CN110057681A - 测定岩石ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置和方法，属于岩石力学室内实验测试领域。该装置的底座和外壳连接，第一剪切盒和第二剪切盒镜像相对设置，放置岩样一侧设置有透明盖体；第一剪切盒一侧竖直设置有导向结构，第一剪切盒上方设置有加载座；PIV测速系统的相机设置在透明盖体一侧，相机和计算机电联接；第一压力传感器设置在和加载座相连接的液压系统上，并且和计算机电联接，位移传感器设置在第一剪切盒和加载座之间，并与计算机电联接。用该装置进行测试，得到载荷‑位移曲线，计算得到岩石Ⅱ型断裂能，通过PIV测速系统能够观测岩石表面速度场，该装置还能适用多种材料的Ⅱ型断裂能测定和材料表面速度场的描述。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学室内实验测试技术领域，特别是涉及一种测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置和方法。
背景技术
由于岩石的主要破坏方式之一是剪切破坏，剪切强度和Ⅱ型断裂能成为岩石的主要特征力学参数。
目前，人们测定岩石剪切强度的装置已经有了很多，而对于直接测定岩石的Ⅱ型断裂能并且观测岩石表面速度场的装置比较少见，且相关的装置还没有能够直观、真实地反映岩石的II型断裂能。例如，现在大多数人先采用岩石直剪仪来测定岩石的剪切强度，再通过复杂的计算才能得出岩石的Ⅱ型断裂能，而对于岩石表面裂隙的扩展速度的观测，尚且少见。
岩石的Ⅱ型断裂能是用来表示岩石抵抗剪切裂缝产生和扩展能力的参数，是岩石类材料的一种固有属性。岩石的Ⅱ型断裂能不随岩样形状的改变而改变。由于岩石类材料是一种天然的准脆性材料，且成熟的金属Ⅱ型断裂能测试装置不适用于岩石，因此，发明适用于测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，对于规范岩石Ⅱ型断裂能的测定和观测岩石表面速度场具有十分重要的意义。
考虑到岩石的剪胀效应，在进行岩石的剪切试验时，难免会因测试方法的缺陷和测试装置的误差造成I型张开，从而难以排除测试中其他原因导致的能量散耗。从而得不到真实的II型断裂能。
传统上，通常采用位移计法及应变片法等对岩石表面的位移场以及应变场进行测量，存在着测量的误差较大，试验前的准备工序较多以及难以对全部的裂隙进行观测等缺点。
发明内容
为了直接、简单、快速地测得岩石的Ⅱ型断裂能，并且同时观测岩石的表面速度场，本发明所要解决的技术问题是：提供一种测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置和方法，该装置能够实现岩石II型断裂能的准确测定，并且观测岩石表面裂缝的扩展速度，该装置具有通用性，能适用于岩石、土以及混凝土等多种材料的Ⅱ型断裂能测定和材料表面速度场的描述。
本发明解决的技术问题所采用的方案是：
一种测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，包括岩样加载系统、液压系统、显微粒子成像测速系统(PIV测速系统)和数据采集器；
所述的岩样加载系统包括底座、外壳、透明盖体、第一剪切盒、第二剪切盒、加载座和导向结构；
所述的PIV测速系统包括相机；
所述的数据采集器包括第一压力传感器、位移传感器和计算机；所述的计算机上设置有数据分析系统；
所述的液压系统和加载座连接，用于向加载座上施加压力；
所述的底座和外壳连接，形成岩样测试腔体；所述的第一剪切盒、第二剪切盒、加载座、导向结构均设置在岩样测试腔体内；所述的第一剪切盒和第二剪切盒镜像相对设置，形成岩样放置腔；岩样放置腔的一侧设置有透明盖体；第一剪切盒远离岩样放置腔的一侧竖直设置有导向结构，第一剪切盒上方水平设置有加载座，第二剪切盒嵌入外壳中，和外壳固定连接；
所述的PIV测速系统的相机设置在岩样放置腔设置有透明盖体的一侧，用于对岩样表面进行拍照；所述的相机和计算机电联接；
