本實(shí)用新型屬于巖土工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、測試技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種復(fù)雜應(yīng)力下巖石節(jié)理超聲實(shí)驗(yàn)裝置及其控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

巖石節(jié)理對巖體中的應(yīng)力波傳播具有顯著的影響，而巖石節(jié)理本身復(fù)雜力學(xué)性質(zhì)和在地質(zhì)上的多樣性導(dǎo)致不同類型巖石節(jié)理的應(yīng)力波透射性質(zhì)有所不同，因此巖石節(jié)理的應(yīng)力波透射性質(zhì)研究具有顯著的意義。巖石節(jié)理的應(yīng)力波透射研究對于研究節(jié)理對應(yīng)力波傳播影響特征和反演節(jié)理自身的力學(xué)性質(zhì)具有重要的作用，其研究成果廣泛的應(yīng)用在巖土工程地震響應(yīng)分析、地質(zhì)物探等領(lǐng)域。而根據(jù)大量的巖石節(jié)理力學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖石節(jié)理自身的力學(xué)性質(zhì)和巖石節(jié)理上所受到的應(yīng)力的狀態(tài)是密切相關(guān)的，且力學(xué)性質(zhì)隨應(yīng)力狀態(tài)呈非線性變化趨勢；又因?yàn)樵趯?shí)際工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，巖體中地應(yīng)力場是客觀存在的，而且導(dǎo)致原巖體中節(jié)理面存在一定的初始應(yīng)力；然而在巖石節(jié)理的取樣室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，初始應(yīng)力往往是忽略的。因此研究巖石節(jié)理的應(yīng)力波傳播規(guī)律應(yīng)該要考慮巖石節(jié)理的受力狀態(tài)。

目前用于巖石節(jié)理實(shí)驗(yàn)的主要有霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)和巖石節(jié)理超聲實(shí)驗(yàn)。

霍普金森壓桿為一維脈沖應(yīng)力波實(shí)驗(yàn)裝置，為發(fā)展年代最為久遠(yuǎn)的儀器，并經(jīng)歷過幾次較大的革新，可以用來對應(yīng)力脈沖在巖石節(jié)理中的反射、透射行為進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)。其特點(diǎn)是應(yīng)力波幅值高，能量密度較高，測試數(shù)值的獲取也相對較為精細(xì)。其節(jié)理巖樣圍壓可以是零，也可以通過添加三軸壓力室，模擬巖石在具有圍壓情形下的應(yīng)力波反射、透射行為?；羝战鹕瓑簵U實(shí)驗(yàn)的缺陷在于不能夠通過試驗(yàn)機(jī)的加載來自由改變巖石節(jié)理面上的應(yīng)力狀態(tài)，且不容易控制應(yīng)力波波形。

巖石節(jié)理超聲實(shí)驗(yàn)一般是對節(jié)理巖樣施加低振幅高頻振動(dòng)荷載，與霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)相比，超聲實(shí)驗(yàn)一般不能體現(xiàn)出節(jié)理的動(dòng)態(tài)非線性性質(zhì)。但是由于是施加高頻振動(dòng)荷載，因此更方便通過波譜分析節(jié)理的應(yīng)力波傳播特性和節(jié)理的本身力學(xué)性質(zhì)。巖石節(jié)理超聲實(shí)驗(yàn)的缺陷與霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)類似，巖石節(jié)理超聲實(shí)驗(yàn)不能夠通過試驗(yàn)機(jī)的加載來自由改變巖石節(jié)理面上的應(yīng)力狀態(tài)。

因此，如何解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷成為了該領(lǐng)域技術(shù)人員努力的方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的就是提供一種復(fù)雜應(yīng)力下巖石節(jié)理超聲實(shí)驗(yàn)裝置及其控制系統(tǒng)，解決了巖石節(jié)理在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的超聲實(shí)驗(yàn)，通過伺服液壓加載系統(tǒng)對節(jié)理巖樣進(jìn)行多軸復(fù)合加載，得以實(shí)現(xiàn)巖石節(jié)理面上的任意應(yīng)力狀態(tài)，從而解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處。

