CN114324010B - 基于振动台原理的岩体结构面多向动态剪切力学测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于振动台原理的岩体结构面多向动态剪切力学测试系统，包括振动台，振动台的四周均设置有一个基础，振动台的四周侧壁上均设置有一个作动器，基础的顶部设置有反力架，反力架上设置有液压驱动装置，液压驱动装置的伸出端上设置有上剪切盒，上剪切盒位于下剪切盒的正上方；振动台可实现同时沿着x和y方向的平动和绕z轴转动，高精度三向伺服控制系统，能实现模拟地震应变率和多频率段加载，从而实现多方向独立应力加载，测试试样在多向地震作用下的力学特性，有利于揭示边坡动力失稳机理，解决现有技术中的直剪仪因不能实现多向动态加载而无法模拟真实地震荷载作用下岩土体的动力响应的问题。

Description

基于振动台原理的岩体结构面多向动态剪切力学测试系统

技术领域

本发明涉及岩土体力学试验领域，特别涉及基于振动台原理的岩体结构面多向动态剪切力学测试系统。

背景技术

受区域内地质环境复杂、气候条件等内外动力作用，该区域内岩质边坡内部结构面发育，对于静力条件下稳定的边坡，在地震荷载的动态循环剪切作用下会因坡体沿结构面发生错动或滑动而导致结构面强度降低，进而产生边坡失稳，引发地质灾害，带来重大的财产损失、人员伤亡和生态环境的破坏。因此，工程技术人员将面临众多岩土工程抗震问题，同时将面临着严峻的岩土动力灾变防控难题。地震荷载作用下岩土体动强度衰减及灾害防控研究不仅是岩土工程防灾领域的重要科学问题，也具有明确的国家重大需求背景，对川藏铁路等重大工程建设具有重要的现实意义。然而，受制于岩体力学测试设备加载应变率及荷载范围，现有仪器设备难以实现对岩体施加变幅变频及多向的动荷载，难以真实的模拟在地震荷载作用下岩体的强度衰减规律及动态特性。因此，研制多向地震荷载作用下岩体力学特性测试装置具有重大的现实意义和科学价值。

国内外进行岩体结构面动态剪切的室内试验以直剪试验为主，常规三轴试验为辅。直剪仪作为岩土体力学特性测试系统，是研究岩体静动力学特性的基础。目前的直剪试验方法按照剪切位移的控制方式可以分为斜线段加载试验、三角波形加载试验、正弦波形加载试验和随机波形加载试验；按照法向荷载控制方式可以分为定法向力剪切试验和定法向刚度剪切试验。目前，国内外市场上的直剪仪结构复杂，且功能单一，岩体结构面动态剪切强度特性的直剪试验相关成果主要来源于定法向力条件斜线段加载试验和三角波形加载试验，正弦波形剪切加载试验数据很少且尚未见随机波形加载试验成果。现有直剪仪不能实现多向动态加载，因此无法模拟真实地震荷载作用下岩土体的动力响应。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了基于振动台原理的岩体结构面多向动态剪切力学测试系统，解决现有技术中的直剪仪因不能实现多向动态加载而无法模拟真实地震荷载作用下岩土体的动力特性的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供基于振动台原理的岩体多向动态剪切力学测试系统，其包括横截面呈矩形的振动台，振动台的四周均设置有一个基础，振动台的上端面内嵌下剪切盒；

振动台的四周侧壁上均设置有一个作动器，每个作动器的伸出端均与振动台的侧壁连接，作动器的另一端与基础铰接，作动器与振动台的侧壁的连接处均位于振动台的侧壁中心线的一侧；

基础的顶部设置有反力架，反力架上设置有液压驱动装置，液压驱动装置的伸出端设置于反力架的下方，液压驱动装置的伸出端上设置有上剪切盒，上剪切盒位于下剪切盒的正上方；液压驱动装置可以为液压千斤顶。

液压驱动装置和多个作动器均连接于液压控制系统，液压控制系统包括用于为液压驱动装置和多个作动器提供动力的液压动力源系统、用于内环控制的伺服控制液压驱动装置和多个作动器的伺服控制器、用于外环控制振动台运动的振动控制器。

进一步地，为了实现下剪切盒可变尺寸，通过增减具有一定厚度的“回字型”标准模具来实现下剪切盒的尺寸变化，“回字型”标准模具通过螺栓与振动台螺纹连接。

进一步地，试样在上剪切盒和下剪切盒的交界面处发生剪切，为了实现试样剪切过程的可视化，上剪切盒的侧壁上开设有观察窗。

进一步地，液压控制系统还包括设置在每个作动器上的位移传感器和设置在振动台上的加速度传感器，多个位移传感器和加速度传感器均与伺服控制器和数据采集系统电性连接，数据采集系统上电性连接有计算机控制系统。

