CN114659908B - 岩石结构面多向自由剪切实验系统与实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开岩石结构面多向自由剪切实验系统，包括实验部、监测部和控制部，实验部包括固定盒，固定盒的内腔固定安装有剪切件，固定盒的外壁抵接有剪切设备；剪切设备包括框架，框架内设置有支撑组件和剪切加载组件，支撑组件与固定盒的上下两端抵接，剪切加载组件与固定盒的四周抵接；监测部分别设在固定盒和剪切设备上，用于监测固定盒以及支撑组件和剪切加载组件的状态；控制部用于接收监测部的监测信号并控制剪切设备的运行。本发明构建的岩石结构面多向自由剪切实验系统既能实现多自由度恒定速率剪切也能实现多自由度动态剪切，获得的实验数据更加准确，为岩体结构面剪切特性的研究提供数据支持。

Description

岩石结构面多向自由剪切实验系统与实验方法

技术领域

本发明涉及岩体工程技术领域，特别是涉及岩石结构面多向自由剪切实验系统与实验方法。

背景技术

岩体结构面剪切特性对于边坡工程、隧道工程等岩体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实验手段，得到了广泛的应用。进一步地，有相当多的工况需要测定岩体结构面在恒定法向刚度条件下的剪切力学特性，因此研发合适的结构面在恒定法向刚度条件下的剪切实验装置及其实验方法非常重要。

现有的岩体结构面剪切实验装置仅仅能模拟恒定法向应力边界条件下的剪切实验，对更接近实际情况的恒定法向刚度边界条件下的剪切实验少有涉及；此外，现有的实验装置基本都是模拟单方向剪切，但是实际岩层中剪切力可能来源于任意方向，导致应力路径复杂多变，现有的剪切实验装置不能很好的模拟实际岩层的剪切效应，获得的实验数据准确度低，对岩层剪切特性研究提供的帮助较小，因此亟需一种能更真实的模拟岩层剪切效应的恒定法向刚度条件下岩石结构面多向自由剪切实验系统与实验方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供岩石结构面多向自由剪切实验系统与实验方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供岩石结构面多向自由剪切实验系统，包括

实验部，所述实验部包括固定盒，所述固定盒的内腔固定安装有剪切件，所述固定盒的外壁抵接有剪切设备；所述剪切设备包括框架，所述框架内设置有支撑组件和剪切加载组件，所述支撑组件与所述固定盒的上下两端抵接，所述剪切加载组件与所述固定盒的四周抵接；

监测部，所述监测部分别设在所述固定盒和所述剪切设备上，所述监测部用于监测所述固定盒以及所述支撑组件和剪切加载组件的状态；

控制部，所述控制部分别与所述监测部和所述实验部电性连接，所述控制部用于接收所述监测部的监测信号并控制所述剪切设备的运行。

优选的，所述剪切件包括对应设置的上试件和下试件，所述上试件与所述下试件相互抵接；所述固定盒包括上下对应设置的上剪切盒和下剪切盒，所述上试件与所述上剪切盒对应设置，所述下试件与所述下剪切盒对应设置；所述支撑组件分别与所述上剪切盒的顶端和所述下剪切盒的底端抵接；所述剪切加载组件分别与所述上剪切盒和所述下剪切盒的四周抵接。

优选的，所述支撑组件包括分别与所述框架顶面和底面滑动连接的滑块，所述滑块的相对面分别固接有法向加载器；所述法向加载器的活动端固接有滚轮滑板，所述滚轮滑板分别与所述上剪切盒的顶端和所述下剪切盒的底端滚动接触。

优选的，所述剪切加载组件包括若干与所述框架固接的第一加载器和若干第二加载器，所述第一加载器和所述第二加载器分别与所述上剪切盒的四个侧壁抵接；所述第一加载器和所述第二加载器分别抵接在所述上剪切盒的相邻侧面，所述上剪切盒的相对侧面分别抵接有所述第一加载器或所述第二加载器；所述下剪切盒四周布置的所述第一加载和所述第二加载器与所述上剪切盒相同。

