CN105352820B - 一种多功能裂隙岩体压剪试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多功能裂隙岩体压剪试验装置，包括主体架，主体架下方设有用于固定被测试件底部的试件固定座，试件固定座的正上方，设有与主体架顶部连接的法向加载装置；主体架的一侧，设有用于对被测试件施加斜向荷载的斜向剪切加载装置；法向加载装置和斜向剪切加载装置由控制系统控制，分别对被测试件施加法向荷载和斜向荷载，法向荷载和斜向荷载在被测试件的预定剪切面内相交，预定剪切面内设有预置裂隙；被测试件的上表面和法向加载装置之间设有减摩装置；先启动法向加载装置，当法向应力达到预定值后，逐渐增加斜向荷载，同时相应减少法向荷载的加载值，使法向应力始终等于预定值，剪力不断增大，直至被测试件破坏。

Description

一种多功能裂隙岩体压剪试验装置

技术领域

本发明属于岩土试验领域，具体是一种多功能裂隙岩体压剪试验装置。

背景技术

岩土工程领域，岩体多处于压剪应力场中，其失稳破坏大多是由于内部的大型断裂或节理裂隙在压剪状态下扩展、贯通形成局部连通带，成为影响岩体稳定性的潜在不稳定因素。建筑物地基的承载能力，挡土墙、地下结构的土压力，各类边坡的稳定性等均由岩体的抗剪强度控制，能否正确获取岩体的抗剪强度，得到岩体内部裂纹在压剪状态下的变化规律及对岩体强度的影响，往往是工程成败的关键。

压剪试验是测定岩体的抗剪强度的一种常规方法。目前，许多学者采用不同的压剪试验实验装置来测定岩体的抗剪强度。

中国专利CN102564869A公布了一种剪切试验仪，它包括上模组件、下模组件以及控制器；所述上模组件包括支架，固定在所述支架上的顶块，所述顶块的下方固定垂直驱动机，所述垂直驱动机的下端固定上半模框；所述下模组件包括道轨、在所述道轨上的水平移动架，所述水平移动架上设有下半模框，所述下半模框与平移动架的竖块之间设有剪切施压件；所述剪切施压件的输出上设有剪切力传感器。该发明的装入试块实在剪切实验区以外的位置，可用于大体积试块的剪切试验。

中国专利CN102323166A公布了一种叠环式斜面剪切仪，包括垂直液压油缸和水平液压油缸，两个油缸均连接至液压控制系统；垂直液压油缸的液压杆连接上剪切盒的盖板，下剪切盒底部固定刚性底板，刚性底板与水平底座之间设置滚轴；水平液压油缸的液压杆与传力铁块连接，传力铁块与连杆、下剪切和之间设置叠环组，叠环组与水平位移传感器组连接；水平位移传感器组、垂直液压油缸、水平液压油缸并联至数据采集分析系统；液压控制系统与数据采集分析系统均连接至主控台；其特征在于所述的上、下剪切盒的剪切面为非水平面。该发明更适用斜坡上复合衬里的剪切试验，同时满足高应力，多界面的要求。

中国专利CN2879170Y公布了一种测定土样抗剪前度的直接剪切仪，包括滚轴丝杆、剪切盒、底座、测力计、剪切盒由上盒和活动的下盒组成，其中上盒与下盒之间有间隙。该专利通过改进传统的直接剪切试验仪，消除了上下盒之间的滑动摩擦、底部滚珠的滚动摩擦，从而提高了测定试样的准确性。

传统的剪切试验仪存在以下缺点：

1.试验装置的剪切界面固定，存在尺寸效应，剪切面上剪应力分布不均匀，导致试件剪切破坏先从边缘开始，并在边缘发生应力集中现象，无法准确模拟剪切破坏过程。

2.传统的剪切仪为了产生剪力，在试件的两侧施加平行的不在同一直线上的力，这样势必导致在试件内部产生附加的力偶，及相应的额外外力和弯矩，从而导致测定试样的精度不高。

