CN113702195A - 一种动静组合双向电磁加载压剪实验装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动静组合双向电磁加载压剪实验装置及测试方法，所述装置包括：底座以及相对设置的安装在所述底座上的加载杆，用于为所述加载杆提供动态载荷的动态加载机构与用于为所述加载杆提供静态载荷的静态加载机构以及与所述加载杆配合使用为试样加载压剪荷载的压剪模具。在试验过程中可以独立控制两个加载杆两端静态和动态加载机构分别对试样进行加载。实现了预应力加载下的岩石及混凝土等其他类岩石材料动静组合加载动态压剪试验，弥补了现有技术只能进行无预应力条件下的动态压剪试验的技术空缺。

Description

一种动静组合双向电磁加载压剪实验装置及测试方法
技术领域
本发明涉及动态压剪测试技术领域，尤其涉及一种用于岩石和混凝土等类岩石材料的动态力学特性和破坏行为测试的动静组合双向电磁加载压剪实验装置及测试方法。
背景技术
在岩土工程尤其是深部岩体工程实践中，岩石、混凝土结构不仅承受上覆荷载和地应力的作用，而且往往会遇到爆炸波、地震、机械振动等动态扰动荷载作用，使得岩石、混凝土等固体材料受到不同加载率的动静组合荷载作用。此外，这些动、静态荷载作用常常来自不同方向，往往形成与加载面呈一定夹角的压剪加载。因此，有必要对岩石、混凝土等其他类岩石材料在不同压剪角度下的动力学特性以及破断模式进行深入研究。
目前，对静态加载条件下岩石类材料的力学和破断特性已经进行了较为全面的研究，但对动态荷载尤其是动态压剪荷载作用下的岩石动态力学和破断特性研究还非常有限，这主要是因为现有技术和试验装置难以方便且灵活地开展动态压剪荷载作用下的试验研究，存在较多的技术问题。例如，专利号为CN200920063066.X实用新型所述的剪切力的施加依赖于试样和加载杆垫块之间的摩擦力提供，容易导致在高加载速率下试样和垫块之间产生错位，导致试验结果与真实情况误差较大。此外，现有的静态压剪试验和动态压剪试验大多是在不同的仪器设备上分别开展的，难以同时开展含有轴向静态预应力条件下的动态压剪试验研究。
因此，现有技术还有待于进一步的提升。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种动静组合双向电磁加载压剪实验装置及测试方法，用于解决现有装置和技术不能开展含有轴向静态预应力条件下的动态压剪实验的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种动静组合双向电磁加载压剪实验装置，包括底座以及安置在所述底座上两根加载杆，所述两根加载杆的中轴线位于同一直线上，其中，还包括：两对动态加载机构、两对静态加载机构以及一副压剪模具；所述两对动态加载机构，分别设置在所述两根加载杆的所有端点中相距最远的两个端点一侧，所述两对静态加载机构分别设置在所述两对动态加载机构的靠近试样的一侧，所述一副压剪模具，分别设置在所述两根加载杆的所有端点中相距最近的两个端点一侧。
可选地，所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其中，每一所述动态加载机构包括：用于产生入射应力脉冲的电磁脉冲发生器以及电磁脉冲发生器支撑底座，所述电磁脉冲发生器位于所述加载杆的一端，且与所述加载杆的端部相贴合。
可选地，所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其中，所述静态加载机构与所述电磁脉冲发生器以及所述加载杆位于同一轴线上；每一所述静态加载机构包括伺服控制加载油缸，受所述伺服控制加载油缸驱动的活塞杆以及用于传递静态载荷的加载框，所述加载框与所述加载杆的应力波输入端一侧的法兰环外侧端部套接。
可选地，所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其中，所述法兰环与所述加载杆为一整体结构，所述法兰环到所述加载杆应力波输入端的距离为所述加载杆长度的3％-7％，所述法兰环的直径为所述加载杆直径的1.5-2.5倍，所述法兰环的长度为所述加载杆长度的1.5％-4％。
可选地，所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其中，所述加载框包括相对设置的第一端面和第二端面，所述第一端面朝向所述活塞杆，所述第二端面上开有通孔，所述加载杆的应力波输入端部通过所述通孔伸进所述加载框；所述电磁脉冲发生器放置在所述加载框内，并由放置在所述加载框内的电磁脉冲发生器支撑底座支撑，所述电磁脉冲发生器的应力波输出端与所述加载杆的应力波输入端相贴合。
