CN113702200A - 一种温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置及测试方法 - Google Patents

一种温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置及测试方法，所述装置包括：支撑座、加载杆、动态加载装置、静态加载装置、温控机构以及设置在所述温控机构内部的动态压剪模具。通过设置温控机构使得装置可以在动静组合压剪试验前和试验中对测试试样进行升温和保温，实现温压耦合条件下对测试试样开展动静组合压剪试验研究。解决了现有技术无法开展不同温度和静态预应力环境条件下的岩石及混凝土等类岩石固体材料的动态压剪试验的难题，使得试验条件更加接近岩石及混凝土等类岩石固体材料自然环境下的真实赋存、工作情况，从而使测试结果更能接近真实情况，对工程实践更有科学价值和实际意义。

Description

一种温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置及测试方法
技术领域
本发明涉及岩石和混凝土等固体材料动态压剪测试技术领域，尤其涉及一种温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置及测试方法。
背景技术
随着对能源资源开发利用以及交通运输等需求的不断增加，越来越多的深部岩石工程(深部采矿、隧道、水利、地热开发以及核废料储存等)正在或即将在地应力极其复杂且动力扰动活跃的地区建设，导致这些区域的地下岩体不仅承受轴向静态应力的作用，而且往往遭受地震、爆炸、工程扰动等动力荷载的影响；此外，深部岩体工程同时还伴随着高地温的特征，特别是在深部干热岩地热能开发利用以及地下核废料存储中往往面临着高温、高地压以及动力扰动荷载的耦合作用问题。因此，研究温压耦合动力扰动条件下的岩石动力学行为和破断规律对深部岩体工程的设计、施工和运营具有重要的理论和实践意义。
目前，针对高温条件下的岩石动力学实验研究主要集中于岩石试样加热冷却后的动态压缩以及动态直接剪切试验。然而，在工程实践中深部围岩所受到的荷载作用往往不是单纯的压缩或剪切状态，而是与加载面成一定角度的静态和动态荷载耦合作用下的动态压剪作用，但受试验设备和技术的限制，现有实验设备难以开展温压耦合作用下岩石及混凝土等类岩石固体材料动态压剪试验研究。
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温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置及测试方法，用于解决现有不能在温压耦合作用下进行压剪实验的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，其中，包括：
温控机构，包括第一箱体、与所述第一箱体相组合的第二箱体及测温装置，所述测温装置设置于所述第一箱体和/或所述第二箱体中；以及
动态压剪模具，所述动态压剪模具设置在由所述第一箱体与所述第二箱体组合构成的空间内；
所述动态压剪模具包括：第一动态压剪模具以及与所述第一动态压剪模具相对设置的第二动态压剪模具。
可选地，所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，其中，所述第一箱体和所述第二箱体由加热层、保温层及外壳三层组成，所述加热层为所述第一箱体和所述第二箱体的内层，用于为试样加热提供热能，所述保温层由具有保温和隔热性能的材料制成，为所述第一箱体和所述第二箱体中间层，用于保持箱体内部温度，所述外壳为所述第一箱体和所述第二箱体的外层，用于保护箱体内部结构；
所述测温装置包括：温度传感器和温度显示器，所述温度传感器用于监测箱体内部实时温度，所述温度显示器用于显示所述温度传感器测得箱体内部的温度。
可选地，所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，其中，所述第一箱体和/或所述第二箱体设有观察部，所述观察部为由耐高温透明材料制成的观察窗口，所述观察窗口用于在试验前、后以及试验过程中观察温控机构内部测试试样的情况以及利用(超)高速摄影仪通过所述观察窗口实时观测和记录动态压剪过程中测试试样表面的动态破坏过程。
可选地，所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，其中，还包括两根加载杆及两台分别为每一所述加载杆提供动态载荷的电磁脉冲发生器，所述第一箱体和所述第二箱体上开有用于每一所述加载杆通过的通道；每一所述加载杆的应力波加载端端部经所述通道伸入由所述第一箱体与所述第二箱体组合构成的空间内与所述动态压剪模具紧密套接；每一所述加载杆的应力波输入端与所述加载杆同侧电磁脉冲发生器的输出端紧密接触。
可选地，所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，其中，所述温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置还包括：两个分别为每一所述加载杆提供静态压力的静态加载机构，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共轴设置，且所述静态加载机构分别位于对应侧电磁脉冲发生器外侧；每一所述静态加载机构包括加载油缸，受所述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法兰环外侧的端部套接。
可选地，所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，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，所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，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通过所述通孔伸入到所述加载框；所述电磁脉冲发生器放置在所述加载框内，并与所述加载杆的应力波输入端自由且紧密的贴合。
可选地，所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，其中，所述第一动态压剪模具包括：套杆与角度调节盘；所述套杆包括滑槽和套头，所述套头长度为加载杆长度的1％-2％，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。
可选地，所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，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和调节压剪角度的角度调节孔，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，所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，其中，所述角度调节盘还包括用于固定测试件的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，所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，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，与所述应变片电连接的数据记录装置；所述应变片粘贴在所述加载杆长度方向中心位置的表面。
