CN117110069A - 压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩石测试技术领域，具体公开了一种压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统及方法，旨在使其能够与可提供轴向压力的设备配合使用，以简化结构并节约成本。由于该试验系统通过动力转换机构的受压连杆能够驱使第一齿条和第二齿条同步上下移动，因此其能够通过受压连杆与可提供轴向压力的设备的压杆配合，以利用设备所提供的轴向压力作为驱使第一齿条和第二齿条同步移动的动力，进而可对安装固定在试样左固定头和试样右固定头之间的岩石试样施加扭转力矩进行测试，无需设置专门提供扭剪力的动力机构，结构更简单，制作成本更低。而且，该试验系统通过轴压机构可对岩石试样施加轴向压力，因此便于对岩石试样进行轴压‑扭剪耦合试验测试。

Description

压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统及方法

技术领域

本发明属于岩石测试技术领域，具体涉及一种压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统及方法。

背景技术

在地下岩体工程的建设中，岩体常常受到多种复杂应力的共同作用。如岩体在轴向受压的同时仍然可能会受到剪应力的作用。因此，获知岩石在轴向受压的情况下其抗剪强度的参数大小，是岩体工程施工安全、可靠的保障之一。目前，相关测试规范中测试岩石抗剪强度参数的主要方法有以下几种，分别是直接剪切试验、变角板剪切试验、三轴压缩试验等，这几种方法分别有各自的优缺点。对于直接剪切试验，不仅需要有特定的具备剪切专用的双向加载试验机，而且剪切荷载方向是确定的，导致破坏只能沿预定荷载方向破坏，得到的结果未必是沿最小抗剪应力方向破坏；对于变角板剪切试验，虽然所有的材料压力试验机都可进行试验，但不仅有与直接剪切测试同样的问题，而且还需要修正变角板的摩擦系数；对于三轴压缩试验，不仅需要专用的三轴压力试验机，而且岩石受力状态及试验和分析过程复杂。对于上述不同类型的剪切试验，虽然都可以最终得到岩石破坏时的抗剪强度参数，但无论是哪一种，在进行测试时，岩石内部的受力都是复杂应力状态，都不能得到岩石所受的纯剪应力。

事实上，纯剪应力对研究岩体工程破坏具有重要价值。考虑从事工程建设或科学研究单位的实验室，通常都具有材料压力试验机等能够提供轴向压力的材料试验系统(Material Testing System，简称MTS)，为了解决所有材料压力试验机都可以进行岩石纯剪试验的问题，公开号为CN104297027A的中国发明专利申请提供了一种用于纯剪切试验的岩块试件及岩石纯剪切试验方法；但是，若要获得纯剪切下的剪切角度，该方法则无法实现。

为了进行岩石纯剪切测试，现有的岩石扭剪试验装置均为专门设计制造的能够提供扭剪力的设备。然而，现有的进行纯剪测试的各类岩石扭剪试验装置至少存在以下弊端之一：(1)只能进行纯剪，测试的功能太单一；(2)扭剪过程中施加扭力的转轴固定，导致力臂发生改变，不能施加线性扭转荷载；(3)需要专门设计生产，不仅需要大量费用，而且还需要占用大量的实验室场地；(4)不能在现有试验机上直接进行试验；(5)若考虑复杂耦合条件，需要配套的外围设施，比如三轴加载、渗流、加温等耦合条件；(6)不便用应变法或声发射定位等技术测试扭剪变化的状态；(7)轴向荷载不能恒定或按可控变化。

例如：公布号为CN107421821A的中国发明专利申请就公开了一种岩石扭剪-压综合实验装置，包括机架、扭剪组件、加载组件、油路系统；所述扭剪组件包括扭转加载油缸，所述扭转加载油缸端部装入安装套中，所述安装套底部通过安装套支撑轴与活动隔板可转动装配；所述扭转加载油缸的扭转伸缩轴与扭转驱动板的驱动导向端连接固定；所述驱动导向端上还固定有导向滑轴，所述导向滑轴底部与设置在活动隔板上的扭转导向槽装配；所述扭转驱动板的扭转驱动端与加载杆扭转部分装配，具体地，所述扭转驱动端上设有与加载杆扭转部分装配的通槽，且所述加载杆扭转部分可以在此通槽内上下移动。使用时，所述扭转加载油缸加压，使得扭转伸缩轴将驱动导向端以加载杆扭转部分轴线为中心转动，在此过程中，所述安装套支撑轴与活动隔板发生转动。而扭转驱动板转动时，就会向加载杆扭转部分施加去周向上的扭力，并通过这个扭力作用在岩石试样上以达到获得扭剪的效果。

