本发明涉及岩石力学研究领域。特别地，涉及一种岩石节理自由平剪系统和方法。
背景技术
岩石节理(结构面)剪切实验是研究岩体结构面力学性质的基本方法，是岩石力学研究的重要依据，岩石结构面力学测试对于工程应用具有重要现实意义和价值。在过去的工程研究与应用中，岩石结构面力学性质测试主要包括法向加载实验、剪切实验等，根据加载条件的不同，又可以分为循环加卸载实验，循环剪切实验、恒定法向刚度剪切实验cnk、恒定法向应力剪切实验cns等等。然而，随着研究逐渐深入，对岩石节理力学性质认识逐渐扩大，岩石节理的各项异性性质得到了很多学者的发现和认同，岩石节理力学强度、变形刚度、起伏形态统计参数、节理加卸载退化等表现出各向异性，且随着加卸载过程而动态变化。但是，过去的实验仪器中对岩石节理加卸载以及变形的方向特性没有进行严格约束，不能很好对节理试样的剪切或变形的方向进行限制和控制，因此，本发明就此提出一种严格意义上岩石节理自由平剪系统。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一提出一种能够严格获取岩石节理的加卸载、变形的大小与方向数据的岩石节理自由平剪系统和方法。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种岩石节理自由平剪系统。所述系统可包括：固定剪切部、活动剪切部、刚性框架、法向驱动机构、第一剪向驱动机构和第一滑轨，其中，所述固定剪切部具有沿法向方向延伸的第一空腔，并能够被固定在刚性框架中，其中，第一空腔具有能够使第一节理试样通过的第一开口，第一空腔能够容纳第一节理试样并具有能够限制第一节理试样与第一空腔相对运动的形状；所述活动剪切部具有沿法向方向延伸的第二空腔，其中，第二空腔具有能够使第二节理试样通过的第二开口，第二空腔能够容纳第二节理试样并具有能够限制第二节理试样与第二空腔相对运动的形状，且所述活动剪切部以所述第二开口面向所述第一开口的方式设置；所述法向驱动机构能够向活动剪切部提供法向驱动力，在法向驱动力的作用下，活动剪切部能够带动第二节理试样向第一节理试样运动，使第一、第二节理试样相对的两个节理面接触并发生挤压变形；所述第一滑轨沿第一剪切方向设置在刚性框架上，所述第一剪切方向与所述法向方向垂直；所述第一剪向驱动机构能够通过伸缩作用力使活动剪切部沿第一剪切方向在第一滑轨上进行平移滑动。
在本发明的岩石节理自由平剪系统的一个示例性实施例中，所述第一、第二节理试样都可包括棱柱段和圆柱段，其中，每个节理试样圆柱段的圆形表面可为节理面。所述第一、第二节理试样相对的两个面(即节理面)上的形态可以是任意的，两个节理面之间也可以设置有填充物，节理面的形态和充填物都可以按照研究和测试需要设计。
在本发明的岩石节理自由平剪系统的一个示例性实施例中，所述系统还包括第二剪向驱动机构和第二滑轨，其中，所述第二滑轨沿第二剪切方向延伸并将所述第一滑轨与所述活动剪切部连接，所述第二剪切方向与所述法向方向垂直并与所述第一剪切方向垂直；所述第二剪向驱动机构与活动剪切部连接，并能够通过伸缩作用力使活动剪切部沿第二剪切方向在第二滑轨上进行平移滑动。
在本发明的岩石节理自由平剪系统的一个示例性实施例中，法向驱动机构和活动剪切部可以是直接接触的，也可以是间接接触的，例如法向驱动机构可通过滚珠板将驱动力传递给活动剪切部，而且滚珠板的存在不会影响法向加载的变形刚度；当利用本发明的系统仅开展岩石节理实验的法向压缩实验时，两者可以直接接触。
在本发明的岩石节理自由平剪系统的一个示例性实施例中，所述法向驱动机构包括能够传递法向驱动力的加载端，所述活动剪切部还可包括设置在顶面上的承载台，所述承载台能够向第二节理试样传递传法向驱动机构的驱动力，其中，
所述承载台上固定有可转动的滚珠，所述承载台和所述法向驱动机构的加载端能够通过滚珠产生相对运动，例如，可产生水平方向上的相对运动；
或者，所述系统还包括设置在所述承载台上表面的滚珠板，所述承载台和所述法向驱动机构的加载端能够通过所述滚珠板产生相对运动；其中，所述承载台上表面边缘可具有凸起，所述凸起能够对滚珠板进行限位；
或者，所述法向驱动机构的加载端的底部固定有可转动的滚珠，所述承载台和所述法向驱动机构的加载端能够通过滚珠产生相对运动。其中，所述承载台上表面边缘可具有凸起，所述凸起能够对滚珠板进行限位。
在本发明的岩石节理自由平剪系统的一个示例性实施例中，所述活动剪切部可包括能够容纳所述第二滑轨的滑轨管道。
在本发明的岩石节理自由平剪系统的一个示例性实施例中，所述系统还可包括设置在第一滑轨上并与第二滑轨固定相连的滑座，所述滑座能够通过第二滑轨带动活动剪切部在第一滑轨上滑动。所述第一滑轨可与第二滑轨垂直。