优选的，所述监测部包括若干压力传感器和若干位移传感器；所述压力传感器分别布置在所述法向加载器、所述第一加载器和所述第二加载器的输出端，所述位移传感器分别布置在所述上剪切盒和所述下剪切盒；所述压力传感器和所述位移传感器与所述控制部电性连接。

优选的，所述控制部包括控制面板，所述控制面板与所述压力传感器和所述位移传感器电性连接；所述控制面板还电性连接有液压泵，所述液压泵分别与所述法向加载器、所述第一加载器和所述第二加载器连通。

岩石结构面多向自由剪切实验方法，包括以下实验步骤：

步骤S1、组装剪切实验系统；

步骤S2、组装剪切件和固定盒；

步骤S3、将组装好的固定盒放入剪切设备，并由支撑组件和剪切加载组件抵住定位；

步骤S4、启动剪切加载组件并保持固定盒水平方向稳定不动；

步骤S5、启动支撑组件并保持垂直方向稳定不懂；

步骤S6、与下剪切盒抵接的剪切加载组件保持不变，变换与上剪切盒抵接的第一加载器和第二加载器的输出，对上剪切盒施加耦合的剪切力，使上剪切盒发生剪切位移，记录实验数据；

步骤S7、与上剪切盒抵接的剪切加载组件保持不变，变换与下剪切盒抵接的第一加载器和第二加载器的输出，对下剪切盒施加耦合的剪切力，使下剪切盒发生剪切位移，记录实验数据；

步骤S8、同时变换与上剪切盒和下剪切盒抵接的剪切加载组件的输出，使上剪切盒和下剪切盒同时发生剪切位移，记录实验数据；

步骤S9、汇总实验数据并分析。

优选的，所述步骤S6、所述步骤S7和所述步骤S8中，所述上剪切盒或者所述下剪切盒发生剪切位移时，所述固定盒的中心位置变化，所述法向加载器的位置进行同步变化；中心的坐标变化的规律为：

式中，a为下剪切盒的长，b为下剪切盒的宽，h为下试件和上试件剪切面的高，m为沿下剪切盒长度方向的剪切位移，n为沿下剪切盒宽度方向的剪切位移。

优选的，所述步骤S6、所述步骤S7和所述步骤S8中，所述法向加载器与所述固定盒的抵接点与所述固定盒的中心同轴对应。

优选的，所述步骤S6、所述步骤S7和所述步骤S8中，所述上剪切盒或者所述下剪切盒发生剪切位移时，所述法向加载器的输出进行迭代更新，迭代公式为：

σ_n′(t+Δt)＝σ_n′(t)+k_n·d_n

其中，σ_n’为法向应力，kn为法向刚度，σ_n’(t+Δt)为下一时间的法向应力，σ_n’(t)为本时间的法向应力，d_n为剪切件的法向位移；k_n的值根据待模拟的实际地层条件赋值。

本发明公开了以下技术效果：本发明公开了岩石结构面多向自由剪切实验系统与实验方法，实验部用于进行剪切实验，模拟实际地层的多自由度剪切实验，监测部用于监测剪切实验过程中的各项实验数据并反馈给控制部，控制部将监测部监测的数据进行输出，同时根据数据对实验部进行反馈控制，保证固定盒的稳定，同时保持恒定法向刚度条件，使模拟更加接近实际地层的剪切效应；剪切设备包括支撑组件和剪切加载组件，其中支撑组件用于为固定盒和剪切件提供法向应力，剪切加载组件用于提供多自由度的剪切应力，实现剪切件的剪切位移，同时支撑组件提供的法向应力根据剪切件的状态迭代更新，保持恒定法向刚度条件；支撑组件能跟随固定盒的位置进行同步更新位置，使支撑组件一直与固定盒的中心同轴，保证固定盒的稳定，防止多角度剪切滑移导致的方向应力施加不稳定，提高了模拟的准确性。本发明构建的岩石结构面多向自由剪切实验系统既能实现多自由度恒定速率剪切也能实现多自由度动态剪切，获得的实验数据更加准确，为岩体结构面剪切特性的研究提供数据支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明剪切设备轴视图；

