CN112986009B - 一种岩体结构面六自由度剪切试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩体结构面六自由度剪切试验装置，包括上剪切组件和下剪切组件，上剪切组件包括第一上剪切平台、设置在第一上剪切平台下方的第二上剪切平台、以及设置在第一上剪切平台和第二上剪切平台之间的斯图尔特组件，第二上剪切平台的底面设置有第一放置槽，第一放置槽内设置有上剪切盒，下剪切组件包括下剪切平台，第一上剪切平台通过可伸缩反力支柱与下剪切平台连接，下剪切平台顶面与第一放置槽相对的位置设置有第二放置槽，第二放置槽内设置有下剪切盒。本发明还公开了一种岩体结构面六自由度剪切试验方法。本发明可以实现岩体结构面试件上下剪切面之间的三个平动自由度、三个转动自由度上的相对运动。

Description

一种岩体结构面六自由度剪切试验装置及其试验方法

技术领域

本发明属于土木工程、水利水电工程、新能源工程技术领域，具体涉及一种岩体结构面六自由度剪切试验装置，还涉及一种岩体结构面六自由度剪切试验方法。

背景技术

岩体结构面剪切特性对于边坡工程、隧道工程等岩土工程的稳定性评价至关重要，同时，岩体结构面抗剪强度参数是进行滑坡、隧道软岩大变形等地质灾害或工程病害预测和防治的关键指标。在结构面切向进行剪切，即直接剪切(直剪)是一种最常用的测定岩体结构面的试验手段，得到了广泛的应用。

进一步的，在地震工况等工况下，岩体结构面将受到剪切应力路径较为复杂的多向、多维度的往复循环荷载作用，在结构面上可能体现为平动、转动等复杂相对运动模式。因此，需要岩体结构面试验可以考虑这一复杂的力学过程。

公布号CN 110514534 A的设计，解决了结构面平面内多个方向的剪切试验方法，但仅限于平面内的剪切，即结构面仅具有3个平动自由度。且该设计中，不能考虑平面内自由度的耦合，即同一时间仅能单自由度的往复剪切。

公布号CN 100572732 C的设计，可以进行平面内3个平面自由度的往复剪切，满足了平面内三个自由度的耦合剪切加载。

但结构面可能遭受的剪切作用中，除平面上的平动剪切外，还包括三个坐标轴方向的转动。为了实现结构面的六自由度剪切试验，鉴于现有设计的问题，本发明提供了一种基于倒置Stewart构型的岩体结构面六自由度剪切试验装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种岩体结构面六自由度剪切试验装置，还提供一种岩体结构面六自由度剪切试验方法，可以实现岩体结构面试件上下剪切面之间的三个平动自由度、三个转动自由度上的相对运动。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种岩体结构面六自由度剪切试验装置，包括上剪切组件，还包括下剪切组件，上剪切组件包括第一上剪切平台、设置在第一上剪切平台下方的第二上剪切平台、以及设置在第一上剪切平台和第二上剪切平台之间的斯图尔特组件，第二上剪切平台的底面设置有第一放置槽，第一放置槽内设置有上剪切盒，下剪切组件包括下剪切平台，第一上剪切平台通过可伸缩反力支柱与下剪切平台连接，下剪切平台顶面与第一放置槽相对的位置设置有第二放置槽，第二放置槽内设置有下剪切盒。

如上所述的上剪切盒和下剪切盒均包括紧固件，紧固件包括调节件、外侧支撑板、固定块、螺栓和内侧支撑板，外侧支撑板并行位于内侧支撑板外侧，外侧支撑板和内侧支撑板之间设置有调节件和固定块，调节件位于固定块上方，外侧支撑板的底部与固定块固定，螺栓贯穿调节件且通过螺纹与调节件连接，螺栓一端活动嵌设在固定块中，调节件两侧为斜侧面，外侧支撑板和内侧支撑板朝向调节件的侧面为与调节件的斜侧面适配贴合的斜面。

