一种动静组合加载岩石力学实验方法与流程

1.本发明涉及岩石加载力学技术领域，具体为一种动静组合加载岩石力学实验方法。


背景技术：

2.传统的岩石力学主要通过2中试验方法进行研究，即基于 instron,mts试样机的静态岩石力学与基于shpb、轻气炮等装置的动态岩石力学，这两种方法主要基于人们对受静载荷和冲击载荷岩石材料受力状态的认识而发展起来的，已经取得了相当多的研究成果，但是在工程实践以及自然界中，很多岩石材料在承受动载荷之前已经处于一定的静应力或地应力状态，特别是深部岩体开采问题，其岩体受一定的高地应力和开采扰动甚至地震等动载荷作用，属于典型的岩石动静组合加载问题，该问题自从在香山科学会议上提出以来，备受关注，本发明则提供了一种动静组合加载岩石力学实验的方法。


技术实现要素：

3.(一)解决的技术问题
4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种动静组合加载岩石力学实验方法，解决了上述的问题。
5.(二)技术方案
6.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种动静组合加载岩石力学实验方法，包括以下步骤：
7.步骤一：试样制备，实验材料选用完整性和均质性较好的长石砂岩；
8.步骤二：试样岩石两端打磨；
9.步骤三：将试样岩石放在试验机的工作台上，上下各放置一块 50mm*50mm*10mm规格的钢垫片；
10.步骤四：对试样岩石进行静载试验和常规冲击试验；
11.步骤五：对试样岩石两端涂黄油；
12.步骤六：参照试样纯动态试验强度值，选定冲击气压和冲头在发射腔内的位置，对每一轴压系列的试样进行试验性的预冲击，以岩石破裂成2-4块情况的冲击气压及冲头位置为参考，进行相同冲击速度下的重复试验；
13.步骤七：达到预定实验效果后，数据采集系统采集信号、存盘，重复上述步骤，完成各系列试验。
14.优选的，所述步骤一中试样岩石按照岩石力学常规实验性能测试要求加工试验所需试样，并且试样岩石统一加工成50mm*50mm的尺寸。
15.优选的，所述步骤二中对试样岩石两端打磨时，使其不平行和不垂直度小于0.02mm，样式的静载抗压强度为70mpa。
16.优选的，所述试验设备采用基于shpb装置的岩石动静组合加载试验系统，该装置
的数据采集系统跟一般shpb系统类似，这套系统目前可实现岩石轴向静压0-200mpa的组合加载，试样应变率为1-10 3
，输入杆和输出杆的杆径为50mm，采用试样于杆等径加载方式进行冲击，发射腔内放置异形子弹冲击。
17.优选的，所述步骤四中设置试验参数、加载正弦波、周期数为1，幅值超过试样件的估计强度值，幅值设置为100kn，然后选择加荷频率和数据采样频率，因为是动态试验，采样频率为5khz，最后设置极限保护以保障设备安全。
18.优选的，所述步骤五中两端涂设好黄油后，放置试样于入射杆和透射杆之间，调节好轴压系统，启动连接到轴向静压加载装置的手动泵，施加预定轴向静载。
19.优选的，所述步骤六中利用微调在试样岩石件上加所要求的的预静载(0,5,10,15kn),然后输入动态加载指令，镜试样岩石一次性压坏。
20.优选的，所述步骤六中试样岩石应力-应变曲线全程分为五个阶段第一阶段，该试样岩石不同于一般静载曲线的初始段，乜有表现出下凹形式，更接近于一种近似弹性变化形式，此时模量大，第二阶段，此时试样岩石应力-应变关系为非线性关系，压缩模量相对于初始模量开始缓慢，第三阶段，压缩模量显著降低，第四阶段，试样岩石内部由于形成了宏观的破裂面，导致试验承载能力下降，第五阶段，应力卸载到一定值后，试样的总应变在应力-应变曲线尾部会出现减小现象。
21.优选的，所述步骤六中第二阶段现象说明岩石内部微裂隙在动载荷作用下开始增加，导致模量降低，第三阶段现象说明岩石内部微裂隙在应力波作用下开始迅速扩展，到达峰值强度后，试样宏观发生破坏。
22.优选的，所述步骤六第五阶段造成该现象的原因在于本次试验主要考察试样在不同冲击载荷下的临界承载能力，因此大多数试样虽然发生破裂失稳，但在宏观破坏形式上主要发生轴向劈裂破坏模式，破碎块度较大，没有达到压碎破坏的程度，因此在应力波卸载阶段，当加载应力小于试样内部储存的弹性力时，试样变形就会出现小幅度的反弹，导致出现总应变减小现象。
23.(三)有益效果
24.本发明提供了一种动静组合加载岩石力学实验方法，具备以下有益效果：
25.(1)、该动静组合加载岩石力学实验方法，利用基于shpb设备的岩石动静组合加载试验系统，系统研究了岩石在动静组合加载下临界破坏的强度特性，变形规律，能量规律和破坏模式。