虽然上述的岩石扭剪-压综合实验装置通过设置的扭剪组件，能够用于岩石扭剪试验中给岩石试样施加扭矩，实现对岩石受扭剪作用变形和破坏情况等的研究，但是其不能够将现有压力试验机的轴向压力转化为扭剪力，因此无法与可提供轴向压力的设备配合使用，其扭剪组件除了必要的传动机构外还包括专门提供扭剪力作用的扭转加载油缸，这无疑增加了装置的复杂程度和体积，增加了设备成本，并会更多地占用实验室空间。

发明内容

本发明提供了一种压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，旨在使其能够与可提供轴向压力的设备配合使用，以简化结构并节约成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，包括装置主体和试样固定机构；

所述装置主体包括装置底板、以及间隔设置在装置底板上的装置左支板和装置右支板，所述装置左支板与装置右支板之间形成有工作腔；

所述试样固定机构包括在工作腔中左右分布设置的试样左固定头和试样右固定头，所述试样左固定头与试样右固定头彼此相对应的部位处均设有试样固定部；

还包括动力转换机构和轴压机构；

所述试样左固定头通过第一横轴可转动地设置在装置左支板上，所述试样右固定头通过第二横轴可转动地设置在装置右支板上，所述第一横轴或第二横轴为伸缩轴；

所述动力转换机构包括第一齿轮、第二齿轮、第一齿条、第二齿条和受压连杆；

所述第一齿轮与试样左固定头传动连接，所述第二齿轮与试样右固定头传动连接；

所述第一齿条和第二齿条均竖直设置在工作腔中，所述受压连杆设置在工作腔中并分别与第一齿条和第二齿条连接，且受压连杆能够驱使第一齿条和第二齿条同步上下移动；

所述第一齿条与第一齿轮相啮合，并能够通过第一齿轮驱使试样左固定头转动；所述第二齿条与第二齿轮相啮合，并能够通过第二齿轮驱使试样右固定头转动；所述第一齿条和第二齿条同步上下移动时，所述试样左固定头的转动方向与试样右固定头的转动方向相反；

所述轴压机构包括轴压加载通道和轴压加载部件；所述第一横轴不为伸缩轴时，所述轴压加载通道依次贯穿装置左支板、第一横轴、以及试样左固定头，并贯通至试样左固定头的试样固定部处；所述第二横轴不为伸缩轴时，所述轴压加载通道依次贯穿装置右支板、第二横轴、以及试样右固定头，并贯通至试样右固定头的试样固定部处；所述轴压加载部件可滑动地设置在轴压加载通道中，其内端处于试样固定部处时，其外端处于装置主体的外侧。

进一步的，所述试样固定部为正多边形结构的凹槽。

进一步的，所述装置底板上设有第一限位座和第二限位座，所述第一齿条的下端设有与第一限位座滑动配合的第一下导杆，所述第二齿条的下端设有与第二限位座滑动配合的第二下导杆。

进一步的，所述第一限位座和第二限位座均为锥台形结构。

进一步的，所述受压连杆顶部的中央位置设有受压部。

进一步的，所述轴压加载部件包括加压轴，所述加压轴的外端开设有滑槽，所述滑槽中可滑动地设置有活塞，所述活塞与滑槽共同围成压力腔，所述加压轴上设有与压力腔连通的加压介质进出口。

进一步的，所述装置主体还包括装置横梁，所述装置横梁分别与装置左支板和装置右支板连接。

进一步的，所述装置横梁为两根，并在工作腔的顶部前后分布设置。

进一步的，在工作腔的顶部还设置有第一限位块和第二限位块；

所述第一限位块分别与装置左支板及处于后侧的装置横梁连接，所述第一齿条的上端设有与第一限位块滑动配合的第一上导杆；

所述第二限位块分别与装置右支板及处于前侧的装置横梁连接，所述第二齿条的上端设有与第二限位块滑动配合的第二上导杆。

本发明还提供了一种压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验方法，该方法采用岩石扭剪试验系统进行岩石试验，所述岩石扭剪试验系统为上述的压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统；该方法包括下列步骤：