如上所述的斯图尔特组件包括第一斯图尔特支腿、第二斯图尔特支腿、第三斯图尔特支腿、第四斯图尔特支腿、第五斯图尔特支腿和第六斯图尔特支腿，

第一斯图尔特支腿、第二斯图尔特支腿、第三斯图尔特支腿、第四斯图尔特支腿、第五斯图尔特支腿和第六斯图尔特支腿均包括上部铰支座、上部万向节、液压缸、下部万向节和下部铰支座，

上部铰支座与第一上剪切平台连接，上部铰支座通过上部万向节与液压缸的伸缩部连接，液压缸的固定缸体通过下部万向节与下部铰支座连接，下部铰支座与第二上剪切平台连接。

如上所述的可伸缩反力支柱为四根且呈矩形四角分布。

一种岩体结构面六自由度剪切试验方法，包括以下步骤：

步骤1、通过下剪切盒固定结构面剪切试样的下半部，通过上剪切盒固定结构面剪切试样的上半部；

步骤2、通过驱动斯图尔特组件，进行剪切试验；

步骤3、斯图尔特组件的各斯图尔特支腿的液压缸返回压力数据，并结合各个液压缸的空间姿态解算结构面受到的总剪切力；

步骤4、由斯图尔特组件中各个液压缸的伸出及缩回量并结合各个液压缸的空间姿态解算结构面运动量；

步骤5、将结构面的总剪切力和结构面运动量输出至外部储存；

步骤6、试验结束，松开上剪切盒和下剪切盒，控制可伸缩反力支柱的伸缩端伸出，取出破坏后的结构面剪切试样。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明利用斯图尔特组件，实现任意剪切应力路径的剪切试验；

2、可根据斯图尔特组件的各斯图尔特支腿的液压缸返回的压力数据、伸出量、缩回量和空间姿态，准确结算总剪切力、结构面运动量等参数；

3、通过紧固件可牢固有效的对结构面剪切试样进行固定；适应不同尺寸大小的结构面剪切试样的剪切试验。

附图说明

图1为本发明装置的轴测图(可伸缩反力支柱升起)；

图2为本发明装置的轴测图(可伸缩反力支柱降下，开始试验)；

图3为上剪切组件的下视轴测图；

图4为斯图尔特组件与第二上剪切平台的轴测图；

图5为斯图尔特组件与第二上剪切平台的俯视图；

图6为斯图尔特支腿的结构示意图；

图7为下剪切盒/上剪切盒的轴测图；

图8为下剪切盒/上剪切盒的爆炸图；

图9为紧固件的轴测图；

图10为紧固件的剖面图。

其中，1-上剪切组件；2-下剪切组件；3-可伸缩反力支柱；4-下剪切盒；5-上剪切盒，其中4和5结构相同，呈倒扣镜像；11-第一上剪切平台；12-第二上剪切平台；121-第一放置槽；13-斯图尔特组件(Stewart)；131-第一斯图尔特支腿；132-第二斯图尔特支腿；133-第三斯图尔特支腿；134-第四斯图尔特支腿；135-第五斯图尔特支腿；136-第六斯图尔特支腿；41-紧固件；42-结构面剪切试样；411-调节件；412-外侧支撑板；413-固定块；414-螺栓；415-内侧支撑板；1311-上部铰支座；1312-上部万向节；1313-液压缸(带有力传感器、位移传感器、角度传感器的)；1314-下部万向节；1315-下部铰支座；21-下剪切平台；22-第二放置槽。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种岩体结构面六自由度剪切试验装置，包括上剪切组件1和下剪切组件2，上剪切组件1包括第一上剪切平台11、设置在第一上剪切平台11下方的第二上剪切平台12、以及设置在第一上剪切平台11和第二上剪切平台12之间的斯图尔特组件13，第二上剪切平台12的底面设置有第一放置槽121，第一放置槽121内设置有上剪切盒5，下剪切组件2包括下剪切平台21，第一上剪切平台11通过可伸缩反力支柱3与下剪切平台21连接，下剪切平台21顶面与第一放置槽121相对的位置设置有第二放置槽22，第二放置槽22内设置有下剪切盒4。