所述的第一压力传感器设置在和加载座相连接的液压系统上，并且第一压力传感器和计算机电联接，所述的第一压力传感器用于检测施加在加载座上的载荷，并将施加在加载座上的载荷传输至计算机，通过计算机中的数据分析系统进行处理；
所述的位移传感器设置在第一剪切盒和加载座之间，并与计算机电联接；所述的位移传感器用于检测岩样加载的位移，并将岩样加载的位移传输至计算机，通过计算机中的数据分析系统进行处理。
进一步的，所述的液压系统包括推杆、液压缸、液压油箱和伺服液压机；
所述的外壳上对应加载座位置设置一个通孔，液压系统的推杆通过通孔和加载座连接，推杆和通孔之间设置有套筒，推杆设置在液压缸内，液压缸和液压油箱连接，液压油箱和伺服液压机连接。
进一步的，所述的第一压力传感器设置在液压系统的液压缸上；所述的数据采集器，还包括第二压力传感器，第二压力传感器设置在液压油箱上，并且和计算机电联接，用于检测压力是否稳定。
进一步的，所述的PIV测速系统，用于采集岩样表面的形貌变化，所述的PIV测速系统的相机，其拍摄速度为15～20张/s。
进一步的，所述的数据采集器用于采集岩样表面裂缝的分布，处理得到裂缝扩展的速度；同时，用于对收集的岩样表面的图片进行处理，得到岩样表面的速度场。
进一步的，所述的数据采集器用于采集第一压力传感器检测的作用于岩样的载荷、用于采集第二压力传感器检测的液压油箱的压力、用于采集位移传感器检测的岩样的位移。
进一步的，所述的底座和外壳通过螺栓连接。
进一步的，所述的外壳和液压系统的液压缸通过螺栓密封连接。
进一步的，所述的外壳和透明盖体通过螺栓密封连接。
进一步的，所述的推杆一侧设置有橡胶垫，达到密封的作用。
进一步的，所述的导向结构为滚动结构或滑动结构；
所述的滚动结构包括多个凹型槽和相应的滚动轮，滚动轮设置在凹型槽中，第一剪切盒靠近滚动结构一侧设置有和滚动轮相配合的滚槽，所述的滚动轮用于第一剪切盒的上下移动；
所述的移动结构为滑槽，在第一剪切盒靠近滑槽一侧设置有和滑槽相配合的滑轨，滑槽和滑轨相互配合，实现第一剪切盒的上下移动。
进一步的，所述的滚动结构设置有8～12个相配套的凹型槽和滚动轮。
进一步的，所述的液压缸设置有第一压力表；所述的液压油箱设置有第二压力表。
进一步的，液压缸和液压油箱通过导管连接，液压油箱和伺服液压机通过导管连接；所述的导管分为进油导管、出油导管和稳压油管，其中，连接液压缸和液压油箱的导管为进油导管、出油导管，进油导管上设置有第一阀门，出油导管上设置有第二阀门，进油导管连接液压油箱的一端设置有第一油嘴，出油导管连接液压油箱的一端设置有第二油嘴；
其中，连接液压油箱和伺服液压机的导管为稳压油管，稳压油管连接液压油箱的一端设置有第三油嘴，稳压油管连接伺服液压机的一端设置有第四油嘴。
进一步的，所述的油嘴，其包括油嘴主体、油嘴阀门、内部油封、外部油封，在设置有油嘴的导管环向套装有油嘴主体，油嘴主体和导管之间的孔隙处设置有内部油封，用于密封油嘴主体和导管，在油嘴主体外侧设置有油嘴阀门，用于固定油嘴主体和导管，在油嘴主体外侧未设置有内部油封部分设置有外部油封。
本发明的一种测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的方法，采用上述装置，包括以下步骤：
步骤一：根据第一剪切盒和第二剪切盒形成的岩样放置腔的尺寸，制备岩样，并在岩样的纵向中心轴位置，上、下相对预制2条裂缝，并将预制有裂缝的岩样涂成白色，得到待测岩样；
步骤二：将装置中仪器校准；
步骤三：将待测岩样放入第一剪切盒和第二剪切盒形成的岩样放置腔中，盖上透明盖体，将相机放置在支架上，调整相机与待测岩样位置，使得相机镜头的轴线和待测岩样的轴线重合；
步骤四：打开液压系统中的油嘴和阀门，使液压油箱的液压油流入液压缸；
步骤五：启动伺服液压机，提供并控制压力，压力通过液压油箱缓冲后，使得液压缸内压力稳定，压力通过推杆传递至加载座，当加载座下移至和第一剪切盒接触后，停止伺服液压机；
步骤六：调整液压系统中的油嘴，调整压力至预定值；