步骤一，制作岩石试样，并将岩石试样固定在岩石扭剪试验系统的试样左固定头与试样右固定头之间；

步骤二，将固定有岩石试样的岩石扭剪试验系统安装到能够提供轴向压力的设备上；

步骤三，通过提供轴向压力的设备驱使受压连杆向下移动，由受压连杆驱使第一齿条和第二齿条同步向下移动，进而第一齿条通过第一齿轮驱使试样左固定头转动、第二齿条通过第二齿轮驱使试样右固定头转动，且试样左固定头的转动方向与试样右固定头的转动方向相反，从而对岩石试样施加扭转力矩；

同时，通过驱使轴压加载部件沿轴压加载通道向内滑动，对岩石试样施加恒定的轴向压力，或是使得对岩石试样施加的轴向压力满足测试预期的轴向压力变化；

步骤四，测量岩石试样在试验过程中的变形和破坏情况，并采集信息进行数据分析。

本发明的有益效果是：

1)由于该试验系统通过动力转换机构的受压连杆能够驱使第一齿条和第二齿条同步上下移动，即受压连杆、第一齿条和第二齿条均可作上下直线运动，而可提供轴向压力的设备又是通过压杆作直线运动提供轴向压力的，因此其能够通过受压连杆与可提供轴向压力的设备的压杆配合，以利用设备所提供的轴向压力作为驱使第一齿条和第二齿条同步移动的动力；又由于试样左固定头和试样右固定头均可转动地设置并分别与第一齿轮和第二齿轮传动连接，第一齿轮和第二齿轮分别与第一齿条和第二齿条相啮合且可驱使试样左固定头和试样右固定头按相反的转动方向转动，因此该试验系统与可提供轴向压力的设备配合使用后，在提供轴向压力的设备的驱动下，可对安装固定在试样左固定头与试样右固定头之间的岩石试样施加扭转力矩进行测试。可见，该试验系统能够将轴向压力转化为扭剪力，因此在能够提供轴向力的试验条件下即可进行岩石扭剪测试，无需设置专门提供扭剪力的动力机构，与具有同样功能的现有岩石扭剪试验装置相比结构更简单，制作成本更低，并利于减少需占用的实验室空间。

而且，轴压机构的轴压加载通道依次贯穿装置左支板、不为伸缩轴的第一横轴、以及试样左固定头并贯通至试样左固定头的试样固定部处，或是依次贯穿装置右支板、不为伸缩轴的第二横轴、以及试样右固定头并贯通至试样右固定头的试样固定部处，轴压机构的轴压加载部件可滑动地设置在轴压加载通道中，因此还可利用提供轴向压力的设备的压杆推动轴压加载部件对岩石试样施加轴向压力，以便于对岩石试样进行轴压-扭剪耦合试验测试。

2)由于该试验系统能够与可提供轴向压力的设备配合使用，因此该试验系统整体可被视作被测试试件，在实验室已有的试验机上进行试验，拓展了现有试验机的测试功能。

3)该试验系统通过齿轮齿条配合传动，实现将齿条的直线运动转换为试样左固定头与试样右固定头的相对旋转运动，这使得动力可以在更短的传动距离内实现输入输出，能够使得装置整体的结构简洁紧凑，利于减小体积，且不需要生产新的试验机，可节约大量的费用和场地。

4)该试验系统通过齿轮齿条配合传动，可使得扭剪过程中力臂恒定，确保了扭转荷载可以按线性地施加。

5)工作腔的前后为敞口结构，不仅便于操作人员拆装岩石试样，而且利于进行散斑测试。

6)该试验系统还便于岩石试样在测试过程中进行应变法和声发射同步测试。

7)工作腔的前后敞口，还利于对岩石试样施加径向荷载，以便进行径向荷载下的扭剪测试。

8)该试验系统置于试验机内即可开展岩石的纯扭剪试验，无需繁琐的拆卸安装，还具有操作简单、使用方便等优点，能够节省人力物力。

9)控制压力腔中加压介质的量实现压力的恒定或规律变化，不仅可以实现对岩石试样施加的轴向压力的恒定或可控变化，而且控制方便、精确度高，便于进行恒定压力下的扭剪试验，或是进行变动压力下的扭剪试验。

