CN109540661B - 一种动态应力和梯度应力组合加载实验装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种动载和梯度应力加载实验装置和方法，本装置包括梯度应力构造器，该梯度应力构造器包括蜂窝油缸，蜂窝油缸上安装有相互独立的加载板，加载板形成封闭的加载面，加载板由伺服液压系统中的分油路控制，在岩石试样一侧设置有动态加载装置，该动态加载装置施加动态载荷，利用围压加载装置施加围压，本装置可以通过液压伺服控制器精准地构建出加载在岩石试样上的应力曲面；本方法通过上述装置，分别利用三次函数方程及高斯函数方程拟合应力曲面，从而研究岩石试样在梯度应力下的所显现出来的动力学特性及变化破坏特征，实验结果更加符合现场实际情况。

Description

一种动态应力和梯度应力组合加载实验装置和方法
技术领域
本发明涉及一种实验装置及方法，具体涉及一种动态应力和梯度应力组合加载实验装置和方法，属于岩石力学实验领域。
背景技术
矿山或地质施工过程中，地下工程围岩所受应力在各个面上非均匀分布，通常情况下，围岩所受局部压力沿着某个方向呈现逐渐增大或减小、先增大再减小或先减小再增大的现象；而采场附近存在煤柱或其它地质构造影响时，则围压所受的压力会形成局部异常增大而四周较小的现象。
当应力场在空间上形成曲面时，即以岩石的应力加载面为x-y面、以垂直与该x-y面的方向为z轴，其中以x轴及y轴记为加载面的横坐标及纵坐标、以z轴记为应力值，加载在该岩石上的应力场在该空间坐标系中为一个不规则曲面，此状态下，岩体内部应力更加容易产生集聚，因此岩石失稳及破坏更容易；尤其是在井下采掘过程中，工作面呈现周期性来压，更易引发地下工程中冲击地压、岩爆等灾难性事故。
目前，国内外学者对岩石力学实验多集中在研究岩石在单轴、双轴、三轴等均匀加载下的所显现的力学特性及变形破坏特征，其中单轴、双轴、三轴均采用伺服控制，以实现精确的位移和应力控制，来获得准确的实验结果。但是，上述研究中鲜有对梯度应力加载下的岩石进行研究。这是由于受到实验装置所限制，普通的电液伺服加载设备难以在小面积上产生密集的、非均匀的应力，也没有其他的实验设备在伺服控制下实现精确地梯度应力加载。另外，梯度应力加载相较于平面应力加载下，岩石所表现出的力学特性及变形破坏特征具有较大的差异性；不仅如此，如何拟合加载在岩石上的应力曲面，使之更加符合现场实际情况，也是较难解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有的岩石力学实验大多缺少梯度应力加载导致实验结果与实际出入较大，难以实现复杂应力条件下岩石破坏的模拟研究的问题，发明一种动态应力和梯度应力组合加载实验装置和方法，可以精准地构建出加载在岩石试样上的应力曲面，研究岩石试样在梯度应力下的所显现出来的动力学特性及变化破坏特征，实验结果更加符合现场实际情况。
本发明的技术方案之一是：
一种动态应力和梯度应力组合加载实验装置，包括：梯度应力构造器、围压加载装置、伺服液压系统、动态应力加载装置；
所述梯度应力构造器位于立方体岩石试样右侧，该梯度应力构造器包括蜂窝缸体；所述蜂窝缸体中部设有多个开口向左的圆柱腔体，蜂窝缸体右端面开设有与圆柱腔体连通的注油口；每个圆柱腔体内设有与该圆柱腔体密封配合的活塞，连杆的右端与所述活塞连接、左端连接有独立的加载板；所有的加载板的左端面形成封闭的加载面，该加载面不大于所述岩石试样的右端面；所述蜂窝缸体左端面安装有盖板，该盖板上设有多个位置与所述圆柱腔体对应、直径与所述连杆配合的通孔；所述加载板位于盖板的左侧；所述盖板右端面设有连通所有所述圆柱腔体的分流槽，还设有与分流槽连通的导液槽；所述梯度应力构造器固定在固定臂的左端；