本发明的电液伺服系统(也称为电液伺服驱动器)主要有包括：液压源、电液伺服阀、液压执行机构，其中，电液伺服阀具有较高灵敏度，控制精度高特点。电液伺服驱动系统的动力可来源于各自配套的独立液压源(也称为液压泵)，液压源能够提供流量和压力，而流量与压力的控制由试验机(即本发明的岩石节理自由平剪系统)电液伺服驱动器上的电液伺服阀根据计算机控制信号来进行控制。
在本发明的岩石节理自由平剪系统的一个示例性实施例中，所述系统还可包括传感器与计算机，所述传感器能够实时采集法向驱动机构、第一剪向驱动机构和第二剪向驱动机构中至少一个的驱动信息，所述计算机能够将采集的驱动信息进行分析处理，并根据处理结果可以调节所述法向驱动机构、第一剪向驱动机构和第二剪向驱动机构中至少一个的驱动行为，其中，所述驱动信息包括驱动力的大小、驱动力作用点的位置和变形速率等信息。其中，驱动力作用点为驱动机构与驱动对象接触的点。
在本发明的岩石节理自由平剪系统的一个示例性实施例中，法向驱动机构可包括一个电液伺服驱动器，第一剪向驱动机构可包括两个相对的电液伺服驱动器，第二剪向驱动机构也包括两个相对的电液伺服驱动器。除液压执行结构、电液伺服阀和与之配套的液压源外，每个电液伺服驱动器还可包括数据采集传感器；所述系统还包括计算机，数据采集传感器能够采集电液伺服驱动器的轴力大小与行程并传递给计算机系统，由计算机进行分析和处理，并自动调整输出相应控制信号，所述电液伺服驱动器能够通过伺服阀来接收计算机发出并转换后的控制信号并以此来控制液压油的压力和流速，从而控制电液伺服驱动器的行为。
在本发明的岩石节理自由平剪系统的一个示例性实施例中，所述固定剪切部可包括固定剪切内盒和固定剪切外盒，其中，所述固定剪切内盒具有所述第一空腔和所述第一开口，所述固定剪切外盒具有贯穿盒身的第三空腔，并能够被固定在刚性框架上，第三空腔具有能够使固定剪切内盒通过的开口，第三空腔能够容纳固定剪切内盒全部盒身，以防止剪切变形时，内剪切盒直接剪到试样，第三容腔并能够限制固定剪切内盒相对于固定剪切外盒在与法线垂直方向上发生运动，以及能够限制固定剪切内盒相对于固定剪切外盒发生转动，例如围绕法线的转动。
在本发明的岩石节理自由平剪系统的一个示例性实施例中，所述活动剪切部可包括活动剪切内盒和活动剪切外盒，其中，所述活动剪切内盒具有所述第二空腔和所述第二开口，所述活动剪切外盒具有贯穿盒身的第四空腔，第四空腔具有能够使活动剪切内盒通过的开口，第四空腔能够容纳活动剪切内盒部分盒身，并能够限制活动剪切内盒相对于活动剪切外盒在与法线垂直方向上发生运动，以及能够限制活动剪切内盒相对于活动剪切外盒发生转动，例如围绕法线的转动。
在本发明的岩石节理自由平剪系统的一个示例性实施例中，所述刚性框架还可包括一个卸样机构，卸样机构位于刚性框架底部，并能够将所述活动剪切内盒、固定剪切内盒以及所述第一、第二节理试样从所述活动剪切外盒和固定剪切外盒中抬出，以方便实验的进行和卸样。
本发明另一方面提供了一种岩石节理自由平剪方法，所述方法能够通过上述的岩石节理自由平剪系统来进行岩石节理平剪。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：结构合理简便，能够很好的约束节理试样的转动自由度，使得实验仪器能够控制节理在水平任意方向上的自由平移剪切，从而能够通过实验仪器获取一定岩石节理的加卸载、形变等力学参数在方向上的准确描述数据，为该理论的发展提供技术支撑。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了岩石节理剪切实验中受力与变形的示意图；
图2示出了本发明的节理试样的外观示意图；
图3示出了本发明的活动剪切内盒和固定剪切内盒的结构示意图；
图4示出了本发明的活动剪切外盒的一个结构示意图；
图5示出了本发明的固定剪切外盒的一个结构示意图；
图6示出了本发明的固定剪切部和活动剪切部安装的结构与次序的示意图；
图7示出了本发明滑座的基本结构示意图；
图8示出了本发明的加载滑梁的结构示意图；
图9示出了本发明的自由平滑结构的示意图；
图10示出了本发明的实验加载结构的示意图；
图11示出了本发明的刚性框架的一个示意图；
图12示出了本发明的岩石节理自由平剪系统的示意图；
图13示出了本发明的岩石节理自由平剪系统与其控制系统的一个示意图；
图14示出了本发明的岩石节理自由平剪系统实现剪切应力或剪切变形为椭圆轨迹的加载示意图；
图15示出了本发明的岩石节理自由平剪系统实现在一定恒定法向应力与剪应力荷载下单向剪切力谐波加载的示意图；
图16示出了本发明的岩石节理自由平剪系统实现对具有椭圆分布性质的各向异性节理的加载演化实验的示意图。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的岩石节理自由平剪系统和方法。