附图说明

图1是本发明试验系统的三维结构示意图；

图2是本发明试验系统的俯视结构示意图；

图3是沿图2中A-A线的剖视图；

图4是沿图3中B-B线的剖视图；

图5是实心岩石试样的半剖结构示意图；

图6是空心岩石试样的半剖结构示意图；

图中标记为：装置主体100、装置底板110、第一限位座111、第二限位座112、装置左支板120、装置右支板130、工作腔140、第一限位块141、第二限位块142、装置横梁150、试样固定机构200、试样左固定头210、试样右固定头220、第一横轴230、第二横轴240、动力转换机构300、第一齿轮310、第二齿轮320、第一齿条330、第一下导杆331、第一上导杆332、第二齿条340、第二下导杆341、第二上导杆342、受压连杆350、受压部351、轴压机构400、轴压加载通道410、轴压加载部件420、加压轴421、活塞422、压力腔423、岩石试样500。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或部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；“多”表示数量时，通常指数量在三或三以上，例如：“多个”通常指三个或三个以上；“主要由……组成或构成”的表达方式，其解释为还可以含有该句中没有述及的结构组成部分；“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如：A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

结合图1、图2、图3和图4所示，压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，包括装置主体100、试样固定机构200、动力转换机构300和轴压机构400；

装置主体100为该试验系统的主体部件；装置主体100包括装置底板110、以及间隔设置在装置底板110上的装置左支板120和装置右支板130，装置左支板120与装置右支板130之间形成有工作腔140；工作腔140为装放岩石试样500，并进行岩石试验测试的空间；

试样固定机构200主要用于安装固定待测试的岩石试样500，以对其进行测试；待测试的岩石试样500可以为多种，例如：图5所示的实心圆柱体结构形式的岩石试样500、图6所示的空心圆柱体结构形式的岩石试样500，或者实心方形柱结构形式的岩石试样500、空心方形柱结构形式的岩石试样500等等；试样固定机构200包括在工作腔140中左右分布设置的试样左固定头210和试样右固定头220，试样左固定头210与试样右固定头220彼此相对应的部位处均设有试样固定部，试样固定部主要用于与岩石试样500的端部或其端部黏连的固定接头配合连接；试样固定部可以为多种结构，优选为横截面呈正多边形结构的凹槽，通常在岩石试样500的端部上粘黏与试样固定槽相匹配的固定接头，或是将岩石试样500的端部加工为与试样固定部相匹配的结构与之配合固定；例如：图4实施方式所示的试样固定部为正六边形的试样固定槽，通常在岩石试样500的端部上粘黏上六角接头与之配合固定；对于空心的岩石试样500，通常可在试样固定槽或固定接头的连接端处设置凸起，以便与岩石试样500内腔的端部嵌套配合来增大胶粘的面积；例如：图6实施方式所示的固定接头的连接端处设置有凸起；

试样左固定头210通过第一横轴230可转动地设置在装置左支板120上，试样右固定头220通过第二横轴240可转动地设置在装置右支板130上，第一横轴230或第二横轴240为伸缩轴；试样左固定头210和试样右固定头220可转动设置的方式可以为多种，例如：通过轴孔、轴套或轴承等与所对应的横轴可转动地配合，又例如：与所对应的横轴固定连接，并使所对应的横轴与装置支板进行轴孔配合、轴套配合、轴承配合等方式转动安装；使第一横轴230或第二横轴240为伸缩轴，目的在于调节试样左固定头210与试样右固定头220的间距，以便在试样左固定头210与试样右固定头220之间装入岩石试样500，伸缩轴可以为电动推杆、气缸、油缸等多种；

动力转换机构300包括第一齿轮310、第二齿轮320、第一齿条330、第二齿条340和受压连杆350；

第一齿轮310与试样左固定头210传动连接，第二齿轮320与试样右固定头220传动连接；齿轮与试样固定头传动连接的方式可以为多种，例如：同轴固定连接、同轴嵌套连接等等，又例如：通过联轴器、传动齿轮等实现连接；