所述伺服液压系统包括油箱、液压泵、换向阀、主油路、分油路，分油路的数量与所述圆柱腔体数量对应、且圆柱腔体与分油路一一对应；每个分油路上均安装有调压阀及单向阀，调压阀的进油口与主油路连接、出油口与所述分油路连接，分油路另一端连接所述蜂窝缸体上的注油口，所述单向阀的进油口与分油路连接、出油口与主油路连接；所述换向阀进油口与所述液压泵出油口连接、出油口与所述油箱连接、第一工作油口连接所述主油路、第二工作油口连接所述导液槽，所述液压泵的进油口与油箱连接；
所述围压加载装置包括下压板，所述岩石试样放置在该下压板上，所述围压加载装置还包括上压板、左压板、前压板、后压板，上压板放置在所述岩石试样上方，左压板放置在岩石试样左侧，前压板放置在岩石试样前方，后压板放置在岩石试样后方；所述下压板、上压板、左压板、前压板、后压板面对岩石试样的一侧端面均小于岩石试样端面；
所述动态应力加载装置位于所述左压板左侧。
进一步地，所述动态应力加载装置包括动载传递杆、支撑架、气缸、压力仓、冲击头；所述动载传递杆的右端活动接触所述左压板；所述支撑架上设有与动载传递杆配合的滑道，支撑架右端设有与所述左压板接触的限位凸台；所述冲击头位于所述压力仓及动载传递杆之间，压力仓与所述气缸相连。
进一步地，所述蜂窝缸体的侧面设有开口向右的卡槽，所述固定臂左端设有与卡槽配合的卡板，卡板上设有油路通孔，卡板与所述卡槽配合设有定位装置。
进一步地，所述圆柱腔体在横向上及纵向上阵列均匀排布在所述蜂窝缸体上。
通过蜂窝缸体，可将多个加载板集中在较小的面积上，以适应小尺寸岩石试样；伺服液压系统通过控制各个分油路的调压阀，来调节每个圆柱腔内的油液压力，继而控制每个加载板输出的压力，在加载面上构建出预设定的、精准的梯度应力；通过液压缸体对上压板、下压板、前压板及后压板施加压力，从而实现对岩石试样进行围压加载，以模拟出地下围压；动态应力加载装置中的气缸向压力仓供气，从而推动冲击头迅速撞击动载传递杆，对岩石试样施加动态应力，从而研究出梯度应力加载下，岩石试样受到动载所显现的动力学特性及变化破坏特征；将动态应力加载装置移动至岩石试样前方或后方，将对应位置的液压缸移动至原动态应力加载装置的位置，可以实现改变岩石试样动态应力及梯度应力加载方向的关系，从而模拟出现场梯度应力加载下，动态应力从不同方向入射的情况。
本发明的技术方案之二是：
一种动态应力和梯度应力组合加载实验方法，包括如下步骤：
（一）准备岩石试样：切割岩石试样，使岩石试样放置在下压板上，移动梯度应力构造器至加载面接触岩石试样右侧面；
（二）构造梯度应力：以加载面为x-y面，以垂直与该x-y面的方向为z轴，其中以x轴及y轴记为加载面的横坐标及纵坐标、以z轴记为应力值，利用曲面函数方程，拟合地下工程中岩体所受的梯度应力，求解各个加载板中心点坐标对应的应力值，通过控制各个调压阀的工作压力，调节各个分油路的油液压力，使各个加载板输出的压力值等于加载板在坐标系中对应的应力值。
所述曲面函数方程为：A、在x-z面上为三次函数方程，在y轴上应力值相等；或，B、高斯函数方程；
（三）进行动态应力加载实验：
（1）通过动态应力加载装置对岩石试样的左侧面施加动态应力，逐次增大动态应力幅值，直至岩石试样破坏，在过程中，监测岩石动态响应和裂纹演化规律；
（2）分别改变所述曲面函数方程的参数，并更换新的岩石试样，然后重复上述步骤（1）；
（3）移动动态应力加载装置至岩石试样的后方，动载传递杆端面接触后压板，对前压板及左压板进行限位；
（4）对岩石试样的后方的后压板施加动态应力，逐次增大动态应力幅值，直至岩石试样破坏，在过程中，监测岩石动态响应和裂纹演化规律；
（5）改变所述曲面函数方程的参数，并更换新的岩石试样，然后重复上述步骤（4）；
（四）不同围压下，进行动态应力加载实验：
（1）更换新的岩石试样；
（2）通过液压缸体对岩石试样的前压板、后压板、上压板、下压板施加压力；
（3）重复步骤（三）中的步骤（1）至（2）；
（4）移动动态应力加载装置至岩石试样的后方，动载传递杆接触后压板，对左压板限位，并通过液压缸体对岩石试样的前压板、上压板、下压板施加压力；
（5）重复步骤（三）中的步骤（4）至（5）；
