一种真三轴动静组合宽频加载与多参量监测装置及方法

本发明涉及岩石力学与采矿工程试验设备，尤其涉及一种真三轴动静组合宽频加载与多参量监测装置及方法。

背景技术：

1、深部岩体赋存于“三高一扰动”（高地应力、高地温、高渗透压及强烈开采扰动）的复杂环境之中，其应力状态本质上为三向不等压的真三轴应力状态。同时，深部开采过程中，井下岩体不仅承受静态高应力，还频繁遭受爆破振动、断层滑移、顶板断裂、机械凿岩、周期来压等多种动力扰动。这些扰动源的频率与幅值跨越多个数量级：爆破冲击与凿岩扰动表现为高频率、高应变率特征，而周期来压、采动应力调整等则表现为低频率、低幅值特征。静载与宽频动力扰动的耦合作用是诱发岩爆、冲击地压、煤与瓦斯突出等深部动力灾害的重要力学根源。因此，研发能够在真三轴应力条件下施加宽频带、宽幅值动态扰动并实施多参量同步监测的试验装置，对揭示深部动力灾害的孕育机理具有重要的科学意义与工程价值。

2、然而，现有岩石力学试验装置存在以下不足：

3、（1）动静组合加载能力不足，扰动频带窄、幅值调控范围有限。常规真三轴试验机依靠液压伺服系统施加动态载荷，受液压系统固有频响限制，仅能实现低频（通常数赫兹至数十赫兹）、低幅值的扰动加载，无法再现爆破、凿岩等高应变率冲击扰动；而霍普金森压杆（shpb）类装置虽能施加高应变率冲击，但难以在真三轴静载条件下进行，且冲击方向单一、不可调，无法实现高应变率扰动与真三轴静载的有机耦合，更无法实现高频冲击扰动与低频伺服扰动的联合宽频加载。

4、（2）应力路径模拟能力不足。深部采场围岩在开采扰动下常出现同一方向两端应力不相等的"同轴不等应力"状态，以及开挖卸荷引起的应力突卸过程。现有真三轴装置多采用同轴两端等压加载方式，难以模拟同轴不等应力条件下的全应力应变过程与蠕变行为，也普遍缺乏可控的突然卸载功能，无法真实再现开采卸荷诱发的围岩损伤演化与破裂过程。

5、（3）监测手段单一、过程不可视。岩石在真三轴压缩下的破裂过程被封闭于加载腔体与刚性模具之内，常规装置无法对裂纹萌生、扩展与贯通过程进行直接观测，难以开展数字图像相关（dic）全场变形分析；声学监测与电学监测往往彼此独立、难以与力学加载同步耦合，且主动源激励与被动源接收之间缺乏统一的分时管理机制，导致信号互相干扰、数据可比性差，难以实现损伤演化的多参量同步表征。

6、（4）冲击加载方向受限、装置通用性差。现有具备冲击功能的装置通常仅能沿单一固定方向冲击，无法根据试验需求灵活选择水平前、后、左、右等不同方向实施冲击扰动，难以研究扰动方向与主应力方向夹角对岩体动力响应的影响。

7、有鉴于此，亟需能够在真三轴应力条件下实现静载、低频伺服扰动和高应变率冲击扰动单独或组合施加，具备宽频宽幅、多方向可选冲击和复杂应力路径模拟能力，并能够基于统一时间基准同步监测与采集载荷、位移、图像、声学、电学及三向变形数据的一种真三轴动静组合宽频加载与多参量监测装置及方法。

技术实现思路

1、本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种真三轴动静组合宽频加载与多参量监测装置及方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。

2、本发明的一个目的在于提出一种真三轴动静组合宽频加载与多参量监测装置，包括：

3、扰动加载组件，包括：气动发射装置，气动发射装置包括：依次连接的高压储气室、电磁阀和发射管，所述高压储气室用于存储高压气体，所述电磁阀通过通断控制所述高压储气室内的高压气体的释放，所述发射管内安装有子弹，且在靠近所述发射管的输出端设置有发射导向件，所述发射导向件配置为用于引导在高压气体驱动作用下的所述子弹沿着发射管发射方向；

