初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的方法及装置

1.本发明属于岩石节理的动态剪切实验技术领域，具体是一种初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的方法及装置。


背景技术：

2.在工程扰动下，岩石节理可能发生位移速率达到甚至超过1m/s的高速剪切滑移，从而诱发节理岩体的失稳。此外，节理岩体的应力状态复杂，受到动态荷载作用之前，岩石节理不仅受到静态法向压力作用，还可能受到静态剪切力作用。解决节理岩体失稳问题的基础是在实验室获取岩石节理的强度和变形参数。因此，迫切需要开发一种能够开展初始法向压力和剪切力作用下岩石节理高速剪切力学实验的方法及装置。
3.目前国内外主要采用直接剪切加载设备和方法进行岩石节理的剪切力学实验。该类设备和方法采用伺服液压方式首先对岩石节理加载法向压力，然后以恒定的力速率或位移速率对岩石节理持续加载剪切力，直至节理发生滑移或破坏。一方面，由于液压伺服技术的限制，这类设备能够实现的岩石节理剪切速率较低，一般低于0.1m/s。另一方面，该类设备和方法仅模拟了岩石节理的法向应力状态，并未考虑岩石节理的初始剪应力状态，这与节理岩体的真实应力环境存在差别。
4.目前国内外尚且没有能够进行初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的方法和设备。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足，提供一种可以在试样达到一定初始法向压力和剪应力条件后，对岩石节理进行高速剪切实验的方法和装置，本发明能够为开展岩石节理的高速剪切力学特性研究提供实验条件。
6.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
7.一种初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的装置，包括加载装置和数据采集系统；其中：
8.所述的加载装置，包括基座以及分别布置在基座上的法向静压加载装置、切向静力加载装置以及冲击剪切加载装置；其中：
9.所述的法向静压加载装置包括法向动力机构、法向作动端以及法向支撑端；法向作动端、法向支撑端分设在岩石节理面处于法向的两侧，且法向作动端与法向动力机构的动力输出端连接，而法向支撑端则与所述的岩石节理试样相触接；法向作动端在法向动力机构的动力驱动下，能够沿着岩石节理面的法向朝向/背离岩石节理试样进行直线移动；
10.所述的切向静力加载装置包括切向动力机构、切向作动端以及切向支撑端；切向作动端、切向支撑端分设在岩石节理面处于切向的两侧，且切向作动端与切向动力机构的动力输出端连接，而切向支撑端则与所述的岩石节理试样相触接；切向作动端在切向动力机构的动力驱动下，能够沿着岩石节理面的切向朝向/背离岩石节理试样进行直线移动；当
切向作动端以及切向支撑端均与岩石节理试样相接时，法向作动端传递荷载至岩石节理试样的作用线与法向支撑端传递荷载至岩石节理试样的作用线相错；
11.所述的冲击剪切加载装置包括冲头发射器以及设置于冲头发射器的发射端的圆柱冲头；圆柱冲头能够在冲头发射器的发射端作动下沿着岩石节理面的切向冲出并撞击切向支撑端的相对端；
12.所述的数据采集系统，包括应力波采集单元和动态位移采集单元；其中：
13.所述的应力波采集单元，用于采集切向作动端、切向支撑端、法向作动端以及法向支撑端中的应力波，包括若干分别设置在切向作动端、切向支撑端、法向作动端以及法向支撑端上的应变片；
14.所述的动态位移采集单元，用于拍摄岩石节理试样的图像。
15.优选地，所述的应力波采集单元所采集到的应力波信息、所述的动态位移采集单元所采集的图像信息均能够反馈至数据处理装置；
