本发明提供了一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，包括承压腔体装置和液体施加装置；所述承压腔体装置包括一个整体成型结构的金属腔体外壳，所述金属腔体外壳的两侧设置用于安放试样的孔洞，所述金属腔体外壳的两侧分别固定连接金属法兰盘，所述金属法兰盘内侧与试样的接触处设置环形槽，所述环形槽内设置套在试样上的第一密封件，所述金属腔体外壳的侧壁位置设置观察窗，所述观察窗处设置高速摄像装置。本发明还提供了一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加方法。本发明提供的一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置及方法，不仅充填液体类型多样化，而且装置便于组装拆卸，还可防止装置内的液体外漏，并观察试样与液体的动态变化过程，能够很好地完成岩石动力学相关测试任务。
1.一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，包括承压腔体装置和液体施加装置；其特征在于：所述承压腔体装置包括一个整体成型结构的金属腔体外壳(1)，所述金属腔体外壳(1)的两侧设置用于安放试样(5)的孔洞，所述金属腔体外壳(1)的两侧分别固定连接金属法兰盘(2)，所述试样(5)端部穿过所述金属法兰盘(2)并通过金属法兰盘(2)固定在所述金属腔体外壳(1)两侧，所述金属法兰盘(2)内侧与试样(5)的接触处设置环形槽(21)，所述环形槽(21)内设置套在试样(5)上的第一密封件(4)，所述金属腔体外壳(1)的侧壁设置观察窗(7)，所述观察窗(7)处设置高速摄像装置(8)，所述高速摄像装置(8)与图像采集设备(9)连接，所述试样(5)为两段圆柱体状的人工节理岩体试样，安置在金属腔体外壳(1)两端圆面的孔洞中，当人工节理岩体试样(5)连同液体施加装置一起，置于分离式霍普金森压杆设备中时，露出金属腔体外壳(1)的人工节理岩体试样(5)的两端分别与分离式霍普金森压杆设备的输入杆(6)与输出杆(15)接触, 且两段圆柱状人工节理岩体试样(5)之间会形成接触面，该接触面作为人工模拟岩体节理面，在人工节理岩体试样(5)的节理面及端头局部位置处充满充填液体(10)。
2.根据权利要求1所述的法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，其特征在于：所述金属法兰盘(2)通过金属螺丝(3)与所述金属腔体外壳(1)可拆卸连接。
3.根据权利要求1所述的法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，其特征在于：所述观察窗(7)采用高强度钢化玻璃制成，通过第二密封件(20)设置在所述金属腔体外壳(1)侧壁上。
4.根据权利要求2所述的法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，其特征在于：所述试样(5)为两个圆柱型试样，所述试样(5)一端分别安装在所述金属腔体外壳(1)上，另一端分别与分离式霍普金森压杆设备的输入杆(6)和输出杆(15)接触。
5.根据权利要求3所述的法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，其特征在于：所述试样(5)上设置位置刻度线(22)，所述第一密封件(4)根据试验需要设置在位置刻度线(22)的预定位置。
6.根据权利要求1-5任一项所述的法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，其特征在于：所述第一密封件(4)为橡胶密封圈。
7.根据权利要求3或5所述的法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，其特征在于：所述第二密封件(20)为橡胶密封件。
8.根据权利要求1所述的法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，其特征在于：所述液体施加装置包括静态压力计(13)，液体增压泵(14)，设置在金属腔体外壳(1)上端的液体增压泵端部阀门(11)，设置在金属腔体外壳(1)下端、可向金属腔体外壳(1)内充入充填液体(10)的液体进出阀门(19)，设置在所述金属腔体外壳(1)内部的动态液体压强传感器(16)，以及与所述动态液体压强传感器(16)通过导线(17)连接的动态信号分析仪(18)，所述液体增压泵端部阀门(11)与所述液体增压泵(14)通过导管(12)连接。
