CN116818557B - 一种力学试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力学试验装置及试验方法，力学试验装置包括原位应力模拟组件和动态扰动组件，原位应力模拟组件用于从岩石试样的外侧面固定岩石试样，并对岩石试样施加载荷；岩石试样为平板状试样，岩石试样的中部设有贯穿岩石试样两个端面的空洞模拟孔和连接孔；动态扰动组件包括撞击杆、入射杆、连接器和塞体，塞体安装在连接孔中，且塞体的外侧面贴合于连接孔的孔壁；连接器的第一端与塞体的两端固定连接，连接器的第二端的端面与入射杆的第一端的端面贴合；撞击杆用于沿入射杆的长度方向撞击入射杆的第二端的端面。试验时所产生的应力波可在靠近空洞模拟孔处才被传导至岩石试样上，可模拟空洞附近的围岩所受到的近场区和中场区的动态扰动。

Description

一种力学试验装置及试验方法

技术领域

本申请涉及材料力学技术领域，尤其涉及一种力学试验装置及试验方法。

背景技术

在地下岩石工程领域针对山区隧道开挖和采矿建设常用的方法有钻爆法、机械开挖法、盾构法等，这些开挖和采矿建设方法虽然可以取得良好的破岩掘进效果，但是会在隧道开挖和采矿建设过程中会留下大量空洞(包括巷道、硐室和采空区)，这些空洞的存在会破坏岩体原始地应力条件，导致空洞附近围岩的应力集中，大大降低了空洞附近围岩的稳定性。此外，这些开挖和采矿建设方法的工作段所产生动态扰动的能力会以应力波的形式在岩体内部传播，并对附近的围岩造成动态破坏，导致附近围岩内出现大量微裂纹和贯穿裂纹，使得围岩的力学性能降低，承受外部荷载的能力降低，完整性和均匀性恶化，稳定性减弱。当应力波到达空洞边界时，会发生一系列的折射、反射和散射现象，会使空洞周围的岩体出现强烈的应力集中，进而导致空洞周围的岩体发生破坏，因此常出现岩爆、崩落和其他严重岩石破坏的现象，引发重大的安全和经济风险。

为了对隧道断面所受到的动态扰动作用进行试验，现有技术中通常采用的是分离式霍普金森压杆的静-动耦合加载系统，主要由原位应力模拟装置和动态扰动施加装置两部分组成，其中原位应力模拟装置用于对岩石试样的外围施加压应力以模拟原始的地应力状态；动态扰动施加装置是基于分离式霍普金森压杆原理，动态扰动加载是入射杆通过平面钢板间接撞击岩石试样的表面，只能向岩石试样的表面施加均匀平面形式的动态扰动，即仅能模拟实际隧道开挖建设过程中的远场区动态扰动，无法对近场区和中场区的动态扰动进行模拟，以反应隧道在受到近场区和中场区动态扰动的破坏情况。

发明内容

针对现有技术中上述不足，本发明提供了一种力学试验装置及试验方法，能够解决现有技术中无法对空洞附近的围岩所受到的近场区和中场区的动态扰动进行模拟的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种力学试验装置，所述力学试验装置包括原位应力模拟组件和动态扰动组件，其中：

所述原位应力模拟组件用于从岩石试样的外侧面固定所述岩石试样，并对所述岩石试样施加载荷；所述岩石试样为平板状试样，所述岩石试样的中部设有贯穿所述岩石试样两个端面的空洞模拟孔和连接孔；

所述动态扰动组件包括撞击杆、入射杆、连接器和塞体，所述塞体安装在所述连接孔中，且所述塞体的外侧面贴合于所述连接孔的孔壁；所述连接器的第一端与所述塞体的两端固定连接，所述连接器的第二端的端面与所述入射杆的第一端的端面贴合；所述撞击杆用于沿所述入射杆的长度方向撞击所述入射杆的第二端的端面。

在本发明一个可选的实施例中，在与所述岩石试样的厚度方向垂直的平面上，所述空洞模拟孔的外边缘上两点连线的最大距离为L₁，所述空洞模拟孔的外边缘距离所述连接孔的外边缘的最小距离为L₂，L₂大于或者等于L₁的1.5倍。

