CN114577638A - 一种岩石双面剪切试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩石双面剪切试验装置及试验方法，涉及岩石试验领域。该试验装置包括主框架、底座、剪切工装、切向加载机构、第一法向加载机构、第二法向加载机构和控制系统，底座设于主框架的内侧，剪切工装安装于底座上；切向加载机构与剪切工装相对设置，切向加载机构设有切向压头，切向压头与剪切工装的切向定位部相配合，以对岩石试样施加相对的切向荷载；第一法向加载机构、第二法向加载机构位于剪切工装的相对侧；两个法向加载机构均设有法向压头，两个法向压头用于对岩石试样施加相对的法向荷载；控制系统分别与切向加载机构、第一法向加载机构、第二法向加载机构电连接，以控制两个法向加载机构产生相互独立的荷载形式。

Description

一种岩石双面剪切试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及岩石试验技术领域，特别是涉及一种岩石双面剪切试验装置及试验方法。

背景技术

地下断层在受扰动时可能引发地震，研究岩石断层的滑移规律及力学特性对研究地震等地质灾害有重要意义。由于断层的受力形式是多样的，而常规的单面剪切试验不能准确反映岩石的受力状态。

随后出现了如授权公告号为CN203758856U、授权公告日为2014.08.06的中国实用新型专利公开了一种岩石结构面双向剪切试验装置，具体包括试件、压板装置、辊组装置、加载装置、数据采集装置及底座；试件为以岩石结构面为界的上、下盘岩块；压板装置为上、下、左、右四块压板，下压板置于底座上，左压板与右压板平行错开设置；加载装置分为法向压力加载装置和双向剪切力加载装置；辊组装置包括四个压辊组，将加载装置和压板装置连接起来，减少试件和加载装置之间的摩擦；数据采集装置采集压力和位移的数据。

现有技术中的岩石结构面双向剪切试验装置设有双向加载装置，可对岩石结构面的上、下盘岩块同时施加剪切力，得到岩石结构面的抗剪强度和剪切特性。在法向压力加载装置对试件施加法向压力时，液压缸通过上压头对将法向压力传递至上盘岩块，而下盘岩块通过下压板置于底座上，下盘岩块则受到由底座产生的法向反作用力，法向压力与法向反作用力是完全同步的。

因此，现有试验装置仅能对试件产生同步的法向作用力，而实际上，岩石断面受到的法向荷载可能不同，无法真实地模拟出岩石在复杂法向荷载下的受力形式。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种岩石双面剪切试验装置及试验方法，以解决岩石断面受到的法向荷载可能不同，现有试验装置无法真实地模拟出岩石在复杂法向荷载下的受力形式的问题。

本发明的岩石双面剪切试验装置的技术方案为：

岩石双面剪切试验装置包括主框架、底座、剪切工装、切向加载机构、第一法向加载机构、第二法向加载机构和控制系统，所述底座设置于所述主框架的内侧，所述剪切工装安装于所述底座上；

所述切向加载机构与所述剪切工装相对设置，所述剪切工装具有切向定位部，所述切向加载机构设有切向压头，所述切向压头与所述切向定位部相配合，以对岩石试样施加相对的切向荷载；

所述第一法向加载机构、所述第二法向加载机构分别安装于所述主框架的内侧，所述第一法向加载机构、所述第二法向加载机构位于所述剪切工装的相对侧；

所述第一法向加载机构设有第一法向压头，所述第二法向加载机构设有第二法向压头，所述第一法向压头、所述第二法向压头用于对岩石试样施加相对的法向荷载；

所述控制系统分别与所述切向加载机构、所述第一法向加载机构、所述第二法向加载机构电连接，以控制所述第一法向加载机构和所述第二法向加载机构产生相互独立的荷载形式。

进一步的，所述切向压头上设置有切向位移检测元件，所述切向位移检测元件用于检测岩石试样的切向位移变形；

所述第一法向压头上设置有第一法向位移检测元件，所述第二法向压头上设置有第二法向位移检测元件，所述第一法向位移检测元件、所述第二法向位移检测元件分别用于检测岩石试样的法向位移变形。

进一步的，所述切向加载机构、所述第一法向加载机构、所述第二法向加载机构分别内置有压力传感器，所述压力传感器与所述控制系统电连接，所述压力传感器用于检测压头对试样施加的压力，并将压力信号反馈至所述控制系统。