可选地，所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其中，所述压剪模具还包括：套杆及角度调节盘；所述套杆包括滑槽，所述角度调节盘包括连接构件，所述连接构件与所述滑槽可拆卸连接；所述套杆紧密的套接在所述加载杆背离所述静态加载机构的一端。
可选地，所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其中，所述连接构件为圆弧形连接构件，所述圆弧形连接构件包括若干用于与所述滑槽连接的角度调节孔，通过绕所述圆弧形连接构件圆心所在的中心轴旋转进行角度调节。
可选地，所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其中，所述角度调节盘还包括用于固定测试试样的L形开口部，所述L形开口部与所述连接构件为一整体结构。
可选地，所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其中，所述若干角度调节孔中，各个调节孔均对应一个压剪角度α，其中，15°≤α≤75°。
可选地，所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其中，还包括：
数据采集系统，包括粘贴在所述加载杆上的应变片，与所述应变片连接的数据记录和存储装置；所述应变片粘贴在所述加载杆表面的中心位置。
第二方面，本发明实施例提供一种动态压剪测试方法，其中，所述方法包括：
获取加载杆的横截面积和弹性模量；
获取加载杆中的入射应变信号和反射应变信号；以及
获取试样的剪切面面积；
根据如下公式计算出剪切应力；
所述公式为
Figure BDA0003165170360000041
其中，F为施加在所述加载杆上的静态荷载，A和E分别为加载杆的横截面面积与弹性模量；As为测试试样的剪切面面积；ε第一入射和ε第一反射分别为应变片从左侧加载杆上监测的左侧入射应变信号和左侧反射应变信号，ε第二入射和ε第二反射分别为应变片从右侧加载杆上监测的右侧入射应变信号和右侧反射应变信号；α为角度调节孔体心与试样体心连线所在直线与试样剪切面夹角的角度。
有益效果：本发明实施例提供一种动静组合双向电磁加载压剪实验装置，包括用于为所述两根加载杆提供动态载荷的动态加载机构与用于为所述两根加载杆提供静态载荷的静态加载机构以及与所述两根加载杆配合使用为试样加载压剪荷载的压剪模具。在试验过程中可以独立控制两对机构分别对试样进行静态和动态加载。实现了预应力加载下的岩石及混凝土等其他类岩石材料动静组合加载压剪试验，弥补了现有技术无法开展预应力条件下岩石及混凝土等其他类岩石材料的动态压剪试验研究的不足。
附图说明
图1本发明实施例提供的动静组合双向电磁加载压剪试验装置三维示意图；
图2本发明实施例提供的动静组合双向电磁加载压剪试验装置正视图；
图3本发明实施例提供的动静组合双向电磁加载压剪试验装置剖切面正视图；
图4本发明实施例提供的左侧动静组合电磁加载系统三维示意图；
图5本发明实施例提供的右侧动静组合电磁加载系统正视图；
图6本发明实施例提供的套杆三维示意图；
图7本发明实施例提供的角度调节盘三维示意图；
图8α角示意图；
图9具体实施例3三维示意图。
图中标号对应部件名称如下：
1-支撑平台，2-导轨滑槽，3-加载杆支撑底座，4-左侧电磁脉冲发生器支撑底座，5-右侧电磁脉冲发生器支撑底座，6-左侧伺服控制加载油缸支撑底座，7-右侧伺服控制加载油缸支撑底座，8-左侧伺服控制加载油缸，9-左侧活塞杆，10-右侧伺服控制加载油缸，11-右侧活塞杆，12-左侧加载框，13-左侧电磁脉冲发生器，14-左侧法兰环，15-左侧加载杆，16-左侧套杆，17-左侧角度调节盘，18-左侧角度调节孔，19-左侧角度调节盘固定孔，20-左侧角度调节盘固定杆，21-右侧加载框，22-右侧电磁脉冲发生器，23-右侧法兰环，24-右侧加载杆，25-右侧套杆，26-右侧角度调节盘，27-右侧角度调节孔，28-右侧角度调节盘固定孔，29-右侧角度调节盘固定杆，30-试样，31-左侧应变片，32-右侧应变片，33-调节螺栓，34-预制裂隙试样。
具体实施方式
本发明提供一种动静组合双向电磁加载压剪实验装置及测试方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1至图3所示，本发明实施例提供一种动静组合双向电磁加载压剪实验装置，包括底座100，放置在所述底座100上的加载杆15，为所述加载杆15提供动态载荷的动态加载机构40，为所述加载杆15提供静态载荷的静态加载机构50，其中所述加载杆有两根，且两根加载杆的中轴线位于同一轴线上。
