[发明专利]测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法及装置

说明书

本发明涉及应力波传播规律的测试技术，特别是一种测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法及装置。本发明提出了近似梯度静应力加载方法，设计了对固体材料施加梯度静荷载的装置，该装置可以得到不同大小和形式的静应力梯度形式，如一次函数式梯度静应力、二次函数式梯度静应力，进而借助于应力波测试设备实现了近似梯度静应力下应力波传播规律的测试。与现有技术相比，无论从与实际工程应力环境的仿真度，还是动力扰动的形式上，都有较大的提升，能够为工程实践提供更加准确的理论指导。

技术领域

本发明涉及测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法及装置。

背景技术

近年来，由于地震自然灾害的频繁发生、爆破拆除大型建(构)筑物和各类岩土体工程爆破开挖导致围岩稳定性研究的需要，应力波在各类岩土体或混凝土介质中的传播特性一直是研究的热点领域之一。研究应力波在岩土体中的传播特性，对地下岩土体工作面超前应力探测、围岩体在动载荷作用下的稳定性分析、地球物理和资源勘探、地震预报以及改善岩土体爆破效果等都具有重要的理论和实用价值。

目前对应力波在岩石(体)中的传播衰减研究，主要集中在岩体孔隙、不同岩性、不同尺度的节理以及岩体的多相性对应力波传播衰减的影响。然而，随着各类工程建设的开展，越来越多的工程结构(或介质)是在一定的梯度静应力下承受动力扰动，在承受动载荷之前构件不同横截面上的静应力大小不相等，其大小沿构件的轴向具有一定的变化，即所谓的梯度应力。比如框架结构高层建筑的混凝土柱，若其横截面面积相同，其承受的轴力从上往下逐渐增大，导致其横截面上的轴向压应力也逐渐增大，呈梯度应力状态。地下工程岩体(特别是深部工程岩体)开挖时，围岩体承受的静应力也属于梯度应力状态，这主要有以下两方面引起的：一是原岩应力大小本身随空间的变化而变化，在仅考虑自重应力时，原岩应力大小在竖直方向呈线性变化，围岩的位置越深，自重地应力值越大；二是地下工程岩体开挖卸荷导致附近围岩体中的应力场发生较大变化，例对深埋圆形巷道开挖的理论分析表明，开挖后围岩径向应力为(p₀为原岩应力大小，R₀为巷道半径，r为围岩到巷道圆心的距离)。目前学术界有一个共识，在研究材料或构件力学特性时，应考虑构件的实际静应力环境。根据现有研究结果，介质中应力波传播波速与承受的静应力大小关系密切，在一定静应力范围内，静应力越大，纵波波速越大，且波速值的大小与介质的密度呈正向相关。波阻抗是反应介质动力特性的基本物理量，其值是波速与密度的乘积，即介质的波阻抗与其静应力的大小也呈正相关性。因此具有梯度静应力构件中的应力波传播衰减规律必然与具有均匀静应力时的情况不同。然而，如何对试件施加轴向梯度静应力并测试其应力波传播规律，目前尚且没有一种可行的方法和试验装置。基于此，本发明提出一种测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法和装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法及装置，本发明实现了对测试对象施加近似梯度静应力，以模拟研究工程结构或构件所处的梯度静应力环境及其应力波传播规律。

本发明的技术方案：

一种测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的装置，包括近似梯度静应力加载装置和应力波信号激发及采集部分；

所述的近似梯度静应力加载装置包括平台，固定于平台四角的立柱，在平台的中央设置有基座；在立柱上配有上下滑动的水平框架，水平框架由升降装置驱动；在水平框架的中央设置有矩形框，矩形框的中心与基座中心位于同一铅垂线上(轴线)；试件直立于基座上，其上端套于矩形框中，顶部布置有激振器；试件自上而下的两组相对侧面上交替安装有加载梁；加载梁上对称地布置有加载孔，加载孔上对称地挂有砝码；同时位于试件同一侧面上相邻的下一加载梁的长度短于上一加载梁的长度，防止下一加载梁影响上一加载梁上砝码的悬挂；在试件的同一侧面上均匀地布置有应变片，另一相邻的试件侧面上均匀地布置有加速度传感器；