在本发明一个可选的实施例中，所述撞击杆、所述入射杆、所述连接器和所述塞体的材料相同。

在本发明一个可选的实施例中，所述塞体的长度大于所述岩石试样的厚度，且所述塞体长度方向的两端设有螺纹，所述连接器通过螺母与所述塞体固定连接。

在本发明一个可选的实施例中，所述塞体可相对于所述岩石试样和/或所述连接器旋转，以调整所述入射杆的两端端面相对于所述岩石试样的位置。

在本发明一个可选的实施例中，所述力学试验装置还包括应变片、动态应变仪和示波器，所述应变片粘接在所述入射杆的外侧面，所述动态应变仪分别与所述应变片和所述示波器电连接。

在本发明一个可选的实施例中，所述力学试验装置还包括用于检测载荷施加工程中所述岩石试样位移变化的围岩位移检测组件；其中，所述围岩位移检测组件包括高速摄影机，所述高速摄影机设置于所述岩石试样沿厚度方向的横截面的正前方。

在本发明一个可选的实施例中，所述原位应力模拟组件包括加载框架和至少两个地应力加载器；所述地应力加载器包括地应力加载头和地应力加载端，所述地应力加载头的第一端安装在所述加载框架上，所述地应力加载头的第二端与所述地应力加载端的第一端连接，所述地应力加载端的第二端的端面贴合于所述岩石试样的外侧面；所述地应力加载头用于在与所述地应力加载端的第二端的端面垂直的方向上，向所述地应力加载端施加预设值的载荷，并由所述地应力加载端将载荷传导至所述岩石试样的外侧面。

在本发明一个可选的实施例中，所述岩石试样包括第一加载侧面、第二加载侧面、第三加载侧面和第四加载侧面，其中，所述第一加载侧面和所述第二加载侧面相互平行，所述第三加载侧面和所述第四加载侧面相互平行，所述第一加载侧面和所述第二加载侧面均与所述第三加载侧面和所述第四加载侧面分别垂直；

所述地应力加载器的数量为四个，并且四个所述地应力加载端的第二端的端面分别贴合于所述第一加载侧面、所述第二加载侧面、所述第三加载侧面和所述第四加载侧面。

本发明第二方面提供了一种力学试验方法，所述方法应用前述力学试验装置，所述力学试验方法包括：

将应变片粘接于入射杆上，并且将动态应变仪分别连接所述应变片和示波器；

利用原位应力模拟组件将岩石试样固定，并利用塞体将连接器和入射杆与所述岩石试样固定连接；

利用所述原位应力模拟组件对所述岩石试样进行应力载荷加载，直至达到预设应力载荷值；

利用撞击杆撞击所述入射杆的第二端的端面，并由所述示波器记录所述应变片在撞击过程中所产生的信号。

本发明所公开的力学试验装置和试验方法中，力学试验装置包括原位应力模拟组件和动态扰动组件，其中：原位应力模拟组件用于从岩石试样的外侧面固定岩石试样，并对岩石试样施加载荷；岩石试样为平板状试样，岩石试样的中部设有贯穿岩石试样两个端面的空洞模拟孔和连接孔；动态扰动组件包括撞击杆、入射杆、连接器和塞体，塞体安装在连接孔中，且塞体的外侧面贴合于连接孔的孔壁；连接器的第一端与塞体的两端固定连接，连接器的第二端的端面与入射杆的第一端的端面贴合；撞击杆用于沿入射杆的长度方向撞击入射杆的第二端的端面。与现有技术中动态扰动加载是入射杆通过平面钢板间接撞击岩石试样的表面相比，本发明中用于模拟动态扰动的应力波可在靠近空洞模拟孔处才被传导至岩石试样上，并且通过调整连接孔相对于空洞模拟孔在板状岩石试样上的位置，可以对空洞附近的围岩所受到的近场区和中场区的动态扰动进行模拟，使得模拟的场景更为全面，为隧道开挖和采矿建设的安全性保障设计提供更为丰富的参考数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的力学试验装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的力学试验装置的动态扰动组件位于第一角度的示意图；

图3为本发明实施例一提供的力学试验装置的动态扰动组件位于第二角度的示意图；

图4为本发明实施例一提供的力学试验装置的动态扰动组件位于第三角度的示意图；

图5为本发明实施例一提供的力学试验装置的动态扰动组件与岩石试样的组装示意图；

图6为本发明实施例一提供的撞击杆、气缸和发射套筒的组装示意图；

图7为本发明实施例一提供的岩石试样主视图；

图8为本发明实施例二提供的一种力学试验方法流程示意图。

附图标记说明：1、岩石试样；11、空洞模拟孔；12、连接孔；2、原位应力模拟组件；21、加载框架；221、地应力加载头；222、地应力加载端；3、动态扰动组件；31、撞击杆；32、入射杆；33、连接器；34、塞体；35、气缸；36、发射套筒；37、螺母；38、安装座；4、应变片；5、围岩位移检测组件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