步骤七：启动相机，对待测岩样进行拍摄，将拍摄的图片传入计算机，通过图片中显示的岩样表面裂缝的分布，通过计算机处理得到岩样表面裂缝扩展的速度；
步骤八：启动伺服液压机，对待测岩样进行施压，加载座推动第一剪切盒沿导向结构向下移动，直至待测岩样沿纵向轴线被剪裂成两部分，通过第一压力传感器检测得到的压力和位移传感器检测的位移传输至计算机，通过计算机内置的数据分析系统处理，得到载荷-位移曲线；
步骤九：停止伺服液压机，关闭相机，将液压缸内液压油压入液压油箱，关闭各个阀门和油嘴；
步骤十：采用计算机中编写的计算程序，根据载荷-位移曲线，计算得到岩样的II型断裂能；其中，计算程序的计算过程为：
(1)通过载荷-位移曲线，得到伺服液压机所做的功，计算公式如下：
式中，W为伺服液压机所做的功，δ为位移传感器得到的位移，F(y)为载荷-位移曲线中，该位移对应的载荷，y为位移；
(2)通过位移传感器，得到的位移计算岩样自重所做的功，计算公式如下：
式中，Wg为岩样自重所做的功，ρ为岩样的密度，V为岩样的体积，g为重力加速度，δ为位移传感器得到的位移；
(3)计算得到岩样的II型断裂能，计算公式为：
式中，为岩样的Ⅱ型断裂能，A为岩样的断裂面的面积，W为伺服液压机所做的功，δ为位移传感器得到的位移，F(y)为载荷-位移曲线中，该位移对于的载荷，y为位移；Wg为岩样自重所做的功，ρ为岩样的密度，V为岩样的体积，g为重力加速度。
所述的步骤一中，所述的涂成白色的方法为：采用石膏对岩样涂抹成白色。
所述的步骤一中，所述的裂缝为在岩样纵向中心轴位置贯穿岩样横向。
所述的步骤二中，所述的仪器包括第一压力传感器、第二压力传感器、位移传感器、第一压力表和第二压力表。
所述的步骤四中，所述的油嘴包括第一油嘴、第二油嘴、第三油嘴、第四油嘴，所述的阀门包括第一阀门、第二阀门。
所述的步骤六中，所述的预定值，为施加在加载座和第一剪切盒的压力的最低值，其目的是为了在后续测定时，压力直接作用在待测岩样上。
本发明的一种测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置和方法，其有益效果是：将外壳设计成一体式，使第一剪切盒只能上下移动，第二剪切盒嵌入外壳中不能移动，即岩石只能上下移动而不能左右相对张开，这从根本上避免了岩样发生相对的I型张开；并且本发明设计的滚动方式能够减少第一剪切盒上下移动的摩擦力，第一剪切盒作为上下移动盒，第二剪切盒作为固定盒，其载荷的作用方式，能够真实反映岩样在受力后的真实II型断裂能和岩石表面速度场。
本发明在第一剪切盒上端的加载座上安装有位移传感器，在液压缸上装有第一压力传感器，将这两个传感器测得的数据传入计算机，采用公式自主编写的程序可以直接得到岩样的Ⅱ型断裂能；考虑到研究问题的充分性，采用PIV测速系统对岩石表面裂隙的扩展速度进行观测，从而对岩样表面的速度场进行描述，该方式对于岩石表面裂隙的扩展速度的测量不仅提高了精度，而且可以全面地测量所有裂隙的扩展速度。采用这种装置和结合这种装置的测试方式能够简单、方便地测定岩样的Ⅱ型断裂能、观测岩石表面裂缝的扩展速度。此外，岩样加载系统设计简单，充分利用了外壳巧妙设计，省去了许多不必要的结构或零件，使制造工艺更加的简单，生产的成本大大降低。同时，本发明的装置具有通用性，能适用于岩石、土以及混凝土等多种材料的Ⅱ型断裂能测定和观测材料表面速度场的描述。
附图说明
图1是本发明的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置的结构示意图。
图2是本发明的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置中PIV测速系统和液压系统的俯视图。
图3是油嘴示意图。
图4是滚动结构示意图。
图5是滑动结构示意图。
图6为本发明实施例得到的载荷-位移曲线。