16.所述的数据处理装置，根据所接收到的应力波信息、图像信息，能够计算出岩石节理试样随时间变化的动态剪应力、动态法向压力、动态剪切位移、动态法向位移；并能够根据所计算出的动态剪应力、动态法向压力、动态剪切位移、动态法向位移绘制出岩石节理试样的动态剪应力-动态剪切位移曲线、动态法向位移-动态剪切位移曲线、动态法向压力-动态剪切位移曲线。
17.优选地，所述的加载装置还包括反力框架，反力框架包括中心刚性框架、两个x轴反力框架以及两个y轴反力框架；两个x轴反力框架对应为第一、第二x轴反力框架，均沿着中心刚性框架的x轴向布置并分设在中心刚性框架的两侧，同时两个x轴反力框架的内侧端面均与所述的中心刚性框架连接成一体；两个y轴反力框架对应为第一、第二y轴反力框架，均沿着中心刚性框架的y轴向布置并分设在中心刚性框架的两侧，同时两个y轴反力框架的内侧端面均与所述的中心刚性框架连接成一体；
18.岩石节理试样布置在中心刚性框架中，且岩石节理面的切向即为反力框架的x轴向，而岩石节理面的法向则为反力框架的y轴向；
19.所述的法向静压加载装置还包括y轴前压杆以及y轴后压杆；y轴前压杆置于第一y轴反力框架中，且y轴前压杆的一端与第一y轴反力框架固定，另一端则为法向支撑端；y轴后压杆置于第二y轴反力框架中，且y轴后压杆的一端与法向动力机构的动力输出端连接，另一端则为法向作动端；
20.所述的切向静力加载装置还包括入射杆以及透射杆；入射杆置于第一x轴反力框架中，且入射杆的一端与第一x轴反力框架固定，另一端则为切向支撑端；透射杆置于第二x轴反力框架中，且x轴后压杆的一端与切向动力机构的动力输出端连接，另一端则为切向作动端；
21.冲击剪切加载装置设置于第二x轴反力框架的外侧。
22.优选地，所述的基座为十字形水平基座；所述反力框架安装在十字形水平基座中，且中心刚性框架安装在十字形水平基座的中部交叉位置；
23.所述的十字形水平基座沿着x轴向布置有x轴导轨、沿着y轴向布置有y轴导轨；所述的x轴导轨、y轴导轨上可移动地安装有若干压杆支座；
24.所述入射杆、透射杆、y轴前压杆、y轴后压杆均通过对应位置处所设置的压杆支座
支撑。
25.优选地，所述的岩石节理试样由前块岩石和后块岩石拼接而成；所述的数据处理装置中，岩石节理试样的动态剪应力计算公式为：
26.τd(t)＝a
barebar
ε
tr
(t)/a
shear
27.岩石节理试样的动态法向压力计算公式为：
[0028][0029]
岩石节理试样的动态剪切位移计算公式为：
[0030][0031]
岩石节理试样的动态法向位移计算公式为：
[0032][0033]
式中：τd为岩石节理试样的名义动态剪应力；a
bar
为透射杆的横截面积；e
bar
为透射杆的杨氏模量；ε
tr
为透射杆中透射波的应变值；a
shear
为岩石节理试样的名义剪切面积；σ
nd
为岩石节理试样的名义动态法向压力；ε
y1
和ε
y2
分别为y轴前压杆和y轴后压杆中应力波的应变值；u
sd
为岩石节理的动态剪切位移；ui和u
i’分别为前块岩石和后块岩石中关于节理面对称像素点的x轴位移；n为像素点个数；下标i为像素点的序号，取值为1
……
n，n为整数；vd为岩石节理的动态法向位移；vi和v
i’分别为前块岩石和后块岩石中关于节理面对称像素点的y方向位移。
[0034]
优选地，所述的法向作动端以及法向支撑端均通过刚性垫片与岩石节理试样相触；所述的切向作动端、切向支撑端均通过试样适配器与岩石节理试样相触。
[0035]
本发明的第二个技术目的是提供一种初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的装置，包括加载装置和数据采集系统；其中：
[0036]
所述的加载装置包括十字形水平基座、反力框架、x轴导轨、压杆支座、冲头发射器、圆柱冲头、入射杆、透射杆、x轴液压油缸、吸收杆、y轴导轨、y轴前反力框架、y轴后压杆、y轴液压油缸、液压伺服控制系统、试样适配器、刚性垫片；
[0037]
所述反力框架由x轴左反力框架、中心刚性框架、x轴右反力框架、y轴前压杆和y轴后反力框架通过螺栓连接组成；x轴左反力框架、中心刚性框架、x轴右反力框架自左至右通过螺栓连接，并设置于十字形水平基座上，中心刚性框架设置于十字形水平基座两条轴线的交点处；y轴前反力框架、中心刚性框架、y轴后反力框架由前至后通过螺栓连接，并设置于十字形水平基座上；
