一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统及测试方法

本发明属于岩石动态性能测试，尤其涉及一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统及测试方法。

背景技术：

1、岩体中通常存在天然节理与裂缝，这些节理与裂缝导致岩体内部应力传播途径发生变化，对岩体的强度与变形产生很大的影响。当岩体受地下工程扰动作用，例如爆破、水压致裂、矿产资源开采等活动，其结构面强度降低，易导致岩体沿结构面发生滑移错动，进而引发滑坡或地震等动力灾害，期间伴有动态剪切的过程。岩石结构面动态剪切行为研究主要应用于边坡稳定性分析、地下工程开挖等场景。

2、但是目前实验室用于主要岩体结构面动态直剪的测试系统存在着剪切速率较低，不能完全呈现结构面动态失稳破坏过程，难以实现恒速动态剪切加载，系统设计过于庞大复杂，稳定性和安全性存疑的技术问题，因此，亟需一种用于试验过程简便快捷且稳定性高的岩体结构面动态直剪的测试系统及方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统及测试方法，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统，包括承载框架、加载框架、水平加载装置、法向加载装置、供油装置和数字控制器；

3、所述加载框架固接在所述承载框架一端顶面，且所述加载框架内设有剪切盒，所述剪切盒上设有岩石试样；

4、所述数字控制器固定安装在所述承载框架顶面；

5、所述水平加载装置设置在所述承载框架顶面，且所述水平加载装置的输出端朝向所述岩石试样侧面，所述水平加载装置与所述数字控制器电性连接；

6、所述法向加载装置设置在所述加载框架上，所述法向加载装置的输出端朝向所述岩石试样顶面；

7、所述供油装置位于所述承载框架一侧，所述供油装置与所述水平加载装置连通，且与所述数字控制器电性连接。

8、优选的，所述供油装置包括油箱，所述油箱连通有油泵和蓄能器，所述油泵和所述蓄能器连通有电机阀，所述电机阀与所述水平加载装置连通，所述油泵和所述电机阀安装在所述油箱上，所述蓄能器位于所述油箱一侧，所述油泵和所述电机阀均与所述数字控制器电性连接。

9、优选的，所述水平加载装置包括从左至右依次相连并固定安装在所述承载框架顶面的伺服电机、高速油缸、连接套、第一油缸和第二油缸，所述第二油缸的输出端固接有剪切撞击块，所述剪切撞击块朝向所述岩石试样侧面，所述剪切撞击块上固定安装有激光检测器，所述加载框架侧壁安装有激光器，所述激光器与所述激光检测器中心位置位于同一水平线，且所述伺服电机与所述数字控制器电性连接。

10、优选的，所述高速油缸上开设有高速油缸第一进油口、高速油缸第二进油口和高速油缸回油口，所述电机阀上开设有电机阀第一出油口和电机阀第二出油口，所述高速油缸第一进油口与所述电机阀第一出油口连通，所述高速油缸第二进油口与所述电机阀第二出油口连通，所述油箱上开设有油箱回油口并与所述高速油缸回油口连通。

11、优选的，所述油箱上固定安装有滤油器，所述油泵上开设有油泵进油口和油泵出油口，所述油泵进油口与所述油箱连通，所述油泵出油口与所述滤油器连通，所述滤油器上开设有滤油器出油口，所述电机阀上开设有电机阀第一进油口并与所述滤油器出油口连通。

12、优选的，所述蓄能器上开设有蓄能器进油口和蓄能器出油口，所述蓄能器进油口与所述油箱连通，所述电机阀上开设有电机阀第二进油口并与所述蓄能器出油口连通。

13、优选的，所述油箱上固定安装有油压表，所述油压表与所述电机阀电性连接。

14、优选的，所述剪切盒包括垫板，所述垫板固定安装在所述加载框架内底面，所述垫板上固定安装有左限位块和u型右限位块，所述左限位块和所述u型右限位块合围成一与所述岩石试样相适配的容纳腔，且所述u型右限位块顶面低于所述岩石试样开裂面，所述左限位块上滑动连接有撞击杆，所述撞击杆一端朝向所述岩石试样上开裂部，另一端固接有水平撞击头，所述水平撞击头与所述剪切撞击块可拆卸连接，且所述水平撞击头上固定安装有水平传感器。

15、优选的，所述法向加载装置包括单向液压千斤顶，所述单向液压千斤顶固定安装在所述加载框架顶壁，所述单向液压千斤顶的输出端固接有法向撞击头，所述法向撞击头上固接有方形托盘，所述方形托盘上安装有滚轴，所述滚轴与所述岩石试样顶面可拆卸连接，且所述法向撞击头上安装有法向传感器，所述单向液压千斤顶传动连接有手动液压器，所述手动液压器上安装有液压表。

16、一种岩体结构面恒速动态直剪试验测试方法，包括以下步骤：

17、步骤一：放置岩石试样；

18、步骤二：对岩石试样法向加载；

19、步骤三：调整水平撞击形成与动态剪切速度；

20、步骤四：对岩石试样水平撞击并导出数据；

21、步骤五：实验结束，停止水平撞击和法向加载，移除岩石试样。

22、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

23、通过将岩石试样放置在剪切盒内，并由法向加载机构对岩石试样顶面进行法向力加载，而后通过数字控制器控制供油装置以及水平加载装置，输入撞击行程以及动态剪切速度，在提高剪切速率的前提下，对岩石试样进行恒速动态直剪，以提高测试结果的可靠性和定量分析的准确性，同时试验过程简便快捷且稳定性高。