图3为本发明固定盒中心变化示意图；

图4为本发明滑块的结构示意图；

图5为本发明实施例二的剪切盒轴视图；

图6为本发明实施例二的剪切盒结构示意图；

其中，1、框架；2、上试件；3、下试件；4、上剪切盒；5、下剪切盒；6、滑块；7、法向加载器；8、滚轮滑板；9、第一加载器；10、第二加载器；11、压力传感器；12、位移传感器；13、控制面板；14、液压泵；15、剪切面；16、固定板；17、滚珠；18、底板；19、侧板；20、滑轨；21、限位块；22、上板；23、下板；24、边板；25、伸缩杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

参照图1-4，本发明提供一种岩石结构面多向自由剪切实验系统，包括

试验部，试验部包括固定盒，固定盒的内腔固定安装有剪切件，固定盒的外壁抵接有剪切设备；剪切设备包括框架1，框架1内设置有支撑组件和剪切加载组件，支撑组件与固定盒的上下两端抵接，剪切加载组件与固定盒的四周抵接；

监测部，监测部分别设在固定盒和剪切设备上，用于监测固定盒以及支撑组件和剪切加载组件的状态；

控制部，控制部分别与监测部和试验部电性连接，用于接收监测部的监测信号并控制剪切设备的运行。

本发明公开了岩石结构面多向自由剪切实验系统与实验方法，实验部用于进行剪切实验，模拟实际地层的多自由度剪切实验，监测部用于监测剪切实验过程中的各项实验数据并反馈给控制部，控制部将监测部监测的数据进行输出，同时根据数据对实验部进行反馈控制，保证固定盒的稳定，同时保持恒定法向刚度条件，使模拟更加接近实际地层的剪切效应；剪切设备包括支撑组件和剪切加载组件，其中支撑组件用于为固定盒和剪切件提供法向应力，剪切加载组件用于提供多自由度的剪切应力，实现剪切件的剪切位移，同时支撑组件提供的法向应力根据剪切件的状态迭代更新，保持恒定法向刚度条件；支撑组件能跟随固定盒的位置进行同步更新位置，使支撑组件一直与固定盒的中心同轴，保证固定盒的稳定，防止多角度剪切滑移导致的方向应力施加不稳定，提高了模拟的准确性。

进一步优化方案，剪切件包括对应设置的上试件2和下试件3，上试件2与下试件3相互抵接；固定盒包括上下对应设置的上剪切盒4和下剪切盒5，上试件2与上剪切盒4对应设置，下试件3与下剪切盒5对应设置；支撑组件分别与上剪切盒4的顶端和下剪切盒5的底端抵接；剪切加载组件分别与上剪切盒4和下剪切盒5的四周抵接。上剪切盒4和下剪切盒5对称布置，上试件2和下试件3也对称布置切相互接触，切出面为粗糙面，形成剪切面15。

进一步优化方案，支撑组件包括分别与框架1顶面和底面滑动连接的滑块6，滑块6的相对面分别固接有法向加载器7；法向加载器7的活动端固接有滚轮滑板8，滚轮滑板8分别与上剪切盒4的顶端和下剪切盒5的底端滚动接触。支持组件用于对上剪切盒4和下剪切盒5施加法向应力，切法向应力随剪切状态迭代变化，满足恒定法向刚度条件；法向加载器7通过滑块6滑动连接在框架1的上端和下端，当上剪切盒4下剪切盒5发生剪切位移时，二者组成的固定盒的中心位置发生偏移，滑块6带动法向加载器7随中心联动，保持固定盒的稳定，同时保持法向应力施加的均匀性；法向加载器7通过滚轮滑板8将法向应力传递给固定盒，既保证了法向应力的稳定，又不影响固上剪切盒4和下剪切盒5的剪切位移。