本方案中的伺服控制器用于将外部的指令信号转换成为对作动器和液压驱动装置的运动控制，实现作动器和液压驱动装置的基本控制功能，输出作动器和液压驱动装置的控制指令，从而控制台面的运动；位移传感器用于测量振动台的位移信号，加速度传感器用于测量振动台的加速度信号，并将位移信号和加速度信号传递给数据采集系统，数据采集系统用于接收位移信号、加速度信号等反馈信号，输出指令信号，并将其反馈到振动控制器，实现振动台的运动闭环控制功能。

进一步地，液压动力源系统上设置有蓄能器。

进一步地，上剪切盒的外侧壁处设置有限位器，限位器与反力架固定连接。限位器用于限制上剪切盒的偏移位置，可以避免上剪切盒在随液压驱动装置下移及试样剪切过程中发生偏移。

本发明的基本原理为：首先将试样放置在下剪切盒内，在下剪切盒四周侧壁上的作动器作用下，可以实现下剪切盒同时沿着x和y轴的平动和绕z轴的转动，上剪切盒在液压驱动装置的作用下竖直向下运动，直至上剪切盒接触试样且上剪切盒的下端与下剪切盒的上端抵紧接触，达到预设竖向应力后，暂停液压驱动装置，停止上剪切盒向下移动的动作；然后通过液压控制系统控制作动器工作，作动器振动同时将振动传递给振动台，振动台在工作时相当于一个震源，试样在上剪切盒和下剪切盒的交界面处发生剪切，实现真实模拟试样在多向地震作用下的力学特性。

本发明的有益效果为：本方案中的基于振动台原理的岩体多向动态剪切力学测试系统，其振动台可实现同时沿着x和y方向的平动和绕z轴转动，高精度三向控制伺服控制系统能实现模拟地震应变率和多频率段加载，从而实现多方向独立应力加载，真实测试试样在多向地震作用下的力学特性，有利于揭示边坡动力失稳机理，解决现有技术中的直剪仪因不能实现多向动态加载而无法模拟真实地震荷载作用下岩土体的动力响应的问题。

附图说明

图1为基于振动台原理的岩体多向动态剪切力学测试系统的结构示意图。

图2为振动台的俯视结构示意图。

图3为下剪切盒的剖视结构示意图。

图4为下剪切盒的俯视结构示意图。

图5为剪应力-位移曲线示意图。

图6为应力-应变曲线参考图。

图7为剪切力-位移曲线的曲线示意图。

图8为材料屈服强度随应变率变化规律曲线示意图。

其中，1、下剪切盒；2、螺栓；3、振动台；4、作动器；5、液压驱动装置；6、限位器；7、上剪切盒；8、加速度传感器；9、位移传感器；10、计算机控制系统；11、数据采集系统；12、伺服控制器；13、蓄能器；14、液压动力源系统；15、反力架。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1~8所示，本发明提供的基于振动台原理的岩体多向动态剪切力学测试系统，其包括横截面呈矩形的振动台3，振动台3的四周均设置有一个基础，振动台3的台面上设置凹槽作为下剪切盒1；下剪切盒1通过增减具有一定厚度的“回字型”标准模具来实现下剪切盒1的尺寸变化，“回字型”标准模具通过螺栓2与振动台3螺纹连接，便于根据不同规格的试样，设置与试样匹配的下剪切盒1。

基础可以为混凝土墙体，还可以在混凝土墙体上开设有隔振沟，减小振动的传递，减小振动台3对其他精密仪器设备的影响。

振动台3的四周侧壁上均设置有一个作动器4，每个作动器4的伸出端均与振动台3的侧壁连接，作动器4的另一端与基础铰接，作动器4与振动台3的侧壁的连接处均位于振动台3的侧壁中心线的一侧。

基础的顶部设置有反力架15，反力架15上设置有液压驱动装置5，液压驱动装置5的伸出端设置于反力架15的下方，液压驱动装置5的伸出端上设置有上剪切盒7，上剪切盒7位于下剪切盒1的正上方；液压驱动装置5可以为液压千斤顶。反力架15为液压驱动装置5的法向荷载施加和上剪切盒7固定提供支撑。

上剪切盒7的侧壁上开设有观察窗，试样在上剪切盒7和下剪切盒1的交界面处发生剪切，观察窗可以实现试样剪切过程的可视化。

上剪切盒7的外侧壁处设置有限位器6，限位器6与反力架15固定连接。限位器6用于避免下面作动器4在水平剪切的时候，上剪切盒7发生侧向偏移。限位器6的结构可以为多种，如使用一个横截面和上剪切盒7的横截面相匹配的中空限位筒，上剪切盒7的外壁与中空限位筒的内壁之间的间隙为1~5mm，中空限位筒的四周侧壁上均有一根连接杆，连接杆的自由端与反力架固定连接。

