CN109142067B - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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。

最左侧的应变片与试件左端面保持500～600mm的距离。

一种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。

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。

本发明有效地实现了对类岩材料施加不同梯度大小的轴向静应力和不同大小的动态荷载，进而借助于应力波测试设备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。与现有技术相比，静应力梯度的大小、动荷载大小、测试精度等多方面都有较大的提升，能够为工程实践提供更加准确的理论指导。

附图说明

图1为本发明的在梯度静应力下类岩材料中应力波传播的实验装置正视图；

图2为图1的剖视图(放大)。

图中：1-轴压装置；2-下层钢板；3-滚轴；4-下层橡胶垫；5-右侧挡板；6-左侧挡板；7-中间挡板；8-透射杆；9-上层钢板；10-支柱；11-上层橡胶垫；12-应变片；13-试件；14-高强螺栓；15-入射杆；16-支架；17-异形冲头；18-高压气室；19-发射管；20-基座平台；21-超动态应变仪；22-示波器；23-微型计算机。

具体实施方式

本发明的实验装置，由基座平台20、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组成。轴向梯度静应力加载装置包括左侧挡板6、轴压装置1、中间挡板7、透射杆8、滚轴3、钢板(上层钢板9和下层钢板2)、橡胶垫(上层橡胶垫11和下层橡胶垫4)、试件13、右侧挡板5、高强螺栓14和支柱10。动态加载装置由高压气室18、发射管19、异形冲头17和入射杆15组成。数据采集和分析系统包括应变片12、超动态应变仪21、示波器22和微型计算机23；应变片12对称地粘贴在试件13的两个侧面上，关于试件13轴线对称的两个为一组，并用屏蔽导线与超动态应变仪21连接；示波器22与超动态应变仪21用电缆连接，前者可以向后者发出采集信号的指令，并显示后者采集到的电信号。微型计算机23与示波器22通过光缆连接，存储和分析示波器22上显示的信号。

基座平台20水平放置，用于支撑上部结构，并提供光滑水平的实验条件。三块挡板与基座平台20垂直，从左至右依次为左侧挡板6、中间挡板7和右侧挡板5。支柱10由两根直径为50mm的实心40Cr合金钢杆组成，其长度可根据实际需要确定为1500mm、3000mm和4500mm；支柱10依次穿过挡板上的预留孔，并在左右挡板外侧用螺帽固定，其平行于基座平台20；两支柱10的轴线间距为300mm，轴线距基座平台20上支撑面的高度为220mm。支柱10、轴压装置1与三块挡板组成一个封闭的受力框架体系，当轴压装置1对试件13施加轴向压力时，左侧挡板6和右侧挡板5承受反向荷载，并将荷载传递给支柱10，使支柱10承受拉力作用。

所述的滚轴3选用304不锈钢制成，直径可取50mm～65mm，放置间距为300mm～500mm。滚轴3直径选取的原则为使试件13与轴压装置1的加载活塞轴线重合。滚轴3的作用在于最大限度地减少下层钢板2与基座平台20上支撑面之间的摩擦力。

所述的钢板(上层钢板9、下层钢板2)采用304不锈钢制成，几何尺寸为长×宽×厚＝1700mm×215mm×10mm。沿钢板长度方向设置有两列以钢板轴线对称分布的预留螺栓孔，且同一列相邻两个螺栓孔间距相等均为135mm，孔径为16mm，预留孔圆心到钢板长边边缘的距离为40mm，两块钢板的预留螺栓孔位置一一对应。下层钢板2水平放置于滚轴3上，右端与右侧挡板5紧密接触，在下层钢板2上依次放置下层橡胶垫4、试件13、上层橡胶垫11和上层钢板9，其中，橡胶垫与钢板之间用强力胶粘接，另需保证上下两层钢板上的预留螺栓孔一一对应。钢板的作用是通过旋紧高强螺栓14对试件13和橡胶垫施加均匀的竖向压力。

所述的橡胶垫(上层橡胶垫11、下层橡胶垫4)有两个方面的作用：其一是增大摩擦，即在轴压装置1提供的轴向压力一定时，尽可能增大试件13上下表面的均布摩擦力，其厚度为2mm～5mm，亦可采用其他摩擦系数较大的材料。上下层橡胶垫分别用强力胶粘贴在上下层钢板上，使橡胶垫与上下层钢板间的静摩擦系数大于橡胶垫与类岩试件之间的静摩擦系数，以达到在对试件13施加轴向荷载时，在钢板-橡胶垫-试件13之间，试件13相对橡胶垫最先可能出现相对滑动趋势。作用之二为隔振，即最大限度地阻止试件13中的应力波能量进入钢板。

所述的试件13由类岩材料加工成横截面为正方形的长柱体，具体尺寸根据需要确定。一般可选取柱体长×横截面宽×横截面高＝1000mm～1500mm×30mm～100mm×30mm～100mm，试件13水平放置在两块橡胶垫之间，并与右侧挡板5之间预留3～5cm间距。

所述的高强螺栓14的规格为M16型，螺杆直径d＝16mm，抗拉强度400MPa。为了使上下层钢板对试件13施加的竖向压力更加均匀并保证钢板的稳定，以同一横截面的两个高强螺栓14为一组预置，其数量在6组以上。高强螺栓14的旋紧工具为数显式扭矩扳手，以对高强螺栓14施加精确的旋紧力矩。

