[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

权利要求书

1.在梯度静应力下类岩材料中应力波传播的实验方法，包括以下步骤：

步骤1，试件制备与应变片粘贴；

试件为柱体类岩材料，其横截面为正方形，几何尺寸为：柱体长×横截面宽×横截面高＝1000mm～1500mm×30mm～100mm×30mm～100mm；用铅笔在试件两个平行的侧面上对称地标出应变片的粘贴位置；为保证试件上最左侧的应变片能够采集到完整的、无叠加的入射首波，其粘贴位置应与试件左端面保持500～600mm的距离，然后将应变片粘贴到标示位置；

步骤2，确定轴压装置施加压力值和高强螺栓的旋紧扭矩；

根据试件的几何尺寸和需要实现的轴向静应力梯度，按式(1)计算确定轴压装置需提供的轴向压力值，即：

式(1)中：F_N为轴压装置需要提供的轴向压力，l为试件的长度，k为静应力梯度，x为试件的任意横截面与试件右端面的距离，A为试件的横截面面积；

在完成施加目标梯度静应力时，试件与橡胶垫之间处于运动的极限平衡状态，依据静力学平衡，可以推知试件的上下表面与上下层橡胶垫的接触面间所需要达到的总滑动摩擦力F_s＝F_N；

进而可以计算出通过高强螺栓需要给下层橡胶垫、上层橡胶垫和试件之间提供的正压力F，即：

式(2)中：μ为试件的上下表面与橡胶垫的接触面间的静摩擦系数，可用倾斜法测得橡胶垫和试件间的静摩擦系数；

通过数显式扭矩扳手需要给每一根高强螺栓提供的扭矩可以按式(3)计算得到：

式(3)中：T为数显式扭矩扳手需要给每一根高强螺栓提供的扭矩；n为高强螺栓的总数量；ξ为旋紧力系数，根据高强螺栓的规格查阅机械手册取值；d为高强螺栓的公称直径；

步骤3，安装轴向梯度静应力加载实验装置；

首先在基座平台上等间距地放置滚轴，滚轴上放置下层钢板，并用强力胶将下层橡胶垫粘贴在下层钢板的上表面，然后在下层橡胶垫上依次放置试件、上层橡胶垫和上层钢板，并且用强力胶将上层橡胶垫粘贴在上层钢板的下表面；上下层钢板的右端与右侧挡板紧密接触，试件右端面与右侧挡板之间预留3～5cm间距；将透射杆放置在轴压装置和试件之间，并调整轴压装置的加压活塞、透射杆、试件三者的轴线重合；

步骤4，利用数显式扭矩扳手对高强螺栓施加所需的旋紧力矩；

在对高强螺栓施加旋紧力矩时，需要进行多次检验，以防止出现松动现象；对高强螺栓施加旋紧力矩时，应分别多次加载，即先对全部高强螺栓施加小于目标值T的扭矩，然后继续对高强螺栓施加扭矩到目标值T；

步骤5，通过轴压装置对试件施加轴向压力；

首先将手动液压泵调整至加压挡位，摇动加压手柄使得轴压装置的活塞前进至透射杆刚好接触试件左端面的位置；然后匀速缓慢地摇动加压手柄，使得轴压装置的活塞继续匀速缓慢地前进，并不断观测压力表的读数，直至达到计算得到的压力值F_N，停止加压；

步骤6，数据采集和分析系统的准备；

首先完成应变片、超动态应变仪、示波器、微型计算机之间的连接；检查各设备是否处于正常工作状态，按照超动应变仪的使用手册调整超动态应变仪各通道的电桥平衡，设置示波器的触发通道、触发电平、采样频率、采样时间等参数，最后设置示波器为待触发状态；

步骤7，动态荷载施加与信号采集；

将入射杆的轴线与试件的轴线对中，使入射杆的左端面与试件的右端面紧密接触；开启发射阀门，利用高压气室中的高压气体驱动发射管中的异形冲头，使其撞击入射杆的右端面，所产生的半正弦动态加载波将沿入射杆透射进入类岩材料试件，实现对类岩材料的动态加载；当应力波到达试件上最右侧的应变片位置，数据采集系统将被触发，开始采集类岩材料试件中传播的应力波；

步骤8，信号存储与分析；

将所采集到的应力波信号存储到微型计算机中，利用采集的试件不同横截面上的应力波，结合小波包理论，分别在时域和频域内对应力波信号进行分析研究，进而得到在梯度静应力下类岩材料中的应力波传播特性；

所述实验装置，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，其特征是：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。

2.根据权利要求1所述的在梯度静应力下类岩材料中应力波传播的实验方法，其特征是：高强螺栓的旋紧顺序为：自上下层钢板中间位置的高强螺栓开始向两端对称地旋紧。