深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统及方法技术方案

本发明专利技术属于岩石测试技术领域，具体公开了一种深地多场与复杂应力耦合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、节约成本，并便于对岩石试样进行三轴围压

【技术实现步骤摘要】
深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统及方法


[0001]本专利技术属于岩石测试
，具体涉及一种深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统及方法。

技术介绍

[0002]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、围压、渗流等作用。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。
[0003]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的中国专利技术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。
[0004]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。
[0005]例如：公布号为CN108152147A的中国专利技术专利申请就公开了一种岩石试样扭裂破坏实验装置，其包括主机架，主机架的上横梁和下横梁上分别安装有用于给岩石试样施加压力的主液压缸组和双杆液压缸组，主液压缸组的主活塞杆穿过上横梁的端部设置有一负荷传感器；上横梁的下表面正对主活塞杆处设置有限制负荷传感器和主活塞杆旋转的防转机构；防转机构上设置有其上具有与岩石试样配合的凹槽的试样上压块；双杆液压缸组的副活塞杆一端穿过下横梁、并在其上安装上试样下压块，试样下压块上开设有与试样上压
块上的凹槽配合用于装夹岩石试样的凹槽；副活塞杆另一端穿出副缸体、并在其上安装上轴承；下横梁的一侧设置有给岩石试样施加扭矩的动力输出机构，动力输出机构通过传动机构与连接轴连接；连接轴上安装有扭矩传感器，扭矩传感器另一端与副活塞杆设置有轴承的端部固定连接；扭矩传感器、负荷传感器、主液压缸组、双杆液压缸组和动力输出机构均与控制模块连接。
[0006]虽然上述的岩石试样扭裂破坏实验装置通过设置主液压缸组和双杆液压缸组，能够用于给岩石试样施加轴向压力，并通过设置动力输出机构再由传动机构将动力输出机构与连接轴连接，能够用于给岩石试样施加扭矩，实现对岩石同时受轴向压力和扭剪力作用变形和破坏情况等的研究，但是这无疑增加了装置的复杂程度和体积，而且其不能够将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，需要另外设计制造用于提供轴向压力的主液压缸组和双杆液压缸组、以及用于提供扭剪力的动力输出机构，这无疑增加了设备成本，并会更多地占用实验室空间。另外，上述的岩石试样扭裂破坏试验装置缺乏加载三轴围压、温度场和渗流场的机构，不便于对岩石试样进行三轴围压
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轴压
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扭剪耦合试验测试，也不便于对岩石试样进行三轴围压
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温度
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轴压
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扭剪耦合试验测试，也不便于对岩石试样进行三轴围压
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轴压
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渗流
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扭剪耦合试验测试，也不便于对岩石试样进行三轴围压
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温度
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轴压
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渗流
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扭剪耦合试验测试。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统，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、节约成本，并便于对岩石试样进行三轴围压
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温度
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轴压
