CN114414403B - 一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验装置及方法，装置：法向加载机构设置在滚轴支撑的上方，其由法向梯度压力构造器、法向加载杆、法向压力传感器和法向位移传感器组成；法向梯度压力构造器包括支承板、加载压块、盖板和弹簧；多个加载压块设置在支撑板上，盖板内部设置有多个呈竖向的滑槽，多个不同长度的弹簧独立连接到对应的竖向滑槽和加载压块上；左剪切加载机构和右剪切加载机构相对设置在支座和法向梯度压力构造器之间测试空间的左侧和右侧。方法：组装实验装置；施加初始压力；施加采动法向梯度压力；施加采动侧向压力；单向剪切试验；循环剪切试验；结束实验，保存整理数据。该装置和方法能精准的获得采动应力环境岩石的剪切力学特性。

Description

一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验装置及方法
技术领域
本发明属于岩石力学与工程技术领域，具体涉及一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验装置及方法。
背景技术
岩石在剪切作用下的强度和变形特性是影响油气开发、矿山开采、隧道开挖和大坝修建等工程安全建设的重要地质条件。工程实践表明，岩体开挖后，围岩应力场发生改变，围岩的采动应力在开挖区域呈现一定的梯度分布。因此，研究梯度压力作用下岩石剪切力学特性具有重要的理论与工程价值。
现有的剪切实验装置通常是将岩石固定于剪切盒中开展剪切试验，需要严格依据剪切盒的尺寸来切割岩石试件，以使得岩石试件表面与剪切盒紧密贴合，但是在剪切试验过程中，剪切盒内的岩石试件仍不可避免会产生晃动的情况；
现阶段，虽然出现了一些能够改善实验过程中岩石试件在剪切盒中晃动的技术手段，但是其并没有考虑到岩石试件上部受到的梯度分布压力的影响，因而无法准确的获得采动应力影响下岩石剪切力学特性。针对法向应力梯度分布，部分试验装置采用蜂窝油缸和分油路控制的方式来实现，但是这种试验装置的构造极其复杂，且成本较高。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验装置及方法，该装置结构简单，其能避免在实验过程中出现岩石试件晃动的情况发生，并能有利于降低制造成本；同时，该装置通用性强，不需要严格按照剪切盒的尺寸来切割岩石试件，可降低对岩石试件的制作要求，并能有助于提高岩石试件的制作效率；再者，其能充分考虑岩石试件上部受到梯度分布压力的影响，可有助于精准获得采动应力影响下岩石的剪切力学特性；
该方法步骤简单、操作方便，可以有效的避免岩石试件在实验过程中发生晃动的情况，同时，其能便捷的实现法向梯度压力作用下的岩石单向剪切和循环剪切实验，可准确的反映法向梯度压力状态下的岩石的剪切力学特性及变化破坏特征，可为研究梯度压力作用下岩石剪切力学特性提供重要的理论依据，并具有显著的工程价值。
本发明提供一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验装置，包括支座、法向加载机构、左剪切加载机构和右剪切加载机构；
所述支座水平的设置在底部；所述法向加载机构设置在支座的上方，其由法向梯度压力构造器、法向加载杆、法向压力传感器和法向位移传感器组成；所述法向梯度压力构造器主要由支承板、加载压块、盖板和弹簧组成；所述支承板水平的设置，其上沿左右方向均匀的开设有多个导向孔；所述加载压块与导向孔一一对应的设置，其由滑动设置在导向孔中的竖向导向杆、相对的固定连接在竖向导向杆上下两端的上压块和下压块组成，且上压块和下压块的尺寸相同，并均大于导向孔的尺寸；所述盖板固定连接在支承板的上端，其内部在对应多个加载压块的位置依次开设有呈阶梯状分布的多个竖向滑槽，多个竖向滑槽横向相互连通，其底端均延伸到盖板的下端面，其顶端均止于盖板的内部；所述弹簧与加载压块一一对应的设置，其上端与竖向滑槽的顶端连接，其下端与上压块上端面的中心连接；每个上压块在其上连接的弹簧的左右两侧相对的固定连接有一对下挡板，多对下挡板由左到右依次呈阶梯状分布，且每对下挡板的上部相对的开设有一对竖向插槽，并于一对竖向插槽中滑动的插装于一对上挡板，且一对上挡板的上端与对应竖向滑槽的顶端固定连接；所述法向加载杆的下端固定连接在盖板上端面的中心；所述法向压力传感器固定安装在法向加载杆的上端，用于实时检测盖板在竖向上的压力信号；所述法向位移传感器与法向加载杆连接，用于实时检测法向梯度压力构造器在竖向上的法向位移信号；
所述左剪切加载机构和右剪切加载机构左右相对的设置在支座和法向梯度压力构造器之间测试空间的左侧和右侧；所述左剪切加载机构由上下相间隔设置的左上剪切单元和左下剪切单元组成；所述右剪切加载机构由上下相间隔设置的右上剪切单元和右下剪切单元组成；所述左上剪切单元由左上剪切压力传感器、左上剪切位移传感器、左上剪切向加载杆和左上剪切压头组成；所述右上剪切单元由右上剪切压力传感器、右上剪切位移传感器、右上剪切向加载杆和右上剪切压头组成；所述左下剪切单元由左下剪切压力传感器、左下剪切位移传感器、左下剪切向加载杆和左下剪切压头组成；所述右下剪切单元由右下剪切压力传感器、右下剪切位移传感器、右下剪切向加载杆和右下剪切压头组成；
所述左上剪切压头和右上剪切压头左右相对的设置，所述左上剪切向加载杆的右端和右上剪切向加载杆的左端分别与左上剪切压头的左端面中心和右上剪切压头的右端面中心连接；所述左上剪切位移传感器和右上剪切位移传感器分别连接在左上剪切向加载杆和右上剪切向加载杆上，分别用于实时检测左上剪切压头和右上剪切压头在横向上的剪切位移信号；所述左上剪切压力传感器和右上剪切压力传感器分别连接在左上剪切向加载杆的左端面中心和右上剪切向加载杆的右端面中心，分别用于实时检测左上剪切压头和右上剪切压头在横向上剪切压力信号；所述左下剪切压头和右下剪切压头左右相对的设置，所述左下剪切向加载杆的右端和右下剪切向加载杆的左端分别与左下剪切压头的左端面中心和右下剪切压头的右端面中心连接；所述左下剪切位移传感器和右下剪切位移传感器分别连接在左下剪切向加载杆和右下剪切向加载杆上，分别用于实时检测左下剪切压头和右下剪切压头在横向上的剪切位移信号；所述左下剪切压力传感器和右下剪切压力传感器分别连接在左下剪切向加载杆的左端面中心和右下剪切向加载杆的右端面中心，分别用于实时检测左下剪切压头和右下剪切压头在横向上的剪切压力信号。
进一步，为了能够精确的进行法向梯度压力的作用，所述加载压块的数量为六个，相邻加载压块中的两个下压块的下端面之间贴合的连接，且形成连续的加载面。
进一步，为了有效减小相邻加载压块接触面之间的摩擦阻力，相邻加载压块中两个下压块的接触面之间开设有向远离彼此方向凹陷的下凹槽，相邻加载压块中两个上压块的接触面之间开设有向远离彼此方向凹陷的上凹槽。