进一步的，所述切向加载机构为切向加载液压缸，所述切向压头安装于所述法向加载液压缸的自由端；

所述第一法向加载机构为第一法向加载液压缸，所述第一法向压头安装于所述第一法向加载液压缸的自由端；

所述第二法向加载机构为第二法向加载液压缸，所述第二法向压头安装于所述第二法向加载液压缸的自由端。

进一步的，所述剪切工装对应所述切向加载机构的侧面设有第一导向结构和第二导向结构，所述第一法向压头平移装配于所述第一导向结构的上侧，所述第二法向压头平移装配于所述第二导向结构的上侧。

进一步的，所述剪切工装的中部开设有容置槽，所述切向定位部位于所述容置槽的槽口两侧，所述第一导向结构、所述第二导向结构分别设于所述切向定位部的外侧。

进一步的，所述底座的上侧设有凹槽，所述剪切工装与所述底座的凹槽凹凸配合，且所述剪切工装的两侧分别设有上翻边，所述上翻边向外延伸至所述底座的槽口上表面，所述第一导向结构、所述第二导向结构分别设置于所述上翻边上。

进一步的，所述主框架的内侧设有垫板和滑轨，所述滑轨固定连接于所述垫板上，所述滑轨的长度方向平行于法向延伸设置，所述底座滑动安装于所述滑轨上。

进一步的，所述主框架的轮廓形状为矩形，其包括固定相连的下边梁、上边梁、第一侧柱和第二侧柱，所述底座安装于所述主框架的下边梁上，所述切向加载机构安装于所述主框架的上边梁上，所述第一法向加载机构安装于所述主框架的第一侧柱上，所述第二法向加载机构安装于所述主框架的第二侧柱上；

所述第一侧柱与所述底座之间、所述第二侧柱与所述底座之间分别设有法向顶紧件，所述法向顶紧件用于调节顶压固定所述底座的位置。

本发明的岩石双面剪切的试验方法的技术方案为：

利用上述的岩石双面剪切试验装置的试验方法包括以下步骤：

步骤一、选取三块岩石试样，将两块岩石试样分别夹装于中间岩石试样的外侧，根据直剪距离调整中间岩石试样的高度；

步骤二、将三块岩石试样安装于剪切工装上，控制第一法向加载机构、第二法向加载机构夹紧三块岩石试样，控制切向加载机构将切向压头对中间岩石试样预接触；

步骤三、根据试验需求，设定切向加载机构、第一法向加载机构、第二法向加载机构所施加的压力以及加载形式；

步骤四、由控制系统分别控制切向加载机构、第一法向加载机构、第二法向加载机构进行加载试验，第一法向加载机构和第二法向加载机构产生的荷载形式相互独立；

步骤五、控制系统接收切向加载机构、第一法向加载机构和第二法向加载机构反馈的加载压力，并记录三块岩石的位移和变形数据。

有益效果：该岩石双面剪切试验装置采用了主框架、底座、剪切工装、切向加载机构、第一法向加载机构、第二法向加载机构和控制系统的设计形式，切向加载机构与剪切工装相对设置，利用切向加载机构的切向压头与剪切工装的切向定位部相配合，从而对岩石试样产生切向加载作用；第一法向加载机构、第二法向加载机构位于剪切工装的相对侧，通过第一法向压头、第二法向压头分别对岩石试样施加相对的法向荷载。

其中，控制系统分别与切向加载机构、第一法向加载机构、第二法向加载机构电连接，可控制切向加载机构对岩石试样产生准确的切向荷载，以及两个法向加载机构对岩石试样分别产生精确的法向荷载；正因为相对设置有两个法向加载机构，第一法向加载机构和第二法向加载机构产生的荷载形式相互独立，可对岩石试样施加多种法向加载形式，如一侧固定一侧加载、一侧线性加载一侧正弦波形加载，或者自定义波形加载均可，能够真实地模拟出岩石在复杂法向荷载下的受力形式。

附图说明

图1为本发明的岩石双面剪切试验装置的具体实施例中岩石双面剪切试验装置的主视示意图；

图2为本发明的岩石双面剪切试验装置的具体实施例中岩石双面剪切试验装置的立体示意图；

图3为本发明的岩石双面剪切试验装置的具体实施例中岩石双面剪切试验装置(省去第一侧柱时)的侧视示意图；

图4为本发明的岩石双面剪切试验装置的具体实施例中剪切工装与两个法向压头的装配主视图。

图中：1－主框架、11－垫板、12－滑轨、13－法向顶紧件、14－底座挡板；

2－底座、21－固定支架、3－剪切工装、30－容置槽、31－上翻边、32－第一导向结构、4－切向加载机构、40－切向压头、41－切向位移检测元件；

5－第一法向加载机构、50－第一法向压头、51－第一法向位移检测元件；

6－第二法向加载机构、60－第二法向压头、61－第二法向位移检测元件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的岩石双面剪切试验装置的具体实施例1，如图1至图4所示，岩石双面剪切试验装置包括主框架1、底座2、剪切工装3、切向加载机构4、第一法向加载机构5、第二法向加载机构6和控制系统，底座2设置于主框架1的内侧，剪切工装3安装于底座2上；切向加载机构4与剪切工装3相对设置，剪切工装3具有切向定位部，切向加载机构4设有切向压头40，切向压头40与剪切工装3的切向定位部相配合，以对岩石试样施加相对的切向荷载。