实施例一

参考图1-图7，本发明实施例提供了一种力学试验装置，包括原位应力模拟组件2和动态扰动组件3，其中：

原位应力模拟组件2用于从岩石试样1的外侧面固定岩石试样1，并对岩石试样1施加载荷；岩石试样1为平板状试样，岩石试样1的中部设有贯穿岩石试样1两个端面的空洞模拟孔11和连接孔12。

动态扰动组件3包括撞击杆31、入射杆32、连接器33和塞体34，塞体34安装在连接孔12中，且塞体34的外侧面贴合于连接孔12的孔壁；连接器33的第一端与塞体34的两端固定连接，连接器33的第二端的端面与入射杆32的第一端的端面贴合；撞击杆31用于沿入射杆32的长度方向撞击入射杆32的第二端的端面。

本实施例中，为了对隧道开挖或者采矿建设过程中所产生的空洞附近的围岩进行模拟，可将岩石试样1加工成平板状，并且在岩石试样1的中部设有用于模拟空洞的空洞模拟孔11。

其中，考虑到实际隧道开挖或采矿建设过程中所形成的空洞形状可能有多种，因此本实施例中对空洞模拟孔11的形状不限。例如，在与岩石试样1的厚度方向垂直的平面上，空洞模拟孔11的横截面形状可以是圆形、矩形、城门洞形或者椭圆形等。

本实施例中，岩石试样1的具体材料和制作方法不限，可根据实际应用需求进行合理选择。例如，可由在需要进行隧道开挖或者采矿建设的地区所采集的岩石所制成。

进一步地，为了便于对岩石试样1进行加工，可将空洞模拟孔11的形状设置成直圆柱形，即在与岩石试样1的厚度方向垂直的平面上，空洞模拟孔11的横截面优选为圆形。此外，为了在保证加载效果的同时避免在施加载荷的过程中造成岩石试样1的损坏，可优选在与岩石试样1的厚度方向垂直的平面上，岩石试样1的横截面几何中心点位于空洞模拟孔11的横截面上，并且连接孔12较空洞模拟孔11更靠近于岩石试样1的侧面。

例如，为了获得更好的模拟效果，可优选空洞模拟孔11为直圆柱形孔，在与岩石试样1的厚度方向垂直的平面上，空洞模拟孔11的横截面几何中心与岩石试样1的横截面几何中心重合。

本实施例中，考虑到岩石试样1在空洞模拟孔11的周围可能会存在应力重分布区，为了保证模拟试验结果的准确性，在对岩石试样1进行动态扰动加载时，需要尽可能避开应力重分布区，因此空洞模拟孔11的尺寸较岩石试样1的整体尺寸而言不能太大。例如，当空洞模拟孔11为直圆柱形孔时，在与岩石试样1的厚度方向垂直的平面上，空洞模拟孔11的外边缘距离岩石试样1的外边缘的最小距离不小于空洞模拟孔11的半径的3倍。

可选地，为了便于试验装置和岩石试样1进行生产加工，并且在地应力加载模拟过程中不易被损坏，以获得较好的模拟效果，可优选岩石试样1的厚度不超过25毫米，并且岩石试样1的长度和宽度均为厚度的20倍。

例如，当岩石试样1的厚度为25毫米时，在与岩石试样1的厚度方向垂直的平面上，可优选岩石试样1的横截面为正方形，即长度和宽度相同，均为500毫米。

本实施例中，连接孔12用于将岩石试样1与动态扰动组件3连接，以将动态扰动组件3所产生的应力波传导至岩石试样1。连接孔12的形状和尺寸需要满足可以将动态扰动组件3的塞体34置入其中，即塞体34与连接孔12的形状和尺寸需要适配，以使得塞体34插入连接孔12中后，塞体34的侧面可基本贴合于连接孔12的孔壁。

此外，本实施例对连接孔12的具体形状、尺寸和位置不限，可根据实际应用需求进行合理设置。例如，为了模拟不同方向或者不同距离处产生的应力波对空洞附近的围岩的作用情况，并且便于对试验结果进行对比分析，可以将多个岩石试样1的整体、空洞模拟孔11和连接孔12的尺寸和形状均加工成相同，并且空洞模拟孔11在岩石试样1中的开设位置也加工成相同，但是不同岩石试样1中连接孔12的位置加工得不同。