进一步，为了降低摩擦阻力对施加法向压力的影响，同时，为了确保主动传力块与被动传力块在具有一定错动幅度的基础上，还能实现一体化的连接；所述左上剪切压头、右上剪切压头、左下剪切压头和右下剪切压头的结构相同，其均由位于外侧的主动传力块和位于内侧的被动传力块组成；所述主动传力块的里端由位于中部的凸台A、位于凸台A外端前后两侧的两个凹台A组成，所述被动传力块的外端面由位于中部的凹台B、位于凹台B外端前后两侧的两个凸台B组成，且凹台B套设在凸台A的外部，以实现主动传力块与被动传力块的插接配合；
所述凹台B的外端面上沿长度方向依次开设有多个球形凹槽A，并于每个球形凹槽A中装配有球形滚珠A，球形凹槽A的开口尺寸小于球形滚珠A的直径，所述球形滚珠A与凸台A的里端面抵接配合；所述凸台B的外端面上沿高度方向开设有多个球形凹槽B，并于每个球形凹槽B中装配有球形滚珠B，球形凹槽B的开口尺寸小于球形滚珠B的直径，球形滚珠B与凹台A的里端面抵接配合；凸台B的外端面于竖向上至少固定连接有两个横向嵌入插板，所述横向嵌入插板位于相邻的两个球形凹槽B之间的部分；所述凹台A的里端面于竖向上开设有与横向嵌入插板数量相对应的横向插槽，且横向插槽套设于横向嵌入插板的外部，用于实现主动传力块与被动传力块的插接配合。通过滚动装配在被动传力块中的球形滚珠A和球形滚珠B与主动传动块的里侧面相互抵接配合，能在施加法向压力时，使主动传力块表面与被动传力块表面之间可以滚动配合，进而可以使岩石试件和被动传力块能够相对主动传力块具有一定幅度的错动能力，有效降低了剪切压头与岩石试件接触面之间的摩擦阻力对施加法向压力的影响。通过在剪切压头的被动传力块设置横向嵌入插板，在剪切压头的主动传力块受力面上设置与被动传力块错动范围相适配的横向插槽，能依据卯榫结构的原理，保证了剪切压头的整体性。
进一步，为了保证插接配合的同时，还能通过凹台B对凸台A在前后方向上的错动范围进行有效的限定，以能实现主动传力块与被动传力块的一体化配合，所述凸台A和凹台B的横截面均呈燕尾形。
进一步，为了确保加载剪切压力时，各剪切压头的加载面与岩石试件的受力面对齐，还包括止动垫片，所述止动垫片的数量与横向插槽的数量相适配，其设置在横向嵌入插板的下方，并插装于横向插槽中。当止动垫片在插入横向插槽中时，可以限定主动传力块和被动传力块之间的错动，进而能确保加载面与受力面相贴合的配合，当止动垫片于横向插槽中移除时，可以使主动传力块和被动传力块之间具有一定的错动范围。
进一步，为了有效减小岩石试件下端表面摩擦阻力对剪切力加载的影响，还包括滚轴支撑和试件托板，所述滚轴支撑水平的安装在支座的上端，所述试件托板水平设置在滚轴支撑滚轴部的上端。
本发明中，通过使支撑板的长度方向滑动的设置多个加载压块，并于盖板的内部对应的设置呈阶梯状分布的多个竖向滑槽，再通过多个不同长度的弹簧独立连接对应的竖向滑槽和加载压块，能在盖板顶部施加竖向压力时，方便的实现对加载压块下方的试件进行梯度压力加载；通过一对上挡板和一对下挡板的滑动配合，能够在加载梯度压力过程中，避免弹簧发生弯曲变形的情况，进而能保证梯度压力的精确加载，可确保实验过程稳定可靠的进行。在此基础上，通过支承板、盖板、多个加载压块和多个弹簧所形成的法向梯度压力构造器不仅结构简单，而且能方便的实现梯度压力的精确加载。通过设置左右相对的左剪切加载机构和右剪切加载机构，能方便的对岩石试件的左右两侧进行横向位移限定，进而能避免使用剪切盒进行剪切实验时，岩石试件在剪切盒中发生晃动的情况。该实验装置结构简单，可有效降低制造的成本。同时，其通用性强，可适用多种不同尺寸的岩石试件，并能稳定可靠的进行梯度压力的加载。
本发明还提供了一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验方法，包括以下步骤：
步骤一：实验准备；
先将待测岩石试件通过试件托板安放在滚轴支撑中部，再将组装好的法向加载机构放置在岩石试件上方并对齐，随后分别于岩石试件的左侧和右侧分别组装左剪切加载机构和右剪切加载机构，该过程中，在组装左上剪切压头、右上剪切压头、左下剪切压头和右下剪切压头的主动传力块和被动传力块时，于横向插槽和横向嵌入插板之间放置止动垫片，并使主动传力块和被动传力块的接触面与岩石试件表面对齐；
步骤二：施加初始压力；
通过控制法向加载杆使法向梯度压力构造器内的六个加载压块下端所形成的加载面与岩石试件上表面紧贴，并确保滚轴支撑的滚轴部通过试件托板与岩石试件的下表面相抵，形成法向约束；通过控制左上剪切向加载杆、右上剪切向加载杆、左下剪切向加载杆和右下剪切向加载杆使被动传力块里侧的加载面与岩石试件两侧表面紧贴，形成剪切向约束；
步骤三：施加采动法向梯度压力；
抽去横向插槽和横向嵌入插板之间放置的止动垫片，使球形凹槽A内的球形滚珠A和球形凹槽B内的球形滚珠B起到降低剪切压头与岩石试件接触面之间的摩擦力对施加法向梯度压力影响的作用；
依据实验方案，通过法向加载杆对法向梯度压力构造器施加目标压力，同时，通过法向压力传感器同步记录法向压力大小，通过法向位移传感器同步测量出弹簧的变形量，并结合弹簧的弹性系数k及弹簧的变形量，获得独立的加载压块对岩石试件表面施加的梯度分布压力；当压力达到预设值后，停止法向加载，获得并记录法向梯度压力-位移、梯度压力-时间以及位移-时间曲线；
步骤四：施加采动侧向压力；
依据实验方案，通过左上剪切向加载杆、右上剪切向加载杆、左下剪切向加载杆和右下剪切向加载杆对岩石试件两侧上的左上剪切压头、右上剪切压头、左下剪切压头和右下剪切压头缓慢施加压力，并通过左上剪切压力传感器、右上剪切压力传感器、左下剪切压力传感器和右下剪切压力传感器记录剪切压力大小，通过左上剪切位移传感器、右上剪切位移传感器、左下剪切位移传感器和右下剪切位移传感器同步记录岩石试样的剪切位移；当侧向预压力达到目标值后，停止加载，获得并记录剪切向压力-位移、剪切向压力-时间以及位移-时间曲线；然后，执行步骤五或步骤六，并于执行完后执行步骤七；或者依次执行步骤五和步骤六，并于执行完后执行步骤七；
步骤五：单向剪切试验；
限制岩石试件上部两侧的左上剪切压头和右上剪切压头在水平方向上的位移，使其保持不动；依据实验方案，通过调整左下剪切向加载杆和右下剪切向加载杆的压力差值来实现岩石试件的剪切试验；保持右下剪切压头的压力不变，通过增加左下剪切向加载杆的载荷来实现剪切压力差，并通过左下剪切位移传感器和右下剪切位移传感器同步记录左下剪切压头和右下剪切压头的剪切位移，进而获得岩石试样的剪切向位移，当岩石试件断裂时，停止加载，获得并记录剪切向压力-位移、剪切向压力-时间以及位移-时间曲线；
步骤六：循环剪切试验；