进一步优化方案，剪切加载组件包括若干与框架1固接的第一加载器9和若干第二加载器10，第一加载器9和第二加载器10分别与上剪切盒4的四个侧壁抵接；第一加载器9和第二加载器10分别抵接在上剪切盒4的相邻侧面，上剪切盒4的相对侧面分别抵接有第一加载器9或第二加载器10；下剪切盒5布置的四周的第一加载和第二加载器10与上剪切盒4相同。第一加载器9和第二加载器10主要用于对与之抵接的上剪切盒4施加剪切应力，第一加载器9和第二加载器10分别与相邻的侧边抵接，相对的侧边均是第一加载器9或者第二加载器10；下剪切盒5四周的第一加载器9和第二加载器10的布置与上剪切盒4相同；第一加载器9和第二加载器10用于模拟实际岩层中来自四周的剪切应力，推动上剪切盒4或者下剪切盒5进行剪切位移，与实际相框更加吻合。

进一步的，第一加载器9和第二加载器10均是通过滚轮滑板8与上剪切盒4和下剪切盒5抵接的，保证不会妨碍上剪切盒4和下剪切盒5的剪切位移。

进一步的，滚轮滑板8包括与法向加载器7输出端固接的固定板16，固定板16远离法向加载器7的一端设置有若干的滚珠17，滚珠17与固定盒滚动接触。

进一步的，框架1包括平行设置上板22和下板23，上板22和下板23对应的边之间连接有边板24，滑块6分别与下板23的顶面和上板22的底面滑动连接；第一加载器9对应固接在相对的边板24上，第二加载器10对应固接在相对的边板24上。

进一步的，滑块6的四周分别估计有伸缩杆25的活动端，伸缩杆25的固定端分别与四周的四个边板24固接；当需要滑块6滑动时，四个伸缩杆25根据需要配合带动滑块6在移动，调节法相加载器7的位置，起到调节法向加载中心的效果。

进一步的，滑块6具有强磁性，与上板22或者下板23吸合，只能在水平方向被伸缩杆25推动，而不会在没有剪切盒支撑时掉落。

进一步的，滑块具有强磁性，与顶板22或者底板23吸合，只能在水平方向被伸缩杆25推动，而不会在没有剪切盒支撑时掉落。

进一步优化方案，监测部包括若干压力传感器11和若干位移传感器12；压力传感器11分别布置在法向加载器7、第一加载器9和第二加载器10的输出端，位移传感器12分别布置在上剪切盒4和下剪切盒5；压力传感器11和位移传感器12与控制部电性连接。位移传感器12主要用于监测测量上剪切盒4和下剪切盒5的位移，进而测量二者之间的剪切位移；压力传感器11主要用于测量法向加载器7的法向应力以及第一加载器9和第二加载器10的剪切应力，测量的结果传递给控制部，由控制部输出监测结果，并铜鼓监测结果控制法向加载器7的法向应力迭代，保持恒定法向刚度条件；位移传感器12和压力传感器11为现有的工业生产和实验设备中常用的测量仪器，根据需要监测的数据种类和设备的类型选用适当的传感器种类以及布置位置，是本领域的公知常识，此处不再进行赘述。

进一步优化方案，控制部包括控制面板13，控制面板13与压力传感器11和位移传感器12电性连接；控制面板13还电性连接有液压泵14，液压泵14分别与法向加载器7、第一加载器9和第二加载器10连通。控制面板13接收到位移传感器12和压力传感器11的监测结果后，将监测结果存储并输出；控制面板13还能根据设定好的迭代条件根据监测结果控制液压泵14控制法向加载器7和剪切加载器的加载强度，维持恒定法向刚度条件；控制面板13包含可编程的PLC和输出单元，为工业自动化生产中的常见自动控制元件，液压泵14为可自动控制的液压输出设备，均是本领域的常见设备，此处不再进行赘述。

岩石结构面多向自由剪切实验方法，包括以下实验步骤：

步骤S1、组装剪切试验系统；按照要求安装好剪切设备，预留个第一加载器9或者一个第二加载器10不装，方便安装固定盒；然后将压力传感器11安装到对应的法向加载器7和第一加载器9以及第二加载器10上，并将所有的加载器与液压泵14连通，压力传感器11与控制面板13电性连接；

步骤S2、组装剪切件和固定盒；将上试件2和下试件3分别安装到对应的上剪切盒4和下剪切盒5内，然后上剪切盒4和下剪切盒5扣合到一起，使上试件2和下试件3之间形成剪切面15；