上剪切组件1的第二上剪切平台12的第一放置槽121容纳结构面剪切试样42的上半部分，并通过上剪切盒5的四个紧固件41将结构面剪切试样42的上半部分固定；下剪切组件2的下剪切平台21的第二放置槽22容纳结构面剪切试样42的下半部分，并通过下剪切盒4的四个紧固件41将结构面剪切试样42的下半部分固定。结构面剪切试样42的上半部分的高度须略高于上剪切盒5的四个紧固件41的高度，结构面剪切试样42的下半部分的高度须略高于下剪切盒4的四个紧固件41的高度，作为一个优选的例子，结构面剪切试样42的上半部分和下半部分的长宽高约为150*150*75mmm，而上剪切盒5和下剪切盒4的四个紧固件41的长宽高约为200*50*70mm。在下剪切盒组件2固定好之后，在试验过程中固定不动，剪切运动全部由上剪切盒组件1提供。

上剪切盒5的结构与下剪切盒4相一致，呈倒扣镜像。

上剪切盒5和下剪切盒4均包括紧固件41，紧固件41包括调节件411、外侧支撑板412、固定块413、螺栓414和内侧支撑板415，外侧支撑板412并行位于内侧支撑板415外侧，外侧支撑板412和内侧支撑板415之间设置有调节件411和固定块413，调节件411位于固定块413上方，外侧支撑板412的底部与固定块413固定，螺栓414贯穿调节件411且通过螺纹与调节件411连接，螺栓414一端活动嵌设在固定块413中，调节件411两侧为斜侧面，外侧支撑板412和内侧支撑板415朝向调节件411的侧面为与调节件411的斜侧面适配贴合的斜面。上述“上方”、“底部”均以图10所示方位进行说明。

在利用紧固件41安装结构面剪切试样42的时候，首先将紧固件41设置在第一放置槽121或者第二放置槽22内且位于结构面剪切试样42的四周，如图7所示，外侧支撑板412与第一放置槽121或者第二放置槽22的内壁相抵贴合，固定块413位于第一放置槽121或者第二放置槽22的槽底，外侧支撑板412朝向结构面剪切试样42。螺栓414一端活动嵌设在固定块413中，螺栓414与调节件411构成丝杆结构，当螺栓414旋转时，可以带动调节件411上下运动，由于外侧支撑板412和内侧支撑板415朝向调节件411的侧面为与调节件411的斜侧面适配贴合的斜面，如图10所示，当螺栓414带动调节件411向下运动时，调节件411的斜侧面推动内侧支撑板415向结构面剪切试样42运动，进而固定结构面剪切试样42；当螺栓414带动调节件411向上运动时，内侧支撑板415会释放对结构面剪切试样42的固定。

作为一种可实施的方案，调节件411的纵剖面为倒梯形，内侧支撑板415底部设置有导向杆，导向杆插入到固定块413侧部的导向孔内。

斯图尔特组件13包括第一斯图尔特支腿131、第二斯图尔特支腿132、第三斯图尔特支腿133、第四斯图尔特支腿134、第五斯图尔特支腿135和第六斯图尔特支腿136，

斯图尔特组件13由且仅能由6个规格一致、但可独立控制的第一斯图尔特支腿131～第六斯图尔特支腿136组成，第一斯图尔特支腿131～第六斯图尔特支腿136周向依次分布。6个斯图尔特支腿两个一对呈旋转对称布置，即第一斯图尔特支腿131和第二斯图尔特支腿132为V形的一对，第三斯图尔特支腿133和第四斯图尔特支腿134为V形的一对，第五斯图尔特支腿135和第六斯图尔特支腿136为V形的一对。

第一斯图尔特支腿131、第二斯图尔特支腿132、第三斯图尔特支腿133、第四斯图尔特支腿134、第五斯图尔特支腿135和第六斯图尔特支腿136均包括上部铰支座1311、上部万向节1312、液压缸1313、下部万向节1314和下部铰支座1315，