上述专利中的试验装置剪切界面固定，存在尺寸效应，剪切面上剪应力分布不均匀，试件剪切破坏先从边缘开始，在边缘发生应力集中现象，且不能消除施加水平剪切力在试件上产生的额外外力、弯矩的影响，导致测定试样的精度不高。

传统的剪切仪为了产生剪力，在试件的两侧施加平行的不在同一直线上的力，这样势必导致在试件内部产生附加的力偶，及相应的额外外力和弯矩，从而导致测定试样的精度不高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多功能裂隙岩体压剪试验装置，本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多功能裂隙岩体压剪试验装置，包括主体架，所述主体架下方设有用于固定被测试件底部的试件固定座，所述试件固定座的正上方，设有与所述主体架顶部连接的用于对所述被测试件施加法向荷载的法向加载装置；所述主体架的一侧，设有用于对所述被测试件施加斜向荷载的斜向剪切加载装置；所述被测试件设有与所述斜向剪切加载装置垂直的斜面；所述法向加载装置和所述斜向剪切加载装置由控制系统控制，所述法向荷载和斜向荷载在所述被测试件的预定剪切面内相交，所述预定剪切面内设有预置裂隙；

所述被测试件的上表面和所述法向加载装置之间设有减摩装置；试验过程中，利用监测系统对所述被测试件进行监测，获取所述被测试件在压剪试验过程中的相关参数和信息。

试验时，由所述控制系统控制，先启动所述法向加载装置，施加法向荷载，当法向应力达到预定值后，启动所述斜向剪切加载装置，逐渐增加斜向荷载，同时相应减少法向荷载的加载值，使所述法向应力不变、始终等于预定值，剪力不断增大，直至所述被测试件破坏。

在岩体试件上表面设置减摩装置，其作用为当斜向千斤顶加载时，减小法向加载装置在试件上表面产生的摩擦力，降低外力对试验结果造成的影响，从而可以更加有效的模拟裂隙岩体的压剪性能。

传统的剪切试验，试件的剪切破坏先从边缘开始。利用斜向剪切加载装置和法向加载装置对被测试件施加荷载的结构，在加载过程中预置裂隙在迎推力方向产生翼裂纹，随后另一方向产生翼裂纹，岩桥形成菱形小方块，最终完全贯通破坏，模拟的剪切过程更加符合实际情况。

斜向加载系统与法向加载系统的轴线处于同一平面内，确保所述斜向加载系统对所述岩体试件施加的垂直于斜面的斜向荷载，与法向加载装置对被测试件施加的垂直于所述预剪切面的法向荷载相交，所述交点位于所述预剪切面内；利用加载系统施加的斜向荷载，与法向加载系统施加的法向荷载，在预剪面内相交，从而消除了施加的水平剪切力在试件上产生的额外外力，避免了力在加载过程中产生的弯矩，因此不会产生随试件尺寸增大导致弯矩增大的弊端。保持预剪面上法向应力不变，也最大程度上保证了剪切面上的受力均匀。减少测试误差，测试结果的准确性容易保证，适合各种土木工程建设场合使用。

利用监测系统对岩体试件进行监测，获取试件在压剪试验过程中的相关信息，为研究试件在压剪过程中的性能提供便利。

所述斜向剪切加载装置通过斜向加载支座与反力架连接，所述斜向剪切加载装置的下部设有用于支撑所述斜向剪切加载装置的升降支架,所述反力架包括设于所述试件固定座两侧的两个反力座，和连接所述两个反力座的若干个支撑杆，所述支撑杆与所述反力座通过调节螺栓固定连接；所述反力座上设有与所述斜向加载支座配合的多位卡槽，通过更换不同倾角的所述斜向加载支座和移动所述斜向加载支座在所述卡槽上的位置，改变所述斜向加载支座的高度，和与竖直方向的夹角。