以上图中，1为底座，2为外壳，3为第一剪切盒、4为第二剪切盒，5为加载座，6为导向结构，6-1为凹型槽，6-2为滚动轮，7为套筒，8为透明盖体，9为推杆，10为液压缸，11为液压油箱，12为伺服液压机，13为相机，14为第一压力传感器，15为第二压力传感器，16为位移传感器，17为计算机，18为橡胶垫，19-1为第一压力表，19-2为第一压力表，20为导管，21-1为第一阀门，21-2为第二阀门，22-支架，23为油嘴，2301为油嘴主体、2302为油嘴阀门、2303为内部油封、2304为外部油封，23-1为第一油嘴，23-2为第二油嘴，23-3为第三油嘴，23-4为第四油嘴，24为岩样，25为连接线，26为液压油，27为裂缝。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例中，除特殊说明，采用的单位国际单位。
实施例1
一种测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其结构示意图如图1所示，其包括岩样加载系统、液压系统、PIV测速系统以及数据采集器。
所述的岩样加载系统包括底座1、外壳2、相对设置的第一剪切盒3和第二剪切盒4、加载座5、导向结构6、套筒7和透明盖体8；
所述的液压系统包括推杆9、液压缸10、液压油箱11和伺服液压机12；
所述的PIV测速系统包括相机13；
所述的数据采集器包括第一压力传感器14、第二压力传感器15、位移传感器16和计算机17；所述的计算机17上设置有数据分析系统；
所述的底座1和外壳2连接，形成岩样测试腔体；所述的第一剪切盒3、第二剪切盒4、加载座5、导向结构6均设置在岩样测试腔体内；所述的第一剪切盒3和第二剪切盒4镜像相对设置，形成岩样放置腔；岩样放置腔的一侧设置有透明盖体8；透明盖体通过螺栓和外壳连接；第一剪切盒3远离岩样放置腔的一侧竖直设置有相配合的导向结构6，第一剪切盒3上方水平设置有加载座5，第二剪切盒4嵌入外壳2中，和外壳2固定连接；这是因为，考虑到岩样的剪胀效应，为了避免岩样发生相对的I型张开，第二剪切盒4完全嵌入外壳2中，第一剪切盒3的远离岩样放置腔的一侧竖直设置有相配合的导向结构6，通过导向结构6的控制，第一剪切盒3只能在竖直方向移动。外壳2设计为一体式，省去了固定第一剪切盒和第二剪切盒的螺栓。所述的底座和外壳通过螺栓连接。
所述的外壳2上对应加载座5位置设置一个通孔，液压系统的推杆9通过通孔和加载座5连接，推杆和加载座连接的一侧设置有橡胶垫18，推杆9和通孔之间设置有套筒7，推杆9设置在液压缸10内，液压缸10和液压油箱11连接，液压油箱11和伺服液压机12连接。液压系统的液压缸通过螺栓密封连接。所述的液压缸10设置有第一压力表19-1；所述的液压油箱11设置有第二压力表19-2。所述的液压油箱11中，存放有液压油26。
所述的PIV测速系统的相机13设置在岩样放置腔设置有透明盖体8的一侧，用于对岩样表面进行拍照；所述的相机13和计算机17电联接；其俯视图见图2。
所述的第一压力传感器14设置在液压缸10上，并且第一压力传感器14和计算机17电联接，所述的第一压力传感器14用于检测施加在加载座5上的载荷，并将施加在加载座5上的载荷传输至计算机17，通过计算机17中的数据分析系统进行处理；
所述的第二压力传感器15设置在液压油箱11上，并且和计算机17电联接，用于检测压力是否稳定。
所述的位移传感器16设置在第一剪切盒3和加载座5之间，并与计算机17电联接；所述的位移传感器16用于检测岩样加载的位移，并将岩样加载的位移传输至计算机17，通过计算机17中的数据分析系统进行处理。
第一压力传感器14、第二压力传感器15、位移传感器16和计算机17采用连接线25连接。
所述的导向结构6为滚动结构，滚动结构包括11个凹型槽6-1和相应的滚动轮6-2，滚动轮6-2设置在凹型槽6-1中，其结构见图4，其中，第一剪切盒3靠近导向结构6一侧设置有和滚动轮相配合的滚槽，所述的滚动轮6-2用于第一剪切盒3的上下移动。
液压缸10和液压油箱11通过导管20连接，液压油箱11和伺服液压机12通过导管20连接；所述的导管20分为进油导管、出油导管和稳压油管，其中，连接液压缸10和液压油箱11的导管为进油导管、出油导管，进油导管上设置有第一阀门21-1，出油导管上设置有第二阀门21-2，进油导管连接液压油箱11的一端设置有第一油嘴23-1，出油导管连接液压油箱11的一端设置有第二油嘴23-2；