第二方面，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；
在预定静态荷载和温度下，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在预定静态荷载和温度下的动态剪切应力：
所述公式为
Figure BDA0003165167170000041
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。
有益效果：本发明实施例提供一种温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，通过设置温控机构使得装置可以在动静组合压剪试验前和试验中对测试试样进行试验位置原位升温和保温，实现温压耦合条件下对测试试样开展动态压剪试验研究。解决了现有技术无法模拟不同温度和静态预应力环境条件下的岩石及混凝土等类岩石材料的动态压剪试验的不足，使得动态压剪试验条件更加接近岩石及混凝土等类岩石固体材料在自然环境下的真实赋存情况，从而使测试结果更能反应真实情况，进而为工程实践提供更有科学价值和实际意义的研究成果。
附图说明
图1本发明实施例提供的温压耦合双向电磁加载动态压剪试验装置三维示意图；
图2本发明实施例提供的温压耦合双向电磁加载动态压剪试验装置三维剖切示意图；
图3本发明实施例提供的温压耦合双向电磁加载动态压剪试验装置剖切面正视图；
图4本发明实施例提供的温压耦合控制系统部分三维示意图；
图5本发明实施例提供的角度调节盘正视图(α角示意图)；
图6本发明实施例提供的左右两侧套杆立体图；
图7本发明实施例提供的实施例2三维剖切示意图；
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-侧壁加固螺栓，34-温度控制箱底座，35-温度控制箱，36-温度控制箱固定螺栓，37-观察窗，38-温度传感器，，39-温度显示器，40-含预制裂纹试样。
具体实施方式
本发明提供一种温压耦合双向电磁加载动态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5所示，本发明实施例提供一种温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，包括支撑座、加载杆、动态加载装置、静态加载装置、温控机构以及设置在所述温控机构内部的动态压剪模具。
在本实施例中，所述温控机构用于为设置在其内部的动态压剪模具及测试试样提供升温的热能，其包括加温部分，保温部分和外壳，通过温控机构可以根据实验需要设置相应的升温速率和设计温度并能维持温度在设计温度保持不变，从而使实验在设计温度下进行。所述温控机构包括第一箱体和第二箱体，所述第一箱体和第二箱体可以通过螺栓连接在一起，形成一个封闭空间。所述第一箱体和/或所述第二箱体设有观察部，所述观察部为由耐高温透明材料制成的观察窗口，所述观察窗口用于在试验前、后以及试样过程中观察温度箱内部测试试样的情况以及利用(超)高速摄影仪实时观测和记录动态压剪过程中测试试样表面的动态破坏过程。
在本实施例中，所述动态压剪模具包括第一动态压剪模具以及与所述第一动态压剪模具相对设置的第二动态压剪模具。所述动态压剪模具主要用于安装测试试样，调节实验中测试试样的动态压剪角度，以及将静态荷载和动态荷载传导至测试试样。
具体来说，试验装置位于支撑平台1上，测试装置以测试试样30为对称中心，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底座4、右侧电磁脉冲发生器底座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，并能沿加载杆轴线方向左右移动；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的传载机构，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靠近左端面设置有左侧法兰环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(软件部分未在示意图中表征)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3和图4，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的传载机构，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靠近右端面设置有右侧法兰环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(软件部分未在示意图中表征)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，亦即起到改变压应力和剪应力比例的作用，图3和图5所示的左侧调节孔18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°，右侧调节孔27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°、tan75°，结合图5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，然后通过调节侧壁加固螺栓33进一步固定左侧角度调节盘17和右侧角度调节盘26；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)高速摄影仪通过设置在温度箱体上由耐高温透明材料加工而成的观察窗37，对试样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温压耦合双向电磁加载动态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(例如＜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 BDA0003165167170000091
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5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静态压力F，故试样的静态剪切应力为：
Figure BDA0003165167170000101
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压缩荷载；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应力，可以得到动静组合双向电磁加载动态压剪下试样30的组合剪切应力τ(t)为：
Figure BDA0003165167170000102
