置结构的限制，所述冲击组件3最好包括四个，分别设置在检测平台1前后左右四个方向上，相应的岩石试件4最好设置成立方体型，方便冲击组件3的冲击点分别对准岩石试件4的四个面的中心区域，以便提高试验的准确性。四个方向的冲击基本上能够模拟出实际情况下岩体的受冲击情况。
29.对于冲击组件3的充气设备31，可以采用目前市面上比较常见的高压气泵，能够实现气压的调整，但其一般用于连续冲压作业，而单次的岩体冲击试验一般只进行一次冲击即可，因此，为了简化结构，缩减成本，所述充气设备31可采用氮气瓶，所述高压软管35与氮气瓶的连接处设有控制阀36，所述高压钢管32的入口端设有排气阀37和压力表38。利用氮气瓶进行冲击的过程是：首先将电磁阀6关闭，将冲击弹块33从高压钢管32的入口端放入，并接好高压软管35，然后打开控制阀36，关闭排气阀37，对高压钢管32进行充气，待压力表38显示压力值达到设定要后，关闭控制阀36，最后开启电磁阀6，实现冲击弹块33的弹射。在冲击完成后，再开启排气阀37，排出剩余气体，方便后续试验。
30.进一步的，为了实现自动化控制，将所述控制阀36、排气阀37和压力表38均与控制系统2电性连接。控制系统2同样按照上述过程对控制阀36和排气阀37进行控制。
31.对于冲击弹块33，为了避免在冲击过程中受到电磁阀6的阻挡以及与高压钢管32的摩擦阻力，从而降低冲击作用力，在所述高压钢管32的入口端与电磁阀6之间的内壁上设有固定凸台39，所述冲击弹块33安放在固定凸台39上。设置固定凸台可使冲击弹块的尺寸小于高压钢管的尺寸，并保证冲击弹块33位于高压钢管32的中心，弹射过程中不会与高压钢管32和电磁阀6边缘接触，进而保证冲击力的精确性。
32.对于检测平台1，本技术提供的方案是，所述检测平台1包括固定平台11、动态电阻仪12和透射杆13，所述透射杆13包括多根，设置在固定平台11的四周，其外端与固定平台11固定连接，内端抵接在放置在固定平台11上的岩石试件4的表面，所述透射杆13上设有透射杆应变片10，所述入射杆34上还设有入射杆应变片30，所述透射杆应变片10和入射杆应变片30分别通过导线14与动态电阻仪12电性连接。在布设透射杆13时应使其轴线方向与对应的冲击方向平行，使其能稳定的接收和感应冲击载荷。
33.由于透射杆13同时也作为岩石试件4的固定件使用，因此，为了方便透射杆14固定
岩石试件4，将所述透射杆14的外端通过螺栓15与固定平台11螺纹连接。通过转动螺栓15，可实现透射杆13长度的调整，从而保证透射杆13的内端能够稳定的与岩石试件4接触，在固定岩石试件4的同时也能实现透射杆13本身的功能。
34.为了提高试验的精确性，所述透射杆13在岩体试件4的一个面上至少设备两根，并间隔布置。这样有利于受力平衡，提高检测精度。
35.此外，为了方便在试验过程中观察岩体试件的变形和破碎情况，在所述固定平台11顶部还设有支撑架16，所述支撑架16上设有高速摄像仪17。
36.采用上述岩石动态冲击试验系统进行岩石试验的方法，包括以下步骤：
37.a、获取需要进行力学检测的岩石试件4，并按照检测平台要求加工成适当的尺寸；
38.b、将岩石试件4放置在固定平台11上，并在其周围安装好透射杆13，使透射杆13的内端与岩石试件4表面接触；
39.c、根据检测需要布置好冲击组件3，并调整冲击组件3的方向和角度，使入射杆34的内端与岩石试件4表面接触，外端一部分位于高压钢管32内，保证入射杆34稳定即可；
40.d、在入射杆34和透射杆13上分别设置好入射杆应变片30和透射杆应变片10，并用导线14接入动态电阻仪12；
41.e、利用控制系统2设置好冲击组件3的冲击力度和冲击间隔时间，然后启动设备对岩石试件4进行冲击，最后收集试验数据对岩石的动态力学特性进行分析。
42.该试验方法相比传统的岩体试验，能够模拟出地下围岩受到不同方向、不同角度与不同时序的岩石动态冲击情况。可以为深部高地应力区岩石提供更为完善的岩石动力特性研究途径，突破了以往的单向或一维冲击的局限性，具有操作方便，组合形式多变的优点，更有利于研究岩石在复杂应力路径下的动态力学性能。