限制岩石试件上部两侧的左上剪切压头和右上剪切压头在水平方向上的位移，使其保持不动；依据实验方案，保持右下剪切压头压力不变，通过增加左下剪切向加载杆的载荷来实现剪切压力差，并通过左下剪切位移传感器和右下剪切位移传感器同步记录左下剪切压头和右下剪切压头的剪切位移，进而获得岩石试样的剪切向位移；当剪切应力差增加到循环剪切试验设定值时，减小左下剪切向加载杆的载荷至初始预压力值；保持左下剪切向加载杆的载荷值不变，增加右下剪切压头的压力值至循环剪切试验设定值，依此实现岩石试样的循环往复剪切加载，直至达到试验目标，获得并记录循环剪切向压力-位移、循环剪切向压力-时间以及位移-时间曲线；
步骤七：实验结束；
缩回所有的加载杆，卸除法向梯度压力构造器和所有的剪切压头，保存整理实验数据。
作为一种优选，在步骤三中，根据公式(1)计算弹簧的弹性系数k；
式中，G为弹簧线材的刚度模数，单位N/mm^2；d为弹簧的线径；Nc为弹簧的有效圈数，等于圈数减去2；Dm为弹簧的中径，等于外径减去线径。
本方法步骤简单，操作方便，其利用多个不同长度的弹簧和多个独立的加载压块相配合，可以简易的构造出岩石试件上方的梯度分布压力，进而能够精确的实现梯度压力的精确加载；同时，其利用对称布置在岩石两侧的四个剪切压头对岩石试件左右横向的位移进行限定，有效克服了使用剪切盒进行剪切实验时，岩石试件在剪切盒易晃动的不足，进而可以稳定可靠的进行岩石单向剪切实验和循环剪切实验。同时，通过滚动装配在被动传力块中的球形滚珠A和球形滚珠B与主动传动块的里侧面相互抵接配合，能在施加法向压力时，使主动传力块表面与被动传力块表面之间可以滚动配合，进而可以使岩石试件和被动传力块能够相对主动传力块具有一定幅度的错动能力，有效降低了剪切压头与岩石试件接触面之间的摩擦阻力对施加法向压力的影响。通过在剪切压头的被动传力块设置横向嵌入插板，在剪切压头的主动传力块受力面上设置与被动传力块错动范围相适配的横向插槽，能依据卯榫结构的原理，保证了剪切压头的整体性。本方法可以单独进行法向梯度压力下的岩石单向剪切实验或法向压力梯度下的岩石循环向剪切实验，也可以依次的实现法向梯度压力下的岩石单向剪切实验和岩石循环向剪切实验，其结合法向梯度压力构造器开展法向梯度压力下的岩石剪切实验，可以有效的揭示围岩开挖后，岩体受非均布法向应力和剪切作用下的破坏规律，可为研究梯度压力作用下岩石剪切力学特性提供重要的理论依据，并具有显著的工程价值。
附图说明
图1是本发明中实验装置的结构示意图；
图2是本发明中法向梯度压力构造器的结构示意图；
图3是本发明中加载压块的结构示意图；
图4是本发明中左上剪切压头和右上剪切压头与岩石试件的装配示意图；
图5是本发明中左上剪切压头或左下剪切压头或右上剪切压头或右下剪切压头的俯视图；
图6是图5的前视图。
图中：1、法向压力传感器，2、法向位移传感器，3、法向加载杆，4、法向梯度压力构造器，4-1、盖板，4-2、弹簧，4-3、加载压块，4-4、支承板，4-5、上挡板，4-6、竖向插槽，4-7、导向孔，4-8、竖向导向杆，4-9、上压块，4-10、下压块，4-11、下挡板，4-12、下凹槽，4-13、上凹槽，4-14、竖向滑槽，5、左上剪切压力传感器，6、左上剪切位移传感器，7、左上剪切向加载杆，8、左上剪切压头，9、右上剪切压力传感器，10、右上剪切位移传感器，11、右上剪切向加载杆，12、右上剪切压头，13、左下剪切压力传感器，14、左下剪切位移传感器，15、左下剪切向加载杆，16、左下剪切压头，17、右下剪切压力传感器，18、右下剪切位移传感器，19、右下剪切向加载杆，20、右下剪切压头，21、滚轴支撑，22、支座，23、球形滚珠A，24、球形凹槽A，25、岩石试件，26、横向嵌入插板，27、横向插槽，28、止动垫片，29、球形凹槽B，30、球形滚珠B，31、试件托板，32、主动传力块，33、被动传力块，32-1、凸台A，32-2、凹台A，33-1、凹台B，33-2、凸台B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图6所示，一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验装置，包括支座22、法向加载机构、左剪切加载机构和右剪切加载机构；
所述支座22水平的设置在底部；所述法向加载机构设置在支座22的上方，其由法向梯度压力构造器4、法向加载杆3、法向压力传感器1和法向位移传感器2组成；所述法向梯度压力构造器4主要由支承板4-4、加载压块4-3、盖板4-1和弹簧4-2组成；所述支承板4-4水平的设置，其上沿左右方向均匀的开设有多个导向孔4-7；所述加载压块4-3与导向孔4-7一一对应的设置，多个加载压块4-3的形状和尺寸均相同，其由滑动设置在导向孔4-7中的竖向导向杆4-8、相对的固定连接在竖向导向杆4-8上下两端的上压块4-9和下压块4-10组成，且上压块4-9和下压块4-10的尺寸相同，并均大于导向孔4-7的尺寸；
通过在支承板4-4上设置有导向孔4-7，并使加载压块4-3中部的竖向导向杆4-8滑动的设置在导向孔4-7中，可以保证加载压块4-3可以在导向孔4-7中上下自由的移动；通过使上压块4-9和下压块4-10的尺寸均大于导向孔4-7的尺寸，可以避免加载压块4-3脱离4-4，并能限定加载压块4-3相对于支承板4-4在竖向上的移动幅度。
所述盖板4-1固定连接在支承板4-4的上端，其内部在对应多个加载压块4-3的位置依次开设有呈阶梯状分布的多个竖向滑槽4-14，多个竖向滑槽4-14横向相互连通，其底端均延伸到盖板4-1的下端面，其顶端均止于盖板4-1的内部；所述弹簧4-2与加载压块4-3一一对应的设置，且多个弹簧4-2的长度各不相同，多个弹簧4-2的材料、直径和线径均相同；多个弹簧4-2分别与多个竖向滑槽4-14相适配的设置，其上端与竖向滑槽4-14的顶端连接，其下端与上压块4-9上端面的中心连接；每个上压块4-9在其上连接的弹簧4-2的左右两侧相对的固定连接有一对下挡板4-11，多对下挡板4-11由左到右依次呈阶梯状分布，且每对下挡板4-11的上部相对的开设有一对竖向插槽4-6，并于一对竖向插槽4-6中滑动的插装于一对上挡板4-5，且一对上挡板4-5的上端与对应竖向滑槽4-14的顶端固定连接；作为一种优选，每对下挡板4-9的上端与对应竖向滑槽4-14顶端的距离相同，且，每对上挡板4-5在对应的一对下挡板4-9中具有相由幅度的伸缩量，以便于可以使各个加载压块4-3具有相同幅度的形变量。
当加载压块4-3向盖板4-1的内部移动并压缩弹簧4-2变形时，一对上挡板4-5通过一对竖向插槽4-6与一对下挡板4-11滑动伸缩配合，用于防止弹簧4-2弯曲变形的情况出现；
所述法向加载杆3的下端固定连接在盖板4-1上端面的中心；所述法向压力传感器1固定安装在法向加载杆3的上端，用于实时检测盖板4-1在竖向上的压力信号；所述法向位移传感器2与法向加载杆3连接，用于实时检测法向梯度压力构造器4在竖向上的法向位移信号，进而匹配出弹簧4-2的变形；