本實(shí)用新型的目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種復(fù)雜應(yīng)力下巖石節(jié)理超聲實(shí)驗(yàn)裝置，包括剛性框架、軸向加載塊、切向加載塊、切向超聲振動(dòng)換能器、軸向超聲振動(dòng)換能器、測力計(jì)、水平滑移承壓板、位移計(jì)、切向加載活塞、切向液壓驅(qū)動(dòng)器和軸向液壓驅(qū)動(dòng)器；所述剛性框架內(nèi)部中間豎直設(shè)置實(shí)驗(yàn)空間，該實(shí)驗(yàn)空間底部為水平面，該水平面上滑動(dòng)設(shè)置水平滑移承壓板，水平滑移承壓板上由下至上依次剛性連接測力計(jì)、軸向超聲振動(dòng)換能器、切向超聲振動(dòng)換能器和軸向加載塊，在剛性框架頂部對應(yīng)水平滑移承壓板豎直安裝軸向液壓驅(qū)動(dòng)器，軸向液壓驅(qū)動(dòng)器活塞垂直伸入實(shí)驗(yàn)空間，在軸向液壓驅(qū)動(dòng)器活塞端部由上至下依次剛性連接測力計(jì)、軸向超聲振動(dòng)換能器、切向超聲振動(dòng)換能器和軸向加載塊；所述剛性框架的正面、背面、左面和右面對應(yīng)各自水平安裝一組切向液壓驅(qū)動(dòng)器，每一組切向液壓驅(qū)動(dòng)器包括上下平行設(shè)置的2個(gè)切向液壓驅(qū)動(dòng)器，切向液壓驅(qū)動(dòng)器活塞端部連接切向加載活塞的一端，切向加載活塞的另一端依次剛性連接測力計(jì)和切向加載塊，所有軸向加載塊和切向加載塊共同構(gòu)成一個(gè)矩形加載空間。

進(jìn)一步，所述實(shí)驗(yàn)空間底部水平面上安裝滾珠板，水平滑移承壓板設(shè)置在滾珠板上。

進(jìn)一步，所述軸向液壓驅(qū)動(dòng)器活塞與測力計(jì)之間剛性連接隔振器，水平滑移承壓板與測力計(jì)之間剛性連接隔振器。

進(jìn)一步，所述剛性框架內(nèi)安裝與切向加壓活塞滑動(dòng)配合的活塞導(dǎo)軌。

進(jìn)一步，所述剛性框架上還安裝有用于測量切向加載塊和軸向加載塊位移的位移測量裝置。

進(jìn)一步，所述位移測量裝置為拉繩位移計(jì)，該位移計(jì)固定在剛性框架內(nèi)側(cè)，位移計(jì)的拉繩通過固定銷固定在軸向加載或切向加載塊上。

進(jìn)一步，所述矩形加載空間內(nèi)放置節(jié)理巖樣，節(jié)理巖樣由中間含有節(jié)理的兩塊巖塊組成，巖樣軸線與軸向加載軸線共線，且節(jié)理巖樣側(cè)壁四周包裹有緩沖密封層。

