一种冲击试验的试样波速测定装置及其试验方法与流程

本发明涉及一种判定试块的结构特征与力学性的辅助装置，具体指的是一种分离式霍普金森压杆冲击试验的试样波速测定装置及其试验方法。

背景技术：

近年来，随着世界经济建设的不断发展，工程岩体的埋深也不断增加，其中核心防护工程如北美防空司令部埋深已达700m以上，核废料的深层地质处理深度已达数百米乃至上千米，矿业能源开采工程已深达三四千米以上。

在深部地下工程的施工过程中，工作面附近岩体经常受到施工开挖的爆破扰动，并且地下工程在使用期间也可能受到诸如冲击地压、地震、瓦斯爆炸等各种冲击荷载作用而产生破坏。同时，深部工程岩体处于高地应力的环境条件下，其围岩岩体在高应力状态下转化为延性，并且在开挖卸荷过程中又由延性向脆性转化，导致储存在岩体内部的弹性能在扰动等条件下释放，易于产生岩体劈裂、崩落等脆性破坏现象，甚至导致岩爆的发生，对工程的安全性造成了巨大威胁。综上所述，研究岩石材料在受到高地应力和冲击荷载联合作用下的结构特征与力学性能具有非常重要的工程意义。

分离式霍普金森压杆作为一种研究材料在高应变率一维应力状态下的动态力学性能的有效试验装置，在该领域被广泛使用。在室内试验中，常用分离式霍普金森压杆模拟冲击荷载，其上增加围压台，对试块施加围压以模拟高地应力作用，并用超声波检测仪对冲击作用后的岩石试块进行波速测定，进而研究高地应力环境下爆破冲击荷载作用过程中工程岩体的结构特征与力学性。

现有的分离式霍普金森压杆试验装置在针对高地应力环境下，冲击荷载作用过程中岩体结构的破坏与损伤方面的研究具有下列明显不足之处：(1)每次测定波速前都需要先释放围压台内的油压再将试块拆卸下来，而有时因研究需要会对同一试块进行多次冲击和检测，这就需要反复装卸试块，上述过程浪费过多不必要的时间和人力；(2)反复循环的高围岩应力加卸载过程，会导致岩体的结构特征会发生变化，因此超声波检测结果与实际会产生较大偏差，大幅度的降低了试验精度。综上所述，现有试验装置并不能完成高地应力环境下冲击试验过程中岩体结构特征与力学性的有效测定，亟待一种新型高围压条件下分离式霍普金森压杆冲击试验的试样波速测定装置的提出。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术的上述不足，提出了一种分离式霍普金森压杆冲击试验的试样波速测定装置。测定超声波波速用以判定试块的结构特征与力学性的辅助装置，主要适用于岩石在冲击荷载作用下的力学性能试验，尤其适用于高围压条件下多次冲击试验中试样的波速测定，属于土木工程领域。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种分离式霍普金森压杆冲击试验的试样波速测定装置，包括围压台，所述围压台上设有油压室，所述油压室的内部具有收容并固定试块的围压位，该围压位的两边还分别设有入射杆和透射杆，其特征在于：所述围压台上还设有一对镜像设置的波速测定装置，所述波速测定装置包括铰接在围压台上的套筒、安装在套筒内且可以在套筒内滑动的探头固定圆筒和安装在探头固定圆筒内的超声波发射器探头，对应于超声波接收器探头另一边的波速测定装置设置有超声波接收器探头，两边波速测定装置的超声波探头对夹着试块完成试样波速测定试验。

进一步地，所述套筒的端角位置通过转轴铰接安装在所述围压台上，套筒绕转轴转动齐平于入射杆时套筒内的超声波接收器探头正对着试块。

进一步地，所述套筒的筒壁上开设有一条滑槽，该滑槽底部为封闭端，所述探头固定圆筒的筒上设有一个T形的推钮，所述推钮的推钮颈部匹配置入到所述滑槽内。

进一步地，所述探头固定圆筒的前端部设有用于收容固定超声波接收器探头的圆筒凹槽，所述圆筒凹槽的后部为贯穿探头固定圆筒的用于走线的圆筒中空部分。

进一步地，所述套筒的端部还设有封盖。

本发明将两个探头尾部分别固定在两个圆筒上部的凹槽内，圆筒内部掏出贯通孔，供连接探头的同轴电缆伸出与超声波检测设备连接。圆筒外径比套筒内径稍小，且圆筒外壁设有一个T形推钮。

套筒上设有一道轴向滑槽，将T形推钮对准滑槽的位置，可以刚好将圆筒放进套筒，并可以通过沿着滑槽推拉推钮，使圆筒在套筒中移动。两个设计相同的套筒由两个转轴分别连接在围压台两侧。进行冲击试验时，可推动推钮将探头推进套筒内，并盖好封盖保护探头，转动转轴使套筒离开入射杆、试块与透射杆所在的路径，从而确保该附加装置不会影响到试验的正常进行。

