本发明涉及一种可吸收应力波且无反射波产生的边界梯度吸能材料，且可实现重复性使用，属于岩石动力学试验。
背景技术：
1、在岩石动力学领域，引起岩石的破坏失稳行为的工程活动例如地震、岩爆、工程爆破等都是应力波作用的结果。因此，研究岩体中的应力波传播行为是工程研究人员长期的研究课题。天然岩体中节理错综复杂，应力波通过岩体节理时通常会发生透反射现象，而不同节理产生的反射波与入射波相互干扰，致使研究岩体应力波传播特性变得复杂且困难。
2、为了简化问题的复杂性，目前应力波试验研究，多数考虑一维情况下应力波传播行为，对于二维应力波试验少有报道。自然界中通常是半无限长岩体，而二维岩体应力波试验通常是采用有限边界岩体，如何避免边界处的反射波行为对研究目标节理透反射行为的影响是有效开展该方面试验研究的关键。深入认识二维甚至更高维度情况下应力波传播特性，对地质超前预报以及应力波作用下岩体破坏行为的认识具有重要意义。
3、边界梯度吸能材料可很好的解决岩体边界反射波问题，然而梯度材料的制作过程相对费时，且不同的岩体类型、入射波信号的强弱直接关乎着梯度吸能材料内部的微观结构。从而针对特定的试验条件，有着与之对应的边界梯度吸能材料。在实验条件单一时，则不会面临边界梯度吸能材料的制备时间成本；当试验条件较多时，则不得不考虑频繁多次制备不同的梯度吸能材料的问题。因此处于节约试验时间成本的考虑，有必要设计出一种可重复性使用的边界梯度吸能材料，从而大大简化类似试验的繁琐手续，缩短试验周期，进而提高试验效率。
技术实现思路
1、为了避免边界处应力波反射波行为对研究目标节理透反射行为的影响，且解决频繁制备梯度吸能材料的时间成本问题，本发明提供了一种一次性制备可重复性使用的边界梯度吸能材料结构，其作用能在有效吸收传播至岩石边界处的应力波且不产生或产生弱反射波，避免对入射波以及目标节理反射波的干扰的基础上，还具备一种可重复性利用的功能。在试验条件较多时能大大缩短试验周期，提高效率，进而更好的研究二维情形下节理对应力波透反射行为的影响。
2、本发明采用的技术方案是：一种无反射波产生的可重复性利用的边界吸能材料结构，包括梯度吸能材料，所述梯度吸能材料其结构为多空腔骨架2，主要由铝粉3d打印制成。所述梯度吸能材料与二维岩体1边界紧密连接贴合，其中梯度吸能材料由骨架2和空腔充填物砂土3组成。基于波阻匹配原则，与二维岩体1接触的梯度吸能材料的端部边界波阻抗与岩体波阻抗相同，则在二维岩体1与梯度吸能材料的接触界面处将不发生反射现象。二维岩体1边界处(x＝0处)由震源4产生的应力波传递至接触边界时，直接全透射传递至梯度吸能材料中进行逐级能量耗散，以实现在二维岩体1与梯度吸能材料接触界面处不产生应力反射波的目的。
3、所述梯度吸能材料与二维岩体1的边界通过耦合剂紧密贴合连接，其骨架空腔区域沿远离二维岩体边界方向上充填密度梯度减小的砂土，以实现其波阻抗由一端向另一端呈梯度减小趋势，且与二维岩体1的边界紧密连接的一端波阻抗与岩体相等，从而保证了在波阻匹配条件下，岩体边界处不存在反射波，只产生沿入射波方向全透射至梯度材料中的透射波。
4、其次，当被测岩体不同时，其波阻抗不相同，因此需要改变梯度吸能材料的波阻抗以达到波阻匹配，本发明的梯度吸能材料结构，只需在梯度材料骨架基础上，优化空腔充填物砂土的密度梯度，从而满足边界梯度吸能材料边界处波阻抗完美适配不同岩体波阻抗的试验需求，不需要重新制备梯度材料。