4、真三轴加载组件，包括：承载框架、六向加载机构、扰动杆组件和模具组件，所述六向加载机构包括：六个液压缸，每个液压缸对应连接在承载框架对应的端面上，共同限定出夹腔，六个所述液压缸两两相对设置形成三个彼此相互垂直的加载轴线，且六个所述液压缸均能够独立伺服控制；所述模具组件内部设有试样，且设于所述夹腔内；所述扰动杆组件包括四个扰动杆，每个扰动杆可伸缩地连接在模具组件周向方向对应的四个端面上，配置为在高压气体的驱动下向试样的前后左右四个端面施加高应变率冲击扰动；

5、数据采集组件，分别安装在六向加载机构和模具组件上，配置为用于对所述试样加载过程中的载荷、位移、图像、声学、电学及三向变形数据进行同步监测与采集。

6、另外，根据本发明的真三轴动静组合宽频加载与多参量监测装置，还可以具有如下技术特征：

7、在本发明的一个示例中，所述子弹为系列化子弹，所述系列化子弹包括多种不同长度的规格，通过更换不同长度的子弹，以改变冲击应力波的脉冲持续时间和频谱特征，从而实现对所述试样施加具有不同特征频带的高应变率冲击扰动。

8、在本发明的一个示例中，所述气动发射装置还包括：红外测速模块，所述红外测速模块设置于所述发射管的输出端，配置为用于实时测量子弹撞击所述扰动杆前的飞行速度。

9、在本发明的一个示例中，所述发射导向件包括依次设置的安装段、渐缩引导段和直线导向段，其中，所述安装段与所述发射管可拆卸地连接，所述渐缩引导段的内径沿着子弹运动方向逐渐减小，配置为用于将子弹平稳引入直线导向段，所述直线导向段用于限制子弹的径向摆动和姿态偏转，并引导子弹撞击扰动杆。

10、在本发明的一个示例中，所述模具组件包括：六个模具块，六个所述模具块分别设置在六个方位上共同限定出容纳腔，所述试样适配在所述容纳腔内；其中，至少一个模具块为高强度透明材料件，由数据采集组件透过透明模具块采集试样观测面的图像，对所述试样破坏过程中的裂纹萌生、扩展及贯通过程进行可视化视频记录，并基于记录图像进行数字图像相关分析。

11、在本发明的一个示例中，所述数据采集组件包括：载荷传感器、位移传感器、图像采集系统、声信号采集系统、电信号采集系统和引伸计，其中，载荷传感器、位移传感器、图像采集系统、声信号采集系统、电信号采集系统和引伸计分别对应连接一个数据采集设备，所述载荷传感器配置为用于监测试样在加载过程中的载荷；位移传感器配置为用于监测试样在加载过程中的位移；所述图像采集系统配置为用于监测试样在加载过程中的图像；声信号采集系统配置为用于监测试样在加载过程中的声学信号；电信号采集系统配置为用于监测试样在加载过程中的电信号；引伸计配置为用于监测试样在加载过程中的三向变形数据。

12、在本发明的一个示例中，所述数据采集组件还包括：北斗对时组件，用于接收北斗卫星导航系统提供的绝对时间报文和秒脉冲信号，并将北斗时间信号分别传送至各数据采集设备；

13、各数据采集设备的控制计算机根据北斗绝对时间报文校正自身系统时钟，同时，各数据采集设备在采集试样的载荷、位移、三向变形、声信号、电信号或图像数据的过程中，同步记录北斗秒脉冲信号；

14、根据各数据采集设备记录的北斗绝对时间报文和北斗秒脉冲信号，对不同采样频率的数据进行时间标定、采样时钟校正和关联存储，从而将载荷、位移、三向变形、声信号、电信号以及图像数据映射至统一的绝对时间轴上。