图1示出了岩石节理剪切实验中受力与变形的示意图。图2示出了本发明的节理试样的外观示意图。图3示出了本发明的活动剪切内盒和固定剪切内盒的结构示意图。图4示出了本发明的活动剪切外盒的一个结构示意图。图5示出了本发明的固定剪切外盒的一个结构示意图。图6示出了本发明的固定剪切部和活动剪切部安装与次序的示意图。图7示出了本发明滑座的基本结构示意图。图8示出了本发明的加载滑梁的结构示意图。图9示出了本发明的自由平滑结构的示意图。图10示出了本发明的实验加载结构的示意图。图11示出了本发明的刚性框架的一个示意图。图12示出了本发明的岩石节理自由平剪系统的示意图。图13示出了本发明的岩石节理自由平剪系统与其控制系统的一个示意图。图14示出了本发明的岩石节理自由平剪系统实现剪切应力或剪切变形为椭圆轨迹的加载示意图。图15示出了本发明的岩石节理自由平剪系统实现在一定恒定法向应力与剪应力荷载下单向剪应力谐波加载的示意图。图16示出了本发明的岩石节理自由平剪系统实现对具有椭圆分布性质的各向异性节理加载演化规律分析示意图。
本发明一方面提供了一种岩石节理自由平剪系统。
在本发明的一个示例性实施例中，所述系统可包括：固定剪切部、活动剪切部、刚性框架、法向驱动机构、第一剪向驱动机构和第一滑轨，其中，
所述固定剪切部具有沿法向方向延伸的第一空腔，并能够被固定在刚性框架中，其中，第一空腔具有能够使第一节理试样通过的第一开口，第一空腔能够容纳第一节理试样并具有能够限制第一节理试样与第一空腔相对运动的形状；例如，第一空腔能够限制第一节理试样相对于固定剪切部在与法线垂直的方向上运动，以及能够限制第一节理试样相对于第一空腔转动，转动包括围绕法线的转动。
所述活动剪切部具有沿法向方向延伸的第二空腔，其中，第二空腔具有能够使第二节理试样通过的第二开口，第二空腔能够容纳第二节理试样并具有能够限制第二节理试样与第二空腔相对运动的形状，例如，第二空腔能够限制第二节理试样相对于活动剪切部在与法线垂直的方向上运动，以及能够限制第二节理试样相对于第二空腔转动，转动包括围绕法线的转动；并且所述活动剪切部以所述第二开口面向所述第一开口的方式设置，以使第一、第二节理试样的节理面相接触。其中，第二节理试样能够跟随活动剪切部同步运动。
所述法向驱动机构能够向活动剪切部提供法向驱动力，在法向驱动力的作用下，活动剪切部能够带动第二节理试样向第一节理试样运动，使第一、第二节理试样相对的两个节理面接触并发生挤压变形。其中，法向驱动机构与活动剪切部可直接或间接接触，例如，在活动剪切部的顶面上可设置一个滚珠板，法向驱动机构能够通过滚珠板向活动剪切部传递法向驱动力。
所述第一滑轨沿第一剪切方向设置在刚性框架上，所述第一剪切方向与所述法向方向垂直。
所述第一剪向驱动机构与活动剪切部连接，并能够通过伸缩作用力使活动剪切部沿第一剪切方向在第一滑轨上进行平移滑动，例如，在第一剪向驱动机构的作用下，活动剪切部能够在第一滑轨上自由滑动。第一剪切方向包括两个相对的方向，在第一剪向驱动机构的作用下，活动剪切部可在第一滑轨上来回运动。
在本实施例中，第一节理试样能够沿法线方向进入固定剪切部的第一空腔，进入第一空腔后，第一节理试样相对于固定剪切部不能发生围绕法线的转动。同样，第二节理试样能够沿法线方向进入活动剪切部的第二空腔，进入第二空腔后，第二节理试样相对于活动剪切部不能发生围绕法线的转动。
在本实施例中，节理试样(又称为岩石节理试样)包括相对的两部分，第一节理试样和第二节理试样(也可以称为节理试样的上下部分)，第一、第二节理试样相对的两个面为节理面，第一、第二节理试样可以是预制的试样，也可以是从工程场地、自然界采集获取的节理试样，当然，需要对外形进行切削打磨。，如图1所示，节理面的受力可以表示为：[τx,τy,σz]t，节理面的变形表示为：[δux,δuy,δuz]t，且需满足条件：σmax≤σz≤0，其中，τx和τy都为水平剪应力，下标x和y表示相互正交的方向，σz为法向应力，σmax为节理最大闭合应力，δux和δuy都为水平剪切变形，下标x和y表示相互正交的方向，δuz为法向闭合变形。节理面可受到法向的压应力，以及大小方向可变的水平剪应力。
第一节理试样和第二节理试样应都是：易受到约束且不发生相对转动形状，即第一、二节理试样置于固定剪切部和活动剪切部中时，，都会受到约束而不能发生围绕试样轴线(或法线)的转动，但是能够在第一剪切方向和第二剪切方向构成的平面上发生相对平移运动。
由于岩石节理起伏形态多变，在节理面发生相对水平位移时，若节理试样为易发生转动的形状(例如圆柱体)，则往往会导致岩石节理试样发生转动(例如圆柱体沿轴线发生转动)。当第一、第二节理试样节理面接触点的分布不均匀，且接触点空间法向方向存在优势方向时，可能由于节理的剪切力导致节理上面产生相对扭转的扭矩，如果此时节理试样的沿轴转动自由度没有约束时，此时节理试样在仪器中可能会发生相对仪器的扭转位移，因此导致获取的实验数据与节理试样方向设置不一致，导致无法准确的研究节理面力学性质的各向异性。因此需约束节理试样发生转动(例如约束圆柱体岩石节理试样沿轴心转动自由度)，使得试样仅具有两个水平运动自由度。