5、其梯度吸能材料在岩体边界处不发生反射的核心在于：与二维岩体边界紧密连接贴合的一端波阻抗与岩体相等，从而保证了在波阻匹配条件下，岩体边界处不存在反射波，只产生沿入射波方向全透射至梯度材料中的透射波。
6、其梯度吸能材料可实现重复性利用的核心在于：梯度吸能材料是一种多孔骨架结构，因此在空腔内可充填不同密度的砂土，从而可实现不同密度梯度变化的梯度吸能材料，密度梯度变化，进而波速也随之改变，其材料的波阻抗也随之呈梯度变化。
7、梯度吸能材料具有远离二维岩体方向，即y轴正方向上密度梯度减小的多孔充填复合结构，即在梯度吸能材料空腔内，存在明显的砂土充填物沿y轴正方向梯度减小的变化特征，从而引起梯度吸能材料整体的波阻抗呈梯度减小的变化。空腔内充填物砂土的密度越低，梯度吸能材料的密度ρ越低，波速c也会随之降低，所以梯度吸能材料具有密度梯度减小的特征。材料波阻抗z＝ρ·c，可知梯度吸能材料波阻抗随着梯度变化的砂土密度特征具有梯度减小的变化特征。由二维岩体1边界传来的应力波，由于梯度吸能材料空腔内松散充填物砂土的存在，从而在砂土颗粒之间产生弥散散射波，使得应力波逐步发生弥散现象，进而实现消除二维岩体边界处反射波的影响。
8、梯度吸能材料骨架②以铝粉为原料，通过3d打印技术逐层制成。沿y轴正方向上，梯度吸能材料每层空腔充填相同密度的松散砂土，并逐层减小空腔内松散砂土密度，以实现梯度密度变化特征。梯度吸能材料与岩体接触的一侧初始波阻抗与岩体相等，从而避免反射波的发生。
9、本发明中，二维岩体与梯度吸能材料在边界处紧密连接贴合，则由岩体传至梯度吸能材料的应力波在界面处的透射系数t满足：
10、
11、界面处的反射系数f满足：
12、
13、n为界面两侧介质的声阻抗比值。
14、
15、由上述可知，当波阻抗比n等于1时，界面处将不发生反射；即在边界处(y＝h)应满足ρ1c1＝ρ2c2。
16、其中相关参数含义为：
17、ρ1、c1分别为二维岩体的密度和波速；
18、ρ2、c2分别为梯度吸能材料的密度和波速，其为梯度吸能材料位置的函数，即ρ2(y)、c2(y)。
19、在界面处，岩体和梯度吸能材料波阻抗相同，则不发生反射；
20、在梯度吸能材料中，由于沿y正轴方向，孔裂隙结构越来越发育，导致其波速、密度随之逐渐降低，孔裂隙结构越发育，应力波发生散射、弥散现象越严重，从而起到逐步消耗应力波的作用；其次，梯度吸能材料的波阻抗z2＝ρ2c2，不断梯度减小，沿y正轴方向的波阻抗比n始终满足n大于1，此时f<0，反射的轻微应力扰动和入射的应力扰动异号，即反射卸载现象，由此在梯度吸能材料中沿y正轴方向逐步减小震动力，消耗应力波的作用。
21、本发明的有益之处在于，提供了一种可重复性利用的边界梯度吸能材料结构，该梯度吸能材料由多孔铝板骨架和空腔充填物砂土制成，在不同波阻抗岩体试验应用场景中，通过调配砂土密度梯度来实现岩体边界两端波阻匹配的目的。因其骨架材料无需反复重新加工，从而实现可重复性使用，大大缩短试验周期，提高试验效率。在本发明之前，梯度吸能材料波阻抗与二维岩体存在一一对应关系，因此当岩体波阻抗改变时，则会在边界处存在波阻不匹配现象，导致产生反射波。常规情况则需重新制作与之相应的梯度吸能材料，费时耗力。基于本发明材料结构，提供了一种在有效消除边界反射波的基础上，还能重复性利用的梯度吸能材料结构，一方面有效避免了重复性加工工序，大大缩短了试验周期。另一方面增加了二维应力波传播室内试验的灵活性，为二维节理岩体应力波透反射特性试验研究提供了创新性的辅助手段。