9.根据权利要求8所述的法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，其特征在于：所述充填液体(10)为水、水溶液或油。
10.一种权利要求1-9任一项所述的法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置的施加方法，其特征在于，包括如下步骤：根据测试需要，将第一密封件(4)安放到试样(5)的位置刻度线(22)上的预定位置；
将试样(5)一端分别伸入金属腔体外壳(1)，安装金属法兰盘(2)使第一密封件(4)容置在金属法兰盘(2)的环形槽(21)内，拧紧金属螺丝(3)挤压第一密封件(4)对试样(5)与金属腔体外壳(1)的连接处密封；
将金属腔体外壳(1)置于分离式霍普金森压杆设备上，使试样(5)的另一端分别与输入杆(6)和输出杆(15)接触；
经液体进出阀门(19)向金属腔体外壳(1)中充入充填液体(10)，待液体充满后关闭液体进出阀门(19)；
启动液体增压泵(14)向金属腔体外壳(1)内施加压力，压强达到测试要求后，关闭增压泵端部阀门(11)与液体增压泵(14)；
调试并启动分离式霍普金森压杆设备，对试样(5)进行动力试验测试。
一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及岩石动力学试验技术领域，特别涉及一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置及其施加方法。
背景技术
[0002] 在地下工程或水利工程中，地震或爆破等动态荷载会引起应力波的产生与传播，对工程造成影响。节理在天然岩体中较为常见，且多为充填节理，填充材料可为砂砾、黏土、水、油等物质。应力波在充填节理中传播规律的研究，对岩体工程安全性预测评价具有重要意义。目前对固体或固体与液体混合物作为充填材料的研究较为充分，但很少涉及液体充填材料的探究。
[0003] 因此对于充液节理岩体情况的动力测试工作，显得尤为重要。当前岩石动力学试验测试中，分离式霍普金森压杆设备应用广泛，但辅助该动力试验设备，用以探究岩体试样节理面处施加液体情况的装置很少，不能很好地满足岩石动力学试验研究与实际工程的需要。
[0004] 当前的SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，其承压腔体装置的金属外壳分为两部分，在安装试样比较方便。但由于金属外壳的两部分拼接处、以及试样与金属外壳的接触处密封效果比较差，在施压测试过程中很容易出现液体渗漏问题，从而影响岩石动力学试验效果。此外，由于试样装置为密闭体系，不能很好地观察冲击荷载作用下试样与液体的动态变化过程。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种能够防止液体渗漏且可以观察试样与液体动态变化过程的法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，以便更好地完成岩石动力学相关测试任务。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，包括承压腔体装置和液体施加装置，所述承压腔体装置包括一个整体成型结构的金属腔体外壳，所述金属腔体外壳的两侧设置用于安放试样的孔洞，所述金属腔体外壳的两侧分别固定连接金属法兰盘，所述试样端部穿过所述金属法兰盘并通过金属法兰盘固定在所述金属腔体外壳两侧，所述金属法兰盘内侧与试样的接触处设置环形槽，所述环形槽内设置套在试样上的第一密封件，所述金属腔体外壳的侧壁设置观察窗，所述观察窗处设置高速摄像装置，所述高速摄像装置与图像采集设备连接。
[0007] 进一步地，所述金属法兰盘通过金属螺丝与所述金属腔体外壳可拆卸连接。
[0008] 进一步地，所述观察窗采用高强度钢化玻璃制成，通过第二密封件设置在所述金属腔体外壳侧壁上。
[0009] 进一步地，所述试样为两个圆柱型试样，所述试样一端分别安装在所述金属腔体外壳上，另一端分别与分离式霍普金森压杆设备的输入杆和输出杆接触。
[0010] 进一步地，所述试样上设置位置刻度线，所述第一密封件根据试验需要设置在位置刻度线的预定位置。
[0011] 进一步地，所述第一密封件为橡胶密封圈。
[0012] 进一步地，所述第二密封件为橡胶密封件。