所述第一、第二节理试样都可包括棱柱段和圆柱段，其中，每个节理试样圆柱段的圆形表面为节理面，圆柱段圆形截面应保证在几何上各向水平尺寸(即直径)相同，第一节理试样和第二节理试样圆柱段圆形截面的面积可以相同，也可以不同，例如，第一节理试样圆柱段圆形截面的面积可大于第二节理试样圆柱段圆形截面的面积。所述第一、第二节理试样相对的两个面(即节理面)上的形态可以是任意的。其中两者的圆柱段相面对，需保证节理面为圆形分布，而在各个方向上尺寸不是性质的影响因素。其中，棱柱可为三棱柱体、四棱柱体、五棱柱体、六棱柱体、七棱柱体等，只要是受到约束力不易发生转动或移动的形状都可。第一、二节理试样可对称相同，也可不同，两者接触的两个面可以相同，也可以不同；节理面之间也可设置有填充物，例如，泥沙、碎屑、矿物和水等，节理面的形态或物质充填情况根据研究需要进行设计和制作，只要能够满足实验测试要求即可。
优选地，如图2所示，第一、二节理试样都是由圆柱体和六棱柱体组成，两个圆柱体通过预制的节理面相互接触；六棱柱上/下表面对角线长度可与所述圆柱体上/下表面的直径相等。这样，正在受到约束时，节理试样不发生轴向的转动，即不发生围绕轴线的转动。而节理试样包括六棱柱段是因为节理试样可能为岩石、混凝土、水泥砂浆、石膏砂浆等等材料，在切削打磨加工或浇筑上不如金属加工那么精确，因此六棱柱具有相对较简单的形状，且不会有太少的边导致受力各向不均匀，相对较好。
在本实施例中，所述系统还可包括第二剪向驱动机构和第二滑轨，其中，
所述第二滑轨沿第二剪切方向延伸并将所述第一滑轨与所述活动剪切部连接，所述第二剪切方向与所述法向方向和第一剪切方向垂直。
所述第二剪向驱动机构与活动剪切部连接，并能够通过伸缩作用力(例如电液伺服驱动器的推力)使活动剪切部沿第二剪切方向在第二滑轨上进行平滑移动。第二剪切方向包括两个相对的方向，在第二剪向驱动机构的作用下，活动剪切部可在第二滑轨上来回运动。
第二剪向驱动机构可直接或间接与活动剪切部接触，例如，所述第二剪向驱动机构与固定反力座连接，将反力传递至滑座，并最终作用在刚性框架上。
所述活动剪切部可位于固定剪切部的正上方，所述法向驱动机构能够提供垂向(即垂直于水平面)的驱动力，所述第一滑轨和第二滑轨都可水平设置，所述第一剪向方向和第二剪向方向都可为水平方向。
在本实施例中，所述固定剪切部可包括固定剪切内盒和固定剪切外盒，其中，
所述固定剪切内盒具有所述第一空腔和所述第一开口，
所述固定剪切外盒具有贯穿盒身的第三空腔，并能够被固定在刚性框架上，第三空腔具有能够使固定剪切内盒通过的开口，第三空腔能够容纳固定剪切内盒全部盒身，以防止剪切变形时，内剪切盒直接剪到试样，并具有能够限制固定剪切内盒与固定剪切外盒相对运动的形状，例如能够限制固定剪切内盒与固定剪切外盒在与法向垂直方向上产生相对运动，以及能够限制固定剪切内盒相对于固定剪切外盒发生转动，转动包括围绕法线的转动。
所述活动剪切部可包括活动剪切内盒和活动剪切外盒，其中，所述活动剪切内盒具有所述第二空腔和所述第二开口，所述活动剪切外盒具有贯穿盒身的第四空腔，第四空腔具有能够使活动剪切内盒通过的开口，第四空腔能够容纳活动剪切内盒部分盒身，并具有能够限制活动剪切内盒与活动剪切外盒相对运动的形状，例如能够限制活动剪切内盒与活动剪切外盒在与法向垂直方向上产生相对运动以及能够限制活动剪切内盒相对于活动剪切外盒发生转动，转动包括围绕法线的转动。
活动剪切内盒的第二空腔可不为中空结构，当第二节理试样置于其中时，可突出一部分。固定剪切内盒的第一空腔可不为中空结构，当第一节理试样位于固定剪切内盒时，也可突出一部分。当活动剪切内盒置于固定剪切内盒的正上方时，两个节理试样相接触，活动剪切内盒和固定剪切内盒不接触。
活动剪切内盒还可包括设置在活动剪切内盒顶面上且具有突出部分的承载台，承载台与活动剪切外盒之间可具有一定的距离。在这种情形下，活动剪切外盒与固定剪切外盒是直接接触的，但是两者之间可以低阻力的相对滑动；而活动剪切内盒底部高于活动剪切外盒底部，固定剪切内盒顶部低于固定剪切外盒顶部，这样使得中间留有用于运动的空隙，由于第一、第二节理试样可直接接触，所以剪切变形时不会剪到内剪切盒，且在法向应力下可以发生压缩变形，压缩变形量不会超过运动空隙的宽度。因此，活动剪切内盒顶部的承载台与活动剪切外盒顶面之间也留有一定的空隙，这样保证可以是的节理试样发生法向变形。
活动剪切内盒和固定剪切内盒的空腔能够分别给第二、第一节理试样提供约束力，防止第二、第一节理试样分别在活动剪切内盒、固定剪切内盒中发生转动或移动。优选的，第一空腔的形状和尺寸可与第一节理试样相匹配，第一节理试样正好可以放置在上剪切盒内，当第一节理试样由圆柱体和六棱柱体组成时，第一空腔也是由相应的圆柱体空腔和六棱柱体空腔组成；第二空腔的形状和尺寸也可与第二节理试样相匹配。