进一步地，所述步骤（三）的步骤（2）中，三次函数方程改变4个项系数；高斯方程固定峰值位置的纵坐标，改变高斯分布幅值、横和纵方向上的标准差、峰值位置的横坐标4个参数。
进一步地，所述步骤（三）的步骤（2）中，三次函数方程的4个项系数，每个项系数分别选取三个值，采用正交设计进行实验；高斯方程中的高斯分布幅值、横和纵方向上的标准差、峰值位置的横坐标4个参数，每个参数分别选取三个值，采用正交设计进行实验。
本发明的有益效果是：
本发明可以测得岩石试样在不同梯度应力加载状态下，受到动态应力冲击时的动态响应和裂纹演化规律，进而了解岩石破坏特征；而利用本方法中的曲面函数方程，可以使拟合出的应力分布曲面更加接近现场中，岩石所受的应力分布曲面，使实验结果更加接近实际情况，为巷道及隧道等的支护设计、冲击地压预测等提供指导。
附图说明
图1是本发明的动态应力和梯度应力组合加载实验装置结构示意图之一，为方便表述，本图省略液压系统；
图2是图1的A-A向截面示意图；
图3是图1中梯度应力构造器的结构放大示意图；
图4是图3的B-B向剖面示意图；
图5是图3中盖板结构示意图；
图6是图1中经过一定比例放大的梯度应力构造器的左视图；
图7是本发明的动态应力和梯度应力组合加载实验方法中岩石试样的受力示意图之一；
图8是本发明的动态应力和梯度应力组合加载实验方法中岩石试样的受力示意图之二；
图9是本发明动态应力和梯度应力组合加载实验方法中岩石试样的受力示意图之三；
图10是本发明动态应力和梯度应力组合加载实验方法中岩石试样的受力示意图之四；
图11是本发明的动态应力和梯度应力组合加载实验装置结构示意图之二；
图中：1.梯度应力构造器、11.固定臂、12.注油口、13.蜂窝缸体、131.定位装置、132.卡槽、14.加载板、15.连杆、16.活塞、17.圆柱腔体、18.盖板、181.分流槽、182.导液槽、19.卡板、191.油路通孔，2.岩石试样，31.下压板、311.液压缸体、32.左压板、33.上压板、34.前压板、35.后压板，4.动态应力加载装置、41.支撑架、411.限位凸台、42.动载传递杆、43.冲击头、44.压力仓、45.气缸，5.伺服液压系统、51.分油路、52.调压阀、53.单向阀、54.主油路、55.换向阀、56.液压泵、57.油箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1- 4所示。
以图1为左侧为左，上侧为上，下侧为下，垂直纸面向外为前，以下叙述中的“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”仅表示各个部件的相对位置关系，而不能理解为对本发明方位的限定。
一种动态应力和梯度应力组合加载实验装置，如图1、2所示，它包括：梯度应力构造器1、围压加载装置、伺服液压系统5、动态应力加载装置4。如图3至图4所示，梯度应力构造器1位于立方体岩石试样2右侧，该梯度应力构造器1包括蜂窝缸体13；蜂窝缸体13中部设有多个开口向左的圆柱腔体17，蜂窝缸体13右端面开设有与圆柱腔体17连通的注油口12；每个圆柱腔体17内设有与该圆柱腔体17密封配合的活塞16，连杆15的右端与活塞16连接、左端连接有独立的加载板14；所有的加载板14的左端面形成封闭的加载面，如图6所示；该加载面不大于岩石试样2的右端面；蜂窝缸体13左端面安装有盖板18，该盖板18上设有多个位置与圆柱腔体17对应、直径与连杆15配合的通孔；加载板14位于盖板18的左侧；如图5所示，盖板18右端面设有连通所有圆柱腔体17的分流槽181，还设有与分流槽181连通的导液槽182；如图1所示，梯度应力构造器1固定在固定臂11的左端；如图4所示，伺服液压系统5包括油箱57、液压泵56、换向阀55、主油路54、分油路51，分油路51的数量与圆柱腔体17数量对应、且圆柱腔体17与分油路51一一对应；每个分油路51上均安装有调压阀52及单向阀53，调压阀52的进油口与主油路54连接、出油口与分油路51连接，分油路51另一端连接蜂窝缸体13上的注油口12，单向阀53的进油口与分油路51连接、出油口与主油路54连接；换向阀55进油口与液压泵56出油口连接、出油口与油箱57连接、第一工作油口连接主油路54、第二工作油口连接导液槽182，液压泵56的进油口与油箱57连接；