具体来说，试验装置位于支撑平台1上，测试装置以试样30为中心，除左、右角度调节盘17和26外，左右两侧构件沿试样30对称布置。支撑系统由支撑平台1、加载杆支撑底座3、左侧电磁脉冲发生器支撑底座4、右侧电磁脉冲发生器支撑底座5、左侧伺服控制加载油缸支撑底座6、右侧伺服控制加载油缸支撑底座7组成，其中左侧伺服控制加载油缸支撑底座6、加载杆支撑底座3、右侧伺服控制加载油缸支撑底座7按此顺序从左至右平行安置于支撑平台1上，且可以沿导轨滑槽2左右平移并固定在所需位置，左侧电磁脉冲发生器支撑底座4和右侧电磁脉冲发生器支撑底座5分别放置于左侧加载框12和右侧加载框21内；左侧静态加载系统由左侧伺服控制加载油缸8、左侧活塞杆9、左侧加载框12、左侧法兰环14、左侧加载杆15、左侧套杆16、左侧角度调节盘17组成，其中左侧伺服控制加载油缸8固定在左侧伺服控制加载油缸支撑底座6上，左侧活塞杆9为左侧伺服控制加载油缸8的荷载传递作动器，左侧加载框12放置于支撑平台1上可沿导轨滑槽2左右平移，左侧加载杆15的应力波输入端一侧设有左侧法兰环14，起到传递静态荷载的作用，左侧加载框12的右端面与左侧法兰环14的左端面自由贴合，左侧伺服控制静态加载时，左侧伺服控制加载油缸8对左侧活塞杆9施加液压驱动力，驱动左侧活塞杆9向右侧移动直至与左侧加载框12的左端面紧密贴合后，把静态压力传递给左侧加载框12，左侧加载框12通过左侧法兰环14将静态压力依次经过左侧加载杆15、左侧套杆16和左侧角度调节盘17传递至试样30进行静态预应力加载；左侧电磁脉冲加载系统由左侧电磁脉冲发生器13和同步控制系统(软件部分未示出)组成，左侧电磁脉冲发生器13放置于左侧电磁脉冲发生器支撑底座4上，且左侧电磁脉冲发生器13的右端面与左侧加载杆15左端面紧密贴合，左侧动态加载时，通过同步控制系统控制左侧电磁脉冲发生器13产生左侧入射应力波，并从其右端面输出左侧入射应力波经由左侧加载杆15左端面传入左侧加载杆15，随后左侧入射应力波沿左侧加载杆轴线方向传播，并通过左侧套杆16和左侧角度调节盘17从左往右给试样30施加动态压剪荷载；结合图4至图5，右侧静态加载系统由右侧伺服控制加载油缸10、右侧活塞杆11、右侧加载框架21、右侧法兰环23、右侧加载杆24、右侧套杆25和右侧角度调节盘26组成，其中右侧伺服控制加载油缸10固定在右侧伺服控制加载油缸支撑底座7上，右侧活塞杆11为右侧伺服控制加载油缸10的荷载传递作动器，右侧加载框架21放置于支撑平台1上且可沿导轨滑槽2左右平移，右侧加载杆24的应力波输入端一侧设有右侧法兰环23，起到传递静态荷载的作用，右侧加载框架21的左端面与右侧法兰环23右端面自由贴合，右侧伺服控制静态加载时，右侧伺服控制加载油缸10对右侧活塞杆11施加液压驱动压力，驱动右侧活塞杆11向左侧移动直至与右侧加载框架21的右端面紧密贴合后，右侧活塞杆11把静态压力传递给右侧加载框21，右侧加载框架21通过右侧法兰环23将静态压力依次经由右侧加载杆24、右侧套杆25和右侧角度调节盘26传递至试样30进行静态预应力加载；右侧电磁脉冲加载系统由右侧电磁脉冲发生器22和同步控制系统(软件部分未示出)组成，右侧电磁脉冲发生器22放置于右侧电磁脉冲发生器支撑底座5上，且右侧电磁脉冲发生器22的左端面与右侧加载杆24右端面紧密贴合，右侧动态加载时，通过同步控制系统控制右侧电磁脉冲发生器22产生右侧入射应力波，并从其左端面输出右侧入射应力波，经由右侧加载杆24右端面传入右侧加载杆24，随后右侧入射应力波沿右侧加载杆轴线方向传播，并依次通过右侧套杆25和右侧角度调节盘26从右向左对试样30施加动态压剪荷载；动态压剪模具通过设置左右两侧角度调节孔18和27改变压剪角，起到改变压应力和剪应力比例的作用，图3和图7所示的左侧调节孔18从上至下分别代表压剪角为15°、30°、45°、60°和75°的工况，即压应力与剪应力比例分别为tan15°、tan30°、tan45°、tan60°和tan75°，右侧调节孔27从上至下分别代表压剪角为75°、60°、45°、30°和15°的工况，即压应力与剪应力比例分别为tan75°、tan60°、tan45°、tan30°和tan15°，结合图6使用过程中左右两侧角度调节盘17和26分别沿左右两侧套杆16和25中滑槽旋转至所需要角度，分别将左右两侧角度调节孔18和27与左右两侧角度调节盘固定孔19和28对齐并插入左右两侧角度调节盘固定杆20和29固定；数据监测与采集系统由应变片、同步高速记录仪和(超)高速摄影仪组成，利用(超)高速摄影仪可对试样30动态压剪变形和破坏全过程进行实时观测和存储，其中左侧应变片31和右侧应变片32分别粘于左侧加载杆15和右侧加载杆24的中间位置上方，加载过程中应变片收集到的应变信号由屏蔽导线传输至同步高速记录仪进行记录和储存。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供一种基于上述动静组合双向电磁加载压剪实验装置的动态压剪测试方法。