[0038]
所述加载装置中的x轴导轨自左至右设置于十字形水平基座上，y轴导轨垂直于x轴导轨，由前至后设置于十字形水平基座上；在x轴导轨上，自左至右依次设置冲头发射器和一定数量的压杆支座，冲头发射器位于x轴左反力框架的左侧；圆柱冲头位于冲头发射器内；入射杆和透射杆由压杆支座支撑，三者的轴线与圆柱冲头的轴线重合，入射杆位于x轴左反力框架的内侧，透射杆位于x轴右反力框架的内侧；y轴前压杆、y轴后压杆由y轴导轨上设置的压杆支座支撑，y轴前压杆位于y轴前反力框架的内侧，y轴后压杆位于y轴后反力框架的内侧，且y轴前压杆的轴线与y轴后压杆的轴线重合；入射杆的轴线与y轴的压杆轴线位
于同一水平高度且互相垂直；
[0039]
x轴液压油缸设置于x轴右反力框架的右端，并通过螺栓连接；吸收杆穿过x轴液压油缸的空心活塞，与透射杆紧密接触；y轴液压油缸设置于y轴后反力框架的后端，并通过螺栓连接；x轴液压油缸和y轴液压油缸通过油管与液压伺服控制系统连接；
[0040]
所述数据采集系统包括应力波采集单元和动态位移采集单元；
[0041]
所述的应力波采集单元，用于采集切向作动端、切向支撑端、法向作动端以及法向支撑端中的应力波，包括若干分别设置在切向作动端、切向支撑端、法向作动端以及法向支撑端上的应变片；
[0042]
所述的动态位移采集单元，用于拍摄岩石节理试样的散斑图像。
[0043]
优选地，所述的应变片一共有四对；入射杆、透射杆、y轴前压杆和y轴后压杆的表面各粘贴一对，且粘贴位置位于各杆的长度中间位置。
[0044]
优选地，所述的动态位移采集单元包括高速相机；高速相机设置于中心刚性框架的正上方，镜头垂直于岩石节理试样的上表面；高速相机与示波器通过电缆连接，由示波器触发高速相机开始图像采集。
[0045]
本发明的第三个技术目的是提供一种初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验方法，其采用本发明提供的一种初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验装置，包括以下步骤：
[0046]
步骤1，岩石节理试样制备
[0047]
岩石节理试样由前块岩石和后块岩石拼接成立方体，立方体的尺寸与入射杆、透射杆、y轴压杆的横截面尺寸一致；试样的上表面喷涂随机分布的散斑；
[0048]
步骤2，试样安装与定位
[0049]
将制备好的试样放置于入射杆与透射杆之间，节理面切向沿x轴；入射杆和透射杆靠近试样的一端分别设置一块试样适配器，且确保入射杆端试样适配器的右端面与前块岩石的左端面重合，透射杆端试样适配器的左端面与后块岩石的右端面重合；y轴前压杆、y轴后压杆靠近试样的一端分别设置一块刚性垫片；利用x轴液压油缸和y轴液压油缸分别推动透射杆、y轴后压杆靠近试样，当试样与试样适配器和刚性垫片紧密接触，且试样的中心与入射杆-透射杆轴线和y轴前压杆-y轴后压杆轴线的交点重合时，试样定位完成；
[0050]
步骤3，节理法向静压和切向静力加载
[0051]
为确保试样的中心不发生偏移，节理法向静压和切向静力交替分级加载，荷载分级不低于两级；具体是首先利用y轴液压油缸加载法向压力，压力达到第一级目标值时，使压力保持稳定，然后利用x轴液压油缸加载切向剪应力，剪应力达到第一级目标值时，使其保持稳定；按此方式完成所有荷载分级的加载；
[0052]
步骤4，数据采集系统准备
[0053]
首先检查应力波采集单元及动态位移采集单元的各部分之间的连接，确保正常通讯；然后设定采集参数；最后设定数据采集系统处于待触发状态；
[0054]
步骤5，冲击剪切加载及数据采集
[0055]
将圆柱冲头推入冲头发射器中，利用高压气体驱动圆柱冲头作直线加速运动，使圆柱冲头撞击入射杆，从而在入射杆中产生入射波；入射波传播至入射杆上应变片处时，触发示波器开始应力波采集，示波器同时向高速相机发出信号，使高速相机开始拍摄试样的