技术特征：

1.一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统，其特征在于：包括承载框架(2)、加载框架(1)、水平加载装置、法向加载装置、供油装置和数字控制器(35)；

2.根据权利要求1所述的一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统，其特征在于：所述供油装置包括油箱(27)，所述油箱(27)连通有油泵(29)和蓄能器(30)，所述油泵(29)和所述蓄能器(30)连通有电机阀(33)，所述电机阀(33)与所述水平加载装置连通，所述油泵(29)和所述电机阀(33)安装在所述油箱(27)上，所述蓄能器(30)位于所述油箱(27)一侧，所述油泵(29)和所述电机阀(33)均与所述数字控制器(35)电性连接。

3.根据权利要求2所述的一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统，其特征在于：所述水平加载装置包括从左至右依次相连并固定安装在所述承载框架(2)顶面的伺服电机(23)、高速油缸(10)、连接套(34)、第一油缸(3)和第二油缸(4)，所述第二油缸(4)的输出端固接有剪切撞击块(22)，所述剪切撞击块(22)朝向所述岩石试样(16)侧面，所述剪切撞击块(22)上固定安装有激光检测器(20)，所述加载框架(1)侧壁安装有激光器(21)，所述激光器(21)与所述激光检测器(20)中心位置位于同一水平线，且所述伺服电机(23)与所述数字控制器(35)电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统，其特征在于：所述高速油缸(10)上开设有高速油缸第一进油口(24)、高速油缸第二进油口(25)和高速油缸回油口(26)，所述电机阀(33)上开设有电机阀第一出油口(43)和电机阀第二出油口(44)，所述高速油缸第一进油口(24)与所述电机阀第一出油口(43)连通，所述高速油缸第二进油口(25)与所述电机阀第二出油口(44)连通，所述油箱(27)上开设有油箱回油口(32)并与所述高速油缸回油口(26)连通。

5.根据权利要求2所述的一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统，其特征在于：所述油箱(27)上固定安装有滤油器(28)，所述油泵(29)上开设有油泵进油口(36)和油泵出油口(37)，所述油泵进油口(36)与所述油箱(27)连通，所述油泵出油口(37)与所述滤油器(28)连通，所述滤油器(28)上开设有滤油器出油口(41)，所述电机阀(33)上开设有电机阀第一进油口(42)并与所述滤油器出油口(41)连通。

6.根据权利要求2所述的一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统，其特征在于：所述蓄能器(30)上开设有蓄能器进油口(38)和蓄能器出油口(39)，所述蓄能器进油口(38)与所述油箱(27)连通，所述电机阀(33)上开设有电机阀第二进油口(40)并与所述蓄能器出油口(39)连通。

7.根据权利要求2所述的一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统，其特征在于：所述油箱(27)上固定安装有油压表(31)，所述油压表(31)与所述电机阀(33)电性连接。

8.根据权利要求3所述的一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统，其特征在于：所述剪切盒包括垫板(14)，所述垫板(14)固定安装在所述加载框架(1)内底面，所述垫板(14)上固定安装有左限位块(17)和u型右限位块(15)，所述左限位块(17)和所述u型右限位块(15)合围成一与所述岩石试样(16)相适配的容纳腔，且所述u型右限位块(15)顶面低于所述岩石试样(16)开裂面，所述左限位块(17)上滑动连接有撞击杆(18)，所述撞击杆(18)一端朝向所述岩石试样(16)上开裂部，另一端固接有水平撞击头(19)，所述水平撞击头(19)与所述剪切撞击块(22)可拆卸连接，且所述水平撞击头(19)上固定安装有水平传感器(8)。

9.根据权利要求1所述的一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统，其特征在于：所述法向加载装置包括单向液压千斤顶(5)，所述单向液压千斤顶(5)固定安装在所述加载框架(1)顶壁，所述单向液压千斤顶(5)的输出端固接有法向撞击头(9)，所述法向撞击头(9)上固接有方形托盘(12)，所述方形托盘(12)上安装有滚轴(13)，所述滚轴(13)与所述岩石试样(16)顶面可拆卸连接，且所述法向撞击头(9)上安装有法向传感器(11)，所述单向液压千斤顶(5)传动连接有手动液压器(6)，所述手动液压器(6)上安装有液压表(7)。

10.一种岩体结构面恒速动态直剪试验测试方法，基于权利要求1-9任意一项所述的一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
一种岩体结构面恒速动态直剪试验系统及测试方法，包括承载框架、加载框架、水平加载装置、法向加载装置、供油装置和数字控制器；加载框架固接在承载框架一端顶面，且加载框架内设有剪切盒，剪切盒上设有岩石试样；数字控制器固定安装在承载框架顶面；水平加载装置设置在承载框架顶面，且水平加载装置的输出端朝向岩石试样侧面，水平加载装置与数字控制器电性连接；法向加载装置设置在加载框架上，法向加载装置的输出端朝向岩石试样顶面；供油装置位于承载框架一侧，供油装置与水平加载装置连通，且与数字控制器电性连接，本发明能够提高剪切速率，进行恒速动态直剪，提高测试结果的可靠性和定量分析的准确性，同时试验过程简便快捷且稳定性高。

技术研发人员：蔚立元,鞠明和,姚宝山,胡李华,张明伟,陶泽军,袁紫宸,苏晓晓
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15