气炮结构及相应的装置材料和规格分析

一级轻气炮的主要结构如图9-6 所示。

图9-6　一级轻气炮简图

1—气瓶；2—增压装置；3—气室；4—锥阀；5—弹体；6—发射管；7—靶室；8—回收室；9—抽真空系统；10—导轨；11—支架；12—电线插座；13—磁感应测试装置；14—靶座；15—岩样

1. 一级轻气炮的装置材料及试验材料规格

一级轻气炮的装置材料及试验材料规格见图9-7（详见参考文献）。

图9-7　一级轻气炮的装置材料及试验材料及规格

2. 试验结果与分析

岩石动态损伤大致可以分为两类：一类是从细观上直接测量冲击损伤岩石的裂纹密度—— 单位体积的裂纹数；另一类是从细观上直接测量冲击损伤岩石的波速变化，进而以波速定义岩石类脆性材料的损伤参数。本节以波速变化作简化分析。

（1）试验结果。

试验共进行6 次，对完整性较好的岩样进行了横切割分段量测声速，试验前后的岩石试件的声速测试结果见表9-3 和表9-4。

（2）试验岩样的应力—应变和损伤变量的关系。

试验岩样的应力-应变和损伤变量的关系如表9-5、图9-8、图9-9 所示。

表9-3　试验前后岩样

表9-4　试验后横向切开每部分的声速

表9-5　1-3 号岩样测试应力-应变与损伤变量的关系（试验前声速5 600 m/s）(www.xing528.com)

① 从以上损伤变量的计算可知，冲击荷载对岩石的损伤作用越大，岩石的完整性越小。当岩石未损伤时，即D=0；岩体完整，当岩石发生破裂时D=1。

② 从宏观上观察，D≤0.5 时，岩石未破坏，仅有个别裂纹；当D＞0.5 时，岩石破裂；当D≥0.7 时，岩石破裂成碎块。

图9-8　轻气炮冲击试验石灰岩样应力-应变时程曲线

图9-9　岩石冲击卸载后破损情况

（3）结果分析。

① 从轻气炮冲击试验测得的t-p 曲线图来看，具备冲击波特点，冲击波峰值上升较快，到达峰值后，大致成指数衰减。例如：2 号应力计绝对上升时间为50 μs，峰值压力为900 MPa，冲击起始点作用时间为127 μs；3 号应力计沿负方向下降25 μs，这时峰值压力为-450 MPa，作用时间为70 μs，后以60°斜率作用，峰值达到+500 MPa，作用时间持续100 μs，后以80°的斜率继续上升，又历时100 μs，峰值压力达到+3 650 MPa，距离冲击起始点时间为300 μs，然后波形平直移动作用时间1 060 μs，距离冲击起始点时间1 335 μs；4 号应力计绝对上升时间为35 μs，应力峰值达到1 175 MPa，作用持续时间116 μs。

② 根据轻气炮冲击试验测得的应变波形图（图9-8）来看，径向（应变片的轴向垂直于岩石试样的轴向表面）6 号测点最大微应变为480 με 时上升时间23 μs，作用时间94 μs，经稳定47 μs 后，应变曲线稍微下降35 μs 后，又上升至+950 με，上升时间88 μs，作用时间247 μs，然后应变曲线又稍微下降延时294 μs，然后以60°斜率上升至2 600 μs，上升时间235 μs。作用时间735 μs；8 号测点最大微应变-430 με，上升时间30 μs，作用时间108 μs，后以30°斜率上升时间40 μs，作用时间90 μs，应变达到450 με。

切向（应变片的轴向平行于岩石试样轴向的表现）测点9 第一次出现最大微应变-337 με，上升时间50 μs，作用持续时间120 μs，应变曲线平移25 μs 后以60°斜率上升最大微应变-670 με，上升时间40 μs，作用时间176 μs 后以60°斜率上升最大微应变728 με，上升时间50 μs，作用时间230 μs。

（4）结论。

① 在相同条件下，切向应变值比径向应变值小，一般切向应变值大约是径向应变值的0.73 倍。

② 根据试验，双马集团水泥股份有限公司张坝沟石灰石矿岩样的切向应变与径向应变关系可近似用表示，式中υ 取0.4，两者相位相反。

③ 从冲击试验可知，冲击波的作用不仅对于冲击中区的岩石破裂质量有影响，而且对于冲击远区的岩样也具有举足轻重的影响。

④ 岩石中宏观缺陷的存在使岩石承载能力明显下降，使应力波传播速度降低，峰值衰减明显下降，使应力传播速度降低，峰值衰减，能量耗散。

⑤ 动荷载在冲击岩石试样时，在岩样中产生应力波，从而在岩石中产生膨胀挤压作用，因而在应变测点的6 号和9 号记录的ε-t 曲线出现多次折曲波形，特别是6 号测点延续1 000 ms。

⑥ 从4 号传感器测试的结果看，应力大于碰撞压力，主要原因是：4 号压力传感器靠近自由面的岩石试样只有10 mm，应力波到达自由面时，投射波（ σ1=0）等于0；σr=-σi，这时入射波全部反射，提高了能量利用率，增大了应力值。