梯度应力构造器1的工作原理如下：如图3及图4所示，通过蜂窝缸体13，可将多个加载板14集中在较小的面积上，以适应小尺寸岩石试样2；活塞16将圆柱腔体17分隔为与注油口12连通的第一腔体及与分流槽181连通的第二腔体，第一腔体内油液压力控制着加载板14所输出的压力；伺服液压系统5通过控制各个分油路51的调压阀52，设定调压阀52的工作压力，来调节每个圆柱腔体17内的油液压力，继而控制每个加载板14输出的压力，在加载面上构建出预设定的、精准的梯度应力。
伺服液压系统5的工作原理为：如图4所示，当需要构造梯度应力时，换向阀55调整到第一工作状态，换向阀55的进油口与第一工作油口连通、出油口与第二工作油口连通；此时，液压泵56通过换向阀55向主油路54供油，油液由主油路54分配至各个分油路51，同时在各个调压阀52控制下，使第一腔体内形成不同的压力，活塞16向圆柱腔体17开口处移动，第二腔体内的油液通过分流槽181汇入导液槽182，然后进入换向阀55的第二工作油口，并回到油箱57内。
当实验完成后，各个加载板14需要恢复原来位置时，换向阀55调整到第二工作状态，换向阀55的进油口与第二工作油口连通、出油口与第一工作油口连通；此时，液压泵56向第二腔体供油，第一腔体内的油液经由分油路51及分油路51上的单向阀53回流至主油路54，然后经过换向阀55的第一工作油口回流至油箱57；活塞16则随之向注油口12位置移动，加载面上的梯度应力消失。
如图1及图2所示，围压加载装置包括下压板31，岩石试样2放置在该下压板31上，围压加载装置还包括上压板33、左压板32、前压板34、后压板35，上压板33放置在岩石试样2上方，左压板32放置在岩石试样2左侧，前压板34放置在岩石试样2前方，后压板35放置在岩石试样2后方；下压板31、上压板33、左压板32、前压板34、后压板35面对岩石试样2的一侧端面均小于岩石试样2端面；
动态应力加载装置4位于左压板32左侧。
岩石试样2的上下、前后均设有压板，通过液压缸体311对上压板33、下压板31、前压板34及后压板35施加压力，从而实现对岩石试样2进行围压加载，以模拟出地下围压。岩石试样2相对的两侧同时受压、同时变形，使岩石试样2在空间上的位置相对不变，同时由于各个压板对岩石试样2的一侧端面均小于岩石试样2端面，岩石试样2形变后，体积缩小，各个压板不会相互干扰。作为一种实施方式，如图1及图2所示，压板背离岩石试样2的一侧面积可等于岩石试样2端面面积，而在压板与岩石接触的一侧端面设置倒角，可以使该端面小于岩石试样2的端面。
岩石试样2放置在下压板31上，对左压板32进行限位，梯度应力构造器1在岩石试样2右侧面构造梯度应力，通过动态应力加载装置4实现对岩石试样2进行动态应力加载，从而研究出梯度应力加载下，岩石试样2受到动态应力加载所显现的动力学特性及变化破坏特征；将动态应力加载装置4移动至岩石试样2前方或后方，将对应位置的液压缸体311移动至原动态应力加载装置4的位置，可以实现改变岩石试样2动态加载及梯度应力加载方向的关系，从而模拟出现场梯度应力加载下，动载从不同方向入射的情况。
作为进一步的方案，如图1所示，动态应力加载装置4包括动载传递杆42、支撑架41、气缸45、压力仓44、冲击头43；动载传递杆42的右端活动接触左压板32；支撑架41上设有与动载传递杆42配合的滑道，支撑架41右端设有与左压板32接触的限位凸台411；冲击头43位于压力仓44及动载传递杆42之间，压力仓44与气缸45相连。限位凸台411顶住左压板32，在梯度应力构造器1对岩石试验加载的右端面进行加载时，防止左压板32向左移动，起到限位的作用。动态应力加载装置4中的气缸45向压力仓44供气，从而推动冲击头43迅速撞击动载传递杆42，动载传递杆42经由左压板32对岩石试样2试件动态应力。而为了测定该动态应力幅值，可以在动载传递杆42上安装应力感应片，监测动载传递杆42的形变情况。