第一齿条330和第二齿条340均竖直设置在工作腔140中，受压连杆350设置在工作腔140中并分别与第一齿条330和第二齿条340连接，且受压连杆350能够驱使第一齿条330和第二齿条340同步上下移动；在工作腔140中，和/或第一齿条330和第二齿条340上通常设置有进行限位的结构，以保证齿条能够进行上下移动；受压连杆350主要用于与可提供轴向压力的设备的压杆配合，以利用设备所提供的轴向压力作为驱使第一齿条330和第二齿条340移动的动力；为了便于与提供轴向压力的设备的压杆配合，通常在受压连杆350顶部的中央位置设有受压部351；受压部351可以为多种结构，为了与压杆实现同轴配合，优选将受压部351设为圆柱形结构；

第一齿条330与第一齿轮310的传动比、第二齿条340与第二齿轮320的传动比可根据试验需要达到的扭剪效果进行相应的设定，为了简化结构、方便使用，优选使第一齿条330与第一齿轮310的传动比和第二齿条340与第二齿轮320的传动比相同；

第一齿条330与第一齿轮310相啮合，并能够通过第一齿轮310驱使试样左固定头210转动；第二齿条340与第二齿轮320相啮合，并能够通过第二齿轮320驱使试样右固定头220转动；第一齿条330和第二齿条340同步上下移动时，试样左固定头210的转动方向与试样右固定头220的转动方向相反；由于工作过程中，第一齿条330和第二齿条340移动的方向相同，为了实现试样左固定头210的转动方向与试样右固定头220的转动方向相反，通常使得第一齿条330与第一齿轮310的前齿面啮合、并使得第二齿条340与第二齿轮320的后齿面啮合，或者使得第一齿条330与第一齿轮310的后齿面啮合、并使得第二齿条340与第二齿轮320的前齿面啮合；

轴压机构400主要用于对安装固定在试样左固定头210与试样右固定头220之间的岩石试样500施加轴向压力；轴压机构400包括轴压加载通道410和轴压加载部件420；轴压加载通道410依次贯穿装置左支板120、不为伸缩轴的第一横轴230、以及试样左固定头210并贯通至试样左固定头210的试样固定部处，或是依次贯穿装置右支板130、不为伸缩轴的第二横轴240、以及试样右固定头220并贯通至试样右固定头220的试样固定部处；轴压加载部件420可滑动地设置在轴压加载通道410中，其内端处于试样固定部处时，其外端处于装置主体100的外侧；轴压加载部件420的内端主要用于与岩石试样500的端部抵接，其外端主要用于与外部轴压设备配合。

该试验系统的动力转换机构300通过齿轮与齿条相啮合的方式进行传动，还具有以下优点：①齿轮与齿条的配合具有较高的传动精度，可以实现精确的直线与旋转运动的转换。②通过设计齿轮与齿条的齿数比，可以实现不同的速比传动；这使得传动的速比更易于调整与优化。③齿轮与齿条的配合方式可以提供较高的刚性，能够承受较大的负载。④齿面加工技术成熟并易于获得，装配也比较简单直接，这降低了零部件的制造难度和成本。⑤齿轮与齿条的配合方式具有较高的传动效率，将输入的直线运动转换为旋转运动并输出的过程中，能够减少能量损耗。

另外，该试验系统的动力转换机构300不仅能够将受压连杆350的升降直线运动转换为试样左固定头210与试样右固定头220的相对旋转运动，便于与可提供轴向压力的设备配合使用，特别适合与立式试验机配合使用，而且其能够对安装在试样左固定头210与试样右固定头220之间的岩石试样400的两端同时施加扭剪作用，以更好地模拟实际工况，利于提高试验结果的准确性，避免岩石试样400单端扭剪时的非均匀应力分布，并可在同一时间内施加更大的扭矩以减少试验所需的时间，还可使得岩石试样400的形变和应力分布更加均匀以减小不均匀形变引起的试验误差。

