CN114544358B - 一种岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置及测试方法 - Google Patents

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CN114544358B CN202210095719.2A CN202210095719A CN114544358B CN 114544358 B CN114544358 B CN 114544358B CN 202210095719 A CN202210095719 A CN 202210095719A CN 114544358 B CN114544358 B CN 114544358B
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Abstract

本发明提供了一种岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置及测试方法，所述装置包括：静态加载电液伺服控制油缸底座、静态加载电液伺服控制油缸、活塞杆、加载框、电磁应力脉冲发射器底座、电磁应力脉冲发射器、法兰环及加载杆、伺服控制油缸、伺服控制油缸活塞杆、固定钉、拉力腔、滚珠及受力槽。本发明通过设置拉剪模具实现法向拉应力及轴向静态剪应力作用下岩石类固体材料动态剪切力学响应研究，拉力腔与受力槽间设置滚珠使其能够发生轴向相对位移，以减少剪切位移导致的偏心拉应力，解决了因剪切位移增加导致的拉应力偏心对试验结果产生影响，使得本发明下岩石类固体材料动态拉剪力学测试更加接近真实情况，对工程实践具有重要的科学价值和实际意义。

Description

一种岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置及测试方法
技术领域
本发明涉及动静组合拉剪实验装置，尤其涉及岩石和混凝土等岩石类固体材料动静组合拉剪实验技术领域。
背景技术
在机械开挖破岩及爆破等工程动力扰动作用下，围岩力学响应及破坏规律往往会发生一系列不利于工程安全的变化，为保证地下工程设计合理、施工安全以及长期稳定运营，必须对围岩在各种荷载作用下的动力学响应规律进行研究。而矿山采空区顶板及岩质边坡等岩体常受到拉剪荷载的作用，很大程度上削弱了岩石强度，对工程安全造成威胁。因此，掌握岩石类固体材料在动静组合拉剪荷载作用下的动态力学响应对工程设计、施工以及运营具有十分重要的作用。
目前，由于缺少可以开展动静组合剪切研究的实验装置，关于岩石等固体材料的动态剪切试验研究受到限制。近年来，虽然有学者在岩石拉剪试验方面进行了试验设备和方法的研究，例如，有学者提供了一种能够在压剪试验机上使用的岩石拉剪试验装置及方法(CN106066277B)，可以开展法向拉应力作用下的静态剪切试验，但该试验装置仅能开展静态范围下的岩石试样拉剪试验，而不能满足工程动力扰动所包含的应变率范围，并且该试验装置没有考虑剪切过程中由于剪切位移导致的拉力偏心问题。
因此，需要对现有用于开展拉剪实验的试验装置及方法进行创新改进，以解决现有技术难点。
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岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置及测试方法，用于解决偏心拉力对动态拉剪实验结构的影响以及破解现有实验装置无法开展岩石类固体材料在法向静态拉应力条件下的动静组合剪切力学响应试验研究的难题。为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置，以测试试样为中心，左右两侧动态剪切加载机构布置于支撑平台上，上下两侧拉力加载构件垂直于支撑平台设置在试样上下两面；