活动剪切内盒和固定剪切内盒的外形也可是易受到约束而不发生转动或移动的形状，这样可以避免活动剪切内盒和固定剪切内盒转动而导致第二、第一节理试样发生转动或移动。活动剪切内盒和固定剪切内盒的形状和尺寸可以相同，也可以不同。活动剪切内盒和固定剪切内盒的外形也可以是棱柱，例如三棱柱、四棱柱、五棱柱、六棱柱、七棱柱、八棱柱、九棱柱等，这可避免沿其轴线转动。
当固定剪切内盒保持固定不动，在剪切力(例如水平驱动力)的作用下，活动剪切内盒可以在水平面内自由发生位移，并且能够在研究的范围内使法向驱动机构压缩节理试样(即第一、第二节理试样)发生闭合变形。当节理试样置于内剪切盒(即活动剪切内盒和固定剪切内盒)时，两个节理试样的节理面相接触，活动剪切内盒和固定剪切内盒不接触，且两者之间留有一定的空隙，开口之间间隙的距离应大于粗糙节理面上下波动范围，以保证活动剪切内盒或活动剪切部不会直接接触到节理面。活动剪切内盒在法向驱动力的作用下，能够第一、二节理试样的节理面闭合变形。因此活动剪切内盒和固定剪切内盒不会影响节理试样自身的法向变形和切向变形。
图3示出了本发明的活动剪切内盒和固定剪切内盒的结构示意图；其中，(a)图为正意图，(b)图为左视图，(c)图为俯视图，(d)图为示意图。如图3所示，活动剪切内盒和固定剪切内盒的外形都是八棱柱，第一、第二节理试样包括圆柱体和六棱柱体。活动剪切内盒还可包括设置在活动剪切内盒顶面上的承载台，承载台可包括突出活动剪切内盒的部分，即承载台的台面积可大于活动剪切内盒的上表面积，所述承载台能够接触法向驱动机构，并向下传递法向驱动力。所述承载台上表面还可具有凸起，凸起可具有沿承载台的边缘。
活动剪切内盒设置为八棱柱外形是因为：活动剪切内盒的八棱柱外形在水平两个垂直方向上一致的，各个方向上承受活动剪切外盒的作用力的效果是一致的，变形量是一致的。在进行剪切实验时，活动剪切内盒和活动剪切外盒之间可能会产生形变，当在受到四个水平方向的剪切力时，八棱柱的外形可以保证各方向的变形是一致的，进而确保了实验的准确性，其中，四个水平方向的剪切力包括两对相互垂直的剪切力，每对剪切力包括两个方向相对的力。
活动剪切外盒和固定剪切外盒的空腔能够分别给活动剪切内盒、固定剪切内盒提供约束力，防止活动剪切内盒在活动剪切外盒内发生转动或移动，防止固定剪切内盒在固定剪切外盒内发生转动或移动。当具有承载台的活动剪切内盒置于活动剪切外盒时，承载台的突出部分可位于活动剪切外盒上表面的上方。活动剪切外盒空腔的形状和尺寸可与活动剪切内盒必须相匹配，活动剪切内盒部分盒身可以部分置于活动剪切外盒的空腔中，当活动剪切内盒的外形为八棱柱时，如图4所示，活动剪切外盒的空腔也是相应的八棱柱；同样，固定剪切外盒空腔的形状和尺寸也可与固定剪切内盒相匹配，如图5所示的固定剪切外盒的一个结构示意图，固定剪切外盒的空腔也可是相应的八棱柱；其中，(a)图为示意图，(b)图为俯视图，(c)图为左视图，图中，固定剪切外盒可为中空的圆柱形，其中，中空结构可为八棱柱形。
当活动剪切内盒和固定剪切内盒置于活动剪切外盒和固定剪切外盒时，活动剪切外盒的与固定剪切外盒相对的两端直接接触，并且涂抹一定润滑油，使得活动剪切外盒能够相对固定剪切外盒只有滑移运动，且第一、二节理试件边缘与活动剪切外盒和固定剪切内盒的内边缘存在一定的自由空间距离，该距离包含了实验的有效涉及范围，不会影响实验进行。岩石节理剪切试样剪切变形距离都十分有限，这里给出相当的空间，不会影响实验进行。
活动剪切外盒主要作用有两个：一是限制活动剪切内盒沿轴线转动，进而保证节理试样不会转动，使得节理试样的剪切变形在水平任意方向上自由产生；二是将水平剪力传递至活动剪切内盒，活动剪切内盒再将剪切力作用在第二节理试样上。
在本实施例中，所述节理试样可垂直设置，即节理面可水平设置，第一剪向驱动机构和第二剪向驱动机构能够提供水平剪切力。第一滑轨与第二滑轨在水平面上且相互垂直。
在本实施例中，所述活动剪切部或活动剪切内盒还可包括设置在其顶面(即上表面)上的承载台，所述法向驱动机构包括能够传递法向驱动力的加载端(即法向加载端)，
所述承载台设置有可转动的滚珠，或者，所述法向驱动机构的加载端下面固定有可转动的滚珠，这样，法向驱动机构加载端和承载台端能够通过滚珠产生相对运动；再或者，所述系统还包括设置在所述承载台上表面的滚珠板，所述驱动机构的法向加载端能够置于滚珠板上，并能够在滚珠板上滑动，所述承载台上表面可具有凸起，所述凸起能够对滚珠板进行限位，防止滚珠板滑出，凸起可位于承载台的边缘，凸起可为圆环形。
当设置滚珠板传力时，在节理试样置于试验机后，法向驱动机构加载端传递出的法向驱动力依次传递给滚珠板、活动剪切内盒的承载台、第二节理试样、第一节理试样、固定剪切内盒、固定剪切外盒和刚性框架。
在本实施例中，所述活动剪切部(或活动剪切外盒)可包括能够容纳所述第二滑轨的滑轨管道，所述滑轨管道穿过或连接于活动剪切部(或活动剪切外盒)的盒身。