15、在本发明的一个示例中，当同一加载轴线上的两个液压缸输出不等的载荷时，实现对所述试样实施同一加载轴线不等应力条件下的全应力应变过程试验和蠕变试验；当同一加载轴线上的两个液压缸输出相等的载荷时，实现对所述试样实施真三轴条件下的全应力应变过程试验和蠕变试验；当六个所述液压缸中任意一个对试样施加的载荷突然卸载时，实现模拟地下开采引起的采场围岩应力突卸过程。

16、在本发明的一个示例中，沿着液压缸的延伸方向贯穿开设有连接孔，所述扰动杆可伸缩地适配在所述连接孔内；

17、所述扰动杆组件还包括：撞击块，其包括连接部和撞击部，所述连接部与所述扰动杆固定连接，所述撞击部位于所述夹腔内，配置为用于将所述扰动杆传递的冲击作用经模具组件至试样。

18、本发明的另一个目的在于提出一种如上述所述的真三轴动静组合宽频加载与多参量监测装置的监测方法，包括如下步骤：

19、由所述六向加载机构在伺服控制下对所述试样施加真三轴静载、低频低幅扰动载荷和突然卸载载荷，由所述扰动加载组件通过扰动杆组件对所述试样施加高应变率冲击扰动载荷；其中，所述低频低幅扰动载荷和高应变率冲击扰动载荷能够在真三轴静载基础上单独或按照设定时序组合施加，并在加载过程中以统一时间基准，由数据采集组件对所述试样的载荷、位移、图像、三向变形数据以及当前启用的声学监测模式数据和当前启用的电学监测模式数据进行同步标定、采集与关联存储，从而实现真三轴动静组合宽频宽幅扰动加载与多参量同步监测，并用于获得所述试样在复杂应力路径和多源动力扰动作用下的损伤演化、裂纹扩展及破裂响应数据。

20、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

21、（1）本发明实现真三轴条件下的宽频宽幅动态扰动加载：本发明将气动高应变率冲击扰动（高频高幅、可调脉宽）与液压伺服扰动（低频低幅、波形可编程）有机结合于同一真三轴加载平台，扰动频率与幅值均可在宽广范围内连续或离散调节，形成了在真三轴应力条件下覆盖低频伺服扰动至高应变率冲击扰动的宽频带加载能力，可真实再现深部井下各种类型的动力扰动环境。

22、（2）本发明冲击扰动方向灵活可选：高应变率冲击扰动加载组件为可移动式设计，借助行走轮与调平支脚可快速对位于水平前、后、左、右任一冲击加载孔，结合预置扰动杆实现水平多方向可选冲击加载，便于系统研究扰动方向与主应力方向夹角对岩体动力响应及破坏模式的影响；同时，上扰动杆及其冲击加载孔作为预留竖向冲击扰动加载接口，赋予装置良好的功能扩展性，并使上方预留传力链与水平四向扰动传力链保持较好的一致性。

23、（3）本发明应力路径模拟能力强：六向液压缸独立伺服控制，既可实现常规真三轴条件下同一加载轴线两端等载荷加载，又可实现同轴不等应力加载与可控突然卸载，能够完整模拟深部开采过程中采场围岩经历的“加载-不等压调整-突卸”全应力路径，为开采扰动诱发动力灾害机理研究提供了逼真的应力环境。

24、（4）本发明实现多参量同步监测、破坏过程可视：透明模具块与视频输出接口能够对试样裂纹萌生、扩展和贯通过程进行可视化记录，并开展数字图像相关全场变形分析；声信号采集系统和电信号采集系统均设置主动源与被动源分时切换模式，能够避免主动激励信号对微弱被动信号的干扰；载荷、位移、冲击速度、视频图像、三向变形数据以及当前启用的声学、电学监测数据采用统一触发信号和统一时间基准进行时间标定、采集与关联存储，使应力变化、变形突变、裂纹扩展、声发射活动及电学异常能够在同一时间轴上进行对应分析，实现试样损伤演化和破裂过程的多参量协同表征。

25、（5）本发明的试验效率高、操作便捷：升降驱动机构与模具转运小车的配置，使大尺寸试样的装样、对中与卸样过程安全高效；红外测速模块为每次冲击提供定量速度数据，保证了高应变率扰动试验的可重复性与数据可靠性。

26、下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。