进一步地，如图3及图4所示，蜂窝缸体13的侧面设有开口向右的卡槽132，固定臂11左端设有与卡槽132配合的卡板19，卡板19上设有油路通孔191，分油路51可以经由油路通孔191与连接内部的注油口12与外界的液压系统连接，卡板19与卡槽132配合设有定位装置131。该定位装置131可以为垂直于卡板19的定位螺丝，定位螺丝将卡槽132与卡板19固定在一起。固定臂11对蜂窝缸体13起固定作用。
进一步地，圆柱腔体17在横向上及纵向上阵列均匀排布在蜂窝缸体13上。在该图5给出的实施例中，横向上及纵向上均布置5个圆柱腔体17，而其下方的加载板14也相应横纵对齐，如图6所示，各个加载板14的底面大小相同，其在相同液压的作用下，对岩石试样2的压强也相同，有助于提高实验的准确性；同时，需要说明的是，布置的圆柱腔体17数量也可以更多或更少，但是数量越多，本装置所能生成的应力值的曲面更加顺滑，实验结果也更加准确，而相应的，装置的复杂程度也越高出，成本也随之增大。
实施例二。
如图1、11所示。
本实施例与实施例一的区别在于将图1中的液压加载的梯度应力构造器1改成图11中的机械式梯度应力构造器。梯度应力构造器1它包括箱体101、载荷调节装置、载荷输出轴103、导向板104、凸台105、箱盖106和动力连接装置（图中未示出）。如图11所示，载荷调节装置包括多个平行放置的驱动轴102，多个驱动轴102依次间隔反向布置在箱体101两侧，驱动轴102穿过箱体101侧壁上与驱动轴102配合的孔111，驱动轴102位于箱体101内一侧的底部有沿轴向间隔布置的多个斜面122，斜面122的倾斜角度相同或不同，本发明通过调节同一根驱动轴上斜面角度的变化实现同一根上相同的应力输出或呈梯度变化的应力输出，通过调节相邻驱动轴102上的斜面122的倾斜角度的变化实现相邻轴相同应力输出或相邻轴与轴垂直的垂线上的应力呈梯度变化，还可实现相邻轴轴线方向及垂线方向的输出应力的同时梯度变化。斜面122与载荷输出轴103活动接触，载荷输出轴103依次上下活动安装在箱体101底部的通孔112和导向板104上的通孔141，载荷输出轴103底部连接加载块135，载荷输出轴103侧面设有凹槽134，凹槽134上安装有薄片传感器133，薄片传感器133连接有导线，导线通过导向板104上的导线槽142引出与信号采集装置相连。具体实施时，驱动轴102的截面可为矩形或圆形，驱动轴102顶部与箱盖106下表面接触。导向板104底部安装有可拆卸的凸台105，凸台105安装在加载块135区域四条边缘部位中的一部分或全部，凸台105可成为梯度变力的最小值，它等于压机的压力值。驱动轴102最好通过液压方式驱动，还可通过电力或手动机械进行驱动，驱动轴102连接独立的驱动连接装置，驱动连接装置可采用加长推杆结构。所使用的薄片传感器133可为应变片。
实施例三。
一种动态应力和梯度应力组合加载实验方法，包括如下步骤：
（一）准备岩石试样2：切割岩石试样2，使岩石试样2放置在下压板31上，移动梯度应力构造器1至加载面接触岩石试样2右侧面；
（二）构造梯度应力：
以加载面为x-y面，以垂直与该x-y面的方向为z轴，其中以x轴及y轴记为加载面的横坐标及纵坐标、以z轴记为应力值，利用曲面函数方程，拟合地下工程中岩体所受的梯度应力，求解各个加载板14中心点坐标对应的应力值，通过控制各个调压阀52的工作压力，调节各个分油路51的油液压力，使各个加载板14输出的压力值等于加载板14在坐标系中对应的应力值，从而在加载面上构成梯度应力。