可选地，为了便于进行加工和装配，可优选连接孔12为直圆柱形，塞体34至少在与连接孔12进行装配的部分也为直圆柱形，并且在与岩石试样1的厚度方向垂直的平面上，塞体34与连接孔12装配的部分的圆形横截面的半径可略小于连接孔12的圆形横截面的半径，或者两个圆形横截面的半径基本相同。

可选地，考虑到岩石试样1上的空洞模拟孔11的周围可能会存在应力重分布区，在进行动态扰动加载时，需要尽可能避开应力重分布区，以保证模拟试验结果的准确性，因此连接孔12和空洞模拟孔11之间的距离需要满足一定的要求。具体而言，参见图7，在与岩石试样1的厚度方向垂直的平面上，空洞模拟孔11的外边缘上两点连线的最大距离为L₁，空洞模拟孔11的外边缘距离连接孔12的外边缘的最小距离为L₂，L₂大于或者等于L₁的1.5倍。

本实施例中，原位应力模拟组件2用于从岩石试样1的外侧面固定岩石试样1，并对岩石试样1施加载荷，以模拟隧道开挖或者采矿建设过程中所产生的空洞附近的围岩所受到的原始的地应力环境。因此，在进行力学试验过程中，特别是模拟动态扰动的过程中，需要保证原位应力模拟组件2对岩石试样1所施加的载荷是基本恒定的，并且并不会造成岩石试样1的损坏。

其中，原位应力模拟组件2对岩石试样1具体所施加的载荷大小和方向等参数在此不做限定，并且原位应力模拟组件2的结构组成、形状以及载荷的加载方式在此也并不限定，可根据实际应用需求进行合理设定。

例如，为了更为全面地模拟空洞附近的围岩所受到的原始的地应力环境，在多次试验过程中，可通过原位应力模拟组件2对岩石试样1的外侧面施加不同方向和/或大小的载荷。

可选地，为了便于从不同位置处对岩石试样1进行施加载荷，并且可控制不同位置处的载荷施加大小，原位应力模拟组件2中可包括多个用于进行施加载荷的地应力加载器。

具体而言，参见图2-图4，原位应力模拟组件2可包括加载框架21和至少两个地应力加载器。其中，地应力加载器包括地应力加载头221和地应力加载端222，地应力加载头221的第一端安装在加载框架21上，地应力加载头221的第二端与地应力加载端222的第一端连接，地应力加载端222的第二端的端面贴合于岩石试样1的外侧面；地应力加载头221用于在与地应力加载端222的第二端的端面垂直的方向上，向地应力加载端222施加预设值的载荷，并由地应力加载端222将载荷传导至岩石试样1的外侧面。

其中，地应力加载头221用于产生预设值的载荷，并将预设值的载荷传递至地应力加载端222，通过地应力加载端222将载荷传递至岩石试样1的外侧面。在试验过程中，不同的地应力加载头221可加载不同预设值的载荷，从而可实现对多种情况下的空洞附近围岩的受力情况模拟，获得更为全面的试验数据。

进一步地，为了较为精确地控制载荷的加载量，可优选地应力加载头221为液压式的加载头。

可选地，为了便于计算及控制载荷的加载量，可优选沿着相互垂直的两个方向对岩石试样1的外侧面进行加载。具体而言，岩石试样1包括第一加载侧面、第二加载侧面、第三加载侧面和第四加载侧面，其中，第一加载侧面和第二加载侧面相互平行，第三加载侧面和第四加载侧面相互平行，第一加载侧面和第二加载侧面均与第三加载侧面和第四加载侧面分别垂直；地应力加载器的数量为四个，并且其中四个地应力加载端222的第二端的端面分别贴合于第一加载侧面、第二加载侧面、第三加载侧面和第四加载侧面。

进一步地，为了保证每个地应力加载端222对其所贴合的岩石试样1的侧面进行载荷时，岩石试样1的侧面所受到的载荷分布较为均匀，可优选全部地应力加载端222的第二端的端面均可完全覆盖第一加载侧面、第二加载侧面、第三加载侧面和第四加载侧面。从而使得无论使用哪一个地应力加载端222，均可对第一加载侧面、第二加载侧面、第三加载侧面和第四加载侧面进行均匀加载，降低岩石试样1与原位应力模拟组件2之间的装配复杂程度。

