[发明专利]一种间接测量粗糙结构面动态刚度的装置

说明书

本发明公开了一种间接测量粗糙结构面动态刚度的装置，包括反力加载框架、岩样约束装置和超声波测试系统，反力加载框架包括横梁、立柱、横梁反力轴、千斤顶加载轴、液压千斤顶、液压表、加压手柄和基座，岩样约束装置包括金属筒和螺栓，超声波测试系统包括发射换能器、接收换能器和超声波测试仪，立柱分别与横梁和基座通过螺帽连接，液压千斤顶放置在基座的中心位置，通过两端螺栓连接；液压表安装在液压千斤顶的一侧，液压千斤顶上顶面安装有千斤顶加载轴，金属筒上部分外表面加工有一周测量上半部分岩样旋转角度的凹槽刻度标尺，刻度均匀分布，主刻度间隔20°。本发明可间接测量不同应力状态、不同结构面吻合系数条件下粗糙结构面的动态刚度。

技术领域

本发明涉及岩体动力学室内实验领域，具体涉及一种间接测量粗糙结构面动态刚度的装置。

背景技术

当地震或地下爆破发生时，其产生的能量部分以应力波的形式传播到周围岩体中。自然界岩体中通常存在着大量的不连续结构面，当应力波在传播过程中遇到这些结构面时，其幅值发生衰减，相位改变，频率降低。应力波在结构面处的传播规律通常受控于结构面的动态变形特征，而这种动态变形特征通常由结构面的动态刚度来刻画。因此，结构面动态刚度的有效测量对于建立应力波在岩体中传播分析模型，并应用于岩体地震地质灾害的预防和评价具有重要的意义。

岩体试件室内动力学试验是测试粗糙结构面动态刚度的重要途径。由于室内实验直接利用传统的分离式霍普金森杆(SHPB)测试粗糙结构面在动力作用下的受力与变形通常比较复杂，且同一粗糙结构面多次测量的结果重复性差，因此间接测量是首选的实验方法。

粗糙结构面的动态刚度通常与其所处的应力状态和结构面的吻合程度有关。由于目前尚没有用于间接测量粗糙结构面的装置，因此迫切发展一种能同时考虑粗糙结构面的应力状态和吻合程度的间接测量结构面动态刚度的装置及其测试方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种间接测量粗糙结构面动态刚度的装置，利用该装置及其测试方法能够测量粗糙结构面在不同应力状态下和不同吻合系数下的动态刚度。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种间接测量粗糙结构面动态刚度的装置，包括反力加载框架、岩样约束装置和超声波测试系统，所述反力加载框架包括横梁、立柱、横梁反力轴、千斤顶加载轴、液压千斤顶、液压表、加压手柄和基座，岩样约束装置包括金属筒和螺栓，超声波测试系统包括发射换能器、接收换能器和超声波测试仪，所述立柱分别与横梁和基座通过螺帽连接，所述液压千斤顶放置在基座的中心位置，二者通过两端的螺栓连接；液压表安装在液压千斤顶的一侧，液压千斤顶上顶面安装有千斤顶加载轴，金属筒上部分外表面加工有一周测量上半部分岩样旋转角度的凹槽刻度标尺，刻度均匀分布，主刻度间隔20°；金属筒下部分加工四个对称分布的螺纹孔，通过拧紧螺栓可有效固定下半部分岩样；发射换能器抵接横梁反力轴和上半部分岩样，接收换能器抵接千斤顶加载轴和下半部分岩样；横梁反力轴、发射换能器、上半部分岩样、下半部分岩样、接收换能器和千斤顶加载轴的轴线重合，以保证加载过程中的稳定性。通过连续按压加压手柄使千斤顶加载轴向上移动，对岩样施加法向力，从而实现粗糙结构面的不同应力状态，压力的数值由液压表记录。

优选地，所述发射换能器和接收换能器均由圆柱形高强度合金钢外壳、压电陶瓷片、底面盖板组成；两个换能器的压电陶瓷片的自振频率相同，放置在圆柱形外壳端部的圆柱形凹槽里面，然后通过底面盖板密封；圆柱形外壳内部加工有引线倒出孔，侧壁加工有引线导出端子，圆柱形外壳的另一端面也加工有圆柱形凹槽；凹槽的内径略大于横梁反力轴和千斤顶加载轴的直径；测试时，横梁反力轴和千斤顶加载轴插入到两个换能器的凹槽中，以保证换能器、岩样和套筒整体在加载过程中的稳定性；发射换能器和接收换能器的内部加工有引线倒出孔，侧壁加工有引线导出端子。

优选地，所述横梁、立柱、横梁反力轴和基座均由高强度合金钢加工而成。