散斑图像；
[0056]
步骤6，数据存储及处理
[0057]
冲击剪切加载完成后，分别将示波器中缓存的应力波信号和高速相机中缓存的图像保存到计算机中；岩石节理的动态剪应力根据透射杆中的透射波按式(1)计算，即：
[0058]
τd(t)＝a
barebar
ε
tr
(t)/a
shear
ꢀꢀ
(1)
[0059]
式(1)中：τd为岩石节理试样的名义动态剪应力；a
bar
为透射杆的横截面积；e
bar
为透射杆的杨氏模量；ε
tr
为透射杆中透射波的应变值；a
shear
为岩石节理试样的名义剪切面积。
[0060]
岩石节理试样的动态法向压力根据y轴前压杆和y轴后压杆中的应力波按式(2)计算，即：
[0061][0062]
式(2)中：σ
nd
为岩石节理试样的名义动态法向压力；ε
y1
和ε
y2
分别为y轴前压杆和y轴后压杆中应力波的应变值。
[0063]
根据拍摄到的散斑图像，计算出每一时刻试样被测表面的位移场；然后将每一时刻前块岩石和后块岩石中关于节理面对称像素点的x轴位移相减，最后求出所有x轴位移差的平均值，即可得到每一时刻岩石节理的动态剪切位移，如式(3)所示：
[0064][0065]
式(3)中：u
sd
为岩石节理的动态剪切位移；ui和u
i’分别为前块岩石和后块岩石中关于节理面对称像素点的x轴位移；n为像素点个数；下标i为像素点的序号，取值为1
……
n，n为整数；
[0066]
同理，将每一时刻前块岩石和后块岩石中关于节理面对称像素点的y方向位移相减，最后求出所有y方向位移差的平均值，即可得到每一时刻岩石节理的动态法向位移，如式(4)所示：
[0067][0068]
式(4)中：vd为岩石节理的动态法向位移；vi和v
i’分别为前块岩石和后块岩石中关于节理面对称像素点的y方向位移；
[0069]
利用上述计算结果绘制岩石节理的动态剪应力-动态剪切位移曲线、动态法向位移-动态剪切位移曲线、动态法向压力-动态剪切位移曲线。
[0070]
基于上述的技术方案，本发明将具有如下的有益效果：
[0071]
本发明采用法向静压加载装置给岩石节理试样加载法向静压，采用切向静力加载装置给岩石节理试样加载切向静力，因此，本发明可以在岩石节理试样的法向、切向均加载的情况下采用冲击剪切加载装置施加冲击剪切力。由此可知，本发明在进行岩石节理试样的剪切试验时，可以考虑到岩石节理的初始剪应力状态，更能贴合节理岩体的真实应力环境，使得测试结果更客观精准；此外，岩石节理的剪切速率可以达到10m/s的量级，远超现有技术设备；同时，本发明提供的技术方案可以满足平直岩石节理、起伏岩石节理、粗糙岩石节理等多种岩石节理试样的测试需求。
附图说明
[0072]
图1为岩石节理的高速冲击剪切实验原理示意图；
[0073]
图2为岩石节理的高速冲击剪切实验加载装置三维图。
[0074]
图中，1为十字形水平基座；2为x轴导轨；3为压杆支座；4为冲头发射器；5为圆柱冲头；6为x轴左反力框架；7为入射杆；8为中心刚性框架；9为x轴右反力框架；10为透射杆；11为x轴液压油缸；12为吸收杆；13为y轴导轨；14为y轴前反力框架；15为y轴前压杆；16为y轴后反力框架；17为y轴后压杆；18为y轴液压油缸；20为试样适配器；30为刚性垫片。
具体实施方式
[0075]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0076]
如图1、图2所示，本发明所述的初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的装置，包括加载装置和数据采集系统；其中：
[0077]
所述的加载装置，包括基座、反力框架以及分别布置在基座上的法向静压加载装置、切向静力加载装置以及冲击剪切加载装置；其中：
[0078]
所述的基座为十字形水平基座。
[0079]