上部铰支座1311与第一上剪切平台11连接，上部铰支座1311通过上部万向节1312与液压缸1313的伸缩部连接，液压缸1313的固定缸体通过下部万向节1314与下部铰支座1315连接，下部铰支座1315与第二上剪切平台12连接。

可伸缩反力支柱3为四根且呈矩形四角分布。

可伸缩反力支柱3用于连接上剪切组件1和下剪切组件，并抵抗上剪切组件1和下剪切组件之间的反力，可伸缩反力支柱3可同步伸缩，以使得上剪切组件1可以上升，为结构面试件两部分的安装、取出提供操作空间，在剪切过程中，可伸缩反力支柱3全部保持锁死状态，结构面的相对运动全部由斯图尔特组件13提供。

通过上述结构，结构面剪切试样42的上下半部分将可以产生六个自由度的相对作用力，在相对力作用下可产生六个自由度的相对运动，包括三个方向剪切力(平动)，及三个方向的转动(转动)。相对运动由斯图尔特组件13中的第一斯图尔特支131～第六斯图尔特支腿136在统一控制下的伸出或缩回控制。伸出或缩回的动力由第一斯图尔特支131～第六斯图尔特支腿136的6个液压缸1313提供。结构面剪切试样42在各个自由度上的受力，由斯图尔特组件13中各个液压缸1313的压力数据并结合各个液压缸1313的空间姿态解算。结构面剪切试样42在各个自由度上的位移/转动，由斯图尔特组件13中各个液压缸1313的伸出及缩回量并结合各个液压缸1313的空间姿态解算。

实施例2：

一种岩体结构面六自由度剪切试验方法，利用实施例1所述的岩体结构面六自由度剪切试验装置，包括以下步骤：

步骤1、组装岩体结构面六自由度剪切试验装置，通过下剪切盒4固定结构面剪切试样42的下半部，通过上剪切盒5固定结构面剪切试样42的上半部；

步骤2、开始六自由度下，任意剪切应力路径的剪切试验，作为一个优选，第三斯图尔特支腿133和第四斯图尔特支腿134同步缩回，第二斯图尔特支腿132和第五斯图尔特支腿135同步伸出，同时第一斯图尔特支腿支腿131和第六斯图尔特支腿136同步伸出，可以使得结构面剪切试样42的上下两部分发生一个方向的平动(假设为x方向的平动)。

步骤3、平动的同时，各斯图尔特支腿的液压缸1313返回压力数据，并结合各个液压缸的空间姿态解算结构面受到的总剪切力；

步骤4、由斯图尔特组件13中各个液压缸1313的伸出及缩回量并结合各个液压缸的空间姿态解算结构面运动量(平动量)；

步骤5、结合结构面上的总剪切力和结构面运动量开展试验并输出至外部储存；

步骤6、试验结束，松开上剪切盒5和下剪切盒4，控制可伸缩反力支柱3的伸缩端伸出，取出破坏后的结构面剪切试样42。

实施例3：

一种岩体结构面六自由度剪切试验方法，利用实施例1所述的岩体结构面六自由度剪切试验装置，包括以下步骤：

步骤1、组装岩体结构面六自由度剪切试验装置，通过下剪切盒4固定结构面剪切试样42的下半部，通过上剪切盒5固定结构面剪切试样42的上半部；

步骤2、开始六自由度下，任意剪切应力路径的剪切试验，作为一个优选，第三斯图尔特支腿133和第二斯图尔特支腿132同步缩回，第四斯图尔特支腿134和第五斯图尔特支腿135同步伸出，同时第一斯图尔特支腿131少量缩回，第六斯图尔特支腿136少量伸出，可以使得结构面剪切试样42的上下两部分发生一个方向的转动(假设为x方向的转动)。

