一种可实现多种剪切模式的真三轴复杂应力加载设备

本发明涉及岩石力学实验，特别涉及一种可实现多种剪切模式的真三轴复杂应力加载设备，适用于真三轴应力下的岩体剪切试验。

背景技术：

1、岩石的室内剪切试验被广泛应用于深部岩石工程、能源开发和地球物理研究中，例如：含结构面滑移引起深部岩石工程的结构控制型破坏、深部油气开发过程断层剪切至使井壁失稳和深部断层蠕滑导致地震，这些灾害的机理研究普遍通过室内试验进行。

2、由于用于室内试验岩石尺寸有限，而试验装置的加载压头尺寸又较大，一般很难将岩石试样直接通过加载活塞进行剪切试验，一般均是通过剪切盒作为传力媒介进行剪切试验。

3、根据剪切盒的形式不同，可以将剪切试验分为两种：圆柱样三维剪切盒和方样直剪剪切盒。圆柱样剪切盒考虑了围压对岩石剪切力学特性的影响，但这种剪切盒一般采用液压油加载的方式进行法向围压施加，难以进行定常法向刚度的剪切试验。目前使用较多的是方样直剪剪切盒，这种剪切盒可以同时进行定常法向应力或定常法向刚度的试验。

4、然而，深部岩体处于三维应力空间内，任何物体都受到来自x、y、z三个正交方向的力，对于剪切试验，可以将三个主应力称为剪切力、法向力和侧向力。在岩体沿着结构面发生滑移时，结构面和岩体始终处于真三向应力状态。不论是圆柱样三维剪切盒还是方样直剪剪切盒，两种剪切盒设计使岩样受力状态不能反映真三向应力状态，而且至少岩样有两个面始终处于临空不受力状态，这都与实际不符。因此，有必要研发适合硬岩在真三向应力下试验的剪切装置。

技术实现思路

1、针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种可实现多种剪切模式的真三轴复杂应力加载设备，通过试样内外壁同时进行强力胶配合圆钉进行夹持的方式，提高了试样固定的稳定性；通过滑轮组配合扭转电机进行扭转应力的加载，以及扭矩传递路径的设计，减少了由于岩石试样在扭矩作用下产生微小变形而导致扭矩损失的情况，提高了在岩石试样上施加扭矩的精确性。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种可实现多种剪切模式的真三轴复杂应力加载设备，包括上部剪切固定机构和下部剪切扭转机构，其特征在于：所述上部剪切固定机构与所述下部剪切扭转机构滑动连接，且所述上部剪切固定机构和下部剪切扭转机构上均活动有用于对空心岩石试样进行夹持固定的试样端部固定组件，所述下部剪切扭转机构上还固设有两组扭矩施加组件，所述扭矩施加组件采用定滑轮和动滑轮相结合的滑轮组方式对空心岩石试样施加扭矩。

4、进一步的，所述上部剪切固定机构包括四个可伸缩的支撑腿，四个所述支撑腿的顶部固设有第一安装板，所述第一安装板的中心开设有圆形的第一通孔，所述第一通孔的顶部连通开设有八边形通孔，所述八边形通孔的内接圆直径大于所述第一通孔的直径，与所述上部剪切固定机构相对应的试样端部固定组件卡设在所述八边形通孔内，且所述试样端部固定组件的底部贯穿所述第一通孔。

5、进一步的，所述试样端部固定组件包括与所述八边形通孔相对应的八角盘，所述八角盘上滑动设有两组试样外侧壁固定组件，每组所述试样外侧壁固定组件均包括对称设置的两个滑动杆，每个所述滑动杆的底部均固设有弧形的夹持环，四个所述夹持环的连线为圆形结构，所述夹持环的内侧设有若干固定钉；所述八角盘上开设有用于所述滑动杆滑动的滑动限位通孔，所述滑动杆贯穿所述滑动限位通孔，且所述夹持环位于所述八角盘的下方，四个所述滑动杆之间设有两组用于驱动所述滑动杆移动的驱动组件。

6、进一步的，每组所述驱动组件均包括两个相互垂直的驱动杆，两个所述驱动杆上下交叉设置，且两个所述驱动杆之间通过固定块连接，每个所述驱动杆的两端均螺纹贯穿相互对应的滑动杆，且每个所述驱动杆的端部均固设有外齿牙，两组驱动组件相互对应的两个驱动杆端部之间通过环形齿带连接，所述环形齿带与所述外齿牙相互啮合；

7、所述驱动杆包括两个旋向相反的第一螺杆和第二螺杆，每个所述第一螺杆和所述第二螺杆之间通过连接轴固定连接，所述连接轴与所述固定块转动连接。

8、进一步的，所述八角盘上还滑动设有试样内侧壁固定组件，所述试样内侧壁固定组件结构与所述试样外侧壁固定组件结构相同，但尺寸小于试样外侧壁固定组件；且所述试样内侧壁固定组件中的滑动杆与所述述试样外侧壁固定组件中的滑动杆沿着圆周交错设置，所述试样内侧壁固定组件上的固定钉位于相互对应的夹持环外侧壁上。