具体来说，动态加载中，根据一维应力波传播理论，当加载杆长度与直径的比值大于等于30时，利用粘贴在加载杆表面的应变片所测得的加载杆表面应变可代表加载杆整个横截面的应变，因此当左右两侧加载杆上应变片分别监测到的左右两侧加载杆上的动态荷载误差小于可接受的限度时(＜3％)，可认为试件达到了动态应力平衡状态，从而可以利用应变片监测到的应变数据，按下述公式计算，得到岩石及混凝土等类岩石材料在动态压剪实验中不同加载速率和不同加载路径下的动态剪切应力τD(t)：
Figure BDA0003165170360000081
其中，A和E分别为应力波加载杆的横截面面积与弹性模量；As为测试试样的剪切面面积；ε第一入射和ε第一反射分别为左侧应变片31从左侧加载杆15上监测的入射应变信号和反射应变信号，ε第二入射和ε第二反射分别为右侧应变片32从右侧加载杆24上监测的入射应变信号和反射应变信号，α为左侧角度调节孔18某一圆孔圆心与试样30体心连线所在直线与试样剪切面夹角的角度(如图8所示)。
静态加载中，左右两侧静态加载油缸8和10对试样30同时施加大小相同的压力F，故试样的静态剪切应力τS：
Figure BDA0003165170360000082
其中，As为试样剪切面面积；F为单侧伺服控制加载油缸施加的静态荷载；α为左侧角度调节孔18某一圆孔的圆心与试样30体心连线所在直线与试样剪切面夹角的角度。
根据动态剪切应力和静态剪切应力，可以得到动静组合电磁加载压剪下试样30的组合剪切应力τ(t)：
Figure BDA0003165170360000091
下面通过具体实施例，来对本发明所述提供的基于上述动静组合双向电磁加载压剪实验装置的动态压剪测试方法，做进一步的解释说明。
实施例1
将左侧伺服控制加载油缸支撑底座6、左侧加载框12、加载杆支撑底座3、右侧加载框21和右侧伺服控制加载油缸支撑底座7从左至右根据实际需要依次放置于支撑平台1上，左侧伺服控制加载油缸8固定在左侧伺服控制加载油缸支撑底座6上，左侧活塞杆9右端面与左侧加载框12的左端面自由贴合，左侧电磁脉冲发生器13放置于左侧电磁脉冲发生器支撑底座4上，左侧电磁脉冲发生器支撑底座4和左侧电磁脉冲发生器13放置于左侧加载框12内，将长2500mm直径50mm的TC21钛合金左侧加载杆15放置于加载杆支撑底座3上，左侧加载杆与支撑平台1处于轴线方向平行，并且左侧加载杆15左端面与左侧电磁脉冲发生器13右端面紧密贴合，同时使左侧加载框12的右端面与左侧法兰环14的左端面自由贴合。随后将内径50.5mm，外径60mm的TC21钛合金左侧套杆16套接在左侧加载杆15右端，左侧套杆16右端面是与左侧角度调节盘17左端面耦合的半径为150.5mm的圆盘形滑槽，相同TC21钛合金材料的左侧角度调节盘17左侧为半径150mm的圆盘形凸起，可沿滑槽滑动，左侧角度调节盘17右侧为L形开口部，用于固定试样及传导静态荷载和动态荷载，并将静态荷载和动态荷载分为压应力和剪应力两部分施加于试样30。同理，右侧加载装置按与左侧加载装置相同的顺序进行安装。
将加工处理好的边长为60mm、厚度为25mm的页岩试样30放置在左侧角度调节盘17和右侧角度调节盘26的L形开口部之间，试样30表面与左右两侧角度调节盘17和26的L形开口部表面用凡士林充分润滑后自由贴合，并分别将左侧角度调节孔24和右侧角度调节孔25的从上往下数第三个孔与左右两侧角度调节盘固定孔19和28对齐，插入左右两侧角度调节盘固定杆20和29固定，使α设置为45°，然后调节调节螺栓33，对左右两侧角度调节盘17和26进一步进行固定。待装置安装对齐调平后，通过同步控制系统控制左侧电磁脉冲发生器13和右侧电测脉冲发生器22同步产生入射应力波，并分别同时从左往右和从右往左对试样30施加相同幅值(例如100MPa)和相同持续时间(例如200μs)的半正弦入射应力波，左侧动态加载入射应力波从左侧电磁脉冲发生器13右端面输出，通过左侧加载杆15经由左侧套杆16和左侧角度调节盘17从左向右为页岩试样30施加动态压剪荷载，右侧动态加载入射应力波从右侧电磁脉冲发生器22左端面输出，通过右侧加载杆24经由右侧套杆25和右侧角度调节盘26从右往左为页岩试样30施加动态压剪荷载。