右侧加载杆左端面与试样右表面上半部分紧密贴合，右侧静态剪切加载时，右侧电液伺服控制油缸对右侧活塞杆施加伺服应力，静态应力依次通过右侧活塞杆、右侧加载框、右侧法兰环及右侧加载杆施加于试样，右侧动态剪切加载时，应力波由右侧电磁应力脉冲发生器激发并从其左端面输出，经右侧加载杆传递加载于试样；
左侧加载杆右端面与试样左表面下半部分紧密贴合，左侧静态剪切加载时，左侧电液伺服控制油缸对左侧活塞杆施加伺服应力，静态应力依次通过左侧活塞杆、左侧加载框、左侧法兰环及左侧加载杆施加于试样，左侧动态剪切加载机构加载时，应力波由左侧电磁应力脉冲发生器激发并从其右端面输出，经左侧加载杆传递加载于试样；
上方法向拉力加载机构包括上伺服控制油缸、上伺服控制油缸活塞杆、上拉力腔、上受力槽及滚珠，其中上伺服控制油缸活塞杆与上拉力腔固定连接，上受力槽通过侧面滑动安装入上拉力腔，且通过滚珠使得二者能够沿轴向自由相对滑动；上方法向拉力施加时，荷载由上伺服控制油缸提供，上方荷载通过上伺服控制油缸活塞杆、固定钉传递到上拉力腔后，通过滚珠施加到上受力槽两翼，上受力槽底面与试样上表面固定连接，从而对试样上表面施加目标拉力荷载；
下方法向拉力加载机构包括下伺服控制油缸、下伺服控制油缸活塞杆、下拉力腔、下受力槽及滚珠，下伺服控制油缸活塞杆与下拉力腔连接，下受力槽通过侧面滑动安装入下拉力腔，且通过滚珠使得二者能够沿轴向自由相对滑动；下方法向拉力施加时，荷载由下伺服控制油缸提供，下方荷载通过下伺服控制油缸活塞杆、固定钉传递到下拉力腔后，通过滚珠施加到下受力槽两翼，下受力槽顶面与试样下表面固定连接，从而对试样上表面施加目标拉力荷载。
作为本发明的进一步改进，右侧动态剪切加载机构包括右侧电液伺服控制油缸底座、右侧电液伺服控制油缸、右侧活塞杆、右侧加载框、右侧电磁应力脉冲发生器底座、右侧电磁应力脉冲发生器、右侧法兰环、加载杆底座及右侧加载杆，其中右侧电液伺服控制油缸底座放置于支撑平台最右侧，且能够沿支撑平台轴向移动，右侧电液伺服控制油缸固定放置于右侧电液伺服控制油缸底座中，右侧活塞杆位于右侧电液伺服控制油缸左侧，所述右侧活塞杆左端面与右侧加载框右端面自由贴合，右侧电磁应力脉冲发生器底座与右侧电磁应力脉冲发生器放置于右侧加载框内部，右侧电磁应力脉冲发生器放置于右侧电磁应力脉冲发生器底座中，右侧加载杆放置于加载杆底座上，右侧加载杆右端通过预留通孔伸入右加载框内部，所述右侧加载杆右端面紧贴在右侧电磁脉冲发生器的左端面，右侧法兰环为右侧加载杆上的径向突出部分，与右侧加载杆构成一整体结构，右侧法兰环右端面与右侧加载框左端面紧密贴合。
作为本发明的进一步改进，左侧动态剪切加载机构包括左侧电液伺服控制油缸底座、左侧电液伺服控制油缸、左侧活塞杆、左侧加载框、左侧电磁应力脉冲发生器底座、左侧电磁应力脉冲发生器、左侧法兰环、支撑平台、加载杆底座及左侧加载杆，其中左侧电液伺服控制油缸底座放置于装置整体最左侧，左侧电液伺服控制油缸固定放置于左侧电液伺服控制油缸底座中，左侧活塞杆位于左侧电液伺服控制油缸左侧，其右端面与左侧加载框左端面自由贴合，左侧电磁应力脉冲发生器底座与左侧电磁应力脉冲发生器放置于左侧加载框内部，左侧电磁应力脉冲发生器放置于左侧电磁应力脉冲发生器底座中，左侧加载杆放置于加载杆底座上，其左端通过预留通孔伸入左加载框内部，所述左侧加载杆右端面紧贴在左侧电磁脉冲发生器的左端面，左侧法兰环为左侧加载杆上的突出部分，与左侧加载杆构成一整体结构，左侧法兰环左端面与左侧加载框右表面紧密贴合。
作为本发明的进一步改进，还包括固定钉，上伺服控制油缸活塞杆通过固定钉与上拉力腔连接，下伺服控制油缸活塞杆通过固定钉与下拉力腔连接。
作为本发明的进一步改进，上受力槽底面通过胶水与试样上表面紧密胶结，下受力槽顶面通过胶水与试样下表面紧密胶结。
作为本发明的进一步改进，左侧加载杆和右侧加载杆表面中间位置分别设有左侧应变片和右侧应变片。
作为本发明的进一步改进，还包括数据监测与采集系统，其所述左侧应变片和右侧应变片，还包括同步高速记录仪、和摄影仪，动态剪切过程中，左侧应变片和右侧应变片分别将左侧加载杆和右侧加载杆上监测到的应变信号通过屏蔽导线传输至同步高速记录仪器进行记录和储存，最终输出至计算机上进行存储和分析，同时动静组合拉剪加载过程亦能够通过摄影仪实时拍摄试样表面动态应变演化及破坏全过程。