所述的反力框架，安装在十字形水平基座中，呈十字形设置，包括中心刚性框架、两个x轴反力框架以及两个y轴反力框架；中心刚性框架安装在十字形水平基座的中部交叉位置，两个x轴反力框架对应为第一、第二x轴反力框架，均沿着中心刚性框架的x轴向布置并分设在中心刚性框架的两侧，同时两个x轴反力框架的内侧端面均与所述的中心刚性框架连接成一体；两个y轴反力框架对应为第一、第二y轴反力框架，均沿着中心刚性框架的y轴向布置并分设在中心刚性框架的两侧，同时两个y轴反力框架的内侧端面均与所述的中心刚性框架连接成一体；岩石节理试样布置在中心刚性框架中，且岩石节理试样节理面的切向即为反力框架的x轴向，而岩石节理试样节理面的法向则为反力框架的y轴向。
[0080]
所述的法向静压加载装置包括法向动力机构、y轴前压杆、y轴后压杆、法向作动端以及法向支撑端；y轴前压杆置于第一y轴反力框架中，且y轴前压杆的一端与第一y轴反力框架固定，另一端则为法向支撑端；y轴后压杆置于第二y轴反力框架中，且y轴后压杆的一端与法向动力机构的动力输出端连接，另一端则为法向作动端；法向作动端、法向支撑端分设在岩石节理试样节理面处于法向的两侧，法向作动端在法向动力机构的动力驱动下，能够沿着岩石节理试样节理面的法向朝向/背离岩石节理试样进行直线移动。
[0081]
所述的切向静力加载装置包括切向动力机构、入射杆、透射杆、切向作动端以及切向支撑端；入射杆置于第一x轴反力框架中，且入射杆的一端与第一x轴反力框架固定，另一端则为切向支撑端；透射杆置于第二x轴反力框架中，且x轴后压杆的一端与切向动力机构的动力输出端连接，另一端则为切向作动端；切向作动端、切向支撑端分设在岩石节理试样节理面处于切向的两侧，且切向支撑端则与所述的岩石节理试样相触接；切向作动端在切向动力机构的动力驱动下，能够沿着岩石节理面的切向朝向/背离岩石节理试样进行直线移动；当切向作动端以及切向支撑端均与岩石节理试样相接时，法向作动端传递荷载至岩石节理试样的作用线与法向支撑端传递荷载至岩石节理试样的作用线相错。
[0082]
本发明中，法向动力机构、切向动力机构均为液压油缸。
[0083]
所述的冲击剪切加载装置，设置于第二x轴反力框架的外侧，包括冲头发射器以及
设置于冲头发射器的发射端的圆柱冲头；圆柱冲头能够在冲头发射器的发射端作动下沿着岩石节理面的切向冲出并撞击切向支撑端的相对端。
[0084]
所述的数据采集系统，包括应力波采集单元和动态位移采集单元；其中：
[0085]
所述的应力波采集单元，用于采集切向作动端、切向支撑端、法向作动端以及法向支撑端中的应力波，包括若干分别设置在切向作动端、切向支撑端、法向作动端以及法向支撑端上的应变片。
[0086]
所述的动态位移采集单元，用于拍摄岩石节理试样的散斑图像。
[0087]
所述的十字形水平基座沿着x轴向布置有x轴导轨、沿着y轴向布置有y轴导轨；所述的x轴导轨、y轴导轨上可移动地安装有若干压杆支座；所述入射杆、透射杆、y轴前压杆、y轴后压杆均通过对应位置处所设置的压杆支座支撑。
[0088]
以下将结合本发明的技术方案提供一些优选实施例。
[0089]
实施例1
[0090]
图1所示为初始剪应力条件下岩石节理高速剪切的实验原理，图1中σ
x0
、σ
y0
分别为冲击剪切前对岩石节理试样加载的初始剪切力和初始法向压力；冲击过程中，首先在入射杆7中产生加载波σ
xi
，加载波经试样适配器20，进一步作用于前块岩石40，驱动前块岩石40发生向右的滑动；从而在岩石节理上产生了摩阻力，驱动后块岩石41产生向右的滑动趋势，并对透射杆10左端的试样适配器20产生挤压，最终作用于透射杆10，在透射杆10中产生透射波σ
xt
；由于岩石节理的法向膨胀变形，产生对刚性垫片30的挤压，最终在y轴前压杆15和y轴后压杆17中形成应力波σ
y1
和σ
y2
。
[0091]
一种初始剪应力条件下岩石节理的高速剪切实验装置，包括加载装置和数据采集系统；
[0092]
图2所示为所述的加载装置三维图，它包括十字形水平基座1、x轴导轨2、压杆支座3、冲头发射器4、圆柱冲头5、x轴左反力框架6、入射杆7、中心刚性框架8、x轴右反力框架9、透射杆10、x轴液压油缸11、吸收杆12、y轴导轨13、y轴前反力框架14、y轴前压杆15、y轴后反力框架16、y轴后压杆17、y轴液压油缸18、液压伺服控制系统19、试样适配器20、刚性垫片30；