动态加载中，当左右两侧加载杆上应变片所监测到的左右两侧加载杆上的动态荷载误差小于可接受的限度时(例如＜3％)，可认为试件达到了动态应力平衡状态，根据一维应力波传播理论，可以利用应变片监测到的应变数据，按下述公式计算，得到页岩试样30在动态压剪测试中的动态剪切应力τD(t)：
Figure BDA0003165170360000101
其中，A和E分别为应力波加载杆的横截面面积(1963.5mm2)与弹性模量(107.8GPa)；As为测试试样的剪切面面积(1500mm2)；ε第一入射和ε第一反射分别为左侧应变片31从左侧加载杆15上监测的入射应变信号和反射应变信号，ε第二入射和ε第二反射分别为右侧应变片32从右侧加载杆24上监测的入射应变信号和反射应变信号，α为左侧角度调节孔18第三个孔圆心与试样30体心连线所在直线与试样剪切面夹角的角度45°。
实施例2
将左侧伺服控制加载油缸支撑底座6、左侧加载框12、加载杆支撑底座3、右侧加载框21和右侧伺服控制加载油缸支撑底座7从左至右根据实际需要依次放置于支撑平台1上，左侧伺服控制加载油缸8固定在左侧伺服控制加载油缸支撑底座6上，左侧活塞杆9右端面与左侧加载框12的左端面自由贴合，左侧电磁脉冲发生器13放置于左侧电磁脉冲发生器支撑底座4上，左侧电磁脉冲发生器支撑底座4和左侧电磁脉冲发生器13放置于左侧加载框12内，将长2500mm直径50mm的TC21钛合金左侧加载杆15放置于加载杆支撑底座3上，加载杆与支撑平台1处于轴线方向平行，并且左侧加载杆15左端面与左侧电磁脉冲发生器13右端面紧密贴合，同时使左侧加载框12的右端面与左侧法兰环14的左端面自由贴合。随后将内径50.5mm，外径60mm的TC21钛合金材料的左侧套杆16套接在左侧加载杆15右端，左侧套杆16右端面是与左侧角度调节盘17左侧端面耦合的半径为150.5mm的圆弧形滑槽，TC21钛合金材料的左侧角度调节盘17左侧为半径150mm的圆盘形凸起，可沿滑槽滑动，左侧角度调节盘17右侧为L形开口部，用于固定试样及传导静态荷载和动态荷载，并将静态荷载和动态荷载分为压应力和剪应力两部分施加于大理岩试样30。同理，右侧伺服控制加载油缸10固定在右侧伺服控制加载油缸支撑底座7上，右侧活塞杆11与右侧加载框21的右端面自由贴合，右侧电磁脉冲发生器22放置于右侧电磁脉冲发生器支撑底座5上，右侧电磁脉冲发生器支撑底座5和右侧电磁脉冲发生器22放置于右侧加载框21内，将长2500mm直径50mm的TC21钛合金右侧加载杆24放置于加载杆支撑底座3上，右侧加载杆与支撑平台1处于轴线方向平行，并且右侧加载杆24右端面与右侧电磁脉冲发生器22左端面紧密贴合，同时使右侧加载框21的左端面与右侧法兰环23的右端面自由贴合。随后将内径50.5mm，外径60mm的TC21钛合金材料的右侧套杆25套接在右侧加载杆24左端，右侧套杆25左端面是与右侧角度调节盘26右端表面耦合的半径为150.5mm的圆弧形滑槽，相同TC21钛合金材料的右侧角度调节盘26右侧为半径150mm的圆盘形凸起，可沿滑槽滑动，右侧角度调节盘26左侧为L形开口部，用于固定试样及传导静态荷载和动态荷载，并将静态荷载和动态荷载分为压应力和剪应力两部分施加于大理岩试样30。
将加工处理好的边长为75mm厚度30mm的大理岩试样30放置在左侧角度调节盘17和右侧角度调节盘26的L形开口部之间，试样30表面与左右两侧角度调节盘17和26的L形开口部表面用凡士林充分润滑后自由贴合，并分别将左侧角度调节孔18和右侧角度调节孔26的从上往下数第三个孔与左右两侧角度调节盘固定孔19和28对齐，插入左右两侧角度调节盘固定杆20和29固定，使α设置为45°，然后调节调节螺栓33，对左右两侧角度调节盘17和26进一步进行固定。待装置安装对齐调平后，通过左右两侧伺服控制油缸8和10对大理岩试样30施加相同大小的静态作用力F(例如50KN)。左侧伺服控制静态加载时，左侧伺服控制加载油缸8对左侧活塞杆9施加液压驱动力，驱动左侧活塞杆9向右侧移动直至与左侧加载框12的左端面紧密贴合后把静态压力传递给左侧加载框12，左侧加载框12通过左侧法兰环14将静态压力依次经过左侧加载杆15、左侧套杆16和左侧角度调节盘17传递至大理岩试样30进行静态预应力加载；右侧伺服控制静态加载时，右侧伺服控制加载油缸10对右侧活塞杆11施加液压驱动压力，驱动右侧活塞杆11向左侧移动直至与右侧加载框架21的右端面紧密贴合把静态压力传递给右侧加载框21，右侧加载框架21通过右侧法兰环23将静态压力依次经由右侧加载杆24、右侧套杆25和右侧角度调节盘26传递至大理岩试样30进行静态预应力加载。