斜向剪切加载装置通过所述斜向加载支座与所述反力座连接；反力架为斜向加载支座提供反力，整体结构简单，便于操作。

利用不同倾角的斜向加载支座与可升降支架，可灵活调整斜向剪切加载装置的加载角度，确保荷载方向与斜面垂直。利用这种结构，对于岩体试件的斜面具有不同倾角的情况，均能满足试验要求。扩大了压剪试验的研究范围。

所述斜向剪切加载装置包括：斜向液压千斤顶和斜向压头，所述斜向液压千斤顶与所述斜向加载支座固定连接；所述斜向压头通过柔性金属板与所述被测试件的斜面接触，并对所述被测试件施加斜向荷载，荷载方向与所述斜面垂直且通过预剪面中心点；所述升降支架辅助固定所述斜向千斤顶，确保加载过程中加载方向的准确性；所述法向加载装置包括刚性试验机和法向压头，所述法向压头通过柔性金属板与所述被测试件的上表面接触；所述控制系统控制刚性试验机，利用所述压头直接向所述被测试件施加预定的法向荷载。

使用液压千斤顶，有利于控制系统控制荷载的大小，自动化程度更高。

所述主体架的下侧设有放置所述试件固定座的试验台；所述试件固定座固持于所述试验台上；所述试件固定座包括固定所述被测试件底部的试件基座，所述试件基座上设有用以加紧固定试件的限位压板。

于该试验对加载位置的精度要求很高，需要最大程度保证每个试件在同一位置进行加载，在试件基座内设置可调限位压板，既可以最大程度保证每个试件在同一位置进行加载，且整个过程中不会移位，又可以根据试件的尺寸自由调节，以适应不同尺寸的岩体试件。

利用这种结构，可以在水平剪应力不断增大的同时，保持法向应力始终不变，在研究裂隙压剪机理的过程中，可以大大简化分析过程，减少试验数量，利于寻找压剪破坏的规律。

所述斜向固定支座为与所述反力座连接的万能转向头，所述万能转向头的另一端与所述斜向剪切加载装置固定连接；所述试件固定座通过伸缩杆固持于所述试验台上，所述试件固定座的位置和万能转向头的角度配合工作，确保所述斜向剪切加载装置与斜面垂直。

所述被测试件，是现场岩样试件，或是根据被研究岩体的岩性通过相似材料配比而成的模拟试件；在不同的所述模拟试件中，预置不同角度、不同组合的多种排列的预置裂缝；所述裂缝包括贯穿试件前后表面的二维裂隙和/或内置于所述模拟试件内部的三维裂隙。

被测试件由模具装置制作。模具两侧开口并设计为中间插片式，所述插片通过卡槽与模具连接。同时更换模具两侧的预置不同插孔的插片，可在制备试件时预埋具有一定刚度的薄片，待试件初凝后抽出，可实现预置不同倾角及多种排列组合的裂隙。

预置裂隙通过更换插片实现，并在插片上开缝，缝的长度、位置、倾角不同，且模具两侧的插片开缝位置对应，填料时用薄片贯穿这两个钢插片，预埋在试件内部，初凝后抽出，形成空腔，形成预置裂隙。

所述减摩装置包括减摩板及嵌在其表面的减摩钢球；所述减摩钢球的直径大于所述减摩板的高度，所述减摩钢球直接与竖向加载装置的压头接触。

利用减摩板和减摩钢球可以消除法向荷载对试件的摩擦力，使试验结果更加精确。

所述监测系统包括微型压力盒、位移传感器、压力传感器、和光栅多点位移计，所述微型压力盒间隔一定距离埋设在试件内部；所述位移传感器分别安置在所述斜向液压千斤顶压头处，和所述岩体试件的前后表面处；所述压力传感器分别安置在所述斜向液压千斤顶的压头处，和所述刚性试验机的压头处；所述光栅多点位移计埋设在试件内部。

利用微型压力盒可以监测整个裂隙的扩展情况。利用位移传感器和压力传感器可以测量相应的位移值和压力值。将位移传感器埋设在试件内部，当位移传感器所在的测量位置发生相对位移时，通过光栅解调仪分析得到光栅中心波长的位移值，计算出试件内部的位移变化。