進(jìn)一步，所述節(jié)理巖樣外表面均勻涂覆有粘性膠體物質(zhì)。所述粘性膠體物質(zhì)可以采用凡士林、水玻璃或硅膠。

一種用于上述復(fù)雜應(yīng)力下巖石節(jié)理超聲實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換儀、控制信號轉(zhuǎn)換放大裝置、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與儲(chǔ)存系統(tǒng)以及安裝有實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)終端；所述數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換儀用于接收位移測量裝置、測力計(jì)、切向超聲振動(dòng)換能器、軸向超聲振動(dòng)換能器傳遞來的電信號，并將電信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號；計(jì)算機(jī)終端接收數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換儀傳遞而來的數(shù)字信號，通過實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)對接收到的信號進(jìn)行處理分析，將所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與儲(chǔ)存系統(tǒng)處理后進(jìn)行存儲(chǔ)，并針對實(shí)驗(yàn)裝置的監(jiān)測信號做出反饋控制信息，計(jì)算機(jī)終端將反饋控制信息發(fā)送至控制信號轉(zhuǎn)換放大裝置，根據(jù)反饋控制信息控制信號轉(zhuǎn)換放大裝置分別控制各個(gè)伺服液壓油泵或超聲信號激發(fā)系統(tǒng)做出響應(yīng)，所述伺服液壓油泵用于驅(qū)動(dòng)切向液壓驅(qū)動(dòng)器和軸向液壓驅(qū)動(dòng)器，超聲信號激發(fā)系統(tǒng)用于控制切向超聲振動(dòng)換能器和軸向超聲振動(dòng)換能器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果在于：結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)合理，能夠任意控制加載節(jié)理巖樣中節(jié)理面上的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，并模擬在地下巖體中節(jié)理面的應(yīng)力場狀態(tài)，并進(jìn)行超聲動(dòng)力實(shí)驗(yàn)。

附圖說明

圖1是節(jié)理巖樣受力解析圖；

圖2是巖塊受力分析圖；

圖3是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)裝置前后方向的縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)裝置左右方向的縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)裝置的局部放大圖；

圖6是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)裝置的位移監(jiān)測原理示意圖；

圖7是節(jié)理試樣加載原理示意圖；

圖8是本實(shí)用新型控制系統(tǒng)原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

本復(fù)雜應(yīng)力下巖石節(jié)理超聲實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)現(xiàn)原理如下：

如圖1所示，一種復(fù)雜應(yīng)力下巖石節(jié)理超聲實(shí)驗(yàn)裝置是以軸截面為正方形的巖樣作為基本試樣，試件中部有水平節(jié)理面存在，并將巖樣一分為二。巖樣的力學(xué)參數(shù)、節(jié)理面的形態(tài)、節(jié)理面的充填情況可根據(jù)具體需要所選擇，其即可以是自然節(jié)理的采樣或復(fù)刻，也可以是為了研究的目的而人工設(shè)計(jì)產(chǎn)生。

節(jié)理巖樣的受力如圖1所示，節(jié)理面上下巖塊受力是由單獨(dú)的加載機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，能獨(dú)立控制加載。而由于試件上下端面受力應(yīng)當(dāng)平衡，因此上下端面中其中一個(gè)端面軸向位移受到約束，另一端軸向主動(dòng)施加荷載。對于巖樣節(jié)理上下兩個(gè)巖塊1、2，其四周受到前后左右四個(gè)作用力，若在節(jié)理面的平均面上建立坐標(biāo)系o-xyz，則巖樣(巖塊1、2)的各個(gè)面上施加的荷載命名為f_1x,f'_1x，f_1y,f'_1y，f_2x,f'_2x，f_2y,f'_2y和f_1z,f_2z，且設(shè)作用力方向均以試樣的作用面外法向方向?yàn)檎?。因此我們可以通過簡單的受力平衡關(guān)系得出節(jié)理面上的應(yīng)力大小為：

其中：A為節(jié)理面在平均面上的投影面積(或是節(jié)理巖樣的軸截面面積)，f_1x為巖塊1上切向x軸正向加載力；f′_1x為巖塊1上切向x軸逆向加載力；f_1y為巖塊1上切向y軸正向加載力；f′_1y為巖塊1上切向y軸逆向加載力；f_2x為巖塊2上的切向x軸正向加載力；f′_2x為巖塊2上的切向x軸逆向加載力；f_2y為巖塊2上的切向y軸正向加載力；f′_2y為巖塊2上切向y軸逆向加載力；f_1z為巖塊1頂部軸向向下加載力；f_2z為巖塊2底部軸向向上支撐力；σ_nz為節(jié)理面上的法向應(yīng)力。對于節(jié)理下壁面(巖塊2)上的剪應(yīng)力方向：在x軸方向剪應(yīng)力τ_sx與f_1x,f'_1x中絕對值最大的方向一致；在y軸方向剪應(yīng)力τ_sy與f_1y,f'_1y中絕對值最大的方向一致。