一种基于上述任意一项所述的岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置的动静组合拉剪测试方法，
先通过法向拉力加载机构为测试试样施加能够伺服控制的法向静态拉伸应力，待所述法向静态拉伸应力达到预定值时，通过上下伺服控制油缸将所施加法向静态拉伸应力维持恒定，然后控制左右两侧电液伺服控制油缸、活塞杆、加载框以及加载杆，为测试试样施加能够伺服控制的轴向静态剪切应力，待所述轴向静态剪切应力达到预定值时，通过左右两侧电液伺服控制油缸将所施加轴向静态剪切应力维持恒定，随后控制左右两侧电磁脉冲发生器同步激发相同幅值和相同时长的应力波为测试试样分别从左右两侧同步施加动态剪切荷载，动态剪切加载中，根据一维应力波传播理论，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能够接受的限度时，可认为试样达到了动态应力平衡状态，此时利用左右两侧应变片监测得到的左右两侧加载杆应变数值，根据下述公式计算得到不同拉应力和剪切加载速度下岩石、混凝土等固体材料试样的动态剪切应力，具体公式为：
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左入射和ε左反射分别为左侧应变片从左侧加载杆上监测的入射应变信号和反射应变信号，ε右入射和ε右反射分别为右侧应变片从右侧加载杆上监测的入射应变信号和反射应变信号。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种开展岩石、混凝土等固体材料动静组合拉剪实验试验装置及动静组合拉剪强度测试方法，通过将加载杆件位置设置在不同高度，控制轴向荷载施加范围，使得能够对试样施加静态及动态剪切荷载，解决了现有实验装置不能直接开展岩石类固体材料的动静组合拉剪试验的技术缺陷；本发明还提供了一种对试样施加法向拉应力的实验装置，通过在受力槽与拉力施加腔之间设置滚珠保证剪切过程中法向拉应力始终垂直于轴向加载，解决了现有拉剪强度测试实验装置在实验过程中由剪切位移产生的拉力偏心问题，使得动态拉剪实验装置更加接近真实情况；此外，本发明提供的动静组合拉剪装置试样剪切侧面为临空面，在实验过程中可结合超高速摄影、声发射等其他监测手段对其动静组合拉剪破坏全过程进行监测研究。
附图说明
图1本发明实施例提供的岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置三维示意图；
图2本发明实施例提供的岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置三维剖切示意图；
图3本发明实施例提供的岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置正视图；
图4本发明实施例提供的动静组合剪切加载机构三维示意图；
图5本发明实施例提供的上方法向拉力加载系统三维示意图；
图6本发明实施例提供的上方法向拉力加载系统拆解细节图。
图中标号对应部件名称如下：
1-右侧电液伺服控制油缸底座，2-右侧电液伺服控制油缸，3-右侧活塞杆，4-右侧加载框，5-右侧电磁应力脉冲发生器底座，6-右侧电磁应力脉冲发生器，7-右侧法兰环，8-右侧加载杆，9-左侧电液伺服控制油缸底座，10-左侧电液伺服控制油缸，11-左侧活塞杆，12-左侧加载框，13-左侧电磁应力脉冲发生器底座，14-左侧电磁应力脉冲发生器，15-左侧法兰环，16-左侧加载杆，17-上伺服控制油缸，18-上伺服控制油缸活塞杆，19-上拉力腔，20-上受力槽，21-下伺服控制油缸，22-下伺服控制油缸活塞杆，23-下拉力腔，24-下受力槽，25-固定钉，26-滚珠，27-试样，28-右侧应变片，29-左侧应变片，30-支撑平台，31-加载杆底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置，