静态预应力加载时，当左右两侧静态液压油缸输出压力值相等且保持稳定时，可认为静态预应力加载完成，据此可以得到静态预应力加载下大理岩试样30的静态剪切应力τS：
Figure BDA0003165170360000121
待静态预应力加载完成且保持稳定后，通过同步控制系统控制左右两侧电磁脉冲发生器13和22同步产生入射应力波，并分别同时从左往右和从右往左对大理岩试样30施加相同幅值(例如150MPa)和相同持续时间(例如300μs)的半正弦入射应力波，左侧动态加载应力波从左侧电磁脉冲发生器13右端面输出，通过左侧加载杆15经由左侧套杆16和左侧角度调节盘17从左向右为大理岩试样30施加动态压剪荷载，右侧动态加载应力波从右侧电磁脉冲发生器22左端面输出，通过右侧加载杆24经由右侧套杆25和右侧角度调节盘26从右往左为大理岩试样30施加动态压剪荷载，据此实现动静组合双向电磁加载大理岩试样30的动态压剪试验。
动态加载中，当左右两侧加载杆上应变片所监测到的左右两侧加载杆上的动态荷载误差小于可接受的限度时(例如＜3％)，可认为试件达到了动态应力平衡状态，根据一维应力波传播理论，可以利用左右两侧应变片监测到的应变数据，按下述公式计算得到大理岩试样30在动态加载中的动态剪切应力τD(t)：
Figure BDA0003165170360000131
根据动态剪切应力和静态剪切应力，可以得到动静组合电磁加载压剪下大理岩试样30的组合剪切应力τ(t)：
Figure BDA0003165170360000132
其中，F为伺服控制加载油缸施加的静态荷载；A和E分别为应力波加载杆的横截面面积(1963.5mm2)与弹性模量(107.8GPa)；As为试样剪切面面积2250mm2；ε第一入射和ε第一反射分别为左侧应变片31从左侧加载杆15上监测的入射应变信号和反射应变信号，ε第二入射和ε第二反射分别为右侧应变片32从右侧加载杆24上监测的入射应变信号和反射应变信号，α为左侧角度调节孔18第三个孔圆心与试样30体心连线所在直线与试样剪切面夹角的角度45°。
实施例3
如图9所示，将左侧伺服控制加载油缸支撑底座6、左侧加载框12、加载杆支撑底座3、右侧加载框21和右侧伺服控制加载油缸支撑底座7从左至右根据实际需要依次放置于支撑平台1上，左侧伺服控制加载油缸8固定在左侧伺服控制加载油缸支撑底座6上，左侧活塞杆9右端面与左侧加载框12的左端面自由贴合，左侧电磁脉冲发生器13放置于左侧电磁脉冲发生器支撑底座4上，左侧电磁脉冲发生器支撑底座4和左侧电磁脉冲发生器13放置于左侧加载框12内，将长4000mm直径75mm的TC21钛合金左侧加载杆15放置于加载杆支撑底座3上，加载杆与支撑平台1处于轴线方向平行，并且左侧加载杆15左端面与左侧电磁脉冲发生器13右端面紧密贴合，同时使左侧加载框12的右端面与左侧法兰环14的左端面自由贴合。随后将内径75.5mm，外径85mm的TC21钛合金材料的左侧套杆16套接在左侧加载杆15右端，左侧套杆右端面是与左侧角度调节盘17左侧端面耦合的半径为180.5mm的圆弧形滑槽，相同TC21钛合金材料的左侧角度调节盘17左侧为半径180mm的圆盘形凸起，可沿滑槽滑动，左侧角度调节盘右侧为L形开口部，用于固定试样及传导静态荷载和动态荷载，并将静态荷载和动态荷载分为压应力和剪应力两部分施加于试样30。同理，右侧伺服控制加载油缸10固定在右侧伺服控制加载油缸支撑底座7上，右侧活塞杆11与右侧加载框21的右端面自由贴合，右侧电磁脉冲发生器22放置于右侧电磁脉冲发生器支撑底座5上，右侧电磁脉冲发生器支撑底座5和右侧电磁脉冲发生器22放置于右侧加载框21内，将长4000mm直径75mm的TC21钛合金右侧加载杆24放置于加载杆支撑底座3上，右侧加载杆与支撑平台1处于轴线方向平行，并且右侧加载杆24右端面与右侧电磁脉冲发生器22左端面紧密贴合，同时使右侧加载框21的左端面与右侧法兰环23的右端面自由贴合。随后将内径75.5mm，外径85mm的TC21钛合金材料的右侧套杆25安装在右侧加载杆24左端，右侧套杆25左端面是与右侧角度调节盘26右端表面耦合的半径为180.5mm的圆弧形滑槽，相同TC21钛合金材料的右侧角度调节盘26右侧为半径180mm的圆盘形凸起，可沿滑槽上下滑动，右侧角度调节盘26左侧为L形开口部，用于固定试样及传导静态荷载和动态荷载，并将静态荷载和动态荷载分为压应力和剪应力两部分施加于试样30。