下面通过具体实施例，来对本发明所述提供的基于上述温压耦合双向电磁加载动态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2000mm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15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安装在左侧加载杆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75mm、厚度为30mm的砂岩试样30放置在左侧角度调节盘17和右侧角度调节盘26之间，试样30表面与左右两侧角度调节盘17和26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27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°，然后通过调节侧壁加固螺栓33进一步固定左侧角度调节盘17和右侧角度调节盘26。待装置安装对齐调平后，通过同步控制软件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从左向右为砂岩试样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从右往左为砂岩试样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，得到砂岩试样30在动态压剪测试中的动态剪切应力τD(t)：
Figure BDA0003165167170000111
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(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右端面固定于左侧加载框12的左端面，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2000mm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安装在左侧加载杆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的圆弧形凸起，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2000mm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24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75mm厚度30mm的板状砂岩试样30放置在左侧角度调节盘17和右侧角度调节盘26之间，试样表面与调节盘表面充分自由贴合，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套杆角度调节盘固定孔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°。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对试样30施加相同大小的静态荷载F(例如30kN)。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；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试样30的静态剪切应力τS：
Figure BDA0003165167170000131
静态预应力加载稳定后，通过温度控制箱35对试样30以每分钟升温3℃的速率进行加热，当升温到试验设定温度(例如200℃)时停止升温，温度控制箱35对试样30恒温2小时，以便试样30内部温度均匀。
待升温完成且温度及静态预应力均保持稳定后，通过同步控制软件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试样30施加相同幅值(例如300MPa)和相同持续时间(例如400μs)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从左向右为砂岩试样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从右往左为砂岩试样30施加动态压剪荷载，据此实现温压耦合双向电磁加载砂岩试样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砂岩试样30在动态加载中的动态剪切应力τD(t)：
Figure BDA0003165167170000141
根据动态剪切应力和静态剪切应力，可以得到温压耦合双向电磁加载动态压剪下试样30的组合剪切应力τ(t)：
Figure BDA0003165167170000142
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7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3000mm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，左侧加载杆与支撑平台1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安装在左侧加载杆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含预制裂纹试样40。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3000mm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，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的圆弧形凸起，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含预制裂纹试样40。
将加工处理好的边长为100mm厚度30mm的含预制裂纹试样40放置在左侧角度调节盘17和右侧角度调节盘26之间，试样表面与调节盘表面充分自由贴合，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套杆角度调节盘固定孔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°。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对含预制裂纹试样40施加相同大小的静态荷载F(例如20kN)。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传递至含预制裂纹试样40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传递至含预制裂纹试样40进行静预应力加载。
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含预制裂纹试样40的静态剪切应力τS：
Figure BDA0003165167170000161
静态预应力加载稳定后，通过温度控制箱35对含预制裂隙试样40以每分钟升温5℃的速率进行加热，当升温到试验设定温度(例如400℃)时停止升温，温度控制箱35对含预制裂纹试样40恒温2小时，以便含预制裂纹试样40内部温度均匀。
待升温完成且含预制裂纹试样40温度及静态预应力保持稳定后，通过同步控制软件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含预制裂纹试样40施加相同幅值(例如100MPa)和相同持续时间(例如250μs)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从左向右为含预制裂纹试样40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，过右侧加载杆24经由右侧套杆25和右侧角度调节盘26从右往左为含预制裂纹试样40施加动态压剪荷载，据此实现温压耦合双向电磁加载含预制裂纹试样40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含预制裂纹试样40在动态加载中的动态剪切应力τD(t)：