本发明提供一种岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置及动静组合拉剪强度测试方法，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6所示，本发明实施例提供一种岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置，包括动静组合剪切加载机构及垂直于支撑机构设置的法向拉力加载机构。
具体来说，测试装置以测试试样27为中心，左右两侧构件沿试样27布置于支撑平台30上，上下两侧拉力加载构件垂直于加载杆轴线平面呈上下布置。
右侧动态剪切加载机构包括右侧电液伺服控制油缸底座1、右侧电液伺服控制油缸2、右侧活塞杆3、右侧加载框4、右侧电磁应力脉冲发生器底座5、右侧电磁应力脉冲发生器6、右侧法兰环7、支撑平台30、加载杆底座31及右侧加载杆8，其中右侧电液伺服控制油缸底座1放置于支撑平台30最右侧，且能够沿支撑平台30轴向滑动(由试验人员移动)，右侧电液伺服控制油缸2固定放置于右侧电液伺服控制油缸底座1中，右侧活塞杆3位于右侧电液伺服控制油缸2左侧，所述右侧活塞杆3左端面与右侧加载框4右端面自由贴合(自由贴合：受力时两端面贴合，不受力时两端面可分开)，右侧电磁应力脉冲发生器底座5与右侧电磁应力脉冲发生器6放置于右侧加载框4内部，右侧电磁应力脉冲发生器6放置于右侧电磁应力脉冲发生器底座5中，右侧加载杆8放置于加载杆底座31上，其右端(右侧法兰环7以右部分)通过预留通孔伸入右加载框4内部，所述右侧加载杆8右端面紧贴在右侧电磁脉冲发生器6的左端面，右侧加载杆8左端面与试样右表面上半部分紧密贴合，右侧法兰环7为右侧加载杆8上的径向突出部分，与右侧加载杆8构成一整体结构，右侧法兰环7右端面与右侧加载框4左端面紧密贴合，右侧静态剪切加载时，右侧电液伺服控制油缸2对右侧活塞杆3施加伺服应力，静态应力依次通过右侧活塞杆3、右侧加载框4、右侧法兰环7及右侧加载杆8施加于试样27，右侧动态剪切加载时，应力波由右侧电磁应力脉冲发生器6激发并从其左端面输出，经右侧加载杆8传递加载于试样27。
左侧动态剪切加载机构包括左侧电液伺服控制油缸底座9、左侧电液伺服控制油缸10、左侧活塞杆11、左侧加载框12、左侧电磁应力脉冲发生器底座13、左侧电磁应力脉冲发生器14、左侧法兰环15、支撑平台30、加载杆底座31及左侧加载杆16，其中左侧电液伺服控制油缸底座9放置于装置整体最左侧，且能够沿支撑平台轴向滑动，左侧电液伺服控制油缸10固定放置于左侧电液伺服控制油缸底座9中，左侧活塞杆11位于左侧电液伺服控制油缸10左侧，其右端面与左侧加载框12左端面自由贴合，左侧电磁应力脉冲发生器底座13与左侧电磁应力脉冲发生器14放置于左侧加载框12内部，左侧电磁应力脉冲发生器14放置于左侧电磁应力脉冲发生器底座13中，左侧加载杆16放置于加载杆底座31上，其左端(左侧法兰环15以左部分)通过预留通孔伸入左加载框12内部，所述左侧加载杆16右端面紧贴在左侧电磁脉冲发生器14的左端面，左侧加载杆16右端面与试样左表面下半部分紧密贴合，左侧法兰环15为左侧加载杆16上的突出部分，与左侧加载杆16构成一整体结构，左侧法兰环15左端面与左侧加载框12右表面紧密贴合，左侧静态剪切加载时，左侧电液伺服控制油缸10对左侧活塞杆11施加伺服应力，静态应力依次通过左侧活塞杆11、左侧加载框12、左侧法兰环15及左侧加载杆16施加于试样27，左侧动态剪切加载机构加载时，应力波由左侧电磁应力脉冲发生器14激发并从其右端面输出，经左侧加载杆16传递加载于试样27。
上方法向拉力加载机构包括上伺服控制油缸17、上伺服控制油缸活塞杆18、固定钉25、上拉力腔19、上受力槽20及滚珠26，其中上伺服控制油缸活塞杆18通过固定钉25与上拉力腔19连接，上受力槽20通过侧面滑动安装入上拉力腔19，且通过设置滚珠26使得二者能够沿轴向自由相对滑动；上方法向拉力施加时，荷载由上伺服控制油缸17提供，上方荷载通过上伺服控制油缸活塞杆18、固定钉25传递到上拉力腔19后，通过滚珠26施加到上受力槽20两翼，上受力槽20底面通过高强度结构胶与试样27上表面紧密胶结，从而对试样27上表面施加目标拉力荷载。