[0093]
x轴左反力框架6、中心刚性框架8、x轴右反力框架9、y轴前反力框架14和y轴后反力框架16通过螺栓连接组成反力框架；x轴左反力框架6、中心刚性框架8、x轴右反力框架9自左至右通过螺栓连接，并设置于十字形水平基座1上，中心刚性框架8设置于十字形水平基座1两条轴线的交点处；y轴前反力框架14、中心刚性框架8、y轴后反力框架16自前至后通过螺栓连接，并设置于十字形水平基座1上；
[0094]
x轴导轨2自左至右设置于十字形水平基座1上，y轴导轨13垂直于x轴导轨2，由前至后设置于十字形水平基座1上；在x轴导轨2上，自左至右依次设置冲头发射器4和一定数量的压杆支座3，冲头发射器4位于x轴左反力框架6的左侧；圆柱冲头5位于冲头发射器4内；入射杆7和透射杆10由压杆支座3支撑，三者的轴线与圆柱冲头5的轴线重合，入射杆7位于x轴左反力框架6的内侧，透射杆10位于x轴右反力框架9的内侧；y轴前压杆15、y轴后压杆17由y轴导轨上设置的压杆支座支撑，y轴前压杆位于y轴前反力框架的内侧，y轴后压杆位于y轴后反力框架的内侧，且y轴前压杆15的轴线与y轴后压杆17的轴线重合；入射杆7的轴线与y轴的压杆15轴线位于同一水平高度，且互相垂直；
[0095]
x轴液压油缸设置于x轴右反力框架的外侧，并通过螺栓连接；吸收杆12穿过x轴液压油缸11的空心活塞，与透射杆10紧密接触；y轴液压油缸18设置于y轴后反力框架16的外侧，并通过螺栓连接；x轴液压油缸11和y轴液压油缸18通过油管与液压伺服控制系统19连接；
[0096]
入射杆7、透射杆10、y轴前压杆15和y轴后压杆17具有相同的横截面，横截面尺寸为50mm
×
50mm，入射杆7长度为2.5m，透射杆10、y轴前压杆15和y轴后压杆17的长度相同，均为2.0m；
[0097]
圆柱冲头5的横截面直径为40mm，长度为200mm～700mm；
[0098]
试样适配器20的厚度为5mm，长度为50mm，宽度为25mm，材质与入射杆7一致，其作用是将入射杆7和透射杆10的荷载传递到试样，并确保试样左端和右端的荷载作用线不共线；
[0099]
刚性垫片30的厚度为5mm，长度为50mm，宽度为50mm，材质与y轴前压杆15一致，其作用是减小试样与y轴压杆15和17之间的摩擦，确保试样可沿x轴自由滑动；
[0100]
数据采集系统包括应力波采集单元和动态位移采集单元；
[0101]
应力波采集单元由应变片、惠斯通电桥、超动态应变仪和示波器组成；
[0102]
动态位移采集单元由高速相机、高能补光灯组成；
[0103]
四对应变片分别粘贴在入射杆7、透射杆10、y轴前压杆15和y轴后压杆17的表面，粘贴位置位于各杆的长度中间位置；应变片、惠斯通电桥、超动态应变仪和示波器通过专用电缆依次连接，用于测量入射杆7、透射杆10、y轴前压杆15和y轴后压杆17中的应力波；
[0104]
高速相机设置于中心刚性框架8的正上方，镜头垂直于试样上表面；高速相机与示波器通过专用电缆连接，由示波器触发高速相机开始图像采集。
[0105]
实施例2
[0106]
本实施例提供一种初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验方法，其采用上述的初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验装置来实现，具体包括以下步骤：
[0107]
步骤一、岩石节理试样制备
[0108]
岩石节理试样由前块岩石40和后块岩石41拼接成立方体，每一块岩石的几何尺寸为：长度
×
宽度
×
厚度＝50mm
×
25mm
×
50mm；试样的上表面喷涂随机分布的散斑。
[0109]
步骤二、试样安装与定位
[0110]