其中，可优选地应力加载端222的第二端的端面均为平面，并且第一加载侧面、第二加载侧面、第三加载侧面和第四加载侧面也均为平面。

进一步地，为了避免在试验过程中岩石试样1出现应力集中现象对试验结果造成较为明显的影响，岩石试样1的多个加载面之间还可以设置倒角结构。具体而言，第一加载侧面、第二加载侧面、第三加载侧面和第四加载侧面可依次间隔设置，在间隔处设有倒角面。其中，倒角面可以是平面或者弧面，本实施例在此不做限定，可根据实际应用需求和生产加工情况进行合理设置。

进一步地，为了降低原位应力模拟组件2设计及生产加工的难度，可优选全部地应力加载端222的形状和尺寸均相同，和/或，第一加载侧面、第二加载侧面、第三加载侧面和第四加载侧面的形状和尺寸均相同。

本实施例中，动态扰动组件3用于从连接孔12的孔壁处向岩石试样1施加应力波，以模拟空洞附近的围岩所受到的动态扰动，特别是近场区和中场区的动态扰动。

其中，动态扰动组件3至少包括撞击杆31、入射杆32、连接器33和塞体34。对撞击杆31、入射杆32、连接器33的具体支撑方式不限，可根据实际应用需求进行合理设置。例如，当岩石试样1与原位应力模拟组件2和动态扰动组件3装配在一起后，入射杆32的第一端的端面与连接器33的第二端的端面贴合，连接器33的第一端与塞体34固定连接，塞体34的侧面与岩石试样1上的连接孔12的孔壁贴合。

在对岩石试样1施加模拟动态扰动的应力波时，撞击杆31在驱动机构的驱动下，撞击杆31的第二端的端面会撞击入射杆32的第二端的端面并产生应力波，应力波沿入射杆32的长度方向可传导至入射杆32的第一端的端面，并进一步传导至连接器33的第二端，再通过连接器33传导至塞体34，最终从塞体34传导至岩石试样1上，以完成对岩石试样1的动态扰动模拟。

可选地，为了更好地控制应力波的强度，动态扰动组件3还可包括气缸35和发射套筒36，发射套筒36固定连接在气缸35上，撞击杆31在撞击入射杆32之前被安装在发射套筒36中，并且撞击杆31的第一端的端面朝向气缸35的出气口，撞击杆31的第二端的端面朝向入射杆32的第二端的端面。当气缸35的出气口通过阀门被打开时，气缸35内部的压缩气体会推动撞击杆31朝向入射杆32运动，使得撞击杆31的第二端的端面沿入射杆32的长度方向撞击入射杆32的第二端的端面，并在入射杆32中产生模拟动态扰动的应力波。因此，通过调整气缸35内部压缩气体的气压大小，可调整撞击杆31撞击入射杆32的速度，从而可产生不同强度的高应变率动态扰动，以提高动态扰动模拟的全面性。

此外，需要说明的是，气缸35的具体形式和结构组成不限，实际应用中可采用实现相同或者相似功能的其他部件所替代。例如，气缸35可以被替换为气压枪。

可选地，为了保证模拟动态扰动的应力波在传导过程中的传导速度尽量不发生变化，以更好地模拟空洞附近的围岩所受到的动态扰动，可优选撞击杆31、入射杆32、连接器33和塞体34的材料相同。

进一步地，可优选撞击杆31、入射杆32、连接器33和塞体34的材料均为马氏体时效钢。马氏体时效钢以无碳(或微碳)马氏体为基体的，时效时能产生金属间化合物沉淀硬化的超高强度钢。与传统高强度钢不同，它不用碳而靠金属间化合物的弥散析出来强化，这使其具高强韧性、低硬化指数和良好成形性。

可选地，为了模拟不同方向的动态扰动对空洞附近围岩的影响，可将整个动态扰动组件3或者动态扰动组件3除塞体34之外的部分设置成可相对于岩石试样1进行旋转，即调整入射杆32的两端端面相对于岩石试样1的位置，以在试验过程中可以将不同方向的应力波传导至岩石试样1。具体而言，可以将塞体34设置为可相对于岩石试样1和/或连接器33旋转，从而使得连接器33可相对于岩石试样1进行旋转，并带动入射杆32相对于岩石试样1进行旋转。

进一步地，为了便于塞体34与连接器33之间进行装配，并且可以使得塞体34与连接器33之间可发生相对转动，以调整入射杆32的两端端面相对于岩石试样1的方向，可优选塞体34和连接器33通过螺纹连接。具体而言，塞体34的长度可大于岩石试样1的厚度，且塞体34沿长度方向的两端均设有螺纹部，连接器33通过螺母37与塞体34的螺纹部固定连接。