所述左剪切加载机构和右剪切加载机构左右相对的设置在支座22和法向梯度压力构造器4之间测试空间的左侧和右侧；所述左剪切加载机构由上下相间隔设置的左上剪切单元和左下剪切单元组成；所述右剪切加载机构由上下相间隔设置的右上剪切单元和右下剪切单元组成；所述左上剪切单元由左上剪切压力传感器5、左上剪切位移传感器6、左上剪切向加载杆7和左上剪切压头8组成；所述右上剪切单元由右上剪切压力传感器9、右上剪切位移传感器10、右上剪切向加载杆11和右上剪切压头12组成；所述左下剪切单元由左下剪切压力传感器13、左下剪切位移传感器14、左下剪切向加载杆15和左下剪切压头16组成；所述右下剪切单元由右下剪切压力传感器17、右下剪切位移传感器18、右下剪切向加载杆19和右下剪切压头20组成；
所述左上剪切压头8和右上剪切压头12左右相对的设置，所述左上剪切向加载杆7的右端和右上剪切向加载杆11的左端分别与左上剪切压头8的左端面中心和右上剪切压头12的右端面中心连接；所述左上剪切位移传感器6和右上剪切位移传感器10分别连接在左上剪切向加载杆7和右上剪切向加载杆11上，分别用于实时检测左上剪切压头8和右上剪切压头12在横向上的剪切位移信号；所述左上剪切压力传感器5和右上剪切压力传感器9分别连接在左上剪切向加载杆7的左端面中心和右上剪切向加载杆11的右端面中心，分别用于实时检测左上剪切压头8和右上剪切压头12在横向上剪切压力信号；所述左下剪切压头16和右下剪切压头20左右相对的设置，所述左下剪切向加载杆15的右端和右下剪切向加载杆19的左端分别与左下剪切压头16的左端面中心和右下剪切压头20的右端面中心连接；所述左下剪切位移传感器14和右下剪切位移传感器18分别连接在左下剪切向加载杆15和右下剪切向加载杆19上，分别用于实时检测左下剪切压头16和右下剪切压头20在横向上的剪切位移信号；所述左下剪切压力传感器13和右下剪切压力传感器17分别连接在左下剪切向加载杆15的左端面中心和右下剪切向加载杆19的右端面中心，分别用于实时检测左下剪切压头16和右下剪切压头20在横向上的剪切压力信号。
为了能够精确的进行法向梯度压力的作用，所述加载压块4-3的数量为六个，相邻加载压块4-3中的两个下压块4-10的下端面之间贴合的连接，且形成连续的加载面，六个独立的加载压块4-3中的六个下压块4-10的下端面形成作用于待测岩石试件25的完整加载面。
为了有效减小相邻加载压块接触面之间的摩擦阻力，相邻加载压块4-3中两个下压块4-10的接触面之间开设有向远离彼此方向凹陷的下凹槽4-12，相邻加载压块4-3中两个上压块4-9的接触面之间开设有向远离彼此方向凹陷的上凹槽4-13。
为了降低摩擦阻力对施加法向压力的影响，同时，为了确保主动传力块与被动传力块在具有一定错动幅度的基础上，还能实现一体化的连接；所述左上剪切压头8、右上剪切压头12、左下剪切压头16和右下剪切压头20的结构相同，其均由位于外侧的主动传力块32和位于内侧的被动传力块33组成；所述主动传力块32的里端由位于中部的凸台A32-1、位于凸台A32-1外端前后两侧的两个凹台A32-2组成，所述被动传力块33的外端面由位于中部的凹台B33-1、位于凹台B33-1外端前后两侧的两个凸台B33-2组成，且凹台B33-1套设在凸台A32-1的外部，以实现主动传力块32与被动传力块33的插接配合；
所述凹台B33-1的外端面上沿长度方向依次开设有多个球形凹槽A24，并于每个球形凹槽A24中装配有球形滚珠A23，球形凹槽A24的开口尺寸小于球形滚珠A23的直径，且其内腔的尺寸略大于球形滚珠A23的尺寸，以能确保球形滚珠A23可以具有一定的转动范围，并能使球形滚珠A23不会由球形凹槽A24中掉落；所述球形滚珠A23与凸台A32-1的里端面抵接配合；所述凸台B33-2的外端面上沿高度方向开设有多个球形凹槽B29，并于每个球形凹槽B29中装配有球形滚珠B30，球形凹槽B29的开口尺寸小于球形滚珠B30的直径，且其内腔的尺寸略大于球形滚珠B30的尺寸，以能确保球形滚珠B30可以具有一定的转动范围，并能确保球形滚珠B30不会由球形凹槽B29中掉落；所述球形滚珠B30与凹台A32-2的里端面抵接配合；凸台B33-2的外端面于竖向上至少固定连接有两个横向嵌入插板26，所述横向嵌入插板26位于相邻的两个球形凹槽B29之间的部分；所述凹台A32-2的里端面于竖向上开设有与横向嵌入插板26数量相对应的横向插槽27，且横向插槽27套设于横向嵌入插板26的外部，用于实现主动传力块32与被动传力块33的插接配合。通过滚动装配在被动传力块中的球形滚珠A和球形滚珠B与主动传动块的里侧面相互抵接配合，能在施加法向压力时，使主动传力块表面与被动传力块表面之间可以滚动配合，进而可以使岩石试件和被动传力块能够相对主动传力块具有一定幅度的错动能力，有效降低了剪切压头与岩石试件接触面之间的摩擦阻力对施加法向压力的影响。通过在剪切压头的被动传力块设置横向嵌入插板，在剪切压头的主动传力块受力面上设置与被动传力块错动范围相适配的横向插槽，能依据卯榫结构的原理，保证了剪切压头的整体性。
作为一种优选，横向插槽27的尺寸略大于横向嵌入插板26的尺寸，以能确保被动传力块33相对主动传力块32具有较大幅度的错动范围，并能确保在加载过程中，被动传力块33和主动传力块32的一体化；
为了保证插接配合的同时，还能通过凹台B对凸台A在前后方向上的错动范围进行有效的限定，以能实现主动传力块与被动传力块的一体化配合，所述凸台A32-1和凹台B33-1的横截面均呈燕尾形。
为了确保加载剪切压力时，各剪切压头的加载面与岩石试件的受力面对齐，还包括止动垫片28，所述止动垫片28的数量与横向插槽27的数量相适配，其设置在横向嵌入插板26的下方，并插装于横向插槽27中。当止动垫片在插入横向插槽中时，可以限定主动传力块和被动传力块之间的错动，进而能确保加载面与受力面相贴合的配合，当止动垫片于横向插槽中移除时，可以使主动传力块和被动传力块之间具有一定的错动范围。
为了有效减小岩石试件下端表面摩擦阻力对剪切力加载的影响，还包括滚轴支撑21和试件托板31，所述滚轴支撑21水平的安装在支座22的上端，所述试件托板31水平设置在滚轴支撑21滚轴部的上端。
该实验装置在使用时，将待测岩石试件25设置在支座22、法向加载机构、左剪切加载机构和右剪切加载机构所围合形成的测试空间中。在法向试验过程中，可以通过法向加载杆3对盖板4-1施加法向压力，通过法向加载杆3推动法向梯度压力构造器4下移，法向梯度压力构造器4内不同长度的弹簧4-2发生相同幅度的变形，产生不同大小的力并作用于各个独立的加载压块4-3上，形成岩石试件25上方的法向梯度压力；在施加法向压力时，球形滚珠A23与主动传力块32中的凸台A32-1的里侧端面相互抵接，球形滚珠B30与主动传力块32中的凹台A32-2的里侧端面抵接配合，进而可以使被动传力块33相对主动传力块32能在有限范围内自由错动，这样，可以有效减小摩擦阻力对试件法向压力加载效果的影响；