冲击之后需要测定波速时，将入射杆与透射杆向远离试块的方向拉开一些，露出试块的两个端面，打开封盖，转动转轴使两侧探头正对试块端面，再推动推钮使两个探头伸出，在表面均匀涂抹耦合剂，继续推动到与试块表面贴上，使之与探头紧密贴合，即可使用超声波探测仪测定波速。

圆筒外壁和套筒内壁进行表面粗糙处理且包有薄层皮革类材料，保证圆筒在套筒内可以滑动的前提下也能保持相对稳定，即不受推力时可以稳定停在套筒内任意位置，不会随意滑动导致测定波速时难以使探头紧密贴合试块。

转轴经过特殊工艺加工，保证连接轴有一定粗糙度，转动套筒到指定位置后转轴可以凭借静摩擦力保持稳定，能够承受套筒及其内部构件的重量。封盖与套筒接口处设有螺纹，封盖可旋紧不会掉落。

本发明还公开上述试样波速测定装置的试验方法，包括以下步骤：

1）按照冲击试验的规范要求安装试块，调整好入射杆和透射杆，增加高围岩应力进行冲击试验，此时波速测定装置悬挂在两侧，不会影响冲击试验的正常进行；

2）冲击试验结束后，需要测定波速时，将入射杆与透射杆向外拉开；

3）旋开封盖，转动转轴改变套筒的方向，直至两边的超声波接收器探头和超声波发射器探头正对试块的端面；

4）推动推钮沿着滑槽滑动，使圆筒在套筒内移动，在超声波发射器探头和超声波接收器探头伸出后均匀涂上耦合剂，最终使两个探头与试块两端端面紧密接触；

5）打开超声波检测仪进行波速测定；

6）波速测定完成后，推动推钮使圆筒和探头收回至套筒底部，盖上封盖，并转动转轴使套筒垂直悬挂在围压台两侧；

7）将移开的入射杆和透射杆重新推至与试块贴合的位置，即可继续循环进行高围压条件下的冲击试验。

与现有技术相比，本发明提供的用于高围压条件下分离式霍普金森压杆冲击试验的试样波速测定装置，在降低循环高围岩应力加卸载过程对试验测试精度产生不利影响的基础上，避免了试验过程中需要反复装卸试块的不便，节省了时间和人力，大幅度的提高了试验精度与试验效率。

附图说明

图1为本发明的试验时的示意图；

图2为本发明的探头和圆筒收进套筒底部并盖上封盖的剖面图；

图3为本发明的冲击试验结束后的预进行试验的状态图；

图4为本发明的套筒的剖面图；

图5为本发明的推动推钮使探头伸出与试块贴合的状态图；

图6为本发明的圆筒的侧视剖面图。；

图7为本发明的圆筒的主视图；

图8为本发明的圆筒的俯视图；

图9为本发明的套筒的主视图；

图10为本发明的套筒的俯视图；

图11为本发明的套筒的侧视剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明提出的分离式霍普金森压杆冲击试验的试样波速测定装置，它主要包括超声波发射器探头1、超声波接收器探头2、探头固定圆筒3、T形推钮4、套筒5、滑槽6、转轴7和封盖8。

如图6至8所示，圆筒3外壁设有T形推钮4，圆筒3上部设有凹槽12用以固定超声波发射器探头1或超声波接收器探头2，连接探头的同轴电缆可以从中空部分13伸出，连接到超声波检测仪。

如图9至11所示，套筒5并未被滑槽6完全贯穿，即底部留有相连的一段封闭端15。

如图4所示，将推钮4的颈部14对准滑槽6，可以将固定有探头的圆筒3放进套筒5内，并可在其内滑动。

如图1和图2所示，当套筒5呈竖直挂在围压台16两侧时，推钮4会被底部连接段15卡住，内部圆筒3和探头不会掉落。

上述试样波速测定装置的操作方法，具体步骤如下：

1．按照冲击试验的规范要求安装试块，调整好入射杆和透射杆，增加高围岩应力进行冲击试验（图1所示），此时波速测定装置悬挂在两侧，不会影响冲击试验的正常进行。

2.冲击试验结束后，需要测定波速时，将入射杆与透射杆向外拉开。

3.旋开图1、图2所示围压台16两侧的波速测定装置中的封盖8。

4.转动转轴7改变套筒5的方向，直至内部两个探头正对试块10的端面，如图3所示。

5.根据图4，推动推钮4沿着滑槽6滑动，使圆筒3在套筒5内移动，探头伸出后均匀涂上耦合剂，最终使探头与试块10两端端面紧密接触（如图5所示）。

6.打开超声波检测仪进行波速测定；

7.波速测定完成后，推动推钮4使圆筒3和探头收回至套筒5底部，盖上封盖8，并转动转轴7使套筒5垂直悬挂在围压台16两侧；

8.将移开的入射杆9和透射杆11重新推至与试块10贴合的位置，如图1所示，即可继续进行高围压条件下的冲击试验。

上述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利和保护范围应以所附权利要求书为准。