进一步地，为了保证所产生的应力波能较好地被传导，并且塞体34与连接器33之间获得较为稳定的装配效果，连接器33可以设置为凹字形。其中，连接器33的第二端的端面包括一个安装平面，用于与入射杆32的第一端的端面贴合连接，两者可以是一体成型，也可以是组装而成，但是需要保证入射杆32的第一端的端面完全贴合在连接器33的第二端的端面上。

连接器33的第一端包括两个凸起结构，分别为第一凸起和第二凸起，第一凸起和第二凸起上分别设有第一安装孔和第二安装孔。为了保证应力波的顺利传播，第一安装孔和第二安装孔的形状和尺寸需要与塞体34的形状和尺寸适配，以使得当塞体34套设至第一安装孔和第二安装孔中时，塞体34的外侧面基本贴合于第一安装孔和第二安装孔的孔壁。

当岩石试样1与原位应力模拟组件2和动态扰动组件3装配在一起后，塞体34可依次穿过第一安装孔、连接孔12和第二安装孔；并且在第一安装孔和第二安装孔的上方和下方，塞体34分别与四个螺母37形成螺纹连接，以将塞体34与连接器33固定。

可选地，为了对试验过程中的相关数据进行检测及记录，以用于后续的数据分析，力学试验装置还可设置应变数据采集组件。具体而言，力学试验装置还包括应变片4、动态应变仪(未图示)和示波器(未图示)，应变片4粘接在入射杆32的侧面，动态应变仪分别与应变片4和示波器电连接。其中，应变片4、动态应变仪和示波器的放置位置、种类以及具体所采用的电连接方式不限，可根据实际应用需求进行合理选择。

进一步地，为了便于获取应力波信号，应变片4在粘贴时，其长度方向可与入射杆32的轴线平行。

可选地，为了在试验过程中对岩石试样1的位移变化情况进行检测及记录，力学试验装置还包括用于检测载荷施加工程中岩石试样1位移变化的围岩位移检测组件5。其中，围岩位移检测组件5包括高速摄影机，高速摄影机设置于岩石试样1沿厚度方向的横截面的正前方。

此外，围岩位移检测组件5可优选采用三维数字散斑动态应变测量分析系统。三维数字散斑动态应变测量分析系统是一种光学非接触式三维形变测应变量系统，三维数字散斑动态应变测量分析系统，采用数字图像相关方法D I C(Di gita l Image Corre l at ion)，结合双目立体视觉技术。采用两个高速摄像机，实时采集物体各个变形阶段的散斑图像，计算出全场应变和变形。用于分析、计算、记录变形数据。采用图形化显示测量结果，便于更好地理解和分析被测材料的性能。三维数字散斑动态应变测量分析系统识别测量物体表面结构的数字图像，为图像像素计算坐标，测量工程的第一个图像表示为未变形状态。在被测物体变形过程中或者变形之后，采集连续的图像。系统比较数字图像并计算物体纹理特征的位移和变形。三维数字散斑动态应变测量分析系统特别适合测量静态和动态载荷下的三维变形，用于分析岩石试样1的变形和应变。

可选地，为了对每次试验的应力波加载情况进行精确的记录，即记录入射杆32相对于空洞模拟孔11的中心点的旋转角度，参见图2，动态扰动组件还包括至少用于支撑入射杆32的安装座38，安装座38相对于岩石试样1固定设置，安装座38上设有入射角度标识，用于测量入射杆32相对于空洞模拟孔11的中心点或者连接孔12的中心点的旋转角度。

其中，入射角度标识的设置方法类似于量角器的标识设置方法，入射角度标识至少包括沿着圆周线分布的多个角度值子标识，多个角度值子标识用于标识相对于圆周中心点的不同角度位置。如果多次试验条件均设定为入射杆32的轴线相对于空洞模拟孔11的中心点旋转的话，则可以将空洞模拟孔11的中心点设为角度值子标识对应的圆周中心点。如果多次试验条件均设定为入射杆32的轴线均相对于连接孔12的中心点旋转的话，则可以将连接孔12的中心点设为角度值子标识对应的圆周中心点。此外，在测量获得入射杆32相对于连接孔12的中心点的旋转角度后，还可根据连接孔12的中心点和空洞模拟孔11的中心点的相对位置关系，进一步计算得出入射杆32相对于空洞模拟孔11的中心点的旋转角度。

