工程实际中由于自重应力和开挖卸荷,岩体往往承受线性和非线性梯度地应力。室内试验研究相关工况下岩体的物理力学特性时,无法模拟出相应的受力环境。针对岩石力学室内试验装置及试验系统无法精确模拟试件承受梯度静应力的不足,本文提出了一种模拟岩体实际受力环境的方法,研制了相应的试验装置。装置能够对岩石长试件施加线性及非线性的梯度静应力,进行了线性梯度静应力作用下的红砂岩试件的应力波传播试验,验证了该试验装置在进行岩石动力学方面的优点。本文的主要研究内容和结论如下:(1)试验装置由“柔性材料-试件-柔性材料”构成其主体部分,通过螺栓对试件施加法向荷载。分析了存在于本文试验装置中的螺栓预紧力的确定,螺栓预紧力加载次数及加载顺序,以及橡胶与岩石的摩擦力对试验结果的影响等问题,提出了一套标准的试验操作方法。试验结果表明:对岩石试件施加梯度静应力的试验装置可对岩石试件施加可计算的精确的轴向梯度静应力,计算值与实测值之间误差较小。通过旋紧螺栓的方式,可以对试件上下侧面施加均匀或非均匀的法向压力,进而实现对试件施加均匀或非均匀梯度静应力的目的。均匀旋紧力矩对应线性梯度静应力,非均匀旋紧力矩对应非线性梯度静应力;静应力变化的梯度值可以通过调整旋紧力矩的变化形式实现。橡胶-不锈钢以及橡胶-红砂岩之间的静摩擦因数的大小不是定值,随着法向压力的增加,两个静摩擦因数都呈逐渐减小的趋势。(2)基于试验装置,进行了线性梯度静应力及非线性梯度静应力作用下红砂岩试件的力学特性试验。基于不同工况下试件的应变数据,揭示了静应力梯度对红砂岩试件力学特性的影响,验证了试验装置的可行性。试验结果表明:作为弹性材料的不锈钢试件,施加的均匀螺栓力矩值越大,试件横截面上正应力值的线性梯度值越大;当施加非均匀螺栓旋紧力矩时,螺栓旋紧力矩的递增梯度越大,横截面上正应力的非线性变化梯度值也越大。对红砂岩试件,施加均匀螺栓旋紧力矩时,不同横截面处的轴向应变呈非线性形式变化,但随着均匀旋紧力矩值的增加,压缩应变演化曲线的曲率越来越小;当施加非均匀螺栓旋紧力矩时,不同横截面处的轴向应变也呈非线性形式变化,随着螺栓旋紧力矩非均匀梯度值的增加,轴向压缩应变的非线性梯度值也越来越大。(3)基于该试验系统,验证了线性梯度静应力作用下红砂岩试件的应力波传播试验的可行性,进行了线性梯度静应力作用下红砂岩试件的应力波传播试验。探讨了应力波传播试验中的时间衰减系数,在进行大量应力波传播试验的基础上,对比无梯度静应力作用下红砂岩试件的应力波传播试验数据,揭示了静应力梯度对红砂岩动态力学特性的影响。对比国内外现有的研究成果,本文主要取得如下创新性成果:(1)研制了对长试件施加梯度静应力的试验装置,为研究深部承受梯度静应力岩石的变形特性提供了一中新思路;(2)精确的模拟了由于自重应力和开挖卸荷导致岩体承受的线性和非线性梯度地应力的实际工况;(3)该装置可进行线性梯度应力工况及非线性梯度应力工况下的应力波传播试验。