第一法向加载机构5、第二法向加载机构6分别安装于主框架1的内侧，第一法向加载机构5、第二法向加载机构6位于剪切工装3的相对侧；第一法向加载机构5设有第一法向压头50，第二法向加载机构6设有第二法向压头60，第一法向压头50、第二法向压头60用于对岩石试样施加相对的法向荷载；控制系统分别与切向加载机构4、第一法向加载机构5、第二法向加载机构6电连接，以控制第一法向加载机构5和第二法向加载机构6产生相互独立的荷载形式。

该岩石双面剪切试验装置采用了主框架1、底座2、剪切工装3、切向加载机构4、第一法向加载机构5、第二法向加载机构6和控制系统的设计形式，切向加载机构4与剪切工装3相对设置，利用切向加载机构4的切向压头40与剪切工装3的切向定位部相配合，从而对岩石试样产生切向加载作用；第一法向加载机构5、第二法向加载机构6位于剪切工装3的相对侧，通过第一法向压头50、第二法向压头60分别对岩石试样施加相对的法向荷载。

其中，控制系统分别与切向加载机构4、第一法向加载机构5、第二法向加载机构6电连接，可控制切向加载机构4对岩石试样产生准确的切向荷载，以及两个法向加载机构对岩石试样分别产生精确的法向荷载；正因为相对设置有两个法向加载机构，第一法向加载机构5和第二法向加载机构6产生的荷载形式相互独立，可对岩石试样施加多种法向加载形式，如一侧固定一侧加载、一侧线性加载一侧正弦波形加载，或者自定义波形加载均可，能够真实地模拟出岩石在复杂法向荷载下的受力形式。

在本实施例中，切向压头40上设置有切向位移检测元件41，切向位移检测元件41用于检测岩石试样的切向位移变形；第一法向压头50上设置有第一法向位移检测元件51，第二法向压头60上设置有第二法向位移检测元件61，第一法向位移检测元件51、第二法向位移检测元件61分别用于检测岩石试样的法向位移变形。具体的，切向位移检测元件41、第一法向位移检测元件51、第二法向位移检测元件61均为位移传感器。并且，底座2上连接有固定支架21，两个法向位移检测元件均安装于固定支架21上，相对应的，第一法向压头50、第二法向压头60分别设有检测板，法向位移检测元件通过感应与其对应的检测板的距离，进而获得法向压头和岩石试样的位移变化。

其中，切向加载机构4、第一法向加载机构5、第二法向加载机构6分别内置有压力传感器，压力传感器与控制系统电连接，压力传感器用于检测压头对试样施加的压力，并将压力信号反馈至控制系统。具体的，切向加载机构4为切向加载液压缸，切向压头40安装于法向加载液压缸的自由端；第一法向加载机构5为第一法向加载液压缸，第一法向压头50安装于第一法向加载液压缸的自由端；第二法向加载机构6为第二法向加载液压缸，第二法向压头60安装于第二法向加载液压缸的自由端。

该试验装置还包括油泵和供油管路，供油管路连接于油泵和各加载液压缸之间，通过供油管路向各个加载液压缸输入液压油；而且，控制系统包括计算机控制系统和伺服控制系统。在试验时，接通电源启动油泵，开启伺服控制系统，在配套系统软件上编辑试验步骤；试验过程中，由计算机控制系统输入命令到伺服控制系统，再由伺服控制系统控制油泵向各加载液压缸提供油压力，各加载液压缸将加载的剪切力和法向力均反馈至伺服控制系统，伺服控制系统根据油泵反馈的油源状态和冷却系统反馈的油温对系统进行调控或降温；最后，将数据反馈至计算机控制系统。

在本实施例中，剪切工装3对应切向加载机构4的侧面设有第一导向结构31和第二导向结构32，第一法向压头50平移装配于第一导向结构31的上侧，第二法向压头60平移装配于第二导向结构32的上侧。剪切工装3的中部开设有容置槽30，切向定位部位于容置槽30的槽口两侧，第一导向结构31、第二导向结构32分别设于剪切工装3的切向定位部的外侧。