控制作动器4的伸出端伸出，可以实现振动台3沿着x和y轴的平动和绕z轴的转动，进而实现下剪切盒1同时沿着x和y轴的平动和绕z轴的转动，试样在上剪切盒7和下剪切盒1的交界面处发生剪切，实现真实模拟试样在多向地震作用下的受力特性。

作为液压驱动装置5和多个作动器4的一种具体控制形式，液压驱动装置5和多个作动器4均连接于一套液压控制系统，液压控制系统包括用于为液压驱动装置5和多个作动器4提供动力的液压动力源系统14，液压动力源系统14中的液压动力源系统可以为液压泵，用于伺服控制液压驱动装置5和多个作动器4的伺服控制器12；每个作动器4上的位移传感器9和设置在振动台3上的加速度传感器8，位移传感器9的型号为LVDT位移传感器，加速度传感器8的型号为CA-DR-1005型加速度传感器。

多个位移传感器9和加速度传感器8均与伺服控制控制系统12电性连接，数据采集系统11上电性连接有计算机控制系统10；伺服控制器12用于将外部的指令信号转换成为对作动器4和液压驱动装置5的运动控制，实现作动器4和液压驱动装置5的基本控制功能，输出作动器4和液压驱动装置5的控制指令，从而控制台面的运动；位移传感器9用于测量振动台3的位移信号，加速度传感器8用于测量振动台3的加速度信号，并将位移信号和加速度信号传递给数据采集系统11，数据采集系统11用于接收位移信号、加速度信号等反馈信号，输出指令信号，实现振动台3的运动闭环控制功能。

液压动力源系统14上设置有蓄能器13，蓄能器13可以储存能量，当进行高应变率和大幅值加速度剪切试验而液压动力源系统14动力不足时，蓄能器13可以临时为提供液压驱动装置5和作动器4提供更高的动力源。

岩土体多向动态剪切的力学测试系统的工作过程为：首先将试样放置在下剪切盒1内，上剪切盒7在液压驱动装置的作用下竖直向下运动，直至上剪切盒7接触试样且上剪切盒7的下端与下剪切盒1的上端抵紧接触，达到预设竖向应力后，待荷载稳定后，然后通过数据采集系统11控制作动器4工作，作动器4振动同时将振动传递给振动台3，振动台3在工作时相当于一个震源，在下剪切盒1四周侧壁上的作动器4作用下，可以实现下剪切盒1同时沿着x和y轴的平动和绕z轴的转动，试样在上剪切盒7和下剪切盒1的交界面处发生剪切，实现真实模拟试样在多向地震作用下的力学特性，数据采集系统11得到试验过程中的剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移并进行实时自动采集和保存。本方案中的电器元件之间的连接关系和选型为现有的成熟技术，故在此不赘述电气元件之间的电路结构和工作原理。

如图3和图4所示，剪切盒采用在径向和轴向分为若干份，通过组合来改变剪切盒的尺寸，试件的最大尺寸为500 mm×500 mm×500 mm，最小为50 mm×50 mm×50 mm。

本方案还提供基于振动台原理的岩体多向动态剪切力学测试系统的测试方法，包括以下步骤：

S1，实验准备：开机启动后需要对试验机进行复位和调整，检查位移传感器、加速度传感器、压力表，是否正常；测量试件的长、宽、高、质量基本参数，根据试样材料选择与之匹配的下剪切盒和上剪切盒，检查上、下剪切盒是否完全对齐，并在下剪切盒和上剪切盒的内壁均匀涂抹凡士林；根据试验需求对数据采集系统和伺服控制器进行指令设置；

S2，安装试样：调整上剪切盒的高度，对于大尺寸试样采用升降机将其放入下剪切盒和上剪切盒内，调整剪切面的高度并固定上剪切盒，对上剪切盒进行切向限位，安装并设置LVDT位移传感器；

S3，实验加载：在进行剪切试验时，先通过控制伺服控制器使得液压驱动装置按照一定速率对试样施加法向压力，待荷载稳定后，通过两向三自由度振动台按照预先输入的地震波给试样施加水平剪力，直至试样破坏；在此过程中，数据采集系统将对试验过程中的剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移进行实时自动采集和保存，根据配置的高清摄像机记录试样剪切面破坏的全过程；

S4，数据处理及分析：剪切位移达到设定行程后系统将会自动停止剪切行程、保存数据并卸除竖向压力；基于计算机控制系统采集的各种数据，根据试验目的进行试验数据处理，对所得出的结果进行分析；

S5，清洁仪器：试验完成后，通过调整上剪切盒的高度来取出破坏的试样，用风枪吹出下剪切盒和上剪切盒中的水分及灰尘，同时对下剪切盒和上剪切盒进行防锈处理；关闭测试系统。