所述监测系统包括利用声发射监测岩体试件内部裂隙的声发射传感器，所述声发射传感器利用凡士林粘贴至所述岩体试件的外表面，用以接收试件内部损伤产生的声发射信号。

将声发射传感器贴在安置好的试件外表面上，并利用凡士林做耦合剂，使接触良好；使声发射传感器接收试件内部损伤产生的声发射信号，对接收的试件内部损伤产生的声发射信号进行参数提取，得到各信号的能量、振铃计数、持续时间、幅值等特征参数，用于分析试件破坏过程和裂纹扩展形态。

所述监测系统包括CT扫描装置的X射线发射板和X射线接收板；所述X射线发射板和X射线接收板对应置于所述岩体试件的两侧，并与主机连接。

所述的监测系统包括CT扫描装置的X射线发射板和X射线接收板分别位于所述试件的一侧，且两者相对设置，X射线发射板发出的射线，穿过待测试件后，被X射线接收板接收，计算机将采集到的射线能量值转化为数值信号，再根据数值信号进行三维图像重构，最终显示待测试件立体图形。CT扫描可以显示试件内部产生破裂及裂纹扩展形态的立体图，使用本装置不仅仅局限于测定剪切强度，还可观测岩体内部的破裂形态及裂纹发育发展的过程，为进一步研究试件的剪切破坏原理提供直观的全方位支持。

所述监测系统包括CCD摄像机，所述CCD摄像机安装在三维移动显微观测架上，三维移动显微观测架放置在透明视窗正前方，CCD摄像机通过视频采集卡与计算机连接。

CCD摄像机具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。利用CCD摄像机可以直接观察岩体试件在压剪试验过程中外部形态的变化过程，并以视频的形式保存下来。

多功能裂隙岩体压剪试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：制备与压剪试验机配合的被测试件；

步骤2：将所述被测试件置于试件固定座上，安装斜向剪切加载装置，和法向加载装置；

步骤3：启动法向加载装置，施加竖向荷载，当法向应力达到预定值后，启动斜向剪切加载装置，逐渐增加斜向荷载，同时减少竖向荷载的加载值，加载过程中所述法向应力不变，剪力不断增大，直至所述被测试件破坏。

其中，步骤1中，所述被测试件被制成长方体，并沿所述长方体的一条棱边切一斜面，所述斜面与所述棱边平行。

步骤1中，所述斜面与相邻一面的夹角为12゜-17゜。

步骤1中，在不同的所述被测试件中，预置不同角度、不同组合的多种排列的预置裂缝；所述裂缝包括贯穿试件前后表面的二维裂隙和/或内置于所述被测试件内部的三维裂隙。

步骤2中，所述被测试件的固定为，将所述被测试件放在所述试件固定座上，调节限位压板，使所述被测试件固定。

步骤2中，所述斜向剪切加载装置的安装为，通过更换不同倾角的斜向加载支座和移动所述斜向加载支座在卡槽上的位置，改变斜向加载支座和竖直方向的夹角，使所述斜向剪切加载装置的轴线与被测试件的所述斜面垂直；连接斜向千斤顶与所述斜向加载支座，通过调整支撑所述斜向千斤顶的升降台的高度，配合所述斜向加载支座改变斜向液压千斤顶的位置，使所述斜向剪切加载装置的施力中心对准预定剪切面的中心，并施加接触压力使所述斜向剪切加载装置与所述被测试件紧密接触。

步骤2中，所述法向加载装置包括刚性试验机、垂直压轴和压头，在所述被测试件的上表面放置钢球减摩板，所述压头通过所述钢球减摩板向所述被测试件施加法向荷载。

步骤3中，所述斜向剪切加载装置和法向加载装置由控制系统控制，所述控制系统先控制所述法向加载系统施加法向荷载，当所述法向应力达到预定值后，停止法向加压，启动斜向剪切加载装置施加斜向荷载，根据所述斜向荷载与所述法向荷载的倾角，算出所述斜向荷载的竖直分量，所述法向荷载的减少值等于所述斜向荷载的竖直分量。