这里需要说明的是，滑轨通道只是一个示例，只要是能够实现活动剪切部沿第二滑轨滑动的设计都可，例如，活动剪切部(或活动剪切外盒)可包括与第二滑轨相配合的滑轮。
图4示出了本发明的活动剪切外盒的一个结构示意图；其中，(a)图为示意图，(b)图为俯视图，(c)图为左视图，(d)为正视图。
如图4所示，所述活动剪切外盒可包括能够容纳所述第二滑轨的滑轨管道，滑轨管道的数量与第二滑轨的数量相同，例如，当第二滑轨有两条时，滑轨管道为两条，且两条滑轨管道平行。所述滑轨管道穿过或连接于活动剪切外盒的盒身，滑轨管道可与第四空腔横截面的一条边平行。所述活动剪切外盒的盒身上还可设置若干个加载台，用于承受剪切力。优选地，可包括四个加载台，两两相对设置在盒身上，其中，相对的第一、第二加载台台面与滑轨管道平行，另一组相对的第三、第四加载台台面与滑轨管道垂直，这样第一、二剪向驱动机构就能够向活动剪切外盒提供两组水平驱动力。当滑轨管道连接于活动剪切外盒的盒身上时，其中的一组相对的加载台可设置在滑轨管道上。
在本实施中，所述刚性框架还可包括一个卸样机构，卸样机构位于刚性框架底部，并能够将所述活动剪切内盒、固定剪切内盒以及所述第一、第二节理试样从所述活动剪切外盒和固定剪切外盒中抬出，以方便实验的进行和卸样，也可简化实验步骤。
卸样机构可包括两个部件：托杆和踏板杠杆，两者装入刚性框架底部预制的开槽和钻孔中。托杆可垂直设置在系统中，拖杆顶部有托台，托台面积大小不影响系统的刚度，拖杆底部圆滑且压入踏板杠杆；另一个是踏板杠杆，踏板杠杆的一端为踏板，另一端托举托杆的底部，刚性框架底部开槽预留的凸起可作为踏板杠杆的支点。
图6示出了活动剪切内盒、活动剪切外盒、固定剪切内盒、固定剪切外盒、第一节理试样和第二节理试样组装到一起的示意图，组装之后，节理试样位于活动剪切内盒和固定剪切内盒中，活动剪切内盒和固定剪切内盒位于活动剪切外盒和固定剪切外盒中，卸样构件位于固定剪切内盒之下。
在本实施例中，所述系统还可包括设置在第一滑轨上并与第二滑轨固定相连的滑座，所述滑座能够带动第二滑轨和活动剪切部在第一滑轨上滑动。滑座可为两个，分别位于第二滑轨的两端。所述第一滑轨可与第二滑轨垂直。
所述系统还包括能够将滑座与第二滑轨固定成整体的固定构件，例如固定反力座等，一个或两个滑座上还可设置有固定反力座，用来固定第二滑轨与第二剪向驱动机构。
图7示出了本发明的滑座的结构示意图；其中，(a)图为示意图，(b)图为正视图，(c)图为左视图。
如图7所示，所述滑座上可设置有若干个对着活动剪切外盒的通孔，例如3个。其中一个通孔可正对着活动剪切外盒的加载台，第二剪向驱动机构能够透过其中的一个通孔(例如3个通孔中位于中间的那个)直接给活动剪切外盒提供剪向力。其他2个孔用于连接第二滑轨。
滑座上可设置有至少一个贯穿滑座座身的滑道，优选地，可有两个滑道，滑道的轴线可与通孔的轴线垂直。第一滑轨可穿过滑道。
如图9所示的自由平滑结构的示意图，活动剪切外盒可以沿第二滑轨自由滑动，而第二滑轨在滑座的约束下仅能沿第一滑轨平移；因为第一滑轨与第二滑轨在水平面内相互垂直，因此活动剪切外盒可在剪切面(例如水平面)内平移运动，不能产生转动，固定反力座能够将滑座与第二滑轨固定成整体。
所述刚性框架还可包括与第一滑轨两端连接的加载滑梁，加载滑梁的数量可为2个。加载滑梁可为工字型，两端可设置有通孔。图8示出了本发明的加载滑梁的结构示意图，其中，(a)图为加载滑梁的示意图，(b)图为正视图，(c)图为左视图。
第一滑轨可穿过加载滑梁上的通孔，加载滑梁能够沿第一滑轨自由滑动，第一剪向驱动机构能够通过加载横梁间接的将驱动力施加到活动剪切外盒的加载台上，加载滑梁作用是传递第一剪向驱动机构的推力，加载滑梁再将推力作用到滑座和活动剪切外盒上。这样滑座、第二滑轨、活动剪切部和第二节理试样在加载滑梁作用下整体发生水平位移。
本发明的剪向驱动机构对活动剪切外盒的剪切力可包括两种：
第一种，通过固定构件将滑座与第二滑轨固定成整体，在第三、四加载台的台面上设置一组电液伺服驱动器，在活动剪切外盒发生位移时，第二剪向驱动机构跟随发生位移，始终保持第二剪向驱动机构的加载端对准活动剪切外盒的加载台。
第二种，通过加载滑梁间接将驱动力施加到活动剪切外盒的加载台上(即第一、二加载台)，而加载滑梁在框架滑轨限制下，仅能沿框架滑轨允许方向运动和加减压。例如，计算机可根据程序设计加减相对的两个电液伺服驱动器的推力和变形，从而加载力和变形为实验需要的。第一种第二种方式是同时起作用。
在本实施例中，本发明的驱动机构能够在活动剪切部前后左右及上方产生朝向活动剪切部的驱动力。岩石节理自由平剪系统的驱动力由驱动机构提供，驱动机构能够提供法向驱动力和水平驱动力；其中，水平驱动力可包括多组方向的力，例如两组垂直的水平驱动力，即所述驱动机构能够在活动剪切外盒前后左右及上方产生朝向活动剪切外盒的驱动力。