通过使支撑板的长度方向滑动的设置多个加载压块，并于盖板的内部对应的设置呈阶梯状分布的多个竖向滑槽，再通过多个不同长度的弹簧独立连接对应的竖向滑槽和加载压块，能在盖板顶部施加竖向压力时，方便的实现对加载压块下方的试件进行梯度压力加载；通过一对上挡板和一对下挡板的滑动配合，能够在加载梯度压力过程中，避免弹簧发生弯曲变形的情况，进而能保证梯度压力的精确加载，可确保实验过程稳定可靠的进行。在此基础上，通过支承板、盖板、多个加载压块和多个弹簧所形成的法向梯度压力构造器不仅结构简单，而且能方便的实现梯度压力的精确加载。通过设置左右相对的左剪切加载机构和右剪切加载机构，能方便的对岩石试件的左右两侧进行横向位移限定，进而能避免使用剪切盒进行剪切实验时，岩石试件在剪切盒中发生晃动的情况。该实验装置结构简单，可有效降低制造的成本。同时，其通用性强，可适用多种不同尺寸的岩石试件，并能稳定可靠的进行梯度压力的加载。
本发明还提供了一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验方法，包括以下步骤：
步骤一：实验准备；
先将待测岩石试件25通过试件托板31安放在滚轴支撑22中部，再将组装好的法向加载机构放置在岩石试件25上方并对齐，随后分别于岩石试件25的左侧和右侧分别组装左剪切加载机构和右剪切加载机构，该过程中，在组装左上剪切压头8、右上剪切压头12、左下剪切压头16和右下剪切压头20的主动传力块32和被动传力块33时，于横向插槽27和横向嵌入插板26之间放置止动垫片28，并使主动传力块32和被动传力块33的接触面与岩石试件25表面对齐；
作为一种优选，岩石试件25的制作过程如下：在原岩上钻取尺寸为200*100*100的岩石试件25，抛光打磨，使其不平行度和不垂直度均小于0.02mm。
步骤二：施加初始压力；
通过控制法向加载杆3使法向梯度压力构造器4内的六个加载压块4-3下端所形成的加载面与岩石试件25上表面紧贴，并确保滚轴支撑21的滚轴部通过试件托板31与岩石试件25的下表面相抵，形成法向约束；通过控制左上剪切向加载杆7、右上剪切向加载杆11、左下剪切向加载杆15和右下剪切向加载杆19使被动传力块33里侧的加载面与岩石试件25两侧表面紧贴，形成剪切向约束；
步骤三：施加采动法向梯度压力；
抽去横向插槽27和横向嵌入插板26之间放置的止动垫片28，使球形凹槽A24内的球形滚珠A23和球形凹槽B29内的球形滚珠B30起到降低剪切压头与岩石试件25接触面之间的摩擦力对施加法向梯度压力影响的作用；
依据实验方案，通过法向加载杆3对法向梯度压力构造器4施加目标压力，同时，通过法向压力传感器1同步记录法向压力大小，通过法向位移传感器2同步测量出弹簧4-2的变形量，并结合弹簧4-2的弹性系数k及弹簧4-2的变形量，获得独立的加载压块4-3对岩石试件25表面施加的梯度分布压力；当压力达到预设值后，停止法向加载，获得并记录法向梯度压力-位移、梯度压力-时间以及位移-时间曲线；
步骤四：施加采动侧向压力；
依据实验方案，通过左上剪切向加载杆7、右上剪切向加载杆11、左下剪切向加载杆15和右下剪切向加载杆19对岩石试件25两侧上的左上剪切压头8、右上剪切压头12、左下剪切压头16和右下剪切压头20缓慢施加压力，并通过左上剪切压力传感器5、右上剪切压力传感器9、左下剪切压力传感器13和右下剪切压力传感器17记录剪切压力大小，通过左上剪切位移传感器6、右上剪切位移传感器10、左下剪切位移传感器14和右下剪切位移传感器18同步记录岩石试样25的剪切位移；当侧向预压力达到目标值后，停止加载，获得并记录剪切向压力-位移、剪切向压力-时间以及位移-时间曲线；然后，执行步骤五或步骤六，并于执行完后执行步骤七；或者依次执行步骤五和步骤六，并于执行完后执行步骤七；
步骤五：单向剪切试验；
限制岩石试件25上部两侧的左上剪切压头8和右上剪切压头12在水平方向上的位移，使其保持不动；依据实验方案，通过调整左下剪切向加载杆15和右下剪切向加载杆19的压力差值来实现岩石试件25的剪切试验；保持右下剪切压头20的压力不变，通过增加左下剪切向加载杆15的载荷来实现剪切压力差，并通过左下剪切位移传感器14和右下剪切位移传感器18同步记录左下剪切压头16和右下剪切压头20的剪切位移，进而获得岩石试样25的剪切向位移，当岩石试件25断裂时，停止加载，获得并记录剪切向压力-位移、剪切向压力-时间以及位移-时间曲线；
步骤六：循环剪切试验；
限制岩石试件25上部两侧的左上剪切压头8和右上剪切压头12在水平方向上的位移，使其保持不动；依据实验方案，保持右下剪切压头20压力不变，通过增加左下剪切向加载杆15的载荷来实现剪切压力差，并通过左下剪切位移传感器14和右下剪切位移传感器18同步记录左下剪切压头16和右下剪切压头20的剪切位移，进而获得岩石试样25的剪切向位移；当剪切应力差增加到循环剪切试验设定值时，减小左下剪切向加载杆15的载荷至初始预压力值；保持左下剪切向加载杆15的载荷值不变，增加右下剪切压头20的压力值至循环剪切试验设定值，依此实现岩石试样25的循环往复剪切加载，直至达到试验目标，获得并记录循环剪切向压力-位移、循环剪切向压力-时间以及位移-时间曲线；
步骤七：实验结束；
缩回所有的加载杆，卸除法向梯度压力构造器4和所有的剪切压头，保存整理实验数据。
作为一种优选，在步骤三中，根据公式(1)计算弹簧4-2的弹性系数k；
式中，G为弹簧4-2线材的刚度模数，单位N/mm^2；d为弹簧4-2的线径；Nc为弹簧4-2的有效圈数，等于圈数减去2；Dm为弹簧4-2的中径，等于外径减去线径。由此可知，相同材料、弹簧圈直径和线径，不同单位长度匝数的弹簧，有效圈数越长，弹簧长度越长的弹簧，其刚度系数越小，伸长相同距离时所需的力越小。
本方法步骤简单，操作方便，其利用多个不同长度的弹簧和多个独立的加载压块相配合，可以简易的构造出岩石试件上方的梯度分布压力，进而能够精确的实现梯度压力的精确加载；同时，其利用对称布置在岩石两侧的四个剪切压头对岩石试件左右横向的位移进行限定，有效克服了使用剪切盒进行剪切实验时，岩石试件在剪切盒易晃动的不足，进而可以稳定可靠的进行岩石单向剪切实验和循环剪切实验。同时，通过滚动装配在被动传力块中的球形滚珠A和球形滚珠B与主动传动块的里侧面相互抵接配合，能在施加法向压力时，使主动传力块表面与被动传力块表面之间可以滚动配合，进而可以使岩石试件和被动传力块能够相对主动传力块具有一定幅度的错动能力，有效降低了剪切压头与岩石试件接触面之间的摩擦阻力对施加法向压力的影响。通过在剪切压头的被动传力块设置横向嵌入插板，在剪切压头的主动传力块受力面上设置与被动传力块错动范围相适配的横向插槽，能依据卯榫结构的原理，保证了剪切压头的整体性。本方法可以单独进行法向梯度压力下的岩石单向剪切实验或法向压力梯度下的岩石循环向剪切实验，也可以依次的实现法向梯度压力下的岩石单向剪切实验和岩石循环向剪切实验，其结合法向梯度压力构造器开展法向梯度压力下的岩石剪切实验，可以有效的揭示围岩开挖后，岩体受非均布法向应力和剪切作用下的破坏规律，可为研究梯度压力作用下岩石剪切力学特性提供重要的理论依据，并具有显著的工程价值。