步骤3中，在所述被测试件一侧设有CCD摄像机，在所述加载过程中，通过所述CCD摄像机实时监测所述被测试件的外部裂隙扩展及破坏过程。

步骤3中，在所述被测试件的外表面设有声发射传感器，在所述加载过程中，通过所述声发射传感器接收所述被测试件内部损伤产生的声发射信号。

步骤3中，在所述被测试件内部设有光栅多点位移计，通过所述光栅多点位移计获取所述被测试件内部裂隙的相对位移变化。

步骤3中，在所述被测试件上设有CT扫描装置，所述CT扫描装置包括对应设置于所述被测试件两侧的X射线发射板和X射线接收板，通过所述CT扫描装置获取所述被测试件内部产生破裂及裂纹扩展形态的立体图，以观测所述被测试件内部的破裂形态及裂纹发育发展过程。

本发明具有以下有益效果：

整体简便易行，本发明与现有技术相比，能够避免力的加载过程中产生弯矩，减少测试误差，测试结果的准确性容易保证，适合各种土木工程建设场合使用，并且具有结构简单，易于制作，操作方便等突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

图1为本发明多功能裂隙岩体压剪试验装置的立体示意图；

图2为本发明多功能裂隙岩体压剪试验装置的侧视图；

图3为本发明斜向剪切加载装置的正视图；

图4为本发明多功能裂隙岩体压剪试验装置用来制备试件的模具图；

图5为试验加载过程中试件的破坏规律图。

其中，1.底座，2.支撑杆，3.斜向加载支座，4.主体架，5.升降支架，6.试件固定座，7.斜向液压千斤顶，8.刚性试验机，9.减摩装置，10.反力座,11.限位压板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种多功能裂隙岩体压剪试验装置，包括主体架4，主体架4下方设有用于固定被测试件底部的试件固定座6，试件固定座6的正上方，设有与主体架4顶部连接的法向加载装置；主体架4的一侧，设有用于对被测试件施加斜向荷载的斜向剪切加载装置，斜向剪切加载装置通过斜向加载支座3与反力架连接，斜向剪切加载装置的下部设有用于支撑斜向剪切加载装置的升降支架5；被测试件的上下表面与法向加载装置垂直，并设有与斜向剪切加载装置垂直的斜面；法向加载装置和斜向剪切加载装置由控制系统控制，分别对被测试件施加法向荷载和斜向荷载，法向荷载和斜向荷载在被测试件的预定剪切面内相交，预定剪切面内设有预置裂隙；

岩体试件的上表面设有减摩装置9；试验过程中，利用监测系统对被测试件进行监测，获取被测试件在压剪试验过程中的相关参数和信息；

试验时，由控制系统控制，先启动法向加载装置，施加法向荷载，当法向应力达到预定值后，启动斜向剪切加载装置，逐渐增加斜向荷载，同时相应减少法向荷载的加载值，使法向应力不变、始终等于预定值，剪力不断增大，直至被测试件破坏。

反力架包括设于试件固定座6两侧的两个反力座10，和连接两个反力座10的若干个支撑杆2，支撑杆2与反力座10通过调节螺栓固定连接；反力座10固定连接于底座1上。反力座10上设有与斜向加载支座3配合的多位卡槽，通过更换不同倾角的斜向加载支座3和移动斜向加载支座3在卡槽上的位置，改变斜向加载支座3的高度，和与竖直方向的夹角。

斜向剪切加载装置包括：斜向液压千斤顶7和斜向压头，斜向液压千斤顶7与斜向加载支座3固定连接；斜向压头通过柔性金属板与被测试件的斜面接触，并对被测试件施加斜向荷载，荷载方向与斜面垂直且通过预剪面中心点；升降支架5辅助固定斜向千斤顶，确保加载过程中加载方向的准确性；法向加载装置包括刚性试验机8和法向压头，法向压头通过柔性金属板与被测试件的上表面接触；控制系统控制刚性试验机8，利用压头直接向被测试件施加预定的法向荷载。