巖塊的受力分析：對于巖塊而言，其受到的作用力除了施加的荷載為主之外，還有受到節(jié)理面上的剪力和產(chǎn)生的一些力矩存在，如圖2所示，巖塊受到的荷載與節(jié)理面上的力平衡，但是節(jié)理面會(huì)因?yàn)榧袅Φ拇嬖诙a(chǎn)生一些力矩，這些力矩這是由巖塊的外部受力面上分布力產(chǎn)生的力矩來平衡，即例如：

A·τ_sy·d＝A₁M₁+A·M₂+A₁M₃

其中：d為有效作用距離(力矩力臂)，A₁為巖塊的側(cè)面面積(由于節(jié)理巖樣上下巖塊大小相同，軸截面為正方形，因此巖塊1、2的每一側(cè)面的面積可以認(rèn)為相同)。M₁,M₃是巖塊側(cè)面上的力矩，M₂是巖塊端面上的力矩，單位Pa·m；這里M₁,M₂,M₃的方向均指向垂直紙面方向。由于巖石節(jié)理巖樣的尺寸非常有限，能夠產(chǎn)生產(chǎn)生有效力矩比較小，因此平衡力矩所需的分布力也比較??；再加上所施加的原始地應(yīng)力一般比較大，因此這里可以忽略產(chǎn)生的力矩的作用。

類似節(jié)理巖樣中巖塊自身的應(yīng)力狀態(tài)可以通過加載來調(diào)節(jié)，以節(jié)理面坐標(biāo)系為基本坐標(biāo)系，巖塊1中的應(yīng)力為：

而巖塊2中的應(yīng)力為：

綜上所述，可以看出一種復(fù)雜應(yīng)力下巖石節(jié)理超聲實(shí)驗(yàn)裝置一共需要5對獨(dú)立的加載裝置進(jìn)行加載才能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)理巖樣的復(fù)雜受力。

因此，如圖3至圖8所示，本實(shí)用新型提供了一種復(fù)雜應(yīng)力下巖石節(jié)理超聲實(shí)驗(yàn)裝置，包括剛性框架21、軸向加載塊3、切向加載塊4、切向超聲振動(dòng)換能器5、軸向超聲振動(dòng)換能器6、隔振器8、測力計(jì)7、滾珠板12、水平滑移承壓板11、位移計(jì)13、切向加載活塞10、切向液壓驅(qū)動(dòng)器19和軸向液壓驅(qū)動(dòng)器20。

所述剛性框架21內(nèi)部中間豎直設(shè)置實(shí)驗(yàn)空間，該實(shí)驗(yàn)空間底部水平安裝滾珠板12，該滾珠板12上滑動(dòng)設(shè)置水平滑移承壓板11，水平滑移承壓板11上由下至上依次剛性連接隔振器8、測力計(jì)7、軸向超聲振動(dòng)換能器6、切向超聲振動(dòng)換能器5和軸向加載塊3。在剛性框架21頂部對應(yīng)水平滑移承壓板11豎直安裝軸向液壓驅(qū)動(dòng)器20，軸向液壓驅(qū)動(dòng)器活塞9垂直伸入實(shí)驗(yàn)空間，在軸向液壓驅(qū)動(dòng)器活塞9端部由上至下依次剛性連接隔振器8、測力計(jì)7、軸向超聲振動(dòng)換能器6、切向超聲振動(dòng)換能器5和軸向加載塊3。所述剛性框架21的正面、背面、左面和右面對應(yīng)各自水平安裝一組切向液壓驅(qū)動(dòng)器19(對應(yīng)用于對巖塊1、巖塊2加載)，每一組切向液壓驅(qū)動(dòng)器19包括上下平行設(shè)置的2個(gè)切向液壓驅(qū)動(dòng)器19，切向液壓驅(qū)動(dòng)器活塞18端部連接切向加載活塞10的一端，切向加載活塞10的另一端依次剛性連接測力計(jì)7和切向加載塊4，所有軸向加載塊3和切向加載塊4共同構(gòu)成一個(gè)矩形加載空間。

