初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的方法及装置

技术特征：
1.一种初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的装置，其特征在于，包括加载装置和数据采集系统；其中：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：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；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；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；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：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；所述的动态位移采集单元，用于拍摄岩石节理试样的图像。2.根据权利要求1所述的初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的装置，其特征在于，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；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。3.根据权利要求2所述的初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的装置，其特征在于，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；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；
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；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；冲击剪切加载装置设置于第二x轴反力框架的外侧。4.根据权利要求3所述的初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的装置，其特征在于，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；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。5.根据权利要求3所述的初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的装置，其特征在于，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：τ
d
(t)＝a
bar
e
bar
ε
tr
(t)/a
shear
岩石节理试样的动态法向压力计算公式为：岩石节理试样的动态剪切位移计算公式为：岩石节理试样的动态法向位移计算公式为：式中：τ
d
为岩石节理的名义动态剪应力；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
为岩石节理的名义剪切面积；σ
nd
为岩石节理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；u
i
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；下标i为像素点的序号；n为像素点个数；v
d
为岩石节理的动态法向位移；v
i
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；t为动态加载时间。6.根据权利要求3所述的初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的装置，其特征在于，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。7.一种初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的装置，其特征在于，包括加载装置
和数据采集系统；其中：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；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；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；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；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；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；所述的动态位移采集单元，用于拍摄岩石节理试样的图像。8.根据权利要求7所述的初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的装置，其特征在于，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。9.根据权利要求7所述的初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的装置，其特征在于，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。10.一种初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验方法，基于权利要求7所述的初始剪应力条件下岩石节理高速剪切实验的装置而实现，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、岩石节理试样制备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；步骤二、试样安装与定位将制备好的岩石节理试样放置于入射杆与透射杆之间，岩石节理面切向沿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；步骤三、节理法向静压和切向静力加载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：首先利用y轴液压油缸加载法向压力，法向压力达到第一级目标值时，使法向压力保持稳定；然后利用x轴液压油缸加载切向剪应力，切向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；步骤四、数据采集系统准备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；步骤五、冲击剪切加载及数据采集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；步骤六、数据存储及处理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中的透射波按式(1)计算，即：τ
d
(t)＝a
bar
e
bar
ε
tr
(t)/a
shear
ꢀꢀ
(1)式(1)中：τ
d
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；t为动态加载时间。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：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；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：式(3)中：u
sd
为岩石节理的动态剪切位移；u
i
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。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：式(4)中：v
d
为岩石节理的动态法向位移；v
i
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；利用上述计算结果即可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。

技术总结
本发明公开了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。实验装置包括加载装置和数据采集系统。加载装置包括基座、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。因此，本发明可以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，由此可知，本发明在进行岩石节理试样的剪切试验时，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，从而对岩石节理的初始剪应力状态加以考虑，更能贴合节理岩体的真实应力环境，使得测试结果客观精准。试结果客观精准。试结果客观精准。


技术研发人员：袁伟 李建春 宫凤强
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.07.20
技术公布日：2022/10/11