如图5至图8所示，在步骤S4中数据处理及分析包括：在对准静态应变率条件下试样力学测试性能进行评价的时候，分为获取剪切力-位移曲线、正应力和剪应力计算和计算岩体力学参数三步，通过上述计算步骤，得到试样的内摩擦角

和黏聚力C；

获取剪切力-位移曲线包括：以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标绘制剪应力

剪切位移

关系曲线，同时选取曲线上的峰值或稳定值作为抗剪强度

值；

正应力和剪应力计算包括：

式中，

为正应力，单位为Mpa，

为剪应力，单位为Mpa，

为剪切面实测面积，单位为mm²；

为轴向压力，单位为Mpa；

为横向剪切压力，单位为Mpa；G为上剪切盒、液压千斤顶和上半试样的总质量；

为剪切面轴向理论面积，

为剪切面横向理论面积；

计算岩体力学参数包括以抗剪强度为纵坐标，正应力为横坐标绘制抗剪强度-正应力的关系曲线，然后拟合最佳直线，得到应力-应变曲线参考图，并根据应力-应变曲线参考图，求取其结构面的内摩擦角

和内聚力C；

岩体结构面参数的原来的计算公式为：

考虑衰减的公式：

式中，

代表剪应力；

代表结构面有效法向应力；JRC _m 代表结构面粗糙系数；JCS代表节理面有效抗压强度；

代表节理的残余内摩擦角；JRC _r 代表残余节理粗糙度系数；JRC _p 代表退化前节理粗糙度系数；

代表控制JRC _m 下降速度的形状因子；d _s 代表剪切位移；d _s,p 代表峰值剪切位移。

考虑衰减的公式考虑软化规则来描述强度退化，考虑峰值剪切强度后节理粗糙度的衰减。

综上所述，本方案中的基于振动台原理的岩体多向动态剪切力学测试系统，其振动台3可实现同时沿着x和y方向的平动和绕z轴转动，高精度三向控制伺服控制系统，能实现模拟地震应变率和多频率段加载，从而实现多方向独立应力加载，真实的试样在多向地震作用下的力学特性，有利于揭示边坡动力失稳机理，解决现有技术中的直剪仪因不能实现多向动态加载而无法模拟真实地震荷载作用下岩土体的动力响应的问题。

Claims (4)

1.基于振动台原理的岩体结构面多向动态剪切力学测试系统，其特征在于，包括横截面呈矩形的振动台，所述振动台的四周均设置有一个基础，所述振动台的上端面设置有下剪切盒；

振动台的四周侧壁上均设置有一个作动器，每个所述作动器的伸出端均与振动台的侧壁连接，作动器的另一端与所述基础铰接，作动器与振动台的侧壁的连接处均位于振动台的侧壁中心线的一侧；

基础的顶部设置有反力架，所述反力架上设置有液压驱动装置，所述液压驱动装置的伸出端设置于反力架的下方，液压驱动装置的伸出端上设置有上剪切盒，所述上剪切盒位于下剪切盒的正上方；

液压驱动装置和多个作动器均连接于液压控制系统，液压控制系统包括用于为液压驱动装置和多个作动器提供动力的液压动力源系统、用于内环控制的伺服控制液压驱动装置和多个作动器的伺服控制器、用于外环控制振动台运动的振动控制器；所述上剪切盒的外侧壁处设置有限位器，所述限位器与所述反力架固定连接；液压控制系统还包括设置在每个所述作动器上的位移传感器和设置在所述振动台上的加速度传感器，多个所述位移传感器和所述加速度传感器均与所述伺服控制器和数据采集系统电性连接，数据采集系统上电性连接有计算机控制系统；

岩体结构面参数的原来的计算公式为：

考虑衰减的公式：

式中，

代表剪应力；

代表结构面有效法向应力；JRC _m 代表结构面粗糙系数；JCS代表节理面有效抗压强度；

代表节理的残余内摩擦角；JRC _r 代表残余节理粗糙度系数；JRC _p 代表退化前节理粗糙度系数；

代表控制JRC _m 下降速度的形状因子；d _s 代表剪切位移；d _s,p 代表峰值剪切位移。

2.根据权利要求1所述的基于振动台原理的岩体结构面多向动态剪切力学测试系统，其特征在于，所述下剪切盒内嵌于振动台台面上，通过“回字形”标准模块可以实现下剪切盒尺寸变化。

3.根据权利要求1所述的基于振动台原理的岩体结构面多向动态剪切力学测试系统，其特征在于，所述上剪切盒的侧壁上开设有观察窗。

4.根据权利要求1所述的基于振动台原理的岩体结构面多向动态剪切力学测试系统，其特征在于，所述液压动力源系统上设置有蓄能器。

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