轴向梯度静应力加载时，首先将滚轴3、下层钢板2、下层橡胶垫4、试件13、上层橡胶垫11及上层钢板9按自下而上的顺序，依次水平放置在基座平台20上。用强力胶将下层橡胶垫4粘贴在下层钢板2的上表面，将上层橡胶垫11粘贴在上层钢板9的下表面。下层钢板2和上层钢板9右端应与右侧挡板5紧密接触，试件13与右侧挡板5之间预留3～5cm间距。然后，根据拟实现的静应力梯度大小，通过计算得到需要给每个高强螺栓14施加的旋紧扭矩值T，并使用数显式扭矩扳手按照顺序依次给高强螺栓14施加目标扭矩值T，旋紧顺序为自上下层钢板中间位置的高强螺栓14开始向两端对称旋紧。最后，摇动手动液压泵的加压手柄，驱动轴压装置1的加载活塞前进，为试件13施加轴向的荷载至目标值F_N，即可使试件13内部形成沿轴向梯度变化的静应力。

在梯度静应力条件下对类岩材料动态加载时，将入射杆15的轴线与试件13的轴线对中，使入射杆15的左端面与试件13的右端面紧密接触。将异形冲头17推入发射管19中，然后向高压气室18中充入高压气体。最后开启发射阀门，利用高压气体驱动异形冲头17使其撞击入射杆15的右端面，所产生的半正弦动态加载波将沿入射杆15透射进入类岩材料试件13，即可实现对类岩材料的动态加载。

应力波信号采集和分析：当应力波到达试件13上最右侧的应变片12位置，超动态应变仪21和示波器22将被触发，开始采集类岩材料试件13中传播的应力波。将所采集到的应力波信号存储到微型计算机23中，利用采集的试件13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，进而得到梯度静应力下类岩材料中的应力波传播特性。

实施例：

本实例将详述在梯度静应力下类岩材料中应力波传播的实验过程。

(1)试件制备与应变片粘贴。类岩材料试件13由红砂岩加工而成柱体，其横截面为正方形，几何尺寸为柱体长×横截面宽×横截面高＝1500mm×100mm×100mm。拟在试件13的两个平行侧面对称地粘贴五组BX120-2AA箔式电阻应变片，同一侧相邻两个应变片12的间距均为200mm，最右侧一组应变片12距离试件13右端面150mm，最左侧一组应变片12距离试件13左端面550mm。首先用铅笔在试件13两个平行的侧面上对称地标出应变片12的粘贴位置，然后将应变片12粘贴到相应位置。

(2)确定轴压装置施加压力值和高强螺栓的旋紧扭矩。本例拟对试件13施加梯度为2MPa/m的轴向静应力。根据试件13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1需提供的轴向压力，即：

式(1)中：F_N为轴压装置1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13的任意横截面与其右端面的距离，A为试件13的横截面面积。本例中l＝1.5m，k＝2MPa/m，A＝0.01m²，代入式(1)，计算得F_N＝22.5kN。

在完成施加目标梯度静应力时，试件13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＝22.5kN；

进而可以计算出通过高强螺栓14需要给下层橡胶垫4、上层橡胶垫11和试件13之间提供的正压力F，即

式(2)中：μ为试件13的上下表面与橡胶垫的接触面间的静摩擦系数，本例中μ＝0.3。基于式(2)计算得到高强螺栓14提供的总正压力为F＝75kN。

通过数显式扭矩扳手需要给每一根高强螺栓14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14提供的扭矩；n为高强螺栓14的总数量；ξ为旋紧力系数，根据高强螺栓14的规格查阅机械手册取值为0.2；d为高强螺栓14的公称直径。本例中高强螺栓14的规格为M16型螺栓，公称直径d＝16mm，抗拉强度400MPa，抗剪强度为320MPa，数量为14根，即n＝14，d＝16mm，依据式(3)计算得到每根高强螺栓14的旋紧扭矩T＝8.57N·m。

(3)安装轴向梯度静应力加载实验装置。首先在基座平台20上等间距地放置滚轴3，滚轴3上放置下层钢板2，并用强力胶将下层橡胶垫4粘贴在下层钢板2的上表面，然后在下层橡胶垫4上依次放置试件13、上层橡胶垫11和上层钢板9，并且用强力胶将上层橡胶垫11粘贴在上层钢板9的下表面，上下层钢板之间的对称线与试件的轴心线重合；上下层钢板的右端与右侧挡5板紧密接触，试件13右端面与右侧挡板5之间预留3～5cm间距。将透射杆8放置在轴压装置1和试件13之间，并调整轴压装置1的加压活塞、透射杆8、试件13三者的轴线重合。

(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14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14施加旋紧力矩时，应分别多次加载，即先对全部高强螺栓14施加小于目标值T的扭矩，然后继续对高强螺栓14施加扭矩到目标值T；高强螺栓14的旋紧顺序为：自上下层钢板中间位置的高强螺栓14开始向两端对称地旋紧。

(5)通过轴压装置对试件施加轴向荷载。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1的活塞前进至透射杆8刚好接触试件13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1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。

(6)数据采集和分析系统的准备。首先完成应变片12、超动态应变仪21、示波器22、微型计算机23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21的使用手册调整超动态应变仪21各通道的电桥平衡，设置示波器22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22为待触发状态。

(7)动态荷载施加与信号采集。将入射杆15的轴线与试件13的轴线对中，使入射杆15的左端面与试件13的右端面紧密接触。开启发射阀门，利用高压气室18中的高压气体驱动发射管19中的异形冲头17，使其撞击入射杆15的右端面，所产生的半正弦动态加载波将沿入射杆15透射进入类岩材料试件13，实现对类岩材料的动态加载。当应力波到达试件13上最右侧的应变片12位置，数据采集系统将被触发，开始采集类岩材料试件13中传播的应力波。

(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23中，利用采集的试件13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。

Claims (2)

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。

Images