[发明专利]在梯度静应力下类岩材料中应力波传播的实验方法及装置

说明书

本发明涉及应力波传播规律的测试技术，特别是一种在梯度静应力下类岩材料中应力波传播的实验方法及装置。本发明提出了对大尺寸类岩材料试件实现轴向动应力和梯度静应力的组合加载方法，设计了类岩材料的轴向梯度静应力加载装置，该装置可以实现不同大小的静应力梯度，进而结合动态加载装置和数据采集分析系统，实现了在梯度静应力下类岩材料中应力波传播规律的测试。其操作简单易行，与现有技术相比，在静应力梯度的大小、动载大小、测试精度等方面，均有较大的提升，能够为相关理论研究和工程实践提供更为有效的指导。

技术领域

本发明涉及对大尺寸类岩材料试件在梯度静应力与动态荷载组合条件下的加载技术，具体是一种在梯度静应力下类岩材料中应力波传播的实验方法及装置。

背景技术

近年来，针对地震灾害频繁发生和爆破拆除建(构)筑物以及开挖各类地下岩土体工程的实际情况，为达到防灾减灾和安全高效施工的目的，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之一。

爆破应力波在地下岩体中传播时，距震源不同距离的围岩已具有大小不等的静应力(简称为梯度静应力)，这主要由以下两方面引起的：一是原岩应力大小本身随空间的变化而变化；二是地下工程岩体开挖卸荷导致围岩体中的应力场发生较大变化，例如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为未开挖前的原岩应力大小，R₀是巷道半径，r是围岩到巷道圆心的距离)。目前对岩石中应力波传播衰减特性研究，主要集中在岩体孔隙率和多相性、岩性、结构面尺度和刚度对应力波传播的影响，仅有部分学者研究了均匀初始应力对岩石中应力波波速和幅值的影响，对具有梯度应力的岩体中应力波传播衰减特性及机理鲜有研究。其客观原因在于，常规加载实验装置通常在试件的两个端面进行加载，当试件横截面面积相同时，每个横截面上的静应力大小相等，即均匀静应力。虽然也有通过悬挂配重联合激振器给试件施加梯度静应力和动态荷载的装置出现，但这种装置存在两个方面的缺点：一是该装置能够实现的静应力梯度和动态荷载大小均较小，不能对类岩材料产生较明显的作用效果；二是该装置的精度较低，尚且不能满足研究梯度静应力下类岩材料的应力波传播特性的精度需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种在梯度静应力下类岩材料中应力波传播的实验方法及装置，它不仅能对类岩材料施加不同大小的轴向动态荷载，还能实现对其施加不同梯度大小的轴向静应力，并且轴向静应力梯度的变化范围大，操作简便易行，为进一步开展类岩材料在梯度静应力条件的应力波传播特性研究提供了实验条件。

本发明的技术方案：

一种在梯度静应力下类岩材料中应力波传播的实验装置，包括基座平台、轴向梯度静应力加载装置、动态加载装置及数据采集和分析系统；所述的动态加载装置安装在基座平台上，自右至左依次为高压气室、发射管、入射杆，入射杆由固定于基座平台上的支架支撑，其轴线与试件的轴线重合；异形冲头位于发射管中，利用高压气室中储存的高压气体驱动发射管中的异形冲头，使异形冲头撞击入射杆以产生动态荷载；所述的数据采集和分析系统包括应变片、超动态应变仪、示波器和微型计算机，应变片对称粘贴在试件的两侧面，并用屏蔽导线与超动态应变仪连接；示波器与超动态应变仪用电缆连接，示波器向超动态应变仪发出采集信号的指令，并显示超动态应变仪采集到的电信号；微型计算机与示波器通过光缆连接，用于存储和分析示波器上显示的信号；

所述的轴向梯度静应力加载装置包括固定于基座平台上的左侧挡板、中间挡板和右侧挡板，安装于左侧挡板和右侧挡板上的支柱，布置于基座平台上的轴压装置及透射杆，放置在基座平台上的滚轴，在滚轴上从下往上依次放置有下层钢板、下层橡胶垫、试件、上层橡胶垫、上层钢板，下层钢板与下层橡胶垫之间、上层橡胶垫与上层钢板之间分别粘接在一起，上层钢板与下层钢板两侧之间通过均匀、对称布置的高强螺栓连接，上层钢板与下层钢板的右端与右侧挡板紧密接触，试件的右端与右侧挡板之间留有间距，上层钢板与下层钢板之间对称线与试件的轴心线、轴压装置及透射杆的轴心线重合。

试件右端面与右侧挡板之间有3～5cm间距。