以上对本发明实例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验装置，包括支座（22）、法向加载机构、左剪切加载机构和右剪切加载机构，其特征在于：
所述支座（22）水平的设置在底部；所述法向加载机构设置在支座（22）的上方，其由法向梯度压力构造器（4）、法向加载杆（3）、法向压力传感器（1）和法向位移传感器（2）组成；所述法向梯度压力构造器（4）主要由支承板（4-4）、加载压块（4-3）、盖板（4-1）和弹簧（4-2）组成；所述支承板（4-4）水平的设置，其上沿左右方向均匀的开设有多个导向孔（4-7）；所述加载压块（4-3）与导向孔（4-7）一一对应的设置，其由滑动设置在导向孔（4-7）中的竖向导向杆（4-8）、相对的固定连接在竖向导向杆（4-8）上下两端的上压块（4-9）和下压块（4-10）组成，且上压块（4-9）和下压块（4-10）的尺寸相同，并均大于导向孔（4-7）的尺寸；所述盖板（4-1）固定连接在支承板（4-4）的上端，其内部在对应多个加载压块（4-3）的位置依次开设有呈阶梯状分布的多个竖向滑槽（4-14），多个竖向滑槽（4-14）横向相互连通，其底端均延伸到盖板（4-1）的下端面，其顶端均止于盖板（4-1）的内部；所述弹簧（4-2）与加载压块（4-3）一一对应的设置，其上端与竖向滑槽（4-14）的顶端连接，其下端与上压块（4-9）上端面的中心连接；每个上压块（4-9）在其上连接的弹簧（4-2）的左右两侧相对的固定连接有一对下挡板（4-11），多对下挡板（4-11）由左到右依次呈阶梯状分布，且每对下挡板（4-11）的上部相对的开设有一对竖向插槽（4-6），并于一对竖向插槽（4-6）中滑动的插装于一对上挡板（4-5），且一对上挡板（4-5）的上端与对应竖向滑槽（4-14）的顶端固定连接；所述法向加载杆（3）的下端固定连接在盖板（4-1）上端面的中心；所述法向压力传感器（1）固定安装在法向加载杆（3）的上端，用于实时检测盖板（4-1）在竖向上的压力信号；所述法向位移传感器（2）与法向加载杆（3）连接，用于实时检测法向梯度压力构造器（4）在竖向上的法向位移信号；
所述左剪切加载机构和右剪切加载机构左右相对的设置在支座（22）和法向梯度压力构造器（4）之间测试空间的左侧和右侧；所述左剪切加载机构由上下相间隔设置的左上剪切单元和左下剪切单元组成；所述右剪切加载机构由上下相间隔设置的右上剪切单元和右下剪切单元组成；所述左上剪切单元由左上剪切压力传感器（5）、左上剪切位移传感器（6）、左上剪切向加载杆（7）和左上剪切压头（8）组成；所述右上剪切单元由右上剪切压力传感器（9）、右上剪切位移传感器（10）、右上剪切向加载杆（11）和右上剪切压头（12）组成；所述左下剪切单元由左下剪切压力传感器（13）、左下剪切位移传感器（14）、左下剪切向加载杆（15）和左下剪切压头（16）组成；所述右下剪切单元由右下剪切压力传感器（17）、右下剪切位移传感器（18）、右下剪切向加载杆（19）和右下剪切压头（20）组成；
所述左上剪切压头（8）和右上剪切压头（12）左右相对的设置，所述左上剪切向加载杆（7）的右端和右上剪切向加载杆（11）的左端分别与左上剪切压头（8）的左端面中心和右上剪切压头（12）的右端面中心连接；所述左上剪切位移传感器（6）和右上剪切位移传感器（10）分别连接在左上剪切向加载杆（7）和右上剪切向加载杆（11）上，分别用于实时检测左上剪切压头（8）和右上剪切压头（12）在横向上的剪切位移信号；所述左上剪切压力传感器（5）和右上剪切压力传感器（9）分别连接在左上剪切向加载杆（7）的左端面中心和右上剪切向加载杆（11）的右端面中心，分别用于实时检测左上剪切压头（8）和右上剪切压头（12）在横向上剪切压力信号；所述左下剪切压头（16）和右下剪切压头（20）左右相对的设置，所述左下剪切向加载杆（15）的右端和右下剪切向加载杆（19）的左端分别与左下剪切压头（16）的左端面中心和右下剪切压头（20）的右端面中心连接；所述左下剪切位移传感器（14）和右下剪切位移传感器（18）分别连接在左下剪切向加载杆（15）和右下剪切向加载杆（19）上，分别用于实时检测左下剪切压头（16）和右下剪切压头（20）在横向上的剪切位移信号；所述左下剪切压力传感器（13）和右下剪切压力传感器（17）分别连接在左下剪切向加载杆（15）的左端面中心和右下剪切向加载杆（19）的右端面中心，分别用于实时检测左下剪切压头（16）和右下剪切压头（20）在横向上的剪切压力信号；
所述左上剪切压头（8）、右上剪切压头（12）、左下剪切压头（16）和右下剪切压头（20）的结构相同，其均由位于外侧的主动传力块（32）和位于内侧的被动传力块（33）组成；所述主动传力块（32）的里端由位于中部的凸台A（32-1）、位于凸台A（32-1）外端前后两侧的两个凹台A（32-2）组成，所述被动传力块（33）的外端面由位于中部的凹台B（33-1）、位于凹台B（33-1）外端前后两侧的两个凸台B（33-2）组成，且凹台B（33-1）套设在凸台A（32-1）的外部，以实现主动传力块（32）与被动传力块（33）的插接配合；
所述凹台B（33-1）的外端面上沿长度方向依次开设有多个球形凹槽A（24），并于每个球形凹槽A（24）中装配有球形滚珠A（23），球形凹槽A（24）的开口尺寸小于球形滚珠A（23）的直径，所述球形滚珠A（23）与凸台A（32-1）的里端面抵接配合；所述凸台B（33-2）的外端面上沿高度方向开设有多个球形凹槽B（29），并于每个球形凹槽B（29）中装配有球形滚珠B（30），球形凹槽B（29）的开口尺寸小于球形滚珠B（30）的直径，球形滚珠B（30）与凹台A（32-2）的里端面抵接配合；凸台B（33-2）的外端面于竖向上至少固定连接有两个横向嵌入插板（26），所述横向嵌入插板（26）位于相邻的两个球形凹槽B（29）之间的部分；所述凹台A（32-2）的里端面于竖向上开设有与横向嵌入插板（26）数量相对应的横向插槽（27），且横向插槽（27）套设于横向嵌入插板（26）的外部，用于实现主动传力块（32）与被动传力块（33）的插接配合。
2.根据权利要求1所述的一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验装置，其特征在于，所述加载压块（4-3）的数量为六个，相邻加载压块（4-3）中的两个下压块（4-10）的下端面之间贴合的连接，且形成连续的加载面。