作为优选的，第一导向结构31和第二导向结构32的结构相同，以第一导向结构31为例，其包括固定板和多个辊子，固定板设置于剪切工装3上，固定板上开设有多个滚槽，多个辊子转动安装于固定板的滚槽中，多个辊子的上侧面形成滚动平面，两个法向压头分别置于对应的滚动平面上，可减小法向压头的移动摩擦力，提高法向压头施加挤压作用的精确度。

其中，底座2的上侧设有凹槽，剪切工装3与底座2的凹槽凹凸配合，且剪切工装3的两侧分别设有上翻边33，上翻边33向外延伸至底座2的槽口上表面，第一导向结构31、第二导向结构32分别设置于剪切工装3的上翻边33上。通过上翻边33作为第一导向结构31、第二导向结构32的安装基础，上翻边33置于底座2的槽口上表面，可确保对两个法向压头起到稳定的竖向支撑作用。

主框架1的内侧设有垫板11和滑轨12，滑轨12固定连接于垫板11上，滑轨12的长度方向平行于法向延伸设置，底座2滑动安装于滑轨12上，并且垫板11上设有底座挡板14，通过底座挡板14来限定底座2的前后位置，确保底座2可沿着滑轨12准确地调节左右位置。

主框架1的轮廓形状为矩形，其包括固定相连的下边梁、上边梁、第一侧柱和第二侧柱，底座2安装于主框架1的下边梁上，切向加载机构4安装于主框架1的上边梁上，第一法向加载机构5安装于主框架1的第一侧柱上，第二法向加载机构6安装于主框架1的第二侧柱上。

第一侧柱与底座2之间、第二侧柱与底座2之间分别设有法向顶紧件13，法向顶紧件13用于调节顶压固定底座2的位置。利用两个法向顶紧件13分别顶紧于底座2的左侧面、右侧面，既能够根据试验需求调节底座2的左右位置，又可将底座2可靠地固定于某一位置，从而确保对岩石试样施加准确的剪切荷载。

利用上述的岩石双面剪切试验装置的试验方法包括以下步骤：

步骤一、选取三块岩石试样，将两块岩石试样分别夹装于中间岩石试样的外侧，根据直剪距离调整中间岩石试样的高度。根据需要模拟的实际情况，可采用光滑面的岩石试样或粗糙面的岩石试样，也可在岩石试样接触面间设置不同材料的夹层。

步骤二、将三块岩石试样安装于剪切工装3上，控制第一法向加载机构5、第二法向加载机构6夹紧三块岩石试样，控制切向加载机构4将切向压头40对中间岩石试样预接触。开始试验前，第一法向加载机构5、第二法向加载机构6对岩石试样的夹紧力为设定好的水平正应力，然后，控制向加载机构4缓慢放下切向压头40，直接切向压头40与中间岩石试样形成预接触。

步骤三、根据试验需求，设定切向加载机构4、第一法向加载机构5、第二法向加载机构6所施加的压力以及加载形式。可设定其中一个法向加载机构不动，由另一个法向加载机构施加荷载；或者，设定其中一个法向加载机构施加线性波形式的荷载，另一个法向加载机构施加正弦波形式的荷载；再或者，可自定义两个法向加载机构的加载波形，如地震波等。

步骤四、由控制系统分别控制切向加载机构4、第一法向加载机构5、第二法向加载机构6进行加载试验，第一法向加载机构5和第二法向加载机构6产生的荷载形式相互独立。具体的，由计算机控制系统输入命令到伺服控制系统，再由伺服控制系统控制油泵向各加载机构提供油压力，各加载机构将加载的剪切力和法向力均反馈至伺服控制系统，伺服控制系统根据将数据反馈至计算机控制系统。

步骤五、控制系统接收切向加载机构、第一法向加载机构和第二法向加载机构反馈的加载压力，并记录三块岩石的位移和变形数据.通过各加载机构内置的压力传感器来检测压力大小，结合位移检测元件来检测试样的位移和变形数据，在试验过程中，该试样装置可自动记录试验数据、绘制图像并生成表格。

本发明的岩石双面剪切的试验方法的具体实施例，与本发明的岩石双面剪切试验装置的具体实施方式中利用上述的岩石双面剪切试验装置的试验方法的各具体实施例相同，在此不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种岩石双面剪切试验装置，其特征是，包括主框架、底座、剪切工装、切向加载机构、第一法向加载机构、第二法向加载机构和控制系统，所述底座设置于所述主框架的内侧，所述剪切工装安装于所述底座上；