步骤S3、将组装好的固定盒放入剪切设备，并由支撑组件和剪切加载组件抵住定位；将扣合的上剪切盒4和下剪切盒5从预留出的安装位置装入，然后将预留的加载器固定好，并控制加载器抵住固定盒，使固定盒的中心与框架1中心重合；

步骤S4、启动剪切加载组件并保持固定盒水平方向稳定不动；剪切加载组件相对的第一加载器9之间平衡，相对的第二加载器10之间平衡，使上剪切盒4和下剪切盒5保持平衡不动；

步骤S5、启动支撑组件并保持垂直方向稳定不懂；法向加载组器加载法向应力，器上下方向的应力相同，保持固定盒上下方向平衡不动；然后同时缓慢增加直到达到最大法向应力的95％；

步骤S6、与下剪切盒5抵接的剪切加载组件保持不变，变换与上剪切盒4抵接的第一加载器9和第二加载器10的输出，对上剪切盒4施加耦合的剪切力，使上剪切盒4发生剪切位移，记录实验数据；第一加载器9和第二加载器10对上剪切盒4施加剪切应力，使上剪切盒4发生剪切位移，此时为保持恒定法向刚度条件，法向应力产生变化，记录剪切应力和法向应力的数值以及剪切位移的距离；多次施加不同的剪切应力造成不同距离和角度的剪切位移并记录数据；

步骤S7、与上剪切盒4抵接的剪切加载组件保持不变，变换与下剪切盒5抵接的第一加载器9和第二加载器10的输出，对下剪切盒5施加耦合的剪切力，使下剪切盒5发生剪切位移，记录实验数据；第一加载器9和第二加载器10对下剪切盒5施加剪切应力，使下剪切盒5发生剪切位移，此时为保持恒定法向刚度条件，法向应力产生变化，记录剪切应力和法向应力的数值以及剪切位移的距离；多次施加不同的剪切应力造成不同距离和角度的剪切位移并记录数据；

步骤S8、同时变换与上剪切盒4和下剪切盒5抵接的剪切加载组件的输出，使上剪切盒4和下剪切盒5同时发生剪切位移，记录实验数据；第一加载器9和第二加载器10分别对上剪切盒4和下剪切盒5施加不同的剪切应力，使上剪切盒4和下剪切盒5同时发生剪切位移，此时为保持恒定法向刚度条件，法向应力产生变化，记录剪切应力和法向应力的数值以及剪切位移的距离；多次施加不同的剪切应力造成不同距离和角度的剪切位移并记录数据；

步骤S9、汇总实验数据并分析；汇集实验数据，并分析恒定法向刚度条件剪切应力、剪切位移和法向应力的影响关系，并绘制相应的图表。

进一步优化方案，步骤S6、S7和步骤S8中，上剪切盒4或者下剪切盒5发生剪切位移时，固定盒的中心位置变化，法向加载器7的位置进行同步变化；中心的坐标变化的规律为：

式中，a为下剪切盒5的长，b为下剪切盒5的宽，h为下试件3和上试件2剪切面15的高，m为沿下剪切盒5长度方向的剪切位移，n为沿下剪切盒5宽度方向的剪切位移。上剪切盒4和下剪切盒5之间发生剪切位移后，其中心位置发生了变化，滑动块带动法向加载器7与中心同步变化，保证法向加载器7的稳定输出和上剪切盒4与下下剪切盒5之间的稳定。

进一步优化方案，步骤S6、S7和步骤S8中，法向加载器7与固定盒的抵接点与固定盒的中心同轴对应。目的是保持法向加载器7一直与固定盒的中心同轴，保持上剪切盒4和下剪切盒5之间的稳定，防止产生偏斜影响实验数据；同时使法向应力平均加载，不会因为错位而导致法向应力加载不平均，使上试件2和下试件3支架内的剪切效用与实际情况更加相似。