连接液压油箱11和伺服液压机12的导管20为稳压油管，稳压油管连接液压油箱11的一端设置有第三油嘴23-3，稳压油管连接伺服液压机12的一端设置有第四油嘴23-4。
油嘴23，其包括油嘴主体2301、油嘴阀门2302、内部油封2303、外部油封2304，在设置有油嘴的导管20环向套装有油嘴主体2301，油嘴主体2301和导管20之间的孔隙处设置有内部油封2303，用于密封油嘴主体2301和导管20，在油嘴主体2301外侧设置有油嘴阀门2302，用于固定油嘴主体2301和导管20，在油嘴主体2301外侧未设置有内部油封2303部分设置有外部油封2304。其结构示意图见图3。
为了达到直接测得岩样的Ⅱ型断裂能的目标，在设置在第一剪切盒3上端的加载座5上安装有位移传感器16，在液压缸10上装有第一压力传感器15，将这两个传感器测得的数据传入计算机17，采用自主编写的程序可以直接得到岩样的Ⅱ型断裂能。
为了控制液压缸内的压力，可通过伺服液压机12、第一油嘴23-1、第二油嘴23-2、第三油嘴23-3、第四油嘴23-4、第一阀门21-1和第二阀门21-2控制出油量。通过液压油箱11上的第二压力传感器15可以监控油压是否稳定。
利用该测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，进行测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的方法，包括以下步骤：
第一步：制备与第一剪切盒3、第二剪切盒4形成的岩样放置腔尺寸相符合的岩样24，并在岩样的纵向对称线预制2条上、下相对的裂缝27，将岩样表面涂成白色；
第二步：将第一压力传感器14、第二压力传感器15、位移传感器16以及第一压力表19-1，第二压力表19-2等仪器校准；
第三步：将岩样放入第一剪切盒3、和第二剪切盒4形成的岩样放置腔中，盖上透明盖体8，将相机13放置在支架22上，调整相机13与岩样24的位置，使相机13镜头的轴线与岩样24的轴线重合；
第四步：打开第一油嘴23-1、第二油嘴23-2、第三油嘴23-3、第四油嘴23-4、第一阀门21-1和第二阀门21-2，使液压油26流入液压缸10；
第五步：启动伺服液压机12，使加载座5缓慢向下移动，加载座5与第一剪切盒3上端轻微接触，停止伺服液压机12；
第六步：调整各油嘴的阀门，使第一压力表19-1的压力读数达到能够作用于加载座5和推杆9之间的载荷，本实施例为2N；
第七步：启动相机13，对岩样24表面进行拍摄，拍摄的图片传入计算机17，通过计算机17进行分析计算，通过图片中显示的岩样表面裂缝的分布，通过计算机17处理得到岩样表面裂缝扩展的速度；
第八步：启动伺服液压机12，对待测岩样24进行施压，加载座5推动第一剪切盒3沿导向结构6向下移动，直至待测岩样24沿纵向轴线被剪裂成两部分，通过第一压力传感器14检测得到的压力和位移传感器16检测的位移传输至计算机17，通过计算机17内置的数据分析系统处理，计算得到的载荷-位移曲线；本实施例中，计算机得到压力和位移数据，根据本实施例中采用的数据分析系统MATLAB进行分析，计算得到的载荷-位移曲线见图6。
第九步：停止伺服液压机12，关闭相机13，将液压缸10内的液压油26压入液压油箱11，关闭各阀门；
第十步：采用计算机17中自主编写的程序，直接对载荷-位移曲线进行计算，得出岩样的Ⅱ型断裂能，具体程序的计算过程如下：
通过载荷-位移曲线得到伺服液压机所做的功，计算公式如下：
式中，W为伺服液压机所做的功，δ为位移传感器得到的位移，F(y)为载荷-位移曲线中，该位移对应的载荷，y为位移。
通过位移传感器得到的位移计算岩样自重所做的功，计算公式如下：
式中，Wg为岩样自重所做的功，ρ为岩样的密度，V为岩样的体积，g为重力加速度，δ为位移传感器得到的位移。
计算得到岩样的Ⅱ型断裂能，计算公式如下：