此外，需要说明的是，本实施例中所指的表面贴合是广义上的贴合，只要使得所产生的应力波能进行较为稳定的传导即可。可以是两个部件的表面单独贴合在一起，也可以是表面涂抹了润滑剂之类的其他物质使之贴合在一起。

由本发明上述实施例可见，与现有技术中动态扰动加载是入射杆32通过平面钢板间接撞击岩石试样1的表面相比，本实施例中用于模拟动态扰动的应力波可在靠近空洞模拟孔11处才被传导至岩石试样1上，并且通过调整连接孔12相对于空洞模拟孔11在板状岩石试样1上的位置，可以对空洞附近的围岩所受到的近场区和中场区的动态扰动进行模拟，使得模拟的场景更为全面，为隧道开挖和采矿建设的安全性保障设计提供更为丰富的参考数据。

实施例二

参考图8，本发明实施例提供了一种力学试验方法，应用如前述实施例一中的力学试验装置，力学试验方法包括：

步骤S201，将应变片4粘接于入射杆32上，并且将动态应变仪分别连接应变片4和示波器。

本实施例中，可先将应变片4用特定的胶水粘贴于入射杆32上。并且为了便于获取应力波信号，应变片4在粘贴时，其长度方向可与入射杆32的轴线平行。然后用导线将应变片4、动态应变仪和示波器连接。

步骤S202，利用原位应力模拟组件2将岩石试样1固定，并利用塞体34将连接器33和入射杆32与岩石试样1固定连接。

本实施例中，可首先将塞体34通过连接孔12与岩石试样1组合在一起。当塞体34的长度大于连接孔12的深度时，即塞体34的长度大于岩石试样1的厚度时，为了使用于模拟动态扰动的应力波能更好地被传递，可优选将塞体34的两端露出连接孔12外的部分的长度设置成相同。

此外，通过调整连接器33与塞体34和/或塞体34与岩石试样1之间的装配位置关系，可以调整连接器33和入射杆32相对于岩石试样1的位置，从而撞击杆31可相对于岩石试样1从不同的方向撞击入射杆32，并产生不同方向的应力波传导至岩石试样1。

本实施例中，步骤S201和步骤S202的执行先后顺序不限。完成步骤S201和步骤S202后，力学试验系统的相关部件基本装配完毕。

步骤S203，利用原位应力模拟组件2对岩石试样1进行应力载荷加载，直至达到预设应力载荷值。

本实施例中，预设应力载荷值可根据岩石试样1的材料相关性能，以及所需模拟的隧道相关情况进行设置，从岩石试样1的外侧面向岩石试样1施加不同方向的不同大小的多个预设应力载荷。

本实施例中，可通过控制原位应力模拟组件2对岩石试样1的外侧面逐步施加载荷，由于塞体34在连接孔12内于岩石试样1紧密接触，会协同承担相应的载荷。当达到预设应力载荷值时，不再增大对岩石试样1所增加的应力载荷值，而是持续施加预设应力载荷值。

步骤S204，利用撞击杆31撞击入射杆32的第二端的端面，并由示波器记录应变片4在撞击过程中所产生的信号。

本实施例中，撞击杆31在驱动机构的驱动下，撞击杆31的第二端的端面会撞击入射杆32的第二端的端面并产生应力波，应力波沿入射杆32的长度方向可传导至入射杆32的第一端的端面，并进一步传导至连接器33的第二端，再通过连接器33传导至塞体34，最终从塞体34传导至岩石试样1上，完成对岩石试样1的动态扰动模拟加载。

当动态扰动组件3还包括气缸35和发射套筒36时，可通过调整气缸35内部的压缩气体的压力大小，并将其气缸35中的压缩气体充入至发射套筒36内，以推动撞击杆31使其撞击入射杆32的第二端的端面。

应力波的产生和传播过程可利用应变片4、动态应变仪和示波器采集并记录波形，即当应力波传播到应变片4时，应变片4可采集获得波形相关参数，并在示波器上显示。

此外，当力学试验装置还包括围岩位移检测组件5时，岩石试样1会发生位移和/或破坏，岩石试样1所受到的整个动态扰动过程可由围岩位移检测组件5进行实时监测和记录，并且计算处理获得位移和/或破坏相关数据。