将制备好的试样放置于入射杆7与透射杆10之间，节理面切向沿x轴；入射杆7、透射杆10靠近试样的一端分别设置一块试样适配器20，且确保入射杆7端试样适配器20的右端面与前块岩石40的左端面重合，透射杆10左端试样适配器20的左端面与后块岩石41的右端面重合；y轴前压杆15、y轴后压杆17靠近试样的一端分别设置一块刚性垫片30；利用x轴液压油缸11和y轴液压油缸18分别推动透射杆10、y轴后压杆17靠近试样，当试样与试样适配器20和刚性垫片30紧密接触，且试样的中心与入射杆7-透射杆10轴线和y轴前压杆15-y轴后压杆17轴线的交点重合时，试样定位完成；
[0111]
步骤三、节理法向静压和切向静力加载
[0112]
为确保试样的中心不发生偏移，节理的法向静压和切向静力交替分级加载；例如，拟加载的法向静压为10mpa，切向静力为4mpa，将法向静压分为3mpa、6mpa、10mpa三个等级，将切向静力分为1mpa、2mpa和4mpa三个等级；首先利用y轴液压油将法向压力加载至3mpa，
并使压力保持稳定，然后利用x轴液压油缸加载切向静力至1mpa，并使切向静力保持稳定；接着，继续加载法向压力至6mpa，压力保持稳定后，加载切向静力至2mpa并保持稳定；最后，加载法向压力至10mpa，压力保持稳定后，加载切向静力至4mpa。
[0113]
步骤四、数据采集系统准备
[0114]
检查应力波采集单元及动态位移采集单元的各部分之间的连接，确保正常通讯；然后设定采集参数；最后设定数据采集系统处于待触发状态。
[0115]
步骤五、冲击剪切加载及数据采集
[0116]
将圆柱冲头5推入冲头发射器4中，利用高压气体驱动圆柱冲头5作直线加速运动，使圆柱冲头5撞击入射杆7，从而在入射杆7中产生入射波；入射波传播至入射杆7上应变片处时，触发示波器开始应力波采集，示波器会同时向高速相机发出信号，使高速相机开始拍摄试样的散斑图像；
[0117]
步骤六、数据存储及处理
[0118]
冲击剪切加载完成后，分别将示波器中缓存的应力波信号和高速相机中缓存的图像保存到计算机中；岩石节理试样的动态剪应力根据透射杆10中的透射波按式(1)计算，即：
[0119]
τd(t)＝a
barebar
ε
tr
(t)/a
shear
ꢀꢀ
(1)
[0120]
式(1)中：τd为岩石节理试样的名义动态剪应力；a
bar
为透射杆10的横截面积；e
bar
为透射杆10的杨氏模量；ε
tr
为透射杆10中透射波的应变值；a
shear
为岩石节理试样的名义剪切面积。
[0121]
岩石节理试样的动态法向压力根据y轴前压杆15和y轴后压杆17中的应力波按式(2)计算，即：
[0122][0123]
式(2)中：σ
nd
为岩石节理试样的名义动态法向压力；ε
y1
和ε
y2
分别为y轴前压杆15和y轴后压杆17中应力波的应变值。
[0124]
根据拍摄到的散斑图像，计算出每一时刻试样被测表面的位移场；然后将每一时刻前块岩石40和后块岩石41中关于节理面对称像素点的x方向位移相减，最后求出所有x方向位移差的平均值，即可得到每一时刻岩石节理的动态剪切位移，如式(3)所示：
[0125][0126]
式(3)中：u
sd
为岩石节理的动态剪切位移；ui和u
i’分别为前块岩石40和后块岩石41中关于节理面对称像素点的x方向位移；n为像素点个数；下标i为像素点的序号，取值为1
……
n，n为整数；
[0127]
同理，将每一时刻前块岩石40和后块岩石41中关于节理面对称像素点的y方向位移相减，最后求出所有y方向位移差的平均值，即可得到每一时刻岩石节理的动态法向位移，如式(4)所示：
[0128][0129]
式(4)中：v
sd
为岩石节理的动态法向位移；vi和v
i’分别为前块岩石40和后块岩石
41中关于节理面对称像素点的y方向位移；
[0130]
利用上述计算结果绘制岩石节理的动态剪应力-动态剪切位移曲线、动态法向位移-动态剪切位移曲线、动态法向压力-动态剪切位移曲线。
[0131]
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0132]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。