在本实施例中，本发明的系统可配套5套独立的驱动机构，例如电液伺服系统(也称为电液伺服驱动器)，电液伺服系统主要有三个部分构成：液压源、电液伺服阀、液压执行机构，其中，电液伺服阀具有灵敏度、控制精度高特点。电液伺服驱动系统的动力可来源于各自配套的独立液压源(也称为液压泵)，液压源能够提供流量和压力，而流量与压力的控制由试验机(即本发明的岩石节理自由平剪系统)电液伺服驱动器上的电液伺服阀根据计算机控制信号来进行控制。
在本实施例中，法向驱动机构可包括一个电液伺服驱动器，第一剪向驱动机构可包括两个相对的电液伺服驱动器，第二剪向驱动机构也包括两个相对的电液伺服驱动器。除了液压执行结构、电液伺服阀和与之配套的液压源外，每个电液伺服驱动器还可包括除数据采集传感器。所述系统还包括计算机和传感器，传感器能够采集电液伺服驱动器的轴力大小与行程并传递给计算机系统，由计算机进行分析和处理，并输出相应控制信号，所述电液伺服驱动器能够通过控制信号来调整液压源中的液压油的压力和流速，从而控制电液伺服驱动器的行为。
例如，驱动机构可为电液伺服驱动器，电液伺服驱动器包括加载端。如图10所示，在法向方向可设置一个作用在滚珠板上的电液伺服驱动器，该电液伺服驱动器液的法向加载端落在滚珠板上，滚珠板保证了活动剪切外盒与法向电液伺服驱动器之间能够相对自由水平滑动且能够传递法向作用力；在水平方向设置4个电液伺服驱动器，且两两相对，相邻两个夹角为90度，水平剪切力可由两组对置的电液伺服驱动器产生，由于活动剪切外盒、活动剪切内盒与上岩石节理试样块体可以在水平面内自由移动，因此，必须保证实验过程中施加的水平剪切力不会因为剪切的移位而失效。
图11示出了刚性框架的示意图，刚性框架的主体结构可包括四根立柱、连接相对立柱顶端的交叉梁、连接相对立柱底端的交叉座、框架滑轨(即第一滑轨)、滑座和卸样机构等。其中，交叉梁即呈x形，交叉座也呈x形，交叉梁上可设置有通孔，以使法向驱动机构直接作用在滚珠板上，卸样机构可设置在交叉座上，立柱之间也可用横梁连接，横梁上也可设置有通孔，作为电液伺服驱动器固定连接处，这也可保证框架刚度较大情况，优化重量。
本发明的石节理自由平剪系统为刚性伺服试验机，能够获取岩石节理试样全程的应力-变形曲线。
图12示出了组装后的岩石节理自由平剪系统的示意图。系统可通过力与形变来控制加载过程。
在本实施例中，所述系统还可包括传感器和计算机，所述传感器能够实时采集法向驱动机构、第一剪向驱动机构和第二剪向驱动机构中至少一个的驱动信息，所述计算机能够将采集的驱动信息进行分析处理，能够获得应力、变形、变形速率、变形刚度等试验数据，并根据处理结果调节所述法向驱动机构、第一剪向驱动机构和第二剪向驱动机构中至少一个的驱动行为，其中，所述驱动信息包括驱动力的大小、驱动力作用点的位置以及变形速率等。其中，驱动力作用点为驱动机构与驱动对象接触的点。反馈调节驱动机构能够根据所述处理结果向驱动机构输出控制信号，驱动机构根据控制信号来调整驱动力的大小，以及驱动力作用点的位置。
在进行实验过程中，计算机能够通过实验人员设定的实验程序发出驱动信号，来调整至少一个驱动机构的驱动行为。
传感器的反馈信息能够用来时时监测仪器(即驱动机构)工作状态，同时将采集到的数据传递给计算机，采集的数据经过计算机处理后，作为实验数据存贮在计算机的存储器中或进行显示处理。数据采样时间间隔最小为50～100μs，电液伺服阀响应频率可为300～500hz，以保证实验过程的精确和有效。
计算机分析处理的步骤可包括：通过采集到的信息进行处理，并由计算机设定的实验程序作出相应的反应，输出实验所需的控制信号。同时，也能够将处理后的信息作为实验结果数据进行存档或显示处理。
图13示出了本发明的岩石节理自由平剪系统与其控制系统的一个示意图；其中，控制系统可包括计算机系统。所述驱动机构可包括5个电液伺服驱动器，一个电液伺服驱动器可对上剪切盒产生法向驱动力，另外4个电液伺服驱动器对上剪切盒产生四个水平驱动力，除液压执行结构、电液伺服阀和液压源之外，每个电液伺服驱动器还可可包括数据采集传感器，所述系统还包括计算机(或计算机系统)，数据采集传感器能够采集电液伺服驱动器的轴力大小与行程并传递给计算机系统，由计算机进行分析和处理，并输出相应控制信号，电液伺服驱动器能够通过伺服阀来接收计算机发出并转换后的控制信号并以此来控制液压油的压力和流速，从而控制电液伺服驱动器的行为。
换而言之，岩石节理自由平剪系统有5个电液伺服驱动器作为加载动力，因此每个电液伺服驱动器都数据采集传感器、液压执行结构、电液伺服阀和液压源，数据采集传感器能够将电液伺服驱动器的轴力大小与行程通过数据采集器传递给计算机系统，由计算机进行分析和处理，并输出相应控制信号。计算机给出的控制信号经过电液伺服驱动器的液压控制系统解读，来控制液压源中的液压油的压力和流速等，从而控制电液伺服驱动器的行为。