下方法向拉力加载机构包括下伺服控制油缸21、下伺服控制油缸活塞杆22、固定钉25、下拉力腔23、下受力槽24及滚珠26，其中下伺服控制油缸活塞杆22通过固定钉25与下拉力腔23连接，下受力槽24通过侧面滑动安装入下拉力腔23，且通过设置滚珠26使得二者能够沿轴向自由相对滑动；下方法向拉力施加时，荷载由下伺服控制油缸21提供，下方荷载通过下伺服控制油缸活塞杆22、固定钉25传递到下拉力腔23后，通过滚珠26施加到下受力槽24两翼，下受力槽24顶面通过高强度结构胶与试样27下表面紧密胶结，从而对试样上表面施加目标拉力荷载。
数据监测与采集系统主要由同步高速记录仪(未示出)、应变片和(超)高速摄影仪(未示出)等构成，其中左侧应变片29和右侧应变片28分别粘贴于左侧加载杆16和右侧加载杆8表面中间位置，动态剪切过程中，左侧应变片29和右侧应变片28分别将左侧加载杆16和右侧加载杆8上监测到的应变信号通过屏蔽导线传输至同步高速记录仪器进行记录和储存，最终输出至计算机上进行存储和分析，同时动静组合拉剪加载过程亦可通过(超)高速摄影仪实时拍摄试样27表面动态应变演化及破坏全过程用于分析试样动静组合拉剪荷载作用下岩石类固体材料的变形与破坏规律。
本发明实施例还提供一种基于上述岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置的动态拉剪测试方法。
具体来说，待所述实验装置按照图1所示结构安装后，先通过法向拉力加载机构为测试试样27施加能够伺服控制的法向静态拉伸应力，待所述法向静态拉伸应力达到预定值时，通过上下伺服控制油缸将所施加法向静态拉伸应力维持恒定，然后控制左右两侧电液伺服控制油缸、活塞杆、加载框以及加载杆，为测试试样27施加能够伺服控制的轴向静态剪切应力，待所述轴向静态剪切应力达到预定值时，通过左右两侧电液伺服控制油缸将所施加轴向静态剪切应力维持恒定，随后控制左右两侧电磁脉冲发生器同步激发相同幅值和相同时长的应力波为测试试样27分别从左右两侧同步施加动态剪切荷载。动态剪切加载中，根据一维应力波传播理论，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能够接受的限度时(例如＜5％)，可认为试样达到了动态应力平衡状态，此时利用左右两侧应变片监测得到的左右两侧加载杆应变数值，根据下述公式计算得到不同拉应力和剪切加载速度下岩石、混凝土等固体材料试样的动态剪切应力，具体公式为：
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27的剪切面面积；ε左入射和ε左反射分别为左侧应变片29从左侧加载杆16上监测的入射应变信号和反射应变信号，ε右入射和ε右反射分别为右侧应变片28从右侧加载杆8上监测的入射应变信号和反射应变信号。
下面通过具体实施例，来对本发明所述提供的基于上述岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置做进一步的解释说明，F为静态轴向剪切荷载。
实施例1
本例提供一个对50×50×50mm3的完整砂岩试样开展3MPa法向预拉应力下、5MPa轴向预剪切应力下的动静组合剪切实施例。