所述剛性框架21內(nèi)安裝活塞導(dǎo)軌16，切向加載活塞10與活塞導(dǎo)軌16滑動(dòng)配合，從而對切向加載活塞10導(dǎo)向，保證其僅在水平切向移動(dòng)。

所述剛性框架21上還安裝有用于測量切向加載塊4和軸向加載塊3位移的位移測量裝置。所述位移測量裝置為拉繩位移計(jì)13，該位移計(jì)13固定在剛性框架21內(nèi)側(cè)，位移計(jì)13的拉繩通過固定銷15固定在軸向加載3或切向加載塊4上。為了合理布置位移計(jì)13，在剛性框架21內(nèi)對應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向滑輪14，拉繩繞過導(dǎo)向滑輪14進(jìn)而改變拉繩的方向。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，所述矩形加載空間內(nèi)用于放置節(jié)理巖樣1，節(jié)理巖樣1由中間含有節(jié)理的兩塊巖塊組成，巖樣軸線與軸向加載軸線共線，兩塊巖塊重疊放置在軸向加載塊3上。所述節(jié)理巖樣1側(cè)壁四周外表面均勻涂覆有粘性膠體物質(zhì)，然后包裹緩沖密封層2。所述粘性膠體物質(zhì)可以為凡士林、水玻璃或硅膠。所述緩沖密封層2采用具有一定韌性的軟質(zhì)材料制成，其作用是使節(jié)理巖樣1上下兩塊成為一個(gè)整體，方便安裝，并能夠?qū)?jié)理起到密封的作用(特別是當(dāng)節(jié)理充填有流體時(shí))。由于緩沖密封層2質(zhì)軟模量低，且厚度較薄，不會(huì)影響外力的加載和節(jié)理的變形。

下面分為(1)剛性框架結(jié)構(gòu)、(2)加載結(jié)構(gòu)和(3)測量監(jiān)測結(jié)構(gòu)三個(gè)部分來具體講解本實(shí)驗(yàn)裝置。

(1)框架結(jié)構(gòu)

剛性框架21是整套實(shí)驗(yàn)裝置中支撐、固定各種設(shè)備和提供反力的主體結(jié)構(gòu)。剛性框架21是由鋼材制造成型，其在任意方向上的變形剛度遠(yuǎn)大于節(jié)理巖樣1的變形剛度。8個(gè)切向液壓驅(qū)動(dòng)器19和1個(gè)軸向液壓驅(qū)動(dòng)器20剛性固定在剛性框架21中?；钊麑?dǎo)軌16也剛性固定在剛性框架21內(nèi)側(cè)，用來約束和引導(dǎo)切向加載活塞10只能進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)。

(2)加載結(jié)構(gòu)

加載結(jié)構(gòu)主要分為靜載加載結(jié)構(gòu)和超聲動(dòng)載加載結(jié)構(gòu)。靜載加載分為軸向靜荷載加載和切向靜荷載。

軸向靜荷載由剛性固定在剛性框架21上的軸向液壓驅(qū)動(dòng)器20提供，軸向液壓驅(qū)動(dòng)器20的軸向液壓驅(qū)動(dòng)器活塞9向下做壓縮運(yùn)動(dòng)。軸向液壓驅(qū)動(dòng)器活塞9上依次連接了隔振器8、測力計(jì)7、軸向超聲振動(dòng)換能器6、切向超聲振動(dòng)換能器5和軸向加載塊3，這些部件相互剛性連接，并且連接后整體的軸向變形剛度仍大于巖石本身的變形剛度。軸向壓力通過上述結(jié)構(gòu)，將壓力施加到節(jié)理巖樣的上端部。而節(jié)理巖樣1下端部的反力是通過下部的支撐反力結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，支撐反力結(jié)構(gòu)包括由上至下依次連接的軸向加載塊3、切向超聲振動(dòng)換能器5、軸向超聲振動(dòng)換能器6、測力計(jì)7，隔振器8和水平滑移承壓板11，這些部件也是相互剛性連接形成一個(gè)整體，并將軸向壓力通過水平滑移承壓板11傳遞至滾珠板12上，滾珠板12再將軸向壓力作用于剛性框架21上。節(jié)理巖樣1下端部的支撐反力結(jié)構(gòu)可以在滾珠板12上水平自由滑動(dòng)，從保證節(jié)理切向應(yīng)力的施加和切向變形的產(chǎn)生。