[0013] 进一步地，所述液体施加装置包括静态压力计，液体增压泵，设置在金属腔体外壳上端的液体增压泵端部阀门，设置在金属腔体外壳下端、可向金属腔体外壳内充入充填液体的液体进出阀门，设置在所述金属腔体外壳内部的动态液体压强传感器，以及与所述动态液体压强传感器通过导线连接的动态信号分析仪，所述液体增压泵端部阀门与所述液体增压泵通过导管连接。
[0014] 进一步地，所述充填液体为水、水溶液、油或其他液体材料。
[0015] 本发明还提供了一种法兰式液体施加装置的施加方法，包括如下步骤：
[0016] 根据测试需要，将密封件安放到试样的位置刻度线上的预定位置；
[0017] 将试样一端分别伸入金属腔体外壳，安装金属法兰盘使密封件容置在金属法兰盘的环形槽内，拧紧金属螺丝挤压密封件对试样与金属腔体外壳的连接处密封；
[0018] 将金属腔体外壳置于分离式霍普金森压杆设备上，使试样的另一端分别与输入杆和输出杆接触；
[0019] 经液体进出阀门向金属腔体外壳中充入充填液体，待液体充满后关闭液体进出阀门；
[0020] 启动液体增压泵向金属腔体外壳内施加压力，压强达到测试要求后，关闭增压泵端部阀门与液体增压泵；
[0021] 调试并启动分离式霍普金森压杆设备，对试样进行动力试验测试。
[0022] 本发明提供的一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置及其施加方法，在现有岩石动力学试样广泛应用的分离式霍普金森压杆试验设备基础上，利用承压腔体装置容纳人工节理岩体试样并观察试样同液体动态变化过程，利用液体施加装置对人工节理岩体试样进行液体充填、增加压力及液压监测，实现对水、水溶液、油或其他液体材料的施加，进而实现充液节理岩体试样的冲击加载，能更为全面地探究应力波与充液节理岩体的相互作用规律。并且，承压腔体装置的金属腔体外壳为整体成型结构，与金属腔体外壳连接的金属法兰盘内侧的环形槽内设置密封件，在拧紧金属螺丝时，可对密封件施加挤压作用，从而使承压腔体装置能够达到更好的密封效果，不仅充填液体类型多样化，而且装置便于组装拆卸，还可防止装置内的液体外漏，此外，引入观察窗与高速摄像装置，可以更为直观地观测冲击荷载作用下试样与液体的动态变化过程，能够很好地完成岩石动力学相关测试任务。
附图说明
[0023] 图1为本发明实施例提供的一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置的整体示意图；
[0024] 图2为本发明实施例提供的一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置的横向剖视图；
[0025] 图3为本发明实施例提供的一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置的观察窗结构示意图；
[0026] 图4为本发明实施例提供的一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置的金属法兰盘结构示意图；
[0027] 图5为本发明实施例提供的一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置配套使用的人工节理岩体试样结构示意图。
具体实施方式
[0028] 参见图1，本发明实施例提供的一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，包括对所述试样的端部进行容纳、观察试样同液体变化过程的承压腔体装置和对所述试样进行液体充填、施加压力以及液体压强监测的液体施加装置。其中，所述承压腔体装置包括金属腔体外壳1、金属法兰盘2、金属螺丝3、第一密封件4、观察窗7、高速摄像装置8、图像采集设备9，所述液体施加装置包括设置在金属腔体外壳1上端位置的液体增压泵端部阀门11、与液体增压泵端部阀门11经导管12相连接的液体增压泵14、布设在液体增压泵14上的静态压力计13、设置在金属腔体外壳1下端位置的液体进出阀门19、设置于金属腔体外壳1内侧的动态液体压强传感器16、与动态液体压强传感器16通过导线17连接的动态信号分析仪18，金属腔体外壳1内可以通过液体进出阀门19充满充填液体10。设置在金属腔体外壳
1上端位置的液体增压泵端部阀门11与液体增压泵14共同使用，便于调节金属腔体外壳1内的液体压强的增加与释放，用以实现试样5节理面位置处不同压强量值的施加。试样5的外侧布置第一密封件4，作为本发明的一种具体实施方式，第一密封件4采用橡胶密封圈。金属腔体外壳1的两侧设置有孔洞，将试样5一端分别安装在孔洞内，将金属法兰盘2通过金属螺丝3安装在金属腔体外壳1两侧，对试样5起到固定作用。将安装好试样5的液体施加装置布设于分离式霍普金森压杆设备上，经输入杆6传播来的入射应力波会通过待测对象，并继续通过输出杆15进行传播，预先布设在输入杆6与输出杆15上的电阻应变片，会对应力波传播引起的信号变化进行收集记录，便于后续动力试验测试结果的分析。