在本实施例中，其中，活动剪切部和固定剪切部都可为剪切盒的上下两部分，剪切盒可为双层套盒，
剪切盒可分为上剪切盒和下剪切盒，活动剪切部可为上剪切盒，固定剪切部可为下剪切盒；
或者，剪切盒可分为内剪切盒和外剪切盒，其中，
所述内剪切盒可为包括上内剪切盒和下内剪切盒的双层套盒，上内剪切盒开口向下并包括能够容纳节理试样上部分的空腔，该空腔能够限制节理试样上部分在上内剪切盒内发生转动或移动；下内剪切盒开口向上并包括能够容纳节理试样下部分的空腔，该空腔能够限制节理试样下部分在下内剪切盒内发生转动或移动；当节理试样置于内剪切盒内时，上、下内剪切盒开口之间的间隙大于所述两个节理面之间的间隙，内剪切盒在法向驱动力的作用下，能够使节理试样上下部分的节理面闭合变形。
所述外剪切盒包括都可为中空结构的上外剪切盒和下外剪切盒，上外剪切盒包括能够容纳上内剪切盒部分盒身的空腔，该空腔能够限制上内剪切盒在上外剪切盒内发生转动或移动；下外剪切盒包括能够容纳下内剪切盒全部盒身的空腔，该空腔能够限制下内剪切盒在下外剪切盒内发生转动或移动；当所述内剪切盒置于外剪切盒中时，所述上外剪切盒和下外剪切盒相接触，上内剪切盒和下内剪切盒之间具有一定的距离，即下外剪切盒的顶部高于上内剪切盒的底部，上内剪切盒的底部高于上外剪切盒的底部。
换而言之，上剪切盒(即活动剪切部)可包括上内剪切盒和活动剪切外盒两层，下剪切盒(即固定剪切部)包括下内剪切盒和下外剪切盒。
本发明的岩石节理自由平剪系统的主要特点包括：
在实验过程中全程由计算机程序自动控制，可实现自动数据采集及处理，并且可以随时有人为干预试验过程。
本发明的系统可配套5套独立的电液伺服系统(也称为电液伺服驱动器)，其中，四套电液伺服系统两两相对设置在水平面，且相邻两个之间夹角为90度，其能够提供两组在水平方向相互垂直的剪切力、剪切变形；另一套电液伺服系统能够提供垂直于水平面的法向压力、法向变形。所述电液伺服系统的控制方式可以分为应变(变形)控制或应力控制。
本发明的刚性框架存贮很小的弹性变形能，因此能够实现刚性试验。
本发明的岩石节理自由平剪系统可以作为自由剪切节理试验机，由于变形的多自由度和加载系统的丰富性，本发明的岩石节理自由平剪系统可以做的实验类型很多，比如传统实验岩石节理闭合加载实验，节理直剪实验，节理循环加卸载实验等等。然而，作为设计初衷，这里列举几个典型的实验例子，来阐明本发明的设计意图以及价值。
图14、15、16示出了一些利用本发明岩石节理自由平剪系统能够实现的实验效果。
在岩体动力学中，节理面上的应力分量都是随时间动态变化的，由信号分析中傅里叶变换的原理可以得出三个相互正交方向上的变形或应力在直角坐标系中呈椭圆轨迹；因此研究复杂动态应力下岩石节理力学性质是十分必要的，比如：如图14所示，节理面上的两个剪应力分量都表现为同频率简写振动，其坐标点为椭圆轨迹，如果加上时间轴则为螺旋线轨迹。而相位、角频率、幅值大小为控制变量，对岩石节理起伏的退化作用和力学性质的变化有密切的影响。类似的，也可以通过控制节理剪切变形分量来达到相应的实验目的。
再如，在一些具有临空自由面的岩体动力问题中，与基岩分离的相对独立块体在动力作用下会发生向临空面的位移，因此结构面上应力的变形轨迹可能类似“蛇”形曲线。因此，我们可以通过对节理试样施加正弦剪切应力规律来研究相应现象和规律。图15示出了实现在一定恒定法向应力与剪应力(即剪切力)荷载下的单向剪切力简谐振动加载的示意图，其中(a)图为以平面破坏型边坡的滑面上的受力示意图，其受力效果如图b所示，如图15所示，平面型滑坡在平行走向方向上动荷载作用下，主滑面上的应力曲线可以类似在一定水平法向应力和下滑应力下的正弦水平剪切的“蛇”形曲线。
在过去的研究中，很多文献表明，节理起伏角、抗剪强度、剪切变形刚度系数随着方向有所变化和分布；对于有一个优势方向的情况，通常可以简化为椭圆分布，如图16所示，其中，(a)图为实验前节理的某些力学性质在空间方向上的分布状态，这里假设为椭圆分布，(b)图为经历一定的加载历史后(本试验机所为)节理响应力学性质在方向上的分布状态，其中，ψ为节理面的方向角，(a)图中的分布参数为(ra,rb,βd,eell)，其中，ra为长轴半径，rb为短轴半径，βd为方向角，eell为离心率，横轴表示为
本发明另一方面提供了一种岩石节理自由平剪方法，所述方法能够通过上述的岩石节理自由平剪系统来进行岩石节理平剪，其中，节理试样在水平任意方向的二自由度平移运动，即不会产生两个节理试样之间的相对转动变形，也不会产生试样相对仪器的转动。
综上所述，本发明有益效果包括：本发明的岩石节理自由平剪系统能够进行多种岩石节理剪切实验，并在实验中能够很好的表现岩石节理加卸载作用下节理某些性质的方向特性。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。