切向靜荷載的產(chǎn)生由位于實(shí)驗(yàn)裝置四側(cè)的8個(gè)切向液壓驅(qū)動(dòng)器19產(chǎn)生，當(dāng)切向液壓驅(qū)動(dòng)器19推動(dòng)切向液壓驅(qū)動(dòng)器活塞18向內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，切向加載活塞通過連接節(jié)17推動(dòng)切向加載活塞10向內(nèi)施加水平推力，在通過連接在切向加載活塞10上的測力計(jì)7和切向加載塊4將推力傳遞到節(jié)理巖樣1上。

超聲動(dòng)載的加載主要由節(jié)理巖樣上部加載結(jié)構(gòu)和下部的支撐反力結(jié)構(gòu)中的兩組換能器實(shí)現(xiàn)。一組換能器包括一個(gè)軸向超聲振動(dòng)換能器6和一個(gè)切向超聲振動(dòng)換能器5構(gòu)成。軸向超聲振動(dòng)換能器6通過超聲信號激發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓刺激壓電晶體產(chǎn)生軸向的變形從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)荷載，切向超聲振動(dòng)換能器5通過超聲信號激發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓刺激壓電晶體產(chǎn)生水平剪切變形從而產(chǎn)生超聲震動(dòng)荷載。而隔振器8的作用是吸收換能器產(chǎn)生的超聲應(yīng)力波，阻止其向剛性框架21傳播，減少對振動(dòng)信號的干擾。節(jié)理巖樣1上下部的兩組換能器并不同時(shí)產(chǎn)生超聲振動(dòng)荷載，而是當(dāng)其中一組換能器作為振源時(shí)，另外一組換能器作為接收器，將接受到的振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。

(3)測量監(jiān)測結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)裝置的測量監(jiān)測結(jié)構(gòu)主要有：力測量結(jié)構(gòu)、位移測量結(jié)構(gòu)、振動(dòng)測量結(jié)構(gòu)。

力測量結(jié)構(gòu)：用于監(jiān)測作用在節(jié)理巖樣1上的力，是通過安裝在加載結(jié)構(gòu)上的測力計(jì)4得以實(shí)施，即每一個(gè)加載塊(包括軸向加載塊3和切向加載塊4)附近都配有一個(gè)獨(dú)立的測力計(jì)7，一共有10個(gè)測力計(jì)7。

位移測量結(jié)構(gòu)：用于測量節(jié)理巖樣1的軸向變形和切向變形，是通過安裝在剛性框架21內(nèi)側(cè)表面的拉繩位移計(jì)13實(shí)現(xiàn)，位移計(jì)的拉繩通過固定銷15直接固定在軸向加載塊3和切向加載塊4上，便于較大精度的直接測量節(jié)理巖樣1的軸向變形和切向變形。為了能夠合理布置拉繩位移計(jì)13在裝置中的安裝位置，利用導(dǎo)向滑輪14改變拉繩的方向。

振動(dòng)測量結(jié)構(gòu)：包括兩組換能器，每一組換能器包括一個(gè)軸向超聲振動(dòng)換能器6和一個(gè)切向超聲振動(dòng)換能器5。振動(dòng)信號的測量是通過軸向超聲振動(dòng)換能器6和切向超聲振動(dòng)換能器5實(shí)現(xiàn)的，節(jié)理巖樣1上下的兩組換能器，當(dāng)一組用來作為振源時(shí)，另外一組則作為接收傳感器。