9、进一步的，所述下部剪切扭转机构包括中间板和两个侧板，所述上部剪切固定机构滑动安装在所述中间板上，两组所述扭矩施加组件分别对应安装在两个侧板上；所述中间板的顶部中心固设有支撑圆环，所述支撑圆环上转动套设有扭转盘，所述扭转盘上也开设有上下连通的第一通孔和八边形通孔，与所述下部剪切扭转机构相对应的试样端部固定组件卡设在所述八边形通孔内，且所述下部剪切扭转机构相对应的试样端部固定组件安装方向与所述上部剪切固定机构对应的试样端部固定组件安装方向相反。

10、进一步的，所述扭转盘为两侧对称切除的圆盘结构，且所述扭转盘的两个弧形侧面上均开设有两个相互平行的凹槽，所述扭转盘两个弧形侧面相对的两个角上均固设有用于固定滑索的第一固定柱；两块所述侧板相对的两个角上均固设有用于安装所述扭矩施加组件的第一支撑柱。

11、进一步的，所述扭矩施加组件包括固设在所述第一支撑柱顶部的底部安装块，以及固设在所述侧板上的f型支撑件，所述底部安装块远离所述第一支撑柱的一端与所述f型支撑件的中间杆顶部固定连接；所述底部安装块的左右两侧均安装有扭转电机，两个扭转电机的高度不同，且每个所述扭转电机的输出轴上均安装有空心滑轮；所述底部安装块的顶部还固设有倒z型支撑柱，所述倒z型支撑柱的顶部固设有顶部安装块，所述倒z型支撑柱与所述底部安装块和顶部安装块之间分别对应固设有两个高度不同的第二固定柱，所述第二固定柱也用于固定滑索；所述底部安装块、顶部安装块和f型支撑件之间设有用于连接滑索的滑轮组。

12、进一步的，所述滑轮组包括定滑轮组件和动滑轮组件，所述定滑轮组件包括固设在所述底部安装块和顶部安装块之间的定滑轮轴，所述定滑轮轴上固定套设有定滑轮套筒，所述定滑轮套筒的截面为工字型，且所述定滑轮套筒沿圆周方向固设有两圈第一滑动卡环，两个所述第一滑动卡环上均转动连接有所述空心滑轮；

13、所述动滑轮组件包括滑动设置在所述f型支撑件顶杆和中间杆之间的动滑轮套筒，所述动滑轮套筒的截面也为工字型，且所述工字型的动滑轮套筒两个水平部上均开设有第一滑动槽，每个所述第一滑动槽内均滑动设有滑动环，所述滑动环上固设有用于连接滑索的外挂凸起；所述工字型的动滑轮套筒垂直段上开设有两圈第二滑动卡环，两个所述第二滑动卡环上也都转动连接有所述空心滑轮。

14、进一步的，所述滑轮组上连接有两种不同的滑索，第一种滑索有两根，一端连接在所述滑动环的外挂凸起上，另一端连接在扭转盘相互对应的第一固定柱上，且两根第一种滑索分别卡设在相互对应的扭转盘侧壁上的凹槽内；

15、第二种滑索也有两根，一端连接在扭转电机输出轴上安装的空心滑轮上，另一端绕过相互对应的动滑轮套筒上安装的空心滑轮，然后再绕过对应的定滑轮套筒上安装的空心滑轮，最后固定在对应的第二固定柱上。

16、本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的改进之处在于，

17、1、本发明中岩石的空心扭转剪切测试装置针对当前岩石空心扭转剪切性能测试无法实现高效便捷测量的问题，通过试样内侧壁固定组件结构与试样外侧壁固定组件同时对试样端部的外侧壁和内侧壁进行固定，且固定时固定钉能够扎入强力胶层中，提高了试样端部固定的可靠性；此外，通过滑轮组配合扭转电机对试样加载扭转力，结合扭矩传递路径的设计，减少了由于岩石试样在扭矩作用下产生微小变形而导致扭矩损失的情况，提高了在岩石试样上施加扭矩的精确性。

18、2、本发明中在对试样端部进行固定时，通过对称设置的两个滑动杆之间的相向移动或者背向移动，可以实现对不同直径岩石试样的夹持固定，而且支撑腿的可伸缩设计可以调整上部剪切固定机构与下部剪切扭转机构之间的距离，适用于不同长度的岩石试样；两组驱动组件的平行设置能够提高滑动杆滑动过程中的稳定性，且两组驱动组件之间通过环形齿带连接，只需要对其中一组驱动组件中的一个驱动杆进行转动，即可实现两组驱动组件的同步转动，操作简单，效率高。

19、3、本发明中通过滑轮组和扭转电机的相互配合对试样施加扭转剪切作用力，定滑轮套筒和其上转动连接的空心滑轮组成一个定滑轮组件，能够起到对扭矩进行微调的作用，动滑轮套筒和其上转动连接的空心滑轮以及滑动环组成一个动滑轮组件，动滑轮组件沿着f型支撑件移动，能够起到放大作用力的效果，滑索在扭转盘外侧壁上凹槽内的约束下，能够沿着凹槽的切线方向与扭转盘分离，在试样因扭矩产生转角形变之后，扭转盘随试样变形，但滑索仍沿着凹槽切线方向远离试样，则滑索施加的力的力臂大小不会改变，进而试样施加的扭矩不变，避免了因试样发生转角形变之后试样实际受到的扭矩改变而导致实验结果不准确的情况。