主体架4的下侧设有放置试件固定座6的试验台；试件固定座6固持于试验台上；试件固定座6包括固定于被测试件底部的试件基座，试件基座上设有防止被测试件下部滑移的限位压板11。

减摩装置9包括减摩板及嵌在其表面的减摩钢球；减摩钢球的直径大于减摩板的高度，减摩钢球直接与竖向加载装置的压头接触。

斜向剪切加载装置通过斜向加载支座3与反力座10连接；反力架为斜向加载支座3提供反力，整体结构简单，便于操作。

利用不同倾角的斜向加载支座3与可升降支架5，可灵活调整斜向剪切加载装置的加载角度，确保荷载方向与斜面垂直。利用这种结构，对于岩体试件的斜面具有不同倾角的情况，均能满足试验要求。扩大了压剪试验的研究范围。

升降支架5用于支撑斜向液压千斤顶7，并配合斜向加载支座3改变斜向液压千斤顶7的位置，增加了结构的稳定性。

法向加载装置包括刚性试验机8、垂直压轴和压头，在被测试件的上表面放置与被测试件上表面相匹配的减摩板，压头通过减摩板向被测试件施加法向荷载；减摩板与被测试件之间置有柔性金属板。

在岩体试件上表面设置减摩装置9，其作用为当斜向千斤顶加载时，减小法向加载装置在试件上表面产生的摩擦力，降低外力对试验结果造成的影响，从而可以更加有效的模拟裂隙岩体的压剪性能。

在压头与试件表面之间预置柔性金属板，避免试件表面应力集中发生破坏。

监测系统包括微型压力盒、位移传感器、压力传感器、和光栅多点位移计，微型压力盒间隔一定距离埋设在试件内部；位移传感器分别安置在斜向液压千斤顶7压头处，和岩体试件的前后表面处；压力传感器分别安置在斜向液压千斤顶7的压头处，和刚性试验机8的压头处；光栅多点位移计埋设在试件内部。

监测系统包括利用声发射监测岩体试件内部裂隙的声发射传感器，声发射传感器利用凡士林粘贴至岩体试件的外表面，用以接收试件内部损伤产生的声发射信号。

监测系统包括CT扫描装置的X射线发射板和X射线接收板；X射线发射板和X射线接收板对应置于岩体试件的两侧，并与主机连接。

监测系统包括CCD摄像机，CCD摄像机安装在三维移动显微观测架上，三维移动显微观测架放置在透明视窗正前方，CCD摄像机通过视频采集卡与计算机连接。

试验方法包括以下步骤：

步骤一：制备被测试件，被测试件为被切去一角的立方体岩体，包括顶面、底面、四个侧面、斜切面。立方体土块的顶面和底面平行于水平面；

步骤二：在被测试件中预置不同角度、不同组合的多种排列预置裂隙，该裂隙可包括贯穿试件前后表面的二维裂隙以及内置于试件内部的三维裂隙。

步骤三：将试件放在试件固定座上，调节限位压板，使试件固定。通过更换不同尺寸的垫块和移动垫块在卡槽上的位置，改变斜向加载支座和竖直方向的夹角与试件斜切面和竖直方向夹角一致。

步骤四：安装斜向剪切加载装置。斜向剪切加载装置包括液压千斤顶、压力传感器、位移传感器、压轴和压头等部分。利用两个间隔一定距离安置在斜向液压千斤顶正下方的可调高度的升降台，并配合斜向加载支座改变斜向液压千斤顶的位置，使其施力中心对准预剪面中心。安装完毕后，启动千斤顶，施加接触压力使整个斜向加载系统接触紧密。