将加工处理好的边长为100mm厚度30mm的花岗岩预制裂隙试样34放置在左侧角度调节盘17和右侧角度调节盘26的L形开口部之间，花岗岩预制裂隙试样34表面与左右两侧角度调节盘17和26的L形开口部表面用凡士林充分润滑后自由贴合，并分别将左侧角度调节孔18和右侧角度调节孔26的从上往下数第三个孔与左右两侧角度调节盘固定孔19和28对齐，插入左右两侧角度调节盘固定杆20和29固定，使α设置为45°，然后调节调节螺栓33，对左右两侧角度调节盘17和26进一步进行固定。待装置安装对齐调平后，通过左右两侧伺服控制油缸8和10对花岗岩预制裂隙试样34施加相同应力大小的静态作用力F(例如75KN)。左侧伺服控制静态加载时，左侧伺服控制加载油缸8对左侧活塞杆9施加液压驱动力，驱动左侧活塞杆9向右侧移动直至与左侧加载框12的左端面紧密贴合后把静态压力传递给左侧加载框12，左侧加载框12通过左侧法兰环14将静态压力依次经过左侧加载杆15、左侧套杆16和左侧角度调节盘17传递至花岗岩预制裂隙试样34进行静态预应力加载；右侧伺服控制静态加载时，右侧伺服控制加载油缸10对右侧活塞杆11施加液压驱动压力，驱动右侧活塞杆11向左侧移动直至与右侧加载框架21的右端面紧密贴合后把静态压力传递给右侧加载框21，右侧加载框架21通过右侧法兰环23将静态压力依次经由右侧加载杆24、右侧套杆25和右侧角度调节盘26传递至花岗岩预制裂隙试样34进行静态预应力加载。
静态预应力加载时，当左右两侧静态液压油缸输出压力值相等且保持稳定时，可认为静态预应力加载完成，据此可以得到静态预应力加载下花岗岩预制裂隙试样34的静态剪切应力τS：
Figure BDA0003165170360000151
待静态预应力加载完成且保持稳定后，通过同步控制系统控制左右两侧电磁脉冲发生器13和22同步产生入射应力波，并分别同时从左往右和从右往左对花岗岩预制裂隙试样34施加相同幅值(例如200MPa)和相同持续时间(例如350μs)的半正弦入射应力波，左侧动态加载应力波从左侧电磁脉冲发生器13右端面输出，通过左侧加载杆15经由左侧套杆16和左侧角度调节盘17从左向右为花岗岩预制裂隙试样34施加动态压剪荷载，右侧动态加载应力波从右侧电磁脉冲发生器22左端面输出，过右侧加载杆24经由右侧套杆25和右侧角度调节盘26从右往左为花岗岩预制裂隙试样34施加动态压剪荷载，据此实现动静组合双向电磁加载花岗岩预制裂隙试样34的动态压剪试验。
动态加载中，当左右两侧加载杆上应变片所监测到的左右两侧加载杆上的动态荷载误差小于可接受的限度时(例如＜3％)，可认为试件达到了动态应力平衡状态，根据一维应力波传播理论，可以利用左右两侧应变片监测到的应变数据，按下述公式计算得到花岗岩预制裂隙试样34在动态加载中的动态剪切应力τD(t)：
Figure BDA0003165170360000161
根据动态剪切应力和静态剪切应力，可以得到动静组合电磁加载压剪下花岗岩预制裂隙试样34的组合剪切应力τ(t)：
Figure BDA0003165170360000162
其中，F为伺服控制加载油缸施加的静态荷载；A和E分别为应力波加载杆的横截面面积(4417.9mm2)与弹性模量(107.8GPa)；As为测试试样的剪切面面积(3000mm2)；ε第一入射和ε第一反射分别为左侧应变片31从左侧加载杆15上监测的入射应变信号和反射应变信号，ε第二入射和ε第二反射分别为右侧应变片32从右侧加载杆24上监测的入射应变信号和反射应变信号，α为左侧角度调节孔18第三个孔圆心与预制裂隙试样34体心连线所在直线与试样剪切面夹角的角度45°。
综上所述，本发明提供一种动静组合双向电磁加载压剪实验装置及测试方法，可以对试样实现静态和动态压剪荷载组合加载。本装置加载系统包括两套独立的加载系统：伺服控制静态加载系统和电磁脉冲应力波动态加载系统，在试验过程中可以独立控制两套系统分别对试样进行加载。实现了预应力加载下的岩石及混凝土等其他类岩石材料动静组合加载动态压剪试验，弥补了现有技术只能进行无预应力条件下压剪试验的技术空缺。通过设置独立于试件和加载杆的角度调节系统对试样进行法向压应力和剪切应力的施加，剪切应力的加载不再依赖于试样与加载杆件接触面间的摩擦作用，不仅可以用于测试完整岩石的动态压剪破坏强度，也可以对天然或人工预制节理面进行动态压剪试验，解决了现阶段动态压剪装置试验对象单一的技术缺陷。