參見圖8，本實(shí)用新型還提供了一種上述復(fù)雜應(yīng)力下巖石節(jié)理超聲實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換儀、控制信號轉(zhuǎn)換放大裝置、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與儲(chǔ)存系統(tǒng)以及安裝有實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)終端。所述數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換儀用于接收拉繩位移計(jì)、測力計(jì)、切向超聲振動(dòng)換能器、軸向超聲振動(dòng)換能器傳遞來的電信號，并將電信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號。計(jì)算機(jī)終端接收數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換儀傳遞而來的數(shù)字信號，通過實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)對接收到的信號進(jìn)行處理分析，將所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與儲(chǔ)存系統(tǒng)處理后進(jìn)行存儲(chǔ)，并針對實(shí)驗(yàn)裝置的監(jiān)測信號做出反饋控制信息，計(jì)算機(jī)終端將反饋控制信息發(fā)送至控制信號轉(zhuǎn)換放大裝置，根據(jù)反饋控制信息控制信號轉(zhuǎn)換放大裝置分別控制各個(gè)伺服液壓油泵或超聲信號激發(fā)系統(tǒng)做出響應(yīng)。所述伺服液壓油泵用于驅(qū)動(dòng)切向液壓驅(qū)動(dòng)器和軸向液壓驅(qū)動(dòng)器，超聲信號激發(fā)系統(tǒng)用于控制切向超聲振動(dòng)換能器和軸向超聲振動(dòng)換能器。

當(dāng)伺服液壓油泵接收到控制信號轉(zhuǎn)換放大裝置發(fā)出的控制指令后，控制油泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，油泵又通過油路控制切向液壓驅(qū)動(dòng)器和軸向液壓驅(qū)動(dòng)器的加載力大小，從而控制施加在節(jié)理巖樣1上的靜載力大小。當(dāng)超聲信號激發(fā)系統(tǒng)接收到控制信號轉(zhuǎn)換放大裝置發(fā)出的控制指令后，將產(chǎn)生指定的頻率、幅值等電壓驅(qū)動(dòng)信號，實(shí)驗(yàn)裝置上的切向超聲振動(dòng)換能器或軸向超聲振動(dòng)換能器接收到電壓驅(qū)動(dòng)信號將產(chǎn)生指定的超聲振動(dòng)，振動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)力波通過軸向加載塊3入射至節(jié)理巖樣1中。

為了更好的監(jiān)控該實(shí)驗(yàn)裝置的狀態(tài)，還可以在該裝置上安裝液壓傳感器、溫度傳感器、報(bào)警裝置等，這些傳感器和裝置均與數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換儀連接，構(gòu)成除位移、加載力和超聲振動(dòng)以外的其他狀態(tài)監(jiān)控信息。

下面通過一個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)來說明本實(shí)驗(yàn)裝置的使用方法。

實(shí)驗(yàn)名稱：恒定法向應(yīng)力下剪應(yīng)力對巖石節(jié)理縱波傳播特性的影響研究

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備材料：巖石節(jié)理實(shí)驗(yàn)制作，將節(jié)理巖樣外表面打磨平整光滑，水平橫截面為正方形，上下兩巖塊的徑向尺寸偏差不得超過0.5mm，平行加載面的不平行度最大不超過0.05mm。并始終保持節(jié)理面的完好。

實(shí)驗(yàn)步驟：

Step1：將節(jié)理巖樣1上下兩塊巖塊對齊，并在外表面上(節(jié)理面上下壁面除外)涂抹均勻粘性膠體物質(zhì)(如凡士林、水玻璃、硅膠等)，并用緩沖密封薄膜均勻包裹試樣；

Step2：將試樣放置在實(shí)驗(yàn)裝置下部的支撐反力結(jié)構(gòu)的軸向加載塊3之上，并保證下部支撐反力結(jié)構(gòu)軸心線與試樣軸心線與上部軸向加載結(jié)構(gòu)軸心線對齊；