首先，如图1所示进行实验装置的安装。首先安装右侧动静组合加载系统，右侧电液伺服控制油缸底座1放置于支撑平台30最右侧，且可沿支撑平台轴向滑动，右侧电液伺服控制油缸2固定放置于右侧电液伺服控制油缸底座1上，右侧活塞杆3位于右侧电液伺服控制油缸2左端面，右侧加载框4右端面与右侧活塞杆3左端面自由贴合，右侧电磁应力脉冲发生器底座5与右侧电磁应力脉冲发生器6放置于右侧加载框4内部并能够沿加载杆轴向左右移动，长2000mm，宽50mm，高25mm的TC21钛合金右侧加载杆8放置于支撑底座31上，其右端通过预留通孔伸入右侧加载框4，右侧加载杆8左、右端面分别与试样27和右侧电磁应力脉冲发生器6紧密贴合；相似地，进行左侧动静组合加载系统安装，左侧电液伺服控制油缸底座9放置于装置最左侧，左侧电液伺服控制油缸10固定放置于左侧电液伺服控制油缸底座9上，左侧活塞杆11位于左侧电液伺服控制油缸10右端面，左侧加载框12左端面与左侧活塞杆11右端面自由贴合，左侧电磁应力脉冲发生器底座13与左侧电磁应力脉冲发生器14放置于左侧加载框12内部并能够沿加载杆轴向左右移动，长2000mm，宽50mm，高25mm的TC21钛合金左侧加载杆16左端通过预留通孔伸入左侧加载框12，左侧加载杆16左、右端面分别与左侧电磁应力脉冲发生器14和试样27紧密贴合。
之后进行法向拉力加载系统的安装，上拉力腔19通过固定钉25与上伺服控制油缸活塞杆18连接，上受力槽20安装时通过上拉力腔19左侧或右侧开口滑动放入上拉力腔19腔内，滚珠26位于上受力槽20上翼与上拉力腔19内部下表面之间，二者通过滚珠能够沿加载杆轴向滑动；同样地，下拉力腔23通过固定钉25与下伺服控制油缸活塞杆22连接，下受力槽24安装时通过下拉力腔23左侧或右侧开口滑动放入下拉力腔23腔内，滚珠26位于下受力槽24下翼与下拉力腔23内部上表面之间，二者通过滚珠可沿加载杆轴向滑动。接下来在上受力槽20下表面和下受力槽24上表面分别涂抹一层薄薄的高强度结构胶水，将试样27放入上下受力槽之间，确定试样27上表面与上受力槽19、下表面与下受力槽22紧密胶结且凝固后进行法向荷载施加；
通过计算机软件(未示出)控制上伺服控制油缸17、下伺服控制油缸20分别施加向上和向下的拉应力至传感器(未示出)显示拉力达到目标荷载3MPa；待拉应力加载至目标值且维持稳定后施加静态轴向剪切荷载，通过计算机软件(未示出)控制左右两侧电液伺服控制油缸10和2分别通过左右两侧活塞杆11和3、左右两侧加载框12和4以及左右两侧加载杆16和8向试样27方向施加大小为5MPa的轴向静态剪切荷载，待轴向静态剪切荷载加载至目标值后，通过左右两侧电液伺服控制油缸10和2维持稳定；之后通过计算机软件(未示出)控制左侧电磁脉冲发生器14输出幅值为200MPa，持续时长300μs的应力波，应力波沿左侧加载杆16自左向右传播，此时左侧应变片29上监测到的为左入射波，入射波继续沿左侧加载杆16传播至试样27并对其施加从左至右的动态剪切荷载；在控制左侧动态剪切应力加载的同时，通过计算机软件(未示出)同步控制右侧电磁脉冲发生器6产生幅值为200MPa，持续时长300μs的应力波，应力波沿右侧加载杆8自右向左传播，此时右侧应变片28上监测到的为右入射波，入射波继续沿右侧加载杆8传播至试样27并对其施加从右至左的动态剪切荷载，左右两侧应力波由计算机控制同步输出，且同时到达试样27对其进行加载，保证试样内部应力平衡；
当左右两侧应变片监测得到的左右两侧加载杆应变信号显示剪切过程左右两侧加载杆上动态荷载基本一致时(例如荷载误差<5％)，认为试样达到内部应力平衡状态，即可根据下述公式计算得到3MPa法向拉应力、5MPa轴向静态剪切应力及幅值为200MPa，持续时长为300μs的应力波加载下岩石类固体材料试样的动静组合拉剪强度τ，具体公式为：
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左入射和ε左反射分别为左侧应变片从左侧加载杆上监测的入射应变信号和反射应变信号，ε右入射和ε右反射分别为左侧应变片从右侧加载杆上监测的入射应变信号和反射应变信号，F为静态剪切荷载。
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 (7)

1.一种岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置，其特征在于：
以测试试样(27)为中心，左右两侧动态剪切加载机构布置于支撑平台(30)上，上下两侧拉力加载构件垂直于支撑平台(30)设置在试样(27)上下两面；