进一步优化方案，步骤S6、S7和步骤S8中，上剪切盒4或者下剪切盒5发生剪切位移时，法向加载器7的输出进行迭代更新，迭代公式为：

σ_n′(t+Δt)＝σ_n′(t)+k_n·d_n

其中，σ_n’为法向应力，kn为法向刚度，σ_n’(t+Δt)为下一时间的法向应力，σ_n’(t)为本时间的法向应力，d_n为剪切件的法向位移；k_n的值根据待模拟的实际地层条件赋值。上剪切盒4和下剪切盒5在多自由度的剪切应力的作用下产生剪切位移，使得上试件2与下试件3之间的剪切面15产生错动，如法向应力的维持不变，不符合实际地层的规律，因此法向加载器7施加的法向应力不断迭代变化，构成实际地层的恒定法向刚度边界条件；其中法向刚度kn的值根据模拟的实际地层赋值；恒向法向刚度边界条件下的剪切力、剪切位移和轴压以及轴向位移的关系即计算公式为现有技术，控制面板13内部程序可根据测得剪切应力和剪切位移计算法向应力的迭代规律并进行控制。

本发明构建的恒定法向刚度条件下岩石结构面多向自由剪切实验系统既能实现多自由度恒定速率剪切也能实现多自由度动态剪切，获得的实验数据更加准确，为岩体结构面剪切特性的研究提供数据支持。

实施例二

参照说明书附图5-6，本实施例与实施例一的不同之处在于，本实施例的上剪切盒4好下剪切盒5不再是整体成型，而是有底板18和与底板18四周滑动连接的侧板19围成；底板18上开设有滑轨20，侧板19的低端固接有限位块21，限位块21滑动连接在滑轨20内。

现有的剪切盒在受到剪切力时由于是整体结构，其内部的剪切件不会产生变形，也就不会由于变形引起滑移摩擦力的变化，与实际地层发生剪切滑移时的情况不符，导致实验数据存在偏差，不利于对岩层剪切效应的研究。

而本实施例的剪切盒侧壁为活动式，能将四周的第一加载器9和第二加载器10施加的剪切应力传递给剪切件，时剪切件产生对应的变形，进而时剪切效应产生相应的变化，使其更接近于实际岩层的剪切效应。

本实施例的剪切盒能更真实的模拟实际岩层的剪切效应，获得更加详实的实验数据，有利于对岩层剪切的研究。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.岩石结构面多向自由剪切实验系统，其特征在于：包括

实验部，所述实验部包括固定盒，所述固定盒的内腔固定安装有剪切件，所述固定盒的外壁抵接有剪切设备；所述剪切设备包括框架(1)，所述框架(1)内设置有支撑组件和剪切加载组件，所述支撑组件与所述固定盒的上下两端抵接，所述剪切加载组件与所述固定盒的四周抵接；

监测部，所述监测部分别设在所述固定盒和所述剪切设备上，所述监测部用于监测所述固定盒以及所述支撑组件和剪切加载组件的状态；

控制部，所述控制部分别与所述监测部和所述实验部电性连接，所述控制部用于接收所述监测部的监测信号并控制所述剪切设备的运行；

所述剪切件包括对应设置的上试件(2)和下试件(3)，所述上试件(2)与所述下试件(3)相互抵接；所述固定盒包括上下对应设置的上剪切盒(4)和下剪切盒(5)，所述上试件(2)与所述上剪切盒(4)对应设置，所述下试件(3)与所述下剪切盒(5)对应设置；所述支撑组件分别与所述上剪切盒(4)的顶端和所述下剪切盒(5)的底端抵接；所述剪切加载组件分别与所述上剪切盒(4)和所述下剪切盒(5)的四周抵接；

所述支撑组件包括分别与所述框架(1)顶面和底面滑动连接的滑块(6)，所述滑块(6)的相对面分别固接有法向加载器(7)；所述法向加载器(7)的活动端固接有滚轮滑板(8)，所述滚轮滑板(8)分别与所述上剪切盒(4)的顶端和所述下剪切盒(5)的底端滚动接触；

所述剪切加载组件包括若干与所述框架(1)固接的第一加载器(9)和若干第二加载器(10)，所述第一加载器(9)和所述第二加载器(10)分别与所述上剪切盒(4)的四个侧壁抵接；所述第一加载器(9)和所述第二加载器(10)分别抵接在所述上剪切盒(4)的相邻侧面，所述上剪切盒(4)的相对侧面分别抵接有所述第一加载器(9)或所述第二加载器(10)；所述下剪切盒(5)四周布置的所述第一加载器(9)和所述第二加载器(10)与所述上剪切盒(4)相同；