曲面函数方程为：A、在x-z面上为三次函数方程，在y轴上应力值相等；或，B、高斯函数方程；
可通过两轮实验，一轮实验采用曲面函数方程A，一轮采用曲面函数方程B。
（三）进行动态应力加载实验：
（1）通过动态应力加载装置4对岩石试样2的左侧面施加动态应力，逐次增大动态应力幅值，直至岩石试样2破坏，在过程中，监测岩石动态响应和裂纹演化规律；此时，动态应力对岩石试样2的作用面与梯度应力作用面相对，可模拟地下岩石顶部受到梯度应力的作用，底部受到动态载荷作用时的状况；
（2）分别改变曲面函数方程的参数，并更换新的岩石试样2，然后重复上述步骤（1）；
（3）移动动态应力加载装置4至岩石试样2的后方，动载传递杆42端面接触后压板35，对前压板34及左压板32进行限位；
（4）对岩石试样2的后方的后压板35施加动态应力，逐次增大动态应力幅值，直至岩石试样2破坏，在过程中，监测岩石动态响应和裂纹演化规律；此时，动态应力对岩石试样2的作用方向与梯度应力作用方向垂直，可模拟地下岩石顶部受到梯度应力的作用，侧面到动态载荷作用时的状况；
（5）改变曲面函数方程的参数，并更换新的岩石试样2，然后重复上述步骤（4）；
对于曲面函数方程A，三次函数方程具有4个项系数，根据需要，分别设定每个项系数有3个大小不同的值，通过设定该4个项系数的值，通过改变4个项系数的值，可以改变梯度应力的峰值位置、大小等，由此来模拟不同的梯度应力对岩石试样2的影响；从而来明确应力变化对于岩石试样2的影响；为了简化实验步骤，采用正交实验L9(34)，开展9次试验；
对于曲面函数方程B，高斯函数方程包括高斯分布幅值、X和Y方向上的标准差、峰值位置的X和Y坐标5个参数，可以改变梯度应力峰值位置等因素来确定其对岩石试样2的影响，固定峰值位置的Y坐标，然后对其余4个参数选择3个不同的值，采用正交实验L9(34)，开展9次试验；
（四）不同围压下，进行动态应力加载实验：
（1）更换新的岩石试样2；
（2）通过液压缸体311对岩石试样2的前压板34、后压板35、上压板33、下压板31施加压力；
（3）重复步骤（三）中的步骤（1）至（2）；
（4）移动动态应力加载装置4至岩石试样2的后方，动载传递杆42接触后压板35，对左压板32限位，并通过液压缸体311对岩石试样2的前压板34、上压板33、下压板31施加压力；
（5）重复步骤（三）中的步骤（4）至（5）；
由于岩石试样2在受到围压和没有受到围压时，所表现出的力学性质不同，因此通过围压加载装置，可以模拟岩石试样2在受到不同的围压作用时，其在动态应力作用下的动态响应和裂纹演化规律。
采用本实验方法，可以测得岩石试样2在不同梯度应力加载状态下，受到动态应力冲击时的动态响应和裂纹演化规律，进而了解岩石破坏特征；而利用本方法中的曲面函数方程，可以使拟合出的应力分布曲面更加接近现场中，岩石体所受的应力分布曲面，使实验结果更加接近实际情况，为巷道及隧道等的支护设计、冲击地压预测等提供指导。
以下为本方法的一个实施例：
实验装置的加载面尺寸为10cm×10cm，设有5×5个加载板14，加载板14尺寸为2cm×2cm。
1.准备岩石试样2：切割足够多的岩石试样2，岩石试样2尺寸为10cm×10cm×10cm的立方体；
2. 使岩石试样2放置在下压板31上，移动梯度应力构造器1至加载面紧贴岩石试样2右侧面，左压板32至紧贴岩石试样2左侧面，同时对左压板32进行限位，防止左压板32右移；
3.通过三次函数方程拟合x-z上的应力曲线，保持应力值在y方向上相同，确定三次函数方程的4个项系数，每个项系数取3个大小不同的值，针对该4个项系数的变化，设计该4个项系数的正交实验L9(34)，共9组实验；
4.分别针对步骤3的9组实验，每组实验进行时，均更换新的岩石试样2，各个加载板14分别取其中心点坐标值对应的应力值，调节各个调压阀52的工作压力，使各个加载板14输出的压力值等于加载板在坐标系中对应的应力值，然后进行加载；