式中，为岩样的Ⅱ型断裂能，A为岩样的断裂面的面积。
本实施例中，通过第一压力传感器14和位移传感器16得到载荷-位移曲线见图6，通过计算机17中的程序可以求得该曲线与横轴所围的图形面积，求得面积为W，计算得到的W＝194.4N·m。
通过位移传感器16得到的位移，结合岩石的密度和体积可以求得Wg，本实施例，计算得到的Wg＝0.3N·m。将W与Wg相加再除以岩石的断裂面的面积就可以得到岩石的Ⅱ型断裂能，经计算，得到的
实施例2
一种测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，同实施例1，不同之处在于，所述的导轨结构为滑动结构，其示意图见图5。
本发明中，所述的上、下，是相对位置关系，并不是对本发明保护范围的限定。
Claims (10)
1.一种测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，该测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置包括岩样加载系统、液压系统、PIV测速系统和数据采集器；
所述的岩样加载系统包括底座、外壳、透明盖体、第一剪切盒、第二剪切盒、加载座和导向结构；
所述的PIV测速系统包括相机；
所述的数据采集器包括第一压力传感器、位移传感器和计算机；所述的计算机上设置有数据分析系统；
所述的液压系统和加载座连接，用于向加载座上施加压力；
所述的底座和外壳连接，形成岩样测试腔体；所述的第一剪切盒、第二剪切盒、加载座、导向结构均设置在岩样测试腔体内；所述的第一剪切盒和第二剪切盒镜像相对设置，形成岩样放置腔；岩样放置腔的一侧设置有透明盖体；第一剪切盒远离岩样放置腔的一侧竖直设置有导向结构，第一剪切盒上方水平设置有加载座，第二剪切盒嵌入外壳中，和外壳固定连接；
所述的PIV测速系统的相机设置在岩样放置腔设置有透明盖体的一侧，用于对岩样表面进行拍照；所述的相机和计算机电联接；
所述的第一压力传感器设置在和加载座相连接的液压系统上，并且第一压力传感器和计算机电联接，所述的第一压力传感器用于检测施加在加载座上的载荷，并将施加在加载座上的载荷传输至计算机，通过计算机中的数据分析系统进行处理；
所述的位移传感器设置在第一剪切盒和加载座之间，并与计算机电联接；所述的位移传感器用于检测岩样加载的位移，并将岩样加载的位移传输至计算机，通过计算机中的数据分析系统进行处理。
2.如权利要求1所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，所述的PIV测速系统，用于采集岩样表面的形貌变化，所述的PIV测速系统的相机，其拍摄速度为15～20张/s。
3.如权利要求1所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，所述的液压系统包括推杆、液压缸、液压油箱和伺服液压机；
所述的外壳上对应加载座位置设置一个通孔，液压系统的推杆通过通孔和加载座连接，推杆和通孔之间设置有套筒，推杆设置在液压缸内，液压缸和液压油箱连接，液压油箱和伺服液压机连接。
4.如权利要求3所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，所述的第一压力传感器设置在液压系统的液压缸上；所述的数据采集器，还包括第二压力传感器，第二压力传感器设置在液压油箱上，并且和计算机电联接，用于检测压力是否稳定。
5.如权利要求3所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，所述的推杆一侧设置有橡胶垫。
6.如权利要求1所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，所述的导向结构为滚动结构或滑动结构；
所述的滚动结构包括多个凹型槽和相应的滚动轮，滚动轮设置在凹型槽中，第一剪切盒靠近滚动结构一侧设置有和滚动轮相配合的滚槽，所述的滚动轮用于第一剪切盒的上下移动；