右侧加载杆(8)左端面与试样(27)右表面上半部分紧密贴合，右侧静态剪切加载时，右侧电液伺服控制油缸(2)对右侧活塞杆(3)施加伺服应力，静态应力依次通过右侧活塞杆(3)、右侧加载框(4)、右侧法兰环(7)及右侧加载杆(8)施加于试样(27)，右侧动态剪切加载时，应力波由右侧电磁应力脉冲发生器(6)激发并从其左端面输出，经右侧加载杆(8)传递加载于试样(27)；
左侧加载杆(16)右端面与试样左表面下半部分紧密贴合，左侧静态剪切加载时，左侧电液伺服控制油缸(10)对左侧活塞杆(11)施加伺服应力，静态应力依次通过左侧活塞杆(11)、左侧加载框(12)、左侧法兰环(15)及左侧加载杆(16)施加于试样(27)，左侧动态剪切加载机构加载时，应力波由左侧电磁应力脉冲发生器(14)激发并从其右端面输出，经左侧加载杆(16)传递加载于试样(27)；
上方法向拉力加载机构包括上伺服控制油缸(17)、上伺服控制油缸活塞杆(18)、上拉力腔(19)、上受力槽(20)及滚珠(26)，其中上伺服控制油缸活塞杆(18)与上拉力腔(19)固定连接，上受力槽(20)通过侧面滑动安装入上拉力腔(19)，且通过滚珠(26)使得二者能够沿轴向自由相对滑动；上方法向拉力施加时，荷载由上伺服控制油缸(17)提供，上方荷载通过上伺服控制油缸活塞杆(18)、固定钉(25)传递到上拉力腔(19)后，通过滚珠(26)施加到上受力槽(20)两翼，上受力槽(20)底面与试样(27)上表面固定连接，从而对试样(27)上表面施加目标拉力荷载；
下方法向拉力加载机构包括下伺服控制油缸(21)、下伺服控制油缸活塞杆(22)、下拉力腔(23)、下受力槽(24)及滚珠(26)，下伺服控制油缸活塞杆(22)与下拉力腔(23)连接，下受力槽(24)通过侧面滑动安装入下拉力腔(23)，且通过滚珠(26)使得二者能够沿轴向自由相对滑动；下方法向拉力施加时，荷载由下伺服控制油缸(21)提供，下方荷载通过下伺服控制油缸活塞杆(22)、固定钉(25)传递到下拉力腔(23)后，通过滚珠(26)施加到下受力槽(24)两翼，下受力槽(24)顶面与试样(27)下表面固定连接，从而对试样上表面施加目标拉力荷载；
左侧加载杆(16)和右侧加载杆(8)表面中间位置分别设有左侧应变片(29)和右侧应变片(28)，还包括同步高速记录仪，动态剪切过程中，左侧应变片(29)和右侧应变片(28)分别将左侧加载杆(16)和右侧加载杆(8)上监测到的应变信号通过屏蔽导线传输至同步高速记录仪器进行记录和储存。
2.根据权利要求1所述的一种岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置，其特征在于：右侧动态剪切加载机构包括右侧电液伺服控制油缸底座(1)、右侧电液伺服控制油缸(2)、右侧活塞杆(3)、右侧加载框(4)、右侧电磁应力脉冲发生器底座(5)、右侧电磁应力脉冲发生器(6)、右侧法兰环(7)、加载杆底座(31)及右侧加载杆(8)，其中右侧电液伺服控制油缸底座(1)放置于支撑平台(30)最右侧，且能够沿支撑平台(30)轴向移动，右侧电液伺服控制油缸(2)固定放置于右侧电液伺服控制油缸底座(1)中，右侧活塞杆(3)位于右侧电液伺服控制油缸(2)左侧，所述右侧活塞杆(3)左端面与右侧加载框(4)右端面自由贴合，右侧电磁应力脉冲发生器底座(5)与右侧电磁应力脉冲发生器(6)放置于右侧加载框(4)内部，右侧电磁应力脉冲发生器(6)放置于右侧电磁应力脉冲发生器底座(5)中，右侧加载杆(8)放置于加载杆底座(31)上，右侧加载杆(8)右端通过预留通孔伸入右侧加载框(4)内部，所述右侧加载杆(8)右端面紧贴在右侧电磁应力脉冲发生器(6)的左端面，右侧法兰环(7)为右侧加载杆(8)上的径向突出部分，与右侧加载杆(8)构成一整体结构，右侧法兰环(7)右端面与右侧加载框(4)左端面紧密贴合。