进一步的，还可以实现试样剪切面和加载杆轴心呈不同夹角状态下的动静组合压剪试验。通过设置独立于试样和加载杆件系统的角度调节盘和套杆，开展不同压剪角度条件下的动态压剪试验，保证在大角度、高应变率下的动态压剪试验结果更加准确。解决了现有技术剪切角的改变依赖于试样和加载杆件接触面之间的摩擦，在高加载速率和大剪切角度下试验结果误差较大的技术缺陷。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种动静组合双向电磁加载压剪实验装置，包括底座以及安置在所述底座上两根加载杆，所述两根加载杆的中轴线位于同一直线上，其特征在于，还包括：两对动态加载机构、两对静态加载机构以及一副压剪模具；所述两对动态加载机构，分别设置在所述两根加载杆的所有端点中相距最远的两个端点一侧，所述两对静态加载机构分别设置在所述两对动态加载机构外侧，即远离试样的一侧，所述一副压剪模具，分别设置在所述两根加载杆的所有端点中相距最近的两个端点一侧。
2.根据权利要求1所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其特征在于，每一所述动态加载机构包括：用于产生入射应力脉冲的电磁脉冲发生器以及电磁脉冲发生器支撑底座，所述电磁脉冲发生器位于所述加载杆的一端，且与所述加载杆的端部相贴合。
3.根据权利要求2所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其特征在于，所述静态加载机构与所述电磁脉冲发生器以及所述加载杆位于同一轴线上；每一所述静态加载机构包括伺服控制加载油缸，受所述伺服控制加载油缸驱动的活塞杆以及用于传递静态载荷的加载框，所述加载框与所述加载杆的应力波输入端一侧的法兰环外侧端部套接。
4.根据权利要求3所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其特征在于，所述法兰环与所述加载杆为一整体结构，所述法兰环到所述加载杆应力波输入端的距离为所述加载杆长度的3％-7％，所述法兰环的直径为所述加载杆直径的1.5-2.5倍，所述法兰环的长度为所述加载杆长度的1.5％-4％。
5.根据权利要求3所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其特征在于，所述加载框包括：相对设置的第一端面和第二端面，所述第一端面朝向所述活塞杆，所述第二端面上开有通孔，所述加载杆的应力波输入端部通过所述通孔伸进所述加载框；所述电磁脉冲发生器放置在所述加载框内，并由放置在所述加载框内的电磁脉冲发生器支撑底座支撑，所述电磁脉冲发生器的应力波输出端与所述加载杆的应力波输入端相贴合。
6.根据权利要求1所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其特征在于，所述压剪模具还包括：套杆及角度调节盘；所述套杆包括滑槽，所述角度调节盘包括连接构件，所述连接构件与所述滑槽可拆卸连接；所述套杆紧密的套接在所述加载杆背离所述静态加载机构的一端。
7.根据权利要求6所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其特征在于，所述连接构件为圆弧形连接构件，所述圆弧形连接构件包括若干用于与所述滑槽连接的角度调节孔，通过绕所述圆弧形连接构件圆心所在的中心轴旋转进行角度调节。
8.根据权利要求6所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其特征在于，所述角度调节盘还包括用于固定测试试样的L形开口部，所述L形开口部与所述连接构件为一整体结构。
9.根据权利要求7所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其特征在于，所述若干角度调节孔中，各个调节孔均对应一个压剪角度α，其中，15°≤α≤75°。
10.根据权利要求1所述的动静组合双向电磁加载压剪实验装置，其特征在于，还包括：
数据采集系统，包括粘贴在所述加载杆上的应变片，与所述应变片连接的数据记录和存储装置；所述应变片粘贴在所述加载杆表面的中心位置。
11.一种动态压剪测试方法，其特征在于，所述方法包括：
获取加载杆的横截面积和弹性模量；
获取加载杆中的入射应变信号和反射应变信号；以及
获取试样的剪切面面积；
根据如下公式计算出剪切应力；
所述公式为
Figure FDA0003165170350000021
其中，F为施加在所述加载杆上的静态荷载，A和E分别为加载杆的横截面面积与弹性模量；As为试样的剪切面面积；ε第一入射和ε第一反射分别为应变片从左侧加载杆上监测的左侧入射应变信号和左侧反射应变信号，ε第二入射和ε第二反射分别为应变片从右侧加载杆上监测的右侧入射应变信号和右侧反射应变信号；α为角度调节孔体心与试样体心连线所在直线与试样剪切面夹角的角度。
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