所述支撑组件能跟随所述固定盒的位置进行同步更新位置，使所述支撑组件一直与所述固定盒的中心同轴。

2.根据权利要求1所述的岩石结构面多向自由剪切实验系统，其特征在于：所述监测部包括若干压力传感器(11)和若干位移传感器(12)；所述压力传感器(11)分别布置在所述法向加载器(7)、所述第一加载器(9)和所述第二加载器(10)的输出端，所述位移传感器(12)分别布置在所述上剪切盒(4)和所述下剪切盒(5)；所述压力传感器(11)和所述位移传感器(12)与所述控制部电性连接。

3.根据权利要求2所述的岩石结构面多向自由剪切实验系统，其特征在于：所述控制部包括控制面板(13)，所述控制面板(13)与所述压力传感器(11)和所述位移传感器(12)电性连接；所述控制面板(13)还电性连接有液压泵(14)，所述液压泵(14)分别与所述法向加载器(7)、所述第一加载器(9)和所述第二加载器(10)连通。

4.岩石结构面多向自由剪切实验方法，根据权利要求1-3任意一项所述的岩石结构面多向自由剪切实验系统，其特征在于包括以下实验步骤：

步骤S1、组装剪切实验系统；

步骤S2、组装剪切件和固定盒；

步骤S3、将组装好的固定盒放入剪切设备，并由支撑组件和剪切加载组件抵住定位；

步骤S4、启动剪切加载组件并保持固定盒水平方向稳定不动；

步骤S5、启动支撑组件并保持垂直方向稳定不动；

步骤S6、与下剪切盒(5)抵接的剪切加载组件保持不变，变换与上剪切盒(4)抵接的第一加载器(9)和第二加载器(10)的输出，对上剪切盒(4)施加耦合的剪切力，使上剪切盒(4)发生剪切位移，记录实验数据；

步骤S7、与上剪切盒(4)抵接的剪切加载组件保持不变，变换与下剪切盒(5)抵接的第一加载器(9)和第二加载器(10)的输出，对下剪切盒(5)施加耦合的剪切力，使下剪切盒(5)发生剪切位移，记录实验数据；

步骤S8、同时变换与上剪切盒(4)和下剪切盒(5)抵接的剪切加载组件的输出，使上剪切盒(4)和下剪切盒(5)同时发生剪切位移，记录实验数据；

步骤S9、汇总实验数据并分析。

5.根据权利要求4所述的岩石结构面多向自由剪切实验方法，其特征在于：所述步骤S6、所述步骤S7和所述步骤S8中，上剪切盒(4)或者下剪切盒(5)发生剪切位移时，固定盒的中心位置变化，法向加载器(7)的位置进行同步变化；中心的坐标变化的规律为：

式中，a为下剪切盒(5)的长，b为下剪切盒(5)的宽，h为下试件(3)和上试件(2)剪切面的高，m为沿下剪切盒(5)长度方向的剪切位移，n为沿下剪切盒(5)宽度方向的剪切位移。

6.根据权利要求5所述的岩石结构面多向自由剪切实验方法，其特征在于：所述步骤S6、所述步骤S7和所述步骤S8中，所述法向加载器(7)与所述固定盒的抵接点与所述固定盒的中心同轴对应。

7.根据权利要求4所述的岩石结构面多向自由剪切实验方法，其特征在于：所述步骤S6、所述步骤S7和所述步骤S8中，所述上剪切盒(4)或者所述下剪切盒(5)发生剪切位移时，所述法向加载器(7)的输出进行迭代更新，迭代公式为：

σ_n′(t+Δt)＝σ_n′(t)+k_n·d_n

其中，σ_n’为法向应力，kn为法向刚度，σ_n’(t+Δt)为下一时间的法向应力，σ_n’(t)为本时间的法向应力，d_n为剪切件的法向位移；k_n的值根据待模拟的实际地层条件赋值。

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