为了便于对齿条进行限位和导向，以提高其传动的稳定性，并提高测试的精确度，再如图1、图2、图3和图4所示，装置底板110上设有第一限位座111和第二限位座112，第一齿条330的下端设有与第一限位座111滑动配合的第一下导杆331，第二齿条340的下端设有与第二限位座112滑动配合的第二下导杆341。第一限位座111和第二限位座112可以为多种结构，优选均为锥台形结构。

再如图3所示，作为本发明装置的一种优选方案，轴压加载部件420包括加压轴421，加压轴421的外端开设有滑槽，滑槽中可滑动地设置有活塞422，活塞422与滑槽共同围成压力腔423，加压轴421上设有与压力腔423连通的加压介质进出口。该结构的轴压加载部件420通过外部轴压设备或挡板施加预压力后，可通过调控压力腔423中加压介质的量实现对岩石试样500施加轴向压力的精细化控制，不仅非常方便，而且测试精度更高。加压介质进出口用于压力腔423内加压介质的注入和排出，以控制压力腔423内的压力，进而方便操作人员控制加压轴421对岩石试样500施加轴向压力的大小；通常在滑槽中还设有用于限位和支撑活塞422的卡台，避免未工作时活塞422进入滑槽过深。优选的，该试验系统还包括轴压加载模块；轴压加载模块与压力腔423的加压介质出口循环连通，以便进行压力控制。

上述的轴压加载模块主要由装有加压介质的容器、加压泵、流量计、控制阀门等组成，它可以向压力腔423中注入和/或排出加压介质以控制加压轴421对岩石试样500施加轴向压力的大小，便于研究轴压-扭剪耦合作用于岩石试样500时其力学行为，获得岩石的力学参数，为岩石工程勘察设计提供试验依据和数据支持。加压介质可以为多种，例如：气体、水、液压油等等。

基于上述轴压加载模块，使该试验系统进行恒定轴向压力下的扭剪试验的过程和原理为：在完成岩石制样并将试验系统安装好之后，将活塞422的外端抵接住；之后，通过轴压加载模块向压力腔423中注入加压介质，使其压力达到试验预期的岩石试样500受到的轴向压力大小即可；再之后，加压介质会向四周传递压力，活塞422会有朝外滑动的趋势，并将压力传递到被抵接处；加压轴421会有朝内移动的趋势，并将轴向压力直接传递到岩石试样500的端部；至此，对岩石试样500预施加恒定轴向压力的操作结束；在进行后续的扭剪操作时，通过溢流阀控制压力腔423的排油情况，来控制加压轴421对岩石试样500施加的轴向压力的大小。

为了提高该试验系统的整体结构强度和稳定性，再结合图1、图2和图3所示，装置主体100还包括装置横梁150，装置横梁150分别与装置左支板120和装置右支板130连接。

优选使装置横梁150为两根，并在工作腔140的顶部前后分布设置。在上述基础上，为了进一步限位和导向齿条，通常在工作腔140的顶部还设置有第一限位块141和第二限位块142；第一限位块141分别与装置左支板120及处于后侧的装置横梁150连接，第一齿条330的上端设有与第一限位块141滑动配合的第一上导杆332；第二限位块142分别与装置右支板130及处于前侧的装置横梁150连接，第二齿条340的上端设有与第二限位块142滑动配合的第二上导杆342。第一限位块141和第二限位块142可以为多种结构，优选均为“L”形结构。

本发明还提供了一种压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验方法，该方法采用岩石扭剪试验系统进行岩石试验，所述岩石扭剪试验系统为上述的压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统；该方法包括下列步骤：

准备步骤：在试验开始之前，先进行岩石的制样与安装。待测试岩石试样500的直径及长度具有规定的标准测试尺寸，需要在岩石加工时就制作达标；然后，通过胶粘的方式在岩石试样500的端部粘黏上固定接头，例如：六角接头；岩石试样500需要施加轴向压力的一端的固定接头上可预留供轴压加载通道410穿入的通孔，也可不预留；最后，通过伸缩轴调节试样左固定头210与试样右固定头220之间的距离，以便将两端均粘黏了固定接头的岩石试样500固定在该试验系统的试样左固定头210与试样右固定头220之间，之后再调节伸缩轴使固定接头与试样固定部定位配合，将岩石试样500固定好。