所述的移动结构为滑槽，在第一剪切盒靠近滑槽一侧设置有和滑槽相配合的滑轨，滑槽和滑轨相互配合，实现第一剪切盒的上下移动。
7.如权利要求3所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，液压缸和液压油箱通过导管连接，液压油箱和伺服液压机通过导管连接；所述的导管分为进油导管、出油导管和稳压油管，其中，连接液压缸和液压油箱的导管为进油导管、出油导管，进油导管上设置有第一阀门，出油导管上设置有第二阀门，进油导管连接液压油箱的一端设置有第一油嘴，出油导管连接液压油箱的一端设置有第二油嘴；
其中，连接液压油箱和伺服液压机的导管为稳压油管，稳压油管连接液压油箱的一端设置有第三油嘴，稳压油管连接伺服液压机的一端设置有第四油嘴。
8.如权利要求7所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，所述的油嘴，其包括油嘴主体、油嘴阀门、内部油封、外部油封，在设置有油嘴的导管环向套装有油嘴主体，油嘴主体和导管之间的孔隙处设置有内部油封，用于密封油嘴主体和导管，在油嘴主体外侧设置有油嘴阀门，用于固定油嘴主体和导管，在油嘴主体外侧未设置有内部油封部分设置有外部油封。
9.一种测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的方法，其特征在于，采用权利要求1～8任意一项所述的装置，包括以下步骤：
步骤一：根据第一剪切盒和第二剪切盒形成的岩样放置腔的尺寸，制备岩样，并在岩样的纵向中心轴位置，上、下相对预制2条裂缝，并将预制有裂缝的岩样涂成白色，得到待测岩样；
步骤二：将装置中仪器校准；
步骤三：将待测岩样放入第一剪切盒和第二剪切盒形成的岩样放置腔中，盖上透明盖体，将相机放置在支架上，调整相机与待测岩样位置，使得相机镜头的轴线和待测岩样的轴线重合；
步骤四：打开液压系统中的油嘴和阀门，使液压油箱的液压油流入液压缸；
步骤五：启动伺服液压机，提供并控制压力，压力通过液压油箱缓冲后，使得液压缸内压力稳定，压力通过推杆传递至加载座，当加载座下移至和第一剪切盒接触后，停止伺服液压机；
步骤六：调整液压系统中的油嘴，调整压力至预定值；
步骤七：启动相机，对待测岩样进行拍摄，将拍摄的图片传入计算机，通过图片中显示的岩样表面裂缝的分布，通过计算机处理得到岩样表面裂缝扩展的速度；
步骤八：启动伺服液压机，对待测岩样进行施压，加载座推动第一剪切盒沿导向结构向下移动，直至待测岩样沿纵向轴线被剪裂成两部分，通过第一压力传感器检测得到的压力和位移传感器检测的位移传输至计算机，通过计算机内置的数据分析系统处理，得到载荷-位移曲线；
步骤九：停止伺服液压机，关闭相机，将液压缸内液压油压入液压油箱，关闭各个阀门和油嘴；
步骤十：采用计算机中编写的计算程序，根据载荷-位移曲线，计算得到岩样的II型断裂能；其中，计算程序的计算过程为：
(1)通过载荷-位移曲线，得到伺服液压机所做的功，计算公式如下：
式中，W为伺服液压机所做的功，δ为位移传感器得到的位移，F(y)为载荷-位移曲线中，该位移对应的载荷，y为位移；
(2)通过位移传感器，得到的位移计算岩样自重所做的功，计算公式如下：
式中，Wg为岩样自重所做的功，ρ为岩样的密度，V为岩样的体积，g为重力加速度，δ为位移传感器得到的位移；
(3)计算得到岩样的II型断裂能，计算公式为：
式中，为岩样的Ⅱ型断裂能，A为岩样的断裂面的面积，W为伺服液压机所做的功，δ为位移传感器得到的位移，F(y)为载荷-位移曲线中，该位移对于的载荷，y为位移；Wg为岩样自重所做的功，ρ为岩样的密度，V为岩样的体积，g为重力加速度。
10.如权利要求9所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的方法，其特征在于，所述的步骤六中，所述的预定值，为施加在加载座和第一剪切盒的压力的最低值。
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