Figure BDA0003165167170000171
根据动态剪切应力和静态剪切应力，可以得到温压耦合双向电磁加载动态压剪下含中心预制裂纹试样40的组合剪切应力τ(t)：
Figure BDA0003165167170000172
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第三个孔圆心与含预制裂纹试样40体心连线所在直线与试样剪切面夹角的角度45°。
综上所述，本发明提供一种温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置及测试方法，通过设置温度控制机构使得装置可以在动静组合压剪试验前和试验中对测试试样进行原位升温和保温，实现温压耦合条件下对测试试样开展动态压剪试验研究。解决了现有技术无法开展不同温度和静态预应力环境条件下的岩石及混凝土等类岩石材料的动态压剪试验的不足，使得动态压剪试验条件更加接近岩石及混凝土等类岩石材料自然环境下的真实赋存情况，从而使测试结果更能反映真实情况，进而为对工程实践提供更有科学价值和实际意义的研究成果。
进一步，通过在温度控制箱第一箱体和/或第二箱体中间部分设置由耐高温透明材料加工而成的透明观察窗口，允许在温压耦合动态压剪试验中利用(超)高速摄影仪对试样动态压剪变形和破坏全过程进行实时观测和存储，以便结合照相量测技术或散斑分析技术对温压耦合动态压剪作用下试样表面动态应变场演化、裂纹扩展和压剪破坏模式进行定性或定量研究与分析。解决了现有温压耦合岩石动力学试验由于温度控制箱不透明而无法对试验过程中试样裂纹扩展、破坏以及动态应变演化等情况进行实时观察和分析的不足。
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 (12)

1.一种温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，其特征在于，包括：
温控机构，包括第一箱体、与所述第一箱体相组合的第二箱体及测温装置，所述测温装置设置于所述第一箱体和/或所述第二箱体中；以及
动态压剪模具，所述动态压剪模具设置在由所述第一箱体与所述第二箱体组合构成的空间内；
所述动态压剪模具包括：第一动态压剪模具以及与所述第一动态压剪模具相对设置的第二动态压剪模具。
2.根据权利要求1所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，其特征在于，所述第一箱体和所述第二箱体由加热层、保温层及外壳三层组成，所述加热层为所述第一箱体和所述第二箱体的内层，用于为试样加热提供热能，所述保温层由具有保温和隔热性能的材料制成，为所述第一箱体和所述第二箱体中间层，用于保持箱体内部温度，所述外壳为所述第一箱体和所述第二箱体的外层，用于保护箱体内部结构；
所述测温装置包括：温度传感器和温度显示器，所述温度传感器用于监测箱体内部实时温度，所述温度显示器用于显示所述温度传感器测得箱体内部的温度。
3.根据权利要求1所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，其特征在于，所述第一箱体和/或所述第二箱体设有观察部，所述观察部为由耐高温透明材料制成的观察窗口，所述观察窗口用于在试验前、后以及试验过程中观察温控机构内部测试试样的情况以及利用(超)高速摄影仪通过所述观察窗口实时观测和记录动态压剪过程中测试试样表面的动态破坏过程。
4.根据权利要求1所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，其特征在于，还包括两根加载杆及两台分别为每一所述加载杆提供动态载荷的电磁脉冲发生器，所述第一箱体和所述第二箱体上开有用于每一所述加载杆通过的通道；每一所述加载杆的应力波加载端端部经所述通道伸入由所述第一箱体与所述第二箱体组合构成的空间内与所述动态压剪模具紧密套接；每一所述加载杆的应力波输入端与所述加载杆同侧电磁脉冲发生器的输出端紧密接触。
5.根据权利要求4所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，其特征在于，所述温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置还包括：两个分别为每一所述加载杆提供静态压力的静态加载机构，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共轴设置，且所述静态加载机构分别位于对应侧电磁脉冲发生器外侧；每一所述静态加载机构包括加载油缸，受所述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法兰环外侧的端部套接。
6.根据权利要求5所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，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％。
7.根据权利要求5所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，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通过所述通孔伸入到所述加载框；所述电磁脉冲发生器放置在所述加载框内，并与所述加载杆的应力波输入端自由且紧密的贴合。
8.根据权利要求1所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，其特征在于，所述第一动态压剪模具包括：套杆与角度调节盘；所述套杆包括滑槽和套头，所述套头长度为加载杆长度的1％-2％，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。
9.根据权利要求8所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，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和调节压剪角度的角度调节孔，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。
10.根据权利要求8所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，其特征在于，所述角度调节盘还包括用于固定测试件的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。
11.根据权利要求1所述的温压耦合双向电磁加载动态压剪实验装置，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，与所述应变片电连接的数据记录装置；所述应变片粘贴在所述加载杆长度方向中心位置的表面。
12.一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；
在预定静态荷载和温度下，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在预定静态荷载和温度下的动态剪切应力：
所述公式为
Figure FDA0003165167160000031
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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