预加载轴压步骤：将固定有岩石试样500的岩石扭剪试验系统安装到实验室中能够提供轴向压力的设备(例如：MTS)上，并将装置底板110与试验台连接固定；

使用另一台可提供轴向压力的设备通过轴压加载部件420对岩石试样500预加载轴向压力；

或是，使用其他器械将活塞422的外端抵接住；之后，使轴压加载模块与压力腔423循环连通，并向压力腔423中注入加压介质，使其压力达到试验预期的岩石试样500受到的轴向压力大小即可；再之后，加压介质会向四周传递压力，活塞422有朝外滑动的趋势，并将压力传递到抵接处；加压轴421会有朝内移动的趋势，并将轴向压力直接传递到岩石试样500的端部；

至此，对岩石试样500预施加恒定轴向压力的操作结束。

测试步骤：按预定加载方案和测试内容进行加载和测试；具体为，利用设备的轴向加载模块调整压杆的高度，使压杆的底部与受压连杆350利用轴向压力作为驱使第一齿条330和第二齿条340移动的动力，使之向下移动，进而通过与第一齿条330相啮合的第一齿轮31驱使试样左固定头210转动，并通过与第二齿条340相啮合的第二齿轮320驱使试样右固定头220按试样左固定头210转动的反方向转动，从而可对安装固定在试样左固定头210与试样右固定头220之间的岩石试样500施加扭转力矩；

同时，通过驱使轴压加载部件420沿轴压加载通道410向内滑动对岩石试样500施加恒定的轴向压力，或是使得对岩石试样500施加的轴向压力满足测试预期的轴向压力变化；或者，调控压力腔423中加压介质的量，当加压介质产生的压力大于预先设置的轴向压力时，会达到加压介质排出的阈值，通过外排加压介质以使其向四周传递的压力保持恒定，从而使得对岩石试样500施加的轴向压力维持恒定，或是通过注入和/或外排加压介质，以使得对岩石试样500施加的轴向压力满足测试预期的轴向压力变化；

最后，测量岩石试样500在试验过程中的变形和破坏情况，并采集岩石试样500应力应变、轴向压力、扭转角、扭转力矩等信息进行数据分析。

以上试验过程中，采集应力应变、轴向压力、扭转角和/或扭矩等参数的仪器，其布置的位置和方式均为现有技术；通常可将采集应力应变或扭转角的仪器安装在试样固定头与岩石试样500之间，试样固定头为试样左固定头210或试样右固定头220；为了便于检测试验加载的扭矩，通常可设置与第一齿轮310和/或第二齿轮320相对应，或是与试样左固定头210和/或试样右固定头220对应的扭矩检测传感器进行检测。

Claims (10)

1.压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，包括装置主体(100)和试样固定机构(200)；

所述装置主体(100)包括装置底板(110)、以及间隔设置在装置底板(110)上的装置左支板(120)和装置右支板(130)，所述装置左支板(120)与装置右支板(130)之间形成有工作腔(140)；

所述试样固定机构(200)包括在工作腔(140)中左右分布设置的试样左固定头(210)和试样右固定头(220)，所述试样左固定头(210)与试样右固定头(220)彼此相对应的部位处均设有试样固定部；

其特征在于：还包括动力转换机构(300)和轴压机构(400)；

所述试样左固定头(210)通过第一横轴(230)可转动地设置在装置左支板(120)上，所述试样右固定头(220)通过第二横轴(240)可转动地设置在装置右支板(130)上，所述第一横轴(230)或第二横轴(240)为伸缩轴；

所述动力转换机构(300)包括第一齿轮(310)、第二齿轮(320)、第一齿条(330)、第二齿条(340)和受压连杆(350)；

所述第一齿轮(310)与试样左固定头(210)传动连接，所述第二齿轮(320)与试样右固定头(220)传动连接；

所述第一齿条(330)和第二齿条(340)均竖直设置在工作腔(140)中，所述受压连杆(350)设置在工作腔(140)中并分别与第一齿条(330)和第二齿条(340)连接，且受压连杆(350)能够驱使第一齿条(330)和第二齿条(340)同步上下移动；