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扭剪耦合试验测试。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统，包括装置主体和试样固定机构；所述装置主体内设有工作腔；所述试样固定机构包括两个相对设置在工作腔中的试样固定头，两个试样固定头彼此相对应的部位处均设有试样固定部；还包括三轴压力室；所述装置主体上与两个试样固定头相对应的部位分别为第一安装位和第二安装位；所述装置主体的第一安装位和/或第二安装位处设置有动力转换组件，所述动力转换组件包括扭矩输出件、动力输入件、传动机构和轴压机构；所述扭矩输出件可转动地设置在装置主体上，并与所对应的试样固定头固定连接，且可带动与之相连的试样固定头相对于另一个试样固定头转动；所述动力输入件活动设置，并可沿直线运动；所述传动机构分别与扭矩输出件和动力输入件传动连接，并能够将动力输入件的直线运动转换为扭矩输出件的旋转运动；所述轴压机构包括可滑动地设置在动力输入件内的压力轴，所述压力轴的内端依次穿过动力输入件的内端、扭矩输出件及与扭矩输出件相连的试样固定头并伸至试样固定部处，所述压力轴的外端开设有滑槽；所述轴压机构还包括可滑动地设置在压力轴的滑槽中并与该滑槽围成压力腔的
活塞，所述压力腔中设有加压介质；所述加压介质产生的压力能够使得活塞的外端面与动力输入件的外端面齐平；所述三轴压力室的内腔为三轴压力腔，所述三轴压力室上开设有可供压杆穿入三轴压力腔的压杆过孔；所述装置主体设置在三轴压力腔中，且至少有一个动力输入件与压杆过孔相对应。
[0009]进一步的，所述装置主体包括装置底座、设置在装置底座上的支架杆、以及设置在支架杆顶端的装置上盖；所述工作腔为装置底座与装置上盖之间的空间位置。
[0010]进一步的，所述支架杆为长度可调的伸缩支撑杆，其至少为三根，并呈环形阵列分布。
[0011]进一步的，所述轴压机构还包括分别与压力腔连通的加压介质进入管和加压介质排出管，以及设置在压力轴的滑槽中用于对活塞进行限位的卡台。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统，包括装置主体（100）和试样固定机构（200）；所述装置主体（100）内设有工作腔（110）；所述试样固定机构（200）包括两个相对设置在工作腔（110）中的试样固定头，两个试样固定头彼此相对应的部位处均设有试样固定部；其特征在于：还包括三轴压力室（600）；所述装置主体（100）上与两个试样固定头相对应的部位分别为第一安装位和第二安装位；所述装置主体（100）的第一安装位和/或第二安装位处设置有动力转换组件（300），所述动力转换组件（300）包括扭矩输出件（310）、动力输入件（320）、传动机构（330）和轴压机构（340）；所述扭矩输出件（310）可转动地设置在装置主体（100）上，并与所对应的试样固定头固定连接，且可带动与之相连的试样固定头相对于另一个试样固定头转动；所述动力输入件（320）活动设置，并可沿直线运动；所述传动机构（330）分别与扭矩输出件（310）和动力输入件（320）传动连接，并能够将动力输入件（320）的直线运动转换为扭矩输出件（310）的旋转运动；所述轴压机构（340）包括可滑动地设置在动力输入件（320）内的压力轴（341），所述压力轴（341）的内端依次穿过动力输入件（320）的内端、扭矩输出件（310）及与扭矩输出件（310）相连的试样固定头并伸至试样固定部处，所述压力轴（341）的外端开设有滑槽；所述轴压机构（340）还包括可滑动地设置在压力轴（341）的滑槽中并与该滑槽围成压力腔（343）的活塞（342），所述压力腔（343）中设有加压介质；所述加压介质产生的压力能够使得活塞（342）的外端面与动力输入件（320）的外端面齐平；所述三轴压力室（600）的内腔为三轴压力腔（610），所述三轴压力室（600）上开设有可供压杆（710）穿入三轴压力腔（610）的压杆过孔（620），所述三轴压力腔（610）中设置有加热元件；所述装置主体（100）设置在三轴压力腔（610）中，且至少有一个动力输入件（320）与压杆过孔（620）相对应。2.根据权利要求1所述的深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统，其特征在于：所述装置主体（100）包括装置底座（120）、设置在装置底座（120）上的支架杆（130）、以及设置在支架杆（130）顶端的装置上盖（140）；所述工作腔（110）为装置底座（120）与装置上盖（140）之间的空间位置；所述支架杆（130）为长度可调的伸缩支撑杆，其至少为三根，并呈环形阵列分布。3.根据权利要求2所述的深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统，其特征在于：所述轴压机构（340）还包括分别与压力腔（343）连通的加压介质进入管（344）和加压介质排出管（345），以及设置在压力轴（341）的滑槽中用于对活塞（342）进行限位的卡台（346）。4.根据权利要求3所述的深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统，其特征在于：还包括压力轴加压模块、围压场模块和温度场模块；所述压力轴加压模块的加压介质出口与加压介质进入管（344）连接，其加压介质进口与加压介质排出管（345）连接；所述围压场模块的围压介质出口与三轴压力室（600）的加压口连通，其围压介质进口与三轴压力室（600）的泄压口连通；
所述温度场模块包括温度场控制器、温度场传感器和电源；所述温度场传感器设置在三轴压力腔（610）中，所述加热元件、温度场传感器和电源均与温度场控制器电性连接。5.根据权利要求4所述的深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统，其特征在于：两个试样固定头分别为上下设置的试样上固定头（210）和试样下固定头（220）；所述装置主体（100）的第一安装位与试样上固定头（210）相对应，且仅在第一安装位处设置动力转换组件（300）；所述试样下固定头（220）与装置底座（120）固定连接；所述扭矩输出件（310）呈环形；所述动力输入件（3...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建锋，谢和平，马超，杨建雄，王璐，冉莉娜，蔡友刚，张保同，李相厚，武志德，王春萍，邓建辉，符文熹，雷孝章，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：