1.一种可实现重复性使用的边界梯度吸能材料结构，其特征在于，包括梯度吸能材料，所述梯度吸能材料其结构为多空腔骨架，由铝粉3d打印制成；所述梯度吸能材料与二维岩体边界紧密连接贴合，其中梯度吸能材料由骨架和空腔充填物砂土组成；基于波阻匹配原则，与二维岩体接触的梯度吸能材料的端部边界波阻抗与岩体波阻抗相同，则在二维岩体与梯度吸能材料的接触界面处将不发生反射现象；二维岩体边界处由震源产生的应力波传递至接触边界时，直接全透射传递至梯度吸能材料中进行逐级能量耗散，以实现在二维岩体与梯度吸能材料接触界面处不产生应力反射波的目的。
2.根据权利要求1所述的一种可实现重复性使用的边界梯度吸能材料结构，其特征在于，所述梯度吸能材料与二维岩体的边界通过耦合剂紧密贴合连接，其骨架空腔区域沿远离二维岩体边界方向上充填密度梯度减小的砂土，以实现其波阻抗由一端向另一端呈梯度减小趋势，且与二维岩体的边界紧密连接的一端波阻抗与岩体相等，从而保证在波阻匹配条件下，岩体边界处不存在反射波，只产生沿入射波方向全透射至梯度材料中的透射波；
3.根据权利要求1所述的一种可实现重复性使用的边界梯度吸能材料结构，其特征在于，梯度吸能材料在岩体边界处不发生反射的核心在于：与二维岩体边界紧密连接贴合的一端波阻抗与岩体相等，从而保证了在波阻匹配条件下，岩体边界处不存在反射波，只产生沿入射波方向全透射至梯度材料中的透射波。
4.根据权利要求1所述的一种可实现重复性使用的边界梯度吸能材料结构，其特征在于，梯度吸能材料可实现重复性利用的核心在于：梯度吸能材料是一种多孔骨架结构，因此在空腔内充填不同密度的砂土，从而实现不同密度梯度变化的梯度吸能材料，密度梯度变化，进而波速也随之改变，其材料的波阻抗也随之呈梯度变化。
5.根据权利要求1所述的一种可实现重复性使用的边界梯度吸能材料结构，其特征在于，梯度吸能材料具有远离二维岩体方向，即y轴正方向上密度梯度减小的多孔充填复合结构，即在梯度吸能材料空腔内，存在砂土充填物沿y轴正方向梯度减小的变化特征，从而引起梯度吸能材料整体的波阻抗呈梯度减小的变化；空腔内充填物砂土的密度越低，梯度吸能材料的密度ρ越低，波速c也会随之降低，所以梯度吸能材料具有密度梯度减小的特征；材料波阻抗z＝ρ·c，可知梯度吸能材料波阻抗随着梯度变化的砂土密度特征具有梯度减小的变化特征；由二维岩体边界传来的应力波，由于梯度吸能材料空腔内松散充填物砂土的存在，从而在砂土颗粒之间产生弥散散射波，使得应力波逐步发生弥散现象，进而实现消除二维岩体边界处反射波的影响。
6.根据权利要求1所述的一种可实现重复性使用的边界梯度吸能材料结构，其特征在于，梯度吸能材料骨架以铝粉为原料，通过3d打印技术逐层制成；沿y轴正方向上，梯度吸能材料每层空腔充填相同密度的松散砂土，并逐层减小空腔内松散砂土密度，以实现梯度密度变化特征；梯度吸能材料与岩体接触的一侧初始波阻抗与岩体相等，从而避免反射波的发生。
7.根据权利要求1所述的一种可实现重复性使用的边界梯度吸能材料结构，其特征在于，二维岩体与梯度吸能材料在边界处紧密连接贴合，则由岩体传至梯度吸能材料的应力波在界面处的透射系数t满足：