Step3：軸向液壓驅(qū)動(dòng)器20工作，使得軸向加載塊3向下運(yùn)動(dòng)，并對試樣軸向進(jìn)行加載至指定法向應(yīng)力時(shí)停止，并保持這一應(yīng)力不變；

Step4：切向液壓驅(qū)動(dòng)器19工作，對節(jié)理巖樣1進(jìn)行水平加載，同一方向共線的兩個(gè)切向加載活塞10同步加載，并實(shí)時(shí)監(jiān)測試樣巖塊上的加載力，使得試樣中巖塊的受力始終保持平衡，并保持試樣的初始位置不變，直到巖塊中的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到所需的初始應(yīng)力狀態(tài)；

Step5：節(jié)理巖樣下部巖塊上的切向液壓驅(qū)動(dòng)器19工作，進(jìn)行剪切荷載的施加。下部巖塊上的四個(gè)切向液壓驅(qū)動(dòng)器19中，其中兩個(gè)的加載力增大，使得試樣剪切變形向所需方向進(jìn)行，另外兩個(gè)的加載力保持Step4中的加載力大小不變。與此同時(shí)，由于節(jié)理面上的剪切力作用，節(jié)理巖樣中上部巖塊的受力發(fā)生改變，通過位移計(jì)13的實(shí)時(shí)監(jiān)測和反饋，伺服控制上部巖塊上的四個(gè)切向液壓驅(qū)動(dòng)器19的加載力，使得上部巖塊在實(shí)驗(yàn)裝置中保持位置的不變，并同樣使得其中兩個(gè)切向液壓驅(qū)動(dòng)器19保持在step4中的加載力大小不變(以維持初始應(yīng)力狀態(tài))。當(dāng)剪切力達(dá)到指定水平時(shí)，此時(shí)通過伺服控制保持節(jié)理面上應(yīng)力和巖塊中的應(yīng)力不變。

Step6：上部的軸向超聲振動(dòng)換能器6施加所需的激勵(lì)電壓使其振動(dòng)，于此同時(shí)下部換能器接收振動(dòng)信號，并將信號傳遞至數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換儀。此時(shí)的超聲測試完成后，返回至Step5中，再次通過切向液壓驅(qū)動(dòng)器19加載至另外一個(gè)節(jié)理剪應(yīng)力水平，然后再次進(jìn)行超聲測試。如此循環(huán)往復(fù)，直至實(shí)驗(yàn)測試全部完成；

實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程，各個(gè)傳感器同步實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)者可以在計(jì)算機(jī)中同步觀測數(shù)據(jù)、設(shè)置初始狀態(tài)和進(jìn)行控制。

數(shù)據(jù)處理與分析：將以上實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出以下有益數(shù)據(jù)：巖石節(jié)理的應(yīng)力波透射特征在節(jié)理的彈性階段、峰前強(qiáng)化階段、峰后軟化階段以及殘余階段中的變化規(guī)律；進(jìn)而也能夠反演出節(jié)理面各個(gè)剪切變形階段的剛度系數(shù)的變化規(guī)律。

本實(shí)驗(yàn)裝置除了能夠做“恒定法向應(yīng)力下剪應(yīng)力對巖石節(jié)理應(yīng)力波傳播特性的影響研究”外，還能做其他多種類型的超聲動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，如“常法向剛度下剪應(yīng)力對巖石節(jié)理應(yīng)力波傳播特性的影響研究”、“節(jié)理面凸起磨損對對巖石節(jié)理應(yīng)力波傳播特性的影響研究”、“節(jié)理面開度對巖石節(jié)理應(yīng)力波傳播特性的影響研究”、“節(jié)理面物質(zhì)充填情況對巖石節(jié)理應(yīng)力波傳播特性的影響研究”、“節(jié)理面應(yīng)力方向與大小對各向異性節(jié)理的應(yīng)力波傳播特性的影響研究”等等。具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。