本發(fā)明涉及地下工程試驗(yàn)和測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種巖體循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化水平的提高和城市人口的增加，人類因居住和從事各種活動(dòng)而爭(zhēng)占土地的矛盾日趨激化。從宏觀上看，人口的增加和生活需求的增長(zhǎng)與土地等自然條件的日益惡化和資源的逐漸枯竭引起的人類生存空間問(wèn)題，已達(dá)到了危機(jī)的程度。在這種情況下，地下空間資源的開(kāi)發(fā)與綜合利用，為人類生存空間的擴(kuò)展提供了具有很大潛力的自然資源。

然而在地下空間的開(kāi)發(fā)利用中，需要對(duì)工程所處的圍巖類別進(jìn)行分級(jí)，并根據(jù)圍巖分級(jí)等相關(guān)情況對(duì)開(kāi)挖巖體進(jìn)行支護(hù)。如果支護(hù)不當(dāng)則會(huì)發(fā)生類似圍巖坍塌的工程事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且給施工人員的生命安全造成威脅。因此，圍巖分級(jí)的準(zhǔn)確性、以及巖土工程支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)確保工程的施工安全、節(jié)省工程經(jīng)濟(jì)成本都具有重大的意義。而在圍巖分級(jí)和支護(hù)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，巖體剪切參數(shù)的準(zhǔn)確選取起著至關(guān)重要的作用。

在地下硐室開(kāi)挖以及礦山開(kāi)采過(guò)程中，圍巖應(yīng)力和變形極其復(fù)雜，巖體不連續(xù)面之間的剪切錯(cuò)動(dòng)并不一定沿特定方向進(jìn)行，而可能產(chǎn)生循環(huán)反復(fù)的錯(cuò)動(dòng)，因此需要研究巖體在循環(huán)剪切作用下的力學(xué)和變形性能。在地震發(fā)生的情況下，由于地震波是一段循環(huán)波形，因此也會(huì)在巖體中引發(fā)強(qiáng)烈的循環(huán)剪切作用，細(xì)致研究巖體的循環(huán)剪切特性對(duì)于減少地震造成的災(zāi)害也具有重要意義。

當(dāng)巖體所在的原巖應(yīng)力水平不同時(shí)，巖體的循環(huán)剪切參數(shù)會(huì)存在差異。然而目前的剪切試驗(yàn)裝置無(wú)法在模擬巖體原巖應(yīng)力的條件下，進(jìn)行相應(yīng)的循環(huán)剪切試驗(yàn)，使剪切試驗(yàn)的模擬環(huán)境失真，導(dǎo)致所獲得的力學(xué)參數(shù)與實(shí)際情況差異較大，甚至?xí)斐蓢鷰r分級(jí)的錯(cuò)誤確定、進(jìn)而誤導(dǎo)開(kāi)挖工法和支護(hù)設(shè)計(jì)的合理選擇，對(duì)施工安全造成嚴(yán)重隱患、或造成工程經(jīng)濟(jì)成本的不必要浪費(fèi)。

此外，地下工程巖體和錨固條件下巖體均處于恒定法向剛度邊界條件下，使用現(xiàn)有的剪切試驗(yàn)機(jī)，不能很好的模擬這類工程情況，因此無(wú)法獲得準(zhǔn)確的循環(huán)剪切參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可以使試件處于類似工程現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)力狀態(tài)下來(lái)對(duì)試件進(jìn)行循環(huán)剪切試驗(yàn)的巖體循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

巖體循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置，包括：用于放置試件的底座和設(shè)于底座上用以對(duì)所述試件施加剪切力的剪切加載系統(tǒng)；

所述剪切加載系統(tǒng)包括用以對(duì)所述試件施加剪力的設(shè)于所述試件兩側(cè)的第一剪切加載組件和第二剪切加載組件；

所述第一和第二剪切加載組件在所述試件沿剪切方向的兩側(cè)相互對(duì)置，所述第一剪切加載組件包括位于下方的第一剪切加載油缸和位于上方的第三剪切加載油缸，所述第二剪切加載組件包括位于下方的第二剪切加載油缸和位于上方的第四剪切加載油缸。