所述第一齿条(330)与第一齿轮(310)相啮合，并能够通过第一齿轮(310)驱使试样左固定头(210)转动；所述第二齿条(340)与第二齿轮(320)相啮合，并能够通过第二齿轮(320)驱使试样右固定头(220)转动；所述第一齿条(330)和第二齿条(340)同步上下移动时，所述试样左固定头(210)的转动方向与试样右固定头(220)的转动方向相反；

所述轴压机构(400)包括轴压加载通道(410)和轴压加载部件(420)；所述第一横轴(230)不为伸缩轴时，所述轴压加载通道(410)依次贯穿装置左支板(120)、第一横轴(230)、以及试样左固定头(210)，并贯通至试样左固定头(210)的试样固定部处；所述第二横轴(240)不为伸缩轴时，所述轴压加载通道(410)依次贯穿装置右支板(130)、第二横轴(240)、以及试样右固定头(220)，并贯通至试样右固定头(220)的试样固定部处；所述轴压加载部件(420)可滑动地设置在轴压加载通道(410)中，其内端处于试样固定部处时，其外端处于装置主体(100)的外侧。

2.根据权利要求1所述的压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，其特征在于：所述试样固定部为正多边形结构的凹槽。

3.根据权利要求1所述的压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，其特征在于：所述装置底板(110)上设有第一限位座(111)和第二限位座(112)，所述第一齿条(330)的下端设有与第一限位座(111)滑动配合的第一下导杆(331)，所述第二齿条(340)的下端设有与第二限位座(112)滑动配合的第二下导杆(341)。

4.根据权利要求3所述的压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，其特征在于：所述第一限位座(111)和第二限位座(112)均为锥台形结构。

5.根据权利要求1所述的压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，其特征在于：所述受压连杆(350)顶部的中央位置设有受压部(351)。

6.根据权利要求1所述的压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，其特征在于：所述轴压加载部件(420)包括加压轴(421)，所述加压轴(421)的外端开设有滑槽，所述滑槽中可滑动地设置有活塞(422)，所述活塞(422)与滑槽共同围成压力腔(423)，所述加压轴(421)上设有与压力腔(423)连通的加压介质进出口。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，其特征在于：所述装置主体(100)还包括装置横梁(150)，所述装置横梁(150)分别与装置左支板(120)和装置右支板(130)连接。

8.根据权利要求7所述的压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，其特征在于：所述装置横梁(150)为两根，并在工作腔(140)的顶部前后分布设置。

9.根据权利要求8所述的压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统，其特征在于：在工作腔(140)的顶部还设置有第一限位块(141)和第二限位块(142)；

所述第一限位块(141)分别与装置左支板(120)及处于后侧的装置横梁(150)连接，所述第一齿条(330)的上端设有与第一限位块(141)滑动配合的第一上导杆(332)；

所述第二限位块(142)分别与装置右支板(130)及处于前侧的装置横梁(150)连接，所述第二齿条(340)的上端设有与第二限位块(142)滑动配合的第二上导杆(342)。

10.压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验方法，该方法采用岩石扭剪试验系统进行岩石试验，其特征在于：所述岩石扭剪试验系统为权利要求1至9中任意一项所述的压扭复杂应力耦合下岩石剪切试验系统；该方法包括下列步骤：

步骤一，制作岩石试样(500)，并将岩石试样(500)固定在岩石扭剪试验系统的试样左固定头(210)与试样右固定头(220)之间；

步骤二，将固定有岩石试样(500)的岩石扭剪试验系统安装到能够提供轴向压力的设备上；

步骤三，通过提供轴向压力的设备驱使受压连杆(350)向下移动，由受压连杆(350)驱使第一齿条(330)和第二齿条(340)同步向下移动，进而第一齿条(330)通过第一齿轮(310)驱使试样左固定头(210)转动、第二齿条(340)通过第二齿轮(320)驱使试样右固定头(220)转动，且试样左固定头(210)的转动方向与试样右固定头(220)的转动方向相反，从而对岩石试样(500)施加扭转力矩；

同时，通过驱使轴压加载部件(420)沿轴压加载通道(410)向内滑动，对岩石试样(500)施加恒定的轴向压力，或是使得对岩石试样(500)施加的轴向压力满足测试预期的轴向压力变化；

步骤四，测量岩石试样(500)在试验过程中的变形和破坏情况，并采集信息进行数据分析。