26.(2)、该动静组合加载岩石力学实验方法，动静组合加载下，随着轴向静压的增大，岩石的抗冲击强度和变形模量都呈现出先增大后减小的趋势，这一实验研究加深了人们对不同应力下的岩石结构抗冲击能力的认识，在临界情况下，岩石组合加载破坏模式呈现剪切破坏，不同于一般冲击下的劈裂破坏，应力-应变曲线跟常规的冲击试验岩石最后都会出现总应变减小的现象，这是由于冲击过程中岩石内部储存弹性能释放所致，这对于在深部采矿工程中如何确定矿柱附近爆破药量和影响范围的安全控制有一定的指导意义。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
28.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.本发明提供一种技术方案：一种动静组合加载岩石力学实验方法，包括以下步骤：
30.步骤一：试样制备，实验材料选用完整性和均质性较好的长石砂岩；
31.步骤二：试样岩石两端打磨；
32.步骤三：将试样岩石放在试验机的工作台上，上下各放置一块 50mm*50mm*10mm规格的钢垫片；
33.步骤四：对试样岩石进行静载试验和常规冲击试验；
34.步骤五：对试样岩石两端涂黄油；
35.步骤六：参照试样纯动态试验强度值，选定冲击气压和冲头在发射腔内的位置，对每一轴压系列的试样进行试验性的预冲击，以岩石破裂成2-4块情况的冲击气压及冲头位置为参考，进行相同冲击速度下的重复试验；
36.步骤七：达到预定实验效果后，数据采集系统采集信号、存盘，重复上述步骤，完成各系列试验。
37.进一步的，步骤一中试样岩石按照岩石力学常规实验性能测试要求加工试验所需试样，并且试样岩石统一加工成50mm*50mm的尺寸。
38.进一步的，步骤二中对试样岩石两端打磨时，使其不平行和不垂直度小于0.02mm，样式的静载抗压强度为70mpa。
39.进一步的，试验设备采用基于shpb装置的岩石动静组合加载试验系统，该装置的数据采集系统跟一般shpb系统类似，这套系统目前可实现岩石轴向静压0-200mpa的组合加载，试样应变率为1-103，输入杆和输出杆的杆径为50mm，采用试样于杆等径加载方式进行冲击，发射腔内放置异形子弹冲击。
40.进一步的，步骤四中设置试验参数、加载正弦波、周期数为1，幅值超过试样件的估计强度值，幅值设置为100kn，然后选择加荷频率和数据采样频率，因为是动态试验，采样频率为5khz，最后设置极限保护以保障设备安全。
41.进一步的，步骤五中两端涂设好黄油后，放置试样于入射杆和透射杆之间，调节好轴压系统，启动连接到轴向静压加载装置的手动泵，施加预定轴向静载。
42.进一步的，步骤六中利用微调在试样岩石件上加所要求的的预静载(0,5,10,15kn),然后输入动态加载指令，镜试样岩石一次性压坏。
43.进一步的，步骤六中试样岩石应力-应变曲线全程分为五个阶段第一阶段，该试样岩石不同于一般静载曲线的初始段，乜有表现出下凹形式，更接近于一种近似弹性变化形式，此时模量大，第二阶段，此时试样岩石应力-应变关系为非线性关系，压缩模量相对于初始模量开始缓慢，第三阶段，压缩模量显著降低，第四阶段，试样岩石内部由于形成了宏观的破裂面，导致试验承载能力下降，第五阶段，应力卸载到一定值后，试样的总应变在应力-应变曲线尾部会出现减小现象。
44.进一步的，步骤六中第二阶段现象说明岩石内部微裂隙在动载荷作用下开始增
加，导致模量降低，第三阶段现象说明岩石内部微裂隙在应力波作用下开始迅速扩展，到达峰值强度后，试样宏观发生破坏。
45.进一步的，步骤六第五阶段造成该现象的原因在于本次试验主要考察试样在不同冲击载荷下的临界承载能力，因此大多数试样虽然发生破裂失稳，但在宏观破坏形式上主要发生轴向劈裂破坏模式，破碎块度较大，没有达到压碎破坏的程度，因此在应力波卸载阶段，当加载应力小于试样内部储存的弹性力时，试样变形就会出现小幅度的反弹，导致出现总应变减小现象。
46.该动静组合加载岩石力学实验方法实施时，首先试验设备采用基于shpb装置的岩石动静组合加载试验系统，该装置的数据采集系统跟一般shpb系统类似，这套系统目前可实现岩石轴向静压0-200mpa 的组合加载，试样应变率为1-103，输入杆和输出杆的杆径为50mm，采用试样于杆等径加载方式进行冲击，发射腔内放置异形子弹冲击，然后步骤一，试样制备，实验材料选用完整性和均质性较好的长石砂岩，试样岩石按照岩石力学常规实验性能测试要求加工试验所需试样，并且试样岩石统一加工成50mm*50mm的尺寸，步骤二，试样岩石两端打磨，使其不平行和不垂直度小于0.02mm，样式的静载抗压强度为 70mpa，步骤三，将试样岩石放在试验机的工作台上，上下各放置一块50mm*50mm*10mm规格的钢垫片，步骤四，对试样岩石进行静载试验和常规冲击试验，步骤五，对试样岩石两端涂黄油，步骤六，参照试样纯动态试验强度值，选定冲击气压和冲头在发射腔内的位置，对每一轴压系列的试样进行试验性的预冲击，以岩石破裂成2-4块情况的冲击气压及冲头位置为参考，进行相同冲击速度下的重复试验，步骤七，达到预定实验效果后，数据采集系统采集信号、存盘，重复上述步骤，完成各系列试验。
47.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。