由本实施例所公开的一种力学试验方法可见，本发明实施例可通过原位应力模拟组件2对岩石试样1进行不同预设应力载荷值的加载，以模拟空洞附近围岩所受到的不同大小的地应力；可通过调整撞击杆31对入射杆32的撞速，形成不同速度的应力波，以模拟不同大小的动态扰动；可通过调整连接器33相对于岩石试样1的位置，产生不同方向的应力波，以模拟不同方向的动态扰动；可通过调整连接孔12与空洞模拟孔11之间的相对距离，模拟不同场区的动态扰动。因此，本发明所公开的力学试验方法可对隧道或者采矿建设过程中所形成的空洞附近的围岩受到近场区和中场区动态扰动的破坏情况进行全面的模拟，并且通过围岩位移检测组件5和应变数据采集组件可以对试验过程中岩石试样1所产生的位移变化情况、破坏情况以及应力波传播情况的相关数据进行实时的检测和记录，便于后续对试验结果进行全面的分析。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种力学试验装置，其特征在于，所述力学试验装置包括原位应力模拟组件和动态扰动组件，其中：

所述原位应力模拟组件用于从岩石试样的外侧面固定所述岩石试样，并对所述岩石试样施加载荷；所述岩石试样为平板状试样，所述岩石试样的中部设有贯穿所述岩石试样两个端面的空洞模拟孔和连接孔；

所述动态扰动组件包括撞击杆、入射杆、连接器和塞体，所述塞体安装在所述连接孔中，且所述塞体的外侧面贴合于所述连接孔的孔壁；所述连接器的第一端与所述塞体的两端固定连接，所述连接器的第二端的端面与所述入射杆的第一端的端面贴合；所述撞击杆用于沿所述入射杆的长度方向撞击所述入射杆的第二端的端面。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在与所述岩石试样的厚度方向垂直的平面上，所述空洞模拟孔的外边缘上两点连线的最大距离为L₁，所述空洞模拟孔的外边缘距离所述连接孔的外边缘的最小距离为L₂，L₂大于或者等于L₁的1.5倍。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述撞击杆、所述入射杆、所述连接器和所述塞体的材料相同。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述塞体的长度大于所述岩石试样的厚度，且所述塞体长度方向的两端设有螺纹，所述连接器通过螺母与所述塞体固定连接。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述塞体可相对于所述岩石试样和/或所述连接器旋转，以调整所述入射杆的两端端面相对于所述岩石试样的位置。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述动态扰动组件还包括至少用于支撑所述入射杆的安装座；所述安装座上设有入射角度标识，所述入射角度标识用于测量所述入射杆相对于所述空洞模拟孔的中心点或者所述连接孔的中心点的旋转角度。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述力学试验装置还包括用于检测载荷施加工程中所述岩石试样位移变化的围岩位移检测组件；其中，所述围岩位移检测组件包括高速摄影机，所述高速摄影机设置于所述岩石试样沿厚度方向的横截面的正前方。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述原位应力模拟组件包括加载框架和至少两个地应力加载器；所述地应力加载器包括地应力加载头和地应力加载端，所述地应力加载头的第一端安装在所述加载框架上，所述地应力加载头的第二端与所述地应力加载端的第一端连接，所述地应力加载端的第二端的端面贴合于所述岩石试样的外侧面；所述地应力加载头用于在与所述地应力加载端的第二端的端面垂直的方向上，向所述地应力加载端施加预设值的载荷，并由所述地应力加载端将载荷传导至所述岩石试样的外侧面。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述岩石试样包括第一加载侧面、第二加载侧面、第三加载侧面和第四加载侧面，其中，所述第一加载侧面和所述第二加载侧面相互平行，所述第三加载侧面和所述第四加载侧面相互平行，所述第一加载侧面和所述第二加载侧面均与所述第三加载侧面和所述第四加载侧面分别垂直；

所述地应力加载器的数量为四个，并且四个所述地应力加载端的第二端的端面分别贴合于所述第一加载侧面、所述第二加载侧面、所述第三加载侧面和所述第四加载侧面。

10.一种力学试验方法，其特征在于，所述方法应用如权利要求1-9中任一项所述的力学试验装置，所述力学试验方法包括：

将应变片粘接于入射杆上，并且将动态应变仪分别连接所述应变片和示波器；

利用原位应力模拟组件将岩石试样固定，并利用塞体将连接器和入射杆与所述岩石试样固定连接；

利用所述原位应力模拟组件对所述岩石试样进行应力载荷加载，直至达到预设应力载荷值；

利用撞击杆撞击所述入射杆的第二端的端面，并由所述示波器记录所述应变片在撞击过程中所产生的信号。