[0029] 其中，试样5为两段圆柱体状的人工节理岩体试样，安置在金属腔体外壳1两端圆面的孔洞中，当人工节理岩体试样5连同液体施加装置一起，置于分离式霍普金森压杆设备中时，露出金属腔体外壳1的人工节理岩体试样5的两端分别与分离式霍普金森压杆设备的输入杆6与输出杆15接触。且两段圆柱状人工节理岩体试样5之间会形成接触面，该接触面作为人工模拟岩体节理面，在人工节理岩体试样5的节理面及端头局部位置处充满待充填液体10。充填液体10可以为水，如自来水、盐水等，也可为油，如石油等，还可为实际工程中可能涉及到的其他液体类型。
[0030] 参见图2，人工节理岩体试样5的一端由充填液体10包围，两者均布置于金属腔体外壳1中。
[0031] 参见图3，所述金属腔体外壳1的侧壁上设置有观察窗7，观察窗7采用高强度钢化玻璃制成，通过第二密封件20固定在金属腔体外壳1上，作为本发明的一种具体实施方式，第二密封件20为橡胶制密封器件。在观察窗7位置处设置有高速摄像装置8，用以记录冲击荷载作用下试样与液体的动态变化过程。通过试样表面特征变化情况的图像记录，可以有效地对微裂纹等的产生、演化阶段信息进行分析，推演裂纹发展全过程，加深对岩石动力响应的认识；通过对液体动力性态的观测，可以更为直观地研究充填液体动态响应变化过程，揭示充填液体流态特征。为进一步探究人工节理岩体试样5与充填液体10间的相互作用规律奠定基础。
[0032] 参见图4，金属法兰盘2内侧与试样5的接触处设置有与第一密封件4相匹配的环形槽21，在将人工节理岩体试样5安装金属腔体外壳1上时，将套在人工节理岩体试样5上的第一密封件4容置在金属法兰盘2的环形槽21内，环形槽21可以限制第一密封件4的位置，当拧紧金属螺丝3时，通过金属法兰盘2的固定与挤压作用，可使第一密封件4紧密的贴合在人工节理岩体试样5的外围，能够增强装置的液体密封性，可有效防止充填液体10从金属腔体外壳1与试样5的接触处间隙向承压壳体装置外渗漏，实现了第一密封件4对人工节理岩体试样5与金属腔体外壳1接触处的良好密封效果。
[0033] 参见图5，所述人工节理岩体试样5上标记有位置刻度线22，可以结合试验需要，将密封件4布置在人工节理岩体试样5的轴向特定位置。
[0034] 本发明实施例提供的一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置，以自来水作为充填液体10为例，其工作原理及工作过程具体如下：
[0035] 首先，结合测试需要，将橡胶密封圈4布设在人工节理岩体试样5的轴向特定位置，将人工节理岩体试样5的端部伸入金属腔体外壳1，将金属法兰盘2穿过人工节理岩体试样5，调整好螺丝孔位置，利用金属螺丝3对金属法兰盘2进行固定，完成承压壳体装置的拼接组装工作。然后，将安置好人工节理岩体试样5的承压壳体装置，放置于分离式霍普金森压杆试验设备上，将输入杆6和输出杆15分别与露出金属腔体外壳1的两个人工节理岩体试样
5的端面进行接触。随后，开启设置在金属腔体外壳1下端位置的液体进出阀门19，将充填液体10，该处为自来水，注入承压壳体装置中，等到液体充满装置后，关闭液体进出阀门19，使用液体增压泵14，通过连接导管12向承压壳体装置内施加压力,通过布设在液体增压泵14上的静态压力计13来监测承压壳体装置内的压强变化，待达到测试要求压强值后，关闭液体增压泵端部阀门11与液体增压泵14，至此完成人工节理岩体试样5的液体施加工作。最后，调试并启动分离式霍普金森压杆设备，使得输入杆6对人工节理岩体试样5进行冲击，应力波通过人工节理岩体试样5后传至输出杆15，通过安装在金属腔体外壳1侧壁观察窗7上的高速摄像装置8，布设于输入杆6与输出杆15上的电阻应变片，以及设置于所述金属腔体外壳内侧的动态液体压强传感器16对过程的状态变化与信号序列进行实时采集，记录并整理试验数据，完成岩石动力学试验测试任务。
[0036] 本发明提供的一种法兰式SHPB用充液节理岩体试样液体施加装置及方法，不仅充填液体类型多样化，而且装置便于组装拆卸，还可防止装置内的液体外漏，此外，观察窗与高速摄像装置的引入，可以更为直观地观测冲击荷载作用下试样与液体的动态变化过程，能够很好地完成岩石动力学相关测试任务。
[0037] 最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