3.根据权利要求1或2所述的一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验装置，其特征在于，相邻加载压块（4-3）中两个下压块（4-10）的接触面之间开设有向远离彼此方向凹陷的下凹槽（4-12），相邻加载压块（4-3）中两个上压块（4-9）的接触面之间开设有向远离彼此方向凹陷的上凹槽（4-13）。
4.根据权利要求3所述的一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验装置，其特征在于，所述凸台A（32-1）和凹台B（33-1）的横截面均呈燕尾形。
5.根据权利要求4所述的一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验装置，其特征在于，还包括止动垫片（28），所述止动垫片（28）的数量与横向插槽（27）的数量相适配，其设置在横向嵌入插板（26）的下方，并插装于横向插槽（27）中。
6.根据权利要求5所述的一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验装置，其特征在于，还包括滚轴支撑（21）和试件托板（31），所述滚轴支撑（21）水平的安装在支座（22）的上端，所述试件托板（31）水平设置在滚轴支撑（21）滚轴部的上端。
7.一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：实验准备；
先将待测岩石试件（25）通过试件托板（31）安放在滚轴支撑（21）中部，再将组装好的法向加载机构放置在岩石试件（25）上方并对齐，随后分别于岩石试件（25）的左侧和右侧分别组装左剪切加载机构和右剪切加载机构，该过程中，在组装左上剪切压头（8）、右上剪切压头（12）、左下剪切压头（16）和右下剪切压头（20）的主动传力块（32）和被动传力块（33）时，于横向插槽（27）和横向嵌入插板（26）之间放置止动垫片（28），并使主动传力块（32）和被动传力块（33）的接触面与岩石试件（25）表面对齐；
步骤二：施加初始压力；
通过控制法向加载杆（3）使法向梯度压力构造器（4）内的六个加载压块（4-3）下端所形成的加载面与岩石试件（25）上表面紧贴，并确保滚轴支撑（21）的滚轴部通过试件托板（31）与岩石试件（25）的下表面相抵，形成法向约束；通过控制左上剪切向加载杆（7）、右上剪切向加载杆（11）、左下剪切向加载杆（15）和右下剪切向加载杆（19）使被动传力块（33）里侧的加载面与岩石试件（25）两侧表面紧贴，形成剪切向约束；
步骤三：施加采动法向梯度压力；
抽去横向插槽（27）和横向嵌入插板（26）之间放置的止动垫片（28），使球形凹槽A（24）内的球形滚珠A（23）和球形凹槽B（29）内的球形滚珠B（30）起到降低剪切压头与岩石试件（25）接触面之间的摩擦力对施加法向梯度压力影响的作用；
依据实验方案，通过法向加载杆（3）对法向梯度压力构造器（4）施加目标压力，同时，通过法向压力传感器（1）同步记录法向压力大小，通过法向位移传感器（2）同步测量出弹簧（4-2）的变形量，并结合弹簧（4-2）的弹性系数
及弹簧（4-2）的变形量，获得独立的加载压块（4-3）对岩石试件（25）表面施加的梯度分布压力；当压力达到预设值后，停止法向加载，获得并记录法向梯度压力-位移、梯度压力-时间以及位移-时间曲线；
步骤四：施加采动侧向压力；
依据实验方案，通过左上剪切向加载杆（7）、右上剪切向加载杆（11）、左下剪切向加载杆（15）和右下剪切向加载杆（19）对岩石试件（25）两侧上的左上剪切压头（8）、右上剪切压头（12）、左下剪切压头（16）和右下剪切压头（20）缓慢施加压力，并通过左上剪切压力传感器（5）、右上剪切压力传感器（9）、左下剪切压力传感器（13）和右下剪切压力传感器（17）记录剪切压力大小，通过左上剪切位移传感器（6）、右上剪切位移传感器（10）、左下剪切位移传感器（14）和右下剪切位移传感器（18）同步记录岩石试件（25）的剪切位移；当侧向预压力达到目标值后，停止加载，获得并记录剪切向压力-位移、剪切向压力-时间以及位移-时间曲线；然后，执行步骤五或步骤六，并于执行完后执行步骤七；或者依次执行步骤五和步骤六，并于执行完后执行步骤七；
步骤五：单向剪切试验；
限制岩石试件（25）上部两侧的左上剪切压头（8）和右上剪切压头（12）在水平方向上的位移，使其保持不动；依据实验方案，通过调整左下剪切向加载杆（15）和右下剪切向加载杆（19）的压力差值来实现岩石试件（25）的剪切试验；保持右下剪切压头（20）的压力不变，通过增加左下剪切向加载杆（15）的载荷来实现剪切压力差，并通过左下剪切位移传感器（14）和右下剪切位移传感器（18）同步记录左下剪切压头（16）和右下剪切压头（20）的剪切位移，进而获得岩石试件（25）的剪切向位移，当岩石试件（25）断裂时，停止加载，获得并记录剪切向压力-位移、剪切向压力-时间以及位移-时间曲线；
步骤六：循环剪切试验；
限制岩石试件（25）上部两侧的左上剪切压头（8）和右上剪切压头（12）在水平方向上的位移，使其保持不动；依据实验方案，保持右下剪切压头（20）压力不变，通过增加左下剪切向加载杆（15）的载荷来实现剪切压力差，并通过左下剪切位移传感器（14）和右下剪切位移传感器（18）同步记录左下剪切压头（16）和右下剪切压头（20）的剪切位移，进而获得岩石试件（25）的剪切向位移；当剪切应力差增加到循环剪切试验设定值时，减小左下剪切向加载杆（15）的载荷至初始预压力值；保持左下剪切向加载杆（15）的载荷值不变，增加右下剪切压头（20）的压力值至循环剪切试验设定值，依此实现岩石试件（25）的循环往复剪切加载，直至达到试验目标，获得并记录循环剪切向压力-位移、循环剪切向压力-时间以及位移-时间曲线；
步骤七：实验结束；
缩回所有的加载杆，卸除法向梯度压力构造器（4）和所有的剪切压头，保存整理实验数据。
8.根据权利要求7所述的一种实现采动应力梯度下岩石剪切的实验方法，其特征在于，在步骤三中，根据公式（1）计算弹簧（4-2）的弹性系数；
（1）；
式中， 为弹簧（4-2）线材的刚度模数，单位/>；/>为弹簧（4-2）的线径；/>为弹簧（4-2）的有效圈数，等于圈数减去2；/>为弹簧（4-2）的中径，等于外径减去线径。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114910344B (zh) * 2022-05-23 2023-03-24 安徽理工大学 一种梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置及试验方法