5.针对步骤4，对岩石试样2左侧面施加动态应力，逐次增大动态应力幅值，直至岩石试样2破坏，在过程中，监测岩石动态响应和裂纹演化规律；
6.更换新的岩石试样2，再次针对步骤4中的9组实验，对岩石试样2后端面施加动态应力，并逐渐增大动态应力幅值，直至岩石试样2破坏，在过程中，监测岩石动态响应和裂纹演化规律；对岩石试样2后端面施加动态应力时，调整动态应力加载装置4至岩石试样2后压板35后方，同时对前压板34进行限位，防止前压板34向前移动；
7.准备新的岩石试样2，通过液压缸体311对岩石试样2的前后、上下方向施加围压，依次重复步骤4、5；岩石试样2受力如图7所示，梯度应力场σ1施加在岩石试样2右侧面，动态应力σ’1施加在岩石试样2左侧面，对岩石试样2的前后、上下方向施加围压，即上端面及下端面分别施加σ’2及σ2，前端面及后端面分别施加σ3及σ’3；
8.准备新的岩石试样2，通过液压缸体311对岩石试样2的前端面及上下方向施加围压，对岩石试样2后压板35、左压板32进行限位，依次重复4、6；岩石试样2受力如图8所示，梯度应力场σ1施加在岩石试样2右侧面，左压板32被动地对左端面施加反向载荷σ’1，后端面施加动态应力σ’3，前端面施加载荷σ3，上端面及下端面分别施加σ’2及σ2；
9.通过高斯方程拟合应力值在加载面上的分布曲面，高斯函数方程包括高斯分布幅值、x和y方向上的标准差、峰值位置的x和y坐标5个参数，固定峰值位置的y坐标，然后对其余4个参数选择3个大小不同的值，采用正交实验L9(34)，开展9组试验；
10.分别针对步骤9的9组实验，每组实验进行时，均更换新的岩石试样2，各个加载板14分别取其中心点坐标值对应的应力值，进行加载；
11.针对步骤10，对岩石试样2左侧面施加动态应力，并逐渐增大动态应力幅值，直至岩石试样2破坏，在过程中，监测岩石动态响应和裂纹演化规律；
12.更换新的岩石试样2，再次针对步骤10中的9组实验，对岩石试样2后端面施加动态应力，并逐渐增大动态应力幅值，直至岩石试样2破坏，在过程中，监测岩石动态响应和裂纹演化规律；
13.准备新的岩石试样2，通过围压加载装置，对岩石试样2施加围压，依次重复步骤10、11；岩石试样2受力如图9所示，梯度应力场σ1施加在岩石试样2右侧面，动态应力σ’1施加在岩石试样2左侧面，对岩石试样2施加围压，即上端面及下端面分别施加σ’2及σ2，前端面及后端面分别施加σ3及σ’3；
14.准备新的岩石试样2，通过围压加载装置,对岩石试样2施加围压，依次重复10、12。岩石试样2受力如图10所示,梯度应力场σ1施加在岩石试样2右侧面,左侧面施加载荷σ’1，后端面施加动态应力σ’3，前端面施加载荷σ3，上端面及下端面分别施加σ’2及σ2。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种动态应力和梯度应力组合加载实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
（一）准备岩石试样：切割岩石试样，使岩石试样放置在下压板上，移动梯度应力构造器至加载面接触岩石试样右侧面；
（二）构造梯度应力：以加载面为x-y面，以垂直与该x-y面的方向为z轴，其中以x轴及y轴记为加载面的横坐标及纵坐标、以z轴记为应力值，利用曲面函数方程，拟合地下工程中岩体所受的梯度应力，求解各个加载板中心点坐标对应的应力值，通过控制各个调压阀的工作压力，调节各个分油路的油液压力，使各个加载板输出的压力值等于加载板在坐标系中对应的应力值；通过梯度应力构造器和伺服液压系统构造梯度应力，该梯度应力构造器用于对立方体岩石试样产生梯度应力，它位于立方体岩石试样右侧，并固定在固定臂的左端；所述的梯度应力构造器包括蜂窝缸体；所述蜂窝缸体中部设有多个开口向左的圆柱腔体，蜂窝缸体右端面开设有与圆柱腔体连通的注油口；每个圆柱腔体内设有与该圆柱腔体密封配合的活塞，连杆的右端与所述活塞连接、左端连接有独立的加载板；所有的加载板的左