3.根据权利要求1所述的一种岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置，其特征在于：左侧动态剪切加载机构包括左侧电液伺服控制油缸底座(9)、左侧电液伺服控制油缸(10)、左侧活塞杆(11)、左侧加载框(12)、左侧电磁应力脉冲发生器底座(13)、左侧电磁应力脉冲发生器(14)、左侧法兰环(15)、支撑平台(30)、加载杆底座(31)及左侧加载杆(16)，其中左侧电液伺服控制油缸底座(9)放置于装置整体最左侧，左侧电液伺服控制油缸(10)固定放置于左侧电液伺服控制油缸底座(9)中，左侧活塞杆(11)位于左侧电液伺服控制油缸(10)左侧，其右端面与左侧加载框(12)左端面自由贴合，左侧电磁应力脉冲发生器底座(13)与左侧电磁应力脉冲发生器(14)放置于左侧加载框(12)内部，左侧电磁应力脉冲发生器(14)放置于左侧电磁应力脉冲发生器底座(13)中，左侧加载杆(16)放置于加载杆底座(31)上，其左端通过预留通孔伸入左侧加载框(12)内部，所述左侧加载杆(16)右端面紧贴在左侧电磁应力脉冲发生器(14)的左端面，左侧法兰环(15)为左侧加载杆(16)上的突出部分，与左侧加载杆(16)构成一整体结构，左侧法兰环(15)左端面与左侧加载框(12)右表面紧密贴合。
4.根据权利要求1所述的一种岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置，其特征在于：还包括固定钉(25)，上伺服控制油缸活塞杆(18)通过固定钉(25)与上拉力腔(19)连接，下伺服控制油缸活塞杆(22)通过固定钉(25)与下拉力腔(23)连接。
5.根据权利要求1所述的一种岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置，其特征在于：上受力槽(20)底面通过胶水与试样(27)上表面紧密胶结，下受力槽(24)顶面通过胶水与试样(27)下表面紧密胶结。
6.根据权利要求1所述的一种岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置，其特征在于：还包括数据监测与采集系统，其所述左侧应变片(29)和右侧应变片(28)，还包括摄影仪，监测到的应变信号最终输出至计算机上进行存储和分析，同时动静组合拉剪加载过程亦能够通过摄影仪实时拍摄试样(27)表面动态应变演化及破坏全过程。
7.一种基于权利要求1至6任意一项所述的岩石类固体材料动静组合拉剪实验装置的动静组合拉剪测试方法，其特征在于：
先通过法向拉力加载机构为测试试样(27)施加能够伺服控制的法向静态拉伸应力，待所述法向静态拉伸应力达到预定值时，通过上下伺服控制油缸将所施加法向静态拉伸应力维持恒定，然后控制左右两侧电液伺服控制油缸、活塞杆、加载框以及加载杆，为测试试样(27)施加能够伺服控制的轴向静态剪切应力，待所述轴向静态剪切应力达到预定值时，通过左右两侧电液伺服控制油缸将所施加轴向静态剪切应力维持恒定，随后控制左右两侧电磁脉冲发生器同步激发相同幅值和相同时长的应力波为测试试样(27)分别从左右两侧同步施加动态剪切荷载，动态剪切加载中，根据一维应力波传播理论，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能够接受的限度时，认为试样达到了动态应力平衡状态，此时利用左右两侧应变片监测得到的左右两侧加载杆应变数值，根据下述公式计算得到不同拉应力和剪切加载速度下岩石、混凝土固体材料试样的动态剪切应力，具体公式为：
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(27)的剪切面面积；ε左入射和ε左反射分别为左侧应变片(29)从左侧加载杆(16)上监测的入射应变信号和反射应变信号，ε右入射和ε右反射分别为右侧应变片(28)从右侧加载杆(8)上监测的入射应变信号和反射应变信号，F为静态轴向剪切荷载。
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