CN115266365B (zh) * 2022-09-28 2022-12-02 中国矿业大学(北京) 同时测量接触面滑移过程中应力场和真实接触面积的装置
CN115824783B (zh) * 2022-12-13 2024-03-01 中国矿业大学 一种深部地下围岩动静耦合梯度荷载施加装置及方法

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101329236A (zh) * 2007-06-19 2008-12-24 张晶 用于观测结构件与土接触面力学特性的循环加载剪切仪
JP2014044086A (ja) * 2012-08-24 2014-03-13 Chugoku Electric Power Co Inc:The 動的試験装置
CN203758856U (zh) * 2014-04-05 2014-08-06 湖南科技大学 一种岩石结构面双向剪切试验装置
CN104749049A (zh) * 2015-04-21 2015-07-01 武汉理工大学 一种岩体结构面剪切试验方法及装置
CN105115831A (zh) * 2015-06-26 2015-12-02 中国科学院地质与地球物理研究所 不同水力梯度作用下粗粒土抗剪强度测试方法
CN106092695A (zh) * 2016-08-05 2016-11-09 湖南科技大学 一种类岩石材料结构面制取并用于剪切测试的装置及方法
CN108152149A (zh) * 2017-04-21 2018-06-12 安徽理工大学 一种真三轴剪切实验装置及其使用方法
CN109357936A (zh) * 2018-03-08 2019-02-19 中国矿业大学 空间梯度应力再造装置、方法及煤岩力学特性实验方法
WO2019109633A1 (zh) * 2017-12-04 2019-06-13 深圳大学 用于桩土界面抗剪强度原位测试的方法与对称式直剪仪
CN111855441A (zh) * 2020-09-04 2020-10-30 福州大学 恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置及其应用方法
WO2021004015A1 (zh) * 2019-07-05 2021-01-14 山东科技大学 锚杆（索）支护结构测试及锚固系统性能综合试验装置及方法
CN112697579A (zh) * 2021-01-22 2021-04-23 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种对顶夹持结构的岩石结构面循环剪切装置及试验方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7201063B2 (en) * 2004-04-30 2007-04-10 Taylor Geoffrey L Normal force gradient/shear force sensors and method of measuring internal biological tissue stress
CN105675409B (zh) * 2016-03-31 2019-02-01 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 一体式岩体结构面直剪仪及直剪试验方法
CN105973722B (zh) * 2016-07-26 2017-03-15 山东科技大学 岩体不连续面恒定法向刚度剪切试验装置及其试验方法

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101329236A (zh) * 2007-06-19 2008-12-24 张晶 用于观测结构件与土接触面力学特性的循环加载剪切仪
JP2014044086A (ja) * 2012-08-24 2014-03-13 Chugoku Electric Power Co Inc:The 動的試験装置
CN203758856U (zh) * 2014-04-05 2014-08-06 湖南科技大学 一种岩石结构面双向剪切试验装置
CN104749049A (zh) * 2015-04-21 2015-07-01 武汉理工大学 一种岩体结构面剪切试验方法及装置
CN105115831A (zh) * 2015-06-26 2015-12-02 中国科学院地质与地球物理研究所 不同水力梯度作用下粗粒土抗剪强度测试方法
CN106092695A (zh) * 2016-08-05 2016-11-09 湖南科技大学 一种类岩石材料结构面制取并用于剪切测试的装置及方法
CN108152149A (zh) * 2017-04-21 2018-06-12 安徽理工大学 一种真三轴剪切实验装置及其使用方法
WO2019109633A1 (zh) * 2017-12-04 2019-06-13 深圳大学 用于桩土界面抗剪强度原位测试的方法与对称式直剪仪
CN109357936A (zh) * 2018-03-08 2019-02-19 中国矿业大学 空间梯度应力再造装置、方法及煤岩力学特性实验方法
CN109540661A (zh) * 2018-03-08 2019-03-29 中国矿业大学 一种动态应力和梯度应力组合加载实验装置和方法
WO2021004015A1 (zh) * 2019-07-05 2021-01-14 山东科技大学 锚杆（索）支护结构测试及锚固系统性能综合试验装置及方法
CN111855441A (zh) * 2020-09-04 2020-10-30 福州大学 恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置及其应用方法
CN112697579A (zh) * 2021-01-22 2021-04-23 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种对顶夹持结构的岩石结构面循环剪切装置及试验方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
多功能岩石节理全剪切渗流耦合试验系统研制与应用;夏才初;钱鑫;桂洋;庄小清;喻强锋;张亮;;岩石力学与工程学报(10);16-28 *
液氮压裂作用下页岩破裂特征试验研究;蔡承政;岩石力学与工程学报;2183-2203 *
采动裂隙岩体压剪渗透规律试验研究;张文泉;袁久党;王忠昶;朱纪明;;岩土力学(09);15-21 *

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