端面形成封闭的加载面，该加载面不大于所述岩石试样的右端面；所述蜂窝缸体左端面安装有盖板，该盖板上设有多个位置与所述圆柱腔体对应、直径与所述连杆配合的通孔；所述加载板位于盖板的左侧；所述盖板右端面设有连通所有所述圆柱腔体的分流槽，还设有与分流槽连通的导液槽；该伺服液压系统包括油箱、液压泵、换向阀、主油路、分油路，分油路的数量与所述圆柱腔体数量对应、且圆柱腔体与分油路一一对应；每个分油路上均安装有调压阀及单向阀，调压阀的进油口与主油路连接、出油口与所述分油路连接，分油路另一端连接所述蜂窝缸体上的注油口，所述单向阀的进油口与分油路连接、出油口与主油路连接；所述换向阀进油口与所述液压泵出油口连接、出油口与所述油箱连接、第一工作油口连接所述主油路、第二工作油口连接所述导液槽，所述液压泵的进油口与油箱连接；
所述曲面函数方程为：A、在x-z面上为三次函数方程，在y轴上应力值相等；或，B、高斯函数方程；
（三）进行动态应力加载实验：
（1）通过动态应力加载装置对岩石试样的左侧面施加动态应力，逐次增大动态应力幅值，直至岩石试样破坏，在过程中，监测岩石动态响应和裂纹演化规律；
（2）分别改变所述曲面函数方程的参数，并更换新的岩石试样，然后重复上述步骤（1）；
（3）移动动态应力加载装置至岩石试样的后方，动载传递杆端面接触后压板，对前压板及左压板进行限位；
（4）对岩石试样的后方的后压板施加动态应力，逐次增大动态应力幅值，直至岩石试样破坏，在过程中，监测岩石动态响应和裂纹演化规律；
（5）改变所述曲面函数方程的参数，并更换新的岩石试样，然后重复上述步骤（4）；
所述的动态应力加载装置位于所述左压板左侧，用于对立方体岩石试样施加动态载荷，它包括动载传递杆、支撑架、气缸、压力仓、冲击头；所述动载传递杆的右端活动接触所述左压板；所述支撑架上设有与动载传递杆配合的滑道，支撑架右端设有与所述左压板接触的限位凸台；所述冲击头位于所述压力仓及动载传递杆之间，压力仓与所述气缸相连；
（四）不同围压下，进行动态应力加载实验：通过围压加载装置实现所需的围压，该围压加载装置包括下压板，所述岩石试样放置在该下压板上，所述围压加载装置还包括上压板、左压板、前压板、后压板，上压板放置在所述岩石试样上方，左压板放置在岩石试样左侧，前压板放置在岩石试样前方，后压板放置在岩石试样后方；所述下压板、上压板、左压板、前压板、后压板面对岩石试样的一侧端面均小于岩石试样端面；
（1）更换新的岩石试样；
（2）通过液压缸体对岩石试样的前压板、后压板、上压板、下压板施加压力；
（3）重复步骤（三）中的步骤（1）至（2）；
（4）移动动态应力加载装置至岩石试样的后方，动载传递杆接触后压板，对左压板限位，并通过液压缸体对岩石试样的前压板、上压板、下压板施加压力；
（5）重复步骤（三）中的步骤（4）至（5）。
2.根据权利要求1所述的动态应力和梯度应力组合加载实验方法，其特征在于，所述蜂窝缸体的侧面设有开口向右的卡槽，所述固定臂左端设有与卡槽配合的卡板，卡板上设有油路通孔，卡板与所述卡槽配合设有定位装置。
3.根据权利要求1所述的动态应力和梯度应力组合加载实验方法，其特征在于，所述圆柱腔体在横向上及纵向上阵列均匀排布在所述蜂窝缸体上。
4.根据权利要求1所述的动态应力和梯度应力组合加载实验方法，其特征在于，所述步骤（三）的步骤（2）中，三次函数方程改变4个项系数；高斯方程固定峰值位置的纵坐标，改变高斯分布幅值、横和纵方向上的标准差、峰值位置的横坐标4个参数。
5.根据权利要求1所述的动态应力和梯度应力组合加载实验方法，其特征在于，所述步骤（三）的步骤（2）中，三次函数方程的4个项系数，每个项系数分别选取三个值，采用正交设计进行实验；高斯方程中的高斯分布幅值、横和纵方向上的标准差、峰值位置的横坐标4个参数，每个参数分别选取三个值，采用正交设计进行实验。
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