安装斜向千斤顶时，必须严格定位。斜向力作用方向与剪切面的夹角一般为12-17°，为确保加载方向通过预剪面中心点，且尽量减小斜向荷载产生的竖直分量，一般选用15°。使千斤顶的轴线穿过剪切面中心，力争剪切面受力均匀。

步骤五：安装法向加载装置。竖向加载装置包括刚性试验机、垂直压轴和压头，配置成直接向试件施加预定的垂直试件上表面的载荷，同样与预定剪切面垂直。

步骤六：启动加载装置。启动液压千斤顶、万能材料试验机、及外联计算机控制软件，保持预剪面法向应力不变，剪力不断增大。液压千斤顶压头作用方向通过预剪面中心点，刚性试验机压头作用在试件上表面减摩机构上。

控制软件可控制先在竖直方向上施加荷载，达预定值后停止竖向加压，随后斜面方向开始加压(加载方向通过预剪面中心)，根据倾角算出该力产生的竖直分量，同时竖直方向上减少同等数值的荷载，该过程由计算机按照预先设定的程序自动精确控制。

减摩机构包括减摩板及嵌在其表面的减摩钢球。

步骤七：CCD摄像机监测系统实时监测试件裂隙扩展及破坏过程。声发射监测系统接收试件内部损伤产生的声发射信号，分析试件破坏过程和裂纹扩展形态。光栅多点位移计监测系统计算出试件内部裂隙的相对位移变化、CT扫描装置根据数值信号进行三维图像重构，最终显示待测试件立体图形。试验完毕后剖开观察试件内部破坏情况。

CCD摄像机监测系统具体应用方法为：将CCD摄像机安装在三维移动显微观测架上，三维移动显微观测架放置在透明视窗正前方，CCD摄像机通过视频采集卡与计算机连接。

声发射监测试件内部裂隙的监测装置的具体应用方法为：将声发射传感器贴在安置好的试件外表面上，并利用凡士林做耦合剂，使接触良好；使声发射传感器接收试件内部损伤产生的声发射信号，对接收的试件内部损伤产生的声发射信号进行参数提取，得到各信号的能量、振铃计数、持续时间、幅值等特征参数，用于分析试件破坏过程和裂纹扩展形态。

光栅多点位移计监测系统的具体应用方法为：将位移传感器埋设在试件内部，当位移传感器所在的测量位置发生相对位移时，通过光栅解调仪分析得到光栅中心波长的位移值，计算出试件内部的位移变化。

CT扫描装置的具体应用方法为：将CT扫描装置的X射线发射板和X射线接收板分别位于试件的一侧，且两者相对设置，X射线发射板发出的射线，穿过待测试件后，被X射线接收板接收，计算机将采集到的射线能量值转化为数值信号，再根据数值信号进行三维图像重构，最终显示待测试件立体图形。

试验完毕后剖开试件观察试件内部破坏情况具体方法为：剖开破坏后的试件，观察其内部破坏形态，确认其中不同深度裂隙长度、宽度、延伸等参数，进而记录试件内部破坏情况。

图5为试验加载过程中试件的破坏规律图，从图中可以看出，被测试件具有预制裂缝，如(a)所示。加载过程中，首先在预置裂隙迎推力方向产生翼裂纹，如(b)所示，随后在另一方向产生翼裂纹，岩桥形成菱形小方块，如(c)所示，并最终完全贯通破坏。可见模拟的剪切过程更加符合实际情况。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种多功能裂隙岩体压剪试验装置，其特征在于：包括主体架，所述主体架下方设有用于固定被测试件底部的试件固定座，所述试件固定座的正上方，设有与所述主体架顶部连接的用于对所述被测试件施加法向荷载的法向加载装置；所述主体架的一侧，设有用于对所述被测试件施加斜向荷载的斜向剪切加载装置；所述被测试件设有与所述斜向剪切加载装置垂直的斜面；所述法向加载装置和所述斜向剪切加载装置由控制系统控制，所述法向荷载和斜向荷载在所述被测试件的预定剪切面内相交，所述预定剪切面内设有预置裂隙；