所述切向加载机构与所述剪切工装相对设置，所述剪切工装具有切向定位部，所述切向加载机构设有切向压头，所述切向压头与所述切向定位部相配合，以对岩石试样施加相对的切向荷载；

所述第一法向加载机构、所述第二法向加载机构分别安装于所述主框架的内侧，所述第一法向加载机构、所述第二法向加载机构位于所述剪切工装的相对侧；

所述第一法向加载机构设有第一法向压头，所述第二法向加载机构设有第二法向压头，所述第一法向压头、所述第二法向压头用于对岩石试样施加相对的法向荷载；

所述控制系统分别与所述切向加载机构、所述第一法向加载机构、所述第二法向加载机构电连接，以控制所述第一法向加载机构和所述第二法向加载机构产生相互独立的荷载形式。

2.根据权利要求1所述的岩石双面剪切试验装置，其特征是，所述切向压头上设置有切向位移检测元件，所述切向位移检测元件用于检测岩石试样的切向位移变形；

所述第一法向压头上设置有第一法向位移检测元件，所述第二法向压头上设置有第二法向位移检测元件，所述第一法向位移检测元件、所述第二法向位移检测元件分别用于检测岩石试样的法向位移变形。

3.根据权利要求2所述的岩石双面剪切试验装置，其特征是，所述切向加载机构、所述第一法向加载机构、所述第二法向加载机构分别内置有压力传感器，所述压力传感器与所述控制系统电连接，所述压力传感器用于检测压头对试样施加的压力，并将压力信号反馈至所述控制系统。

4.根据权利要求1或2或3所述的岩石双面剪切试验装置，其特征是，所述切向加载机构为切向加载液压缸，所述切向压头安装于所述法向加载液压缸的自由端；

所述第一法向加载机构为第一法向加载液压缸，所述第一法向压头安装于所述第一法向加载液压缸的自由端；

所述第二法向加载机构为第二法向加载液压缸，所述第二法向压头安装于所述第二法向加载液压缸的自由端。

5.根据权利要求1所述的岩石双面剪切试验装置，其特征是，所述剪切工装对应所述切向加载机构的侧面设有第一导向结构和第二导向结构，所述第一法向压头平移装配于所述第一导向结构的上侧，所述第二法向压头平移装配于所述第二导向结构的上侧。

6.根据权利要求5所述的岩石双面剪切试验装置，其特征是，所述剪切工装的中部开设有容置槽，所述切向定位部位于所述容置槽的槽口两侧，所述第一导向结构、所述第二导向结构分别设于所述切向定位部的外侧。

7.根据权利要求6所述的岩石双面剪切试验装置，其特征是，所述底座的上侧设有凹槽，所述剪切工装与所述底座的凹槽凹凸配合，且所述剪切工装的两侧分别设有上翻边，所述上翻边向外延伸至所述底座的槽口上表面，所述第一导向结构、所述第二导向结构分别设置于所述上翻边上。

8.根据权利要求1所述的岩石双面剪切试验装置，其特征是，所述主框架的内侧设有垫板和滑轨，所述滑轨固定连接于所述垫板上，所述滑轨的长度方向平行于法向延伸设置，所述底座滑动安装于所述滑轨上。

9.根据权利要求8所述的岩石双面剪切试验装置，其特征是，所述主框架的轮廓形状为矩形，其包括固定相连的下边梁、上边梁、第一侧柱和第二侧柱，所述底座安装于所述主框架的下边梁上，所述切向加载机构安装于所述主框架的上边梁上，所述第一法向加载机构安装于所述主框架的第一侧柱上，所述第二法向加载机构安装于所述主框架的第二侧柱上；

所述第一侧柱与所述底座之间、所述第二侧柱与所述底座之间分别设有法向顶紧件，所述法向顶紧件用于调节顶压固定所述底座的位置。

10.一种利用如权利要求1所述的岩石双面剪切试验装置的试验方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一、选取三块岩石试样，将两块岩石试样分别夹装于中间岩石试样的外侧，根据直剪距离调整中间岩石试样的高度；

步骤二、将三块岩石试样安装于剪切工装上，控制第一法向加载机构、第二法向加载机构夹紧三块岩石试样，控制切向加载机构将切向压头对中间岩石试样预接触；

步骤三、根据试验需求，设定切向加载机构、第一法向加载机构、第二法向加载机构所施加的压力以及加载形式；

步骤四、由控制系统分别控制切向加载机构、第一法向加载机构、第二法向加载机构进行加载试验，第一法向加载机构和第二法向加载机构产生的荷载形式相互独立；

步骤五、控制系统接收切向加载机构、第一法向加载机构和第二法向加载机构反馈的加载压力，并记录三块岩石的位移和变形数据。

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