步骤3、平动的同时，各斯图尔特支腿的液压缸1313返回压力数据，并结合各个液压缸的空间姿态解算结构面受到的总剪切力；

步骤4、由斯图尔特组件13中各个液压缸1313的伸出及缩回量并结合各个液压缸的空间姿态解算结构面运动量；

步骤5、结合结构面上的总剪切力和结构面运动量开展试验并输出至外部储存；

步骤6、试验结束，松开上剪切盒5和下剪切盒4，控制可伸缩反力支柱3的伸缩端伸出，取出破坏后的结构面剪切试样42。

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种岩体结构面六自由度剪切试验装置，包括上剪切组件(1)，其特征在于，还包括下剪切组件(2)，上剪切组件(1)包括第一上剪切平台(11)、设置在第一上剪切平台(11)下方的第二上剪切平台(12)、以及设置在第一上剪切平台(11)和第二上剪切平台(12)之间的斯图尔特组件(13)，第二上剪切平台(12)的底面设置有第一放置槽(121)，第一放置槽(121)内设置有上剪切盒(5)，下剪切组件(2)包括下剪切平台(21)，第一上剪切平台(11)通过可伸缩反力支柱(3)与下剪切平台(21)连接，下剪切平台(21)顶面与第一放置槽(121)相对的位置设置有第二放置槽(22)，第二放置槽(22)内设置有下剪切盒(4)，

上剪切盒(5)和下剪切盒(4)均包括紧固件(41)，紧固件(41)包括调节件(411)、外侧支撑板(412)、固定块(413)、螺栓(414)和内侧支撑板(415)，外侧支撑板(412)并行位于内侧支撑板(415)外侧，外侧支撑板(412)和内侧支撑板(415)之间设置有调节件(411)和固定块(413)，调节件(411)位于固定块(413)上方，外侧支撑板(412)的底部与固定块(413)固定，螺栓(414)贯穿调节件(411)且通过螺纹与调节件(411)连接，螺栓(414)一端活动嵌设在固定块(413)中，调节件(411)两侧为斜侧面，外侧支撑板(412)和内侧支撑板(415)朝向调节件(411)的侧面为与调节件(411)的斜侧面适配贴合的斜面，

斯图尔特组件(13)包括第一斯图尔特支腿(131)、第二斯图尔特支腿(132)、第三斯图尔特支腿(133)、第四斯图尔特支腿(134)、第五斯图尔特支腿(135)和第六斯图尔特支腿(136)，

第一斯图尔特支腿(131)、第二斯图尔特支腿(132)、第三斯图尔特支腿(133)、第四斯图尔特支腿(134)、第五斯图尔特支腿(135)和第六斯图尔特支腿(136)均包括上部铰支座(1311)、上部万向节(1312)、液压缸(1313)、下部万向节(1314)和下部铰支座(1315)，

上部铰支座(1311)与第一上剪切平台(11)连接，上部铰支座(1311)通过上部万向节(1312)与液压缸(1313)的伸缩部连接，液压缸(1313)的固定缸体通过下部万向节(1314)与下部铰支座(1315)连接，下部铰支座(1315)与第二上剪切平台(12)连接。

2.根据权利要求1所述的一种岩体结构面六自由度剪切试验装置，其特征在于，所述的可伸缩反力支柱(3)为四根且呈矩形四角分布。

3.一种岩体结构面六自由度剪切试验方法，利用权利要求1所述的岩体结构面六自由度剪切试验装置，包括以下步骤：

步骤1、通过下剪切盒(4)固定结构面剪切试样(42)的下半部，通过上剪切盒(5)固定结构面剪切试样(42)的上半部；

步骤2、通过驱动斯图尔特组件(13)，进行剪切试验；

步骤3、斯图尔特组件(13)的各斯图尔特支腿的液压缸(1313)返回压力数据，并结合各个液压缸(1313)的空间姿态解算结构面受到的总剪切力；

步骤4、由斯图尔特组件(13)中各个液压缸(1313)的伸出及缩回量并结合各个液压缸(1313)的空间姿态解算结构面运动量；

步骤5、将结构面的总剪切力和结构面运动量输出至外部储存；

步骤6、试验结束，松开上剪切盒(5)和下剪切盒(4)，控制可伸缩反力支柱(3)的伸缩端伸出，取出破坏后的结构面剪切试样(42)。

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