所述被测试件的上表面和所述法向加载装置之间设有减摩装置；试验过程中，利用监测系统对所述被测试件进行监测，获取所述被测试件在压剪试验过程中的相关参数和信息；

所述被测试件，是现场岩样试件，或是根据被研究岩体的岩性通过相似材料配比而成的模拟试件；在不同的所述模拟试件中，预置不同角度、不同组合的多种排列的预置裂缝；所述裂缝包括贯穿试件前后表面的二维裂隙和/或内置于所述模拟试件内部的三维裂隙；

所述减摩装置包括减摩板及嵌在其表面的减摩钢球；所述减摩钢球的直径大于所述减摩板的高度，所述减摩钢球直接与竖向加载装置的压头接触。

2.根据权利要求1所述的一种多功能裂隙岩体压剪试验装置，其特征在于：所述斜向剪切加载装置通过斜向加载支座与反力架连接，所述斜向剪切加载装置的下部设有用于支撑所述斜向剪切加载装置的升降支架,所述反力架包括设于所述试件固定座两侧的两个反力座，和连接所述两个反力座的若干个支撑杆，所述支撑杆与所述反力座通过调节螺栓固定连接；所述反力座上设有与所述斜向加载支座配合的多位卡槽，通过更换不同倾角的所述斜向加载支座和移动所述斜向加载支座在所述卡槽上的位置，改变所述斜向加载支座的高度，和与竖直方向的夹角。

3.根据权利要求1所述的一种多功能裂隙岩体压剪试验装置，其特征在于：所述斜向剪切加载装置包括：斜向液压千斤顶和斜向压头，所述斜向液压千斤顶与所述斜向加载支座固定连接；所述斜向压头通过柔性金属板与所述被测试件的斜面接触，并对所述被测试件施加斜向荷载，荷载方向与所述斜面垂直且通过预剪面中心点；所述升降支架辅助固定所述斜向千斤顶，确保加载过程中加载方向的准确性；所述法向加载装置包括刚性试验机和法向压头，所述法向压头通过柔性金属板与所述被测试件的上表面接触；所述控制系统控制刚性试验机，利用所述压头直接向所述被测试件施加预定的法向荷载。

4.根据权利要求1所述的一种多功能裂隙岩体压剪试验装置，其特征在于：所述主体架的下侧设有放置所述试件固定座的试验台；所述试件固定座固持于所述试验台上；所述试件固定座包括固定所述被测试件底部的试件基座，所述试件基座上设有用以加紧固定试件的限位压板。

5.根据权利要求1所述的一种多功能裂隙岩体压剪试验装置，其特征在于：所述监测系统包括微型压力盒、位移传感器、压力传感器、和光栅多点位移计，所述微型压力盒间隔一定距离埋设在试件内部；所述位移传感器分别安置在所述斜向液压千斤顶压头处，和所述岩体试件的前后表面处；所述压力传感器分别安置在所述斜向液压千斤顶的压头处，和所述刚性试验机的压头处；所述光栅多点位移计埋设在试件内部。

6.根据权利要求1所述的一种多功能裂隙岩体压剪试验装置，其特征在于：所述监测系统包括利用声发射监测岩体试件内部裂隙的声发射传感器，所述声发射传感器利用凡士林粘贴至所述岩体试件的外表面，用以接收试件内部损伤产生的声发射信号。

7.根据权利要求1所述的一种多功能裂隙岩体压剪试验装置，其特征在于：所述监测系统包括CT扫描装置的X射线发射板和X射线接收板；所述X射线发射板和X射线接收板对应置于所述岩体试件的两侧，并与主机连接。

8.根据权利要求1所述的一种多功能裂隙岩体压剪试验装置，其特征在于：所述监测系统包括CCD摄像机，所述CCD摄像机安装在三维移动显微观测架上，三维移动显微观测架放置在透明视窗正前方，CCD摄像机通过视频采集卡与计算机连接。