巖體在圍巖中的受力情況十分復(fù)雜，當(dāng)巖體在結(jié)構(gòu)面受到剪切作用時(shí)，是在原巖應(yīng)力的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)生的剪切作用。傳統(tǒng)的剪切試驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)形式多為在試件的兩側(cè)設(shè)置錯(cuò)開(kāi)的加載部件，無(wú)法將巖體沿剪切方向的原巖應(yīng)力考慮在內(nèi)。將剪切加載系統(tǒng)設(shè)置為四個(gè)加載油缸，每個(gè)加載油缸都受計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的獨(dú)立控制，方便靈活，可以根據(jù)圍巖的實(shí)際情況，模擬巖體在結(jié)構(gòu)面附近的實(shí)際受力，在模擬剪切力的同時(shí)，可以將沿剪切方向的原巖應(yīng)力考慮在內(nèi)，使得剪切模擬過(guò)程更加符合實(shí)際地質(zhì)中的圍巖受力情況，使實(shí)現(xiàn)巖體受力環(huán)境的真實(shí)模擬成為可能。

所述剪切加載系統(tǒng)還包括第一缸體固定件和第二缸體固定件，所述第一剪切加載油缸的缸體和所述第三剪切加載油缸的缸體均固定在所述第一缸體固定件內(nèi)，所述第二剪切加載油缸的缸體和所述第四剪切加載油缸的缸體均固定在所述第二缸體固定件內(nèi)。這種設(shè)置方式可以使裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加緊湊，節(jié)約空間，而且增加了施力部件的穩(wěn)定性，進(jìn)而增加施力過(guò)程的穩(wěn)定性。

所述第一和第二缸體固定件上分別設(shè)有沿前后方向布置的第一傳力軸和第二傳力軸，所述傳力軸延伸至所述缸體固定件的前后表面外側(cè)形成突出部；所述第一和第二傳力軸的突出部通過(guò)傳力桿連接。第一和第二剪切加載組件通過(guò)傳力軸和傳力桿來(lái)提供反力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，空間利用率高。

所述傳力桿為兩個(gè)，布置在所述第一和第二缸體固定件的前后兩側(cè)。傳力桿前后對(duì)稱布置，保證裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

所述剪切加載系統(tǒng)還包括用以承載所述第一或第二剪切加載組件的剪切支撐裝置，所述剪切支撐裝置沿所述第一或第二剪切加載組件運(yùn)動(dòng)延伸的方向布置，所述剪切支撐裝置的表面與所述底座的表面平行。

所述第一缸體固定件和所述第二缸體固定件與反力架固定連接。通過(guò)反力架來(lái)為剪切試驗(yàn)提供反力，布置方式常規(guī)成熟。

所述第一、第二、第三和/或第四剪切加載油缸的活塞桿的端頭設(shè)有用以與所述試件表面直接接觸的墊板，可以使試件在受力時(shí)更加均勻。

所述剪切加載系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接，各個(gè)所述剪切加載油缸均獨(dú)立受控于所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

巖體循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置還包括與所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接的用以對(duì)所述試件施加法向壓力的法向加載系統(tǒng)，所述法向加載系統(tǒng)與加載框架的頂端固定連接，所述加載框架與所述底座固定連接。

巖體循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置還包括與所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接的用以實(shí)時(shí)測(cè)量所述試件法向位移的法向位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收所述試件的法向位移的數(shù)據(jù)，根據(jù)所述試件法向剛度不變的原則，即公式σ＝σ₀+△d*Κ，不斷調(diào)整所述法向加載系統(tǒng)對(duì)所述試件施加的法向壓力，從而達(dá)到巖體剪切試驗(yàn)過(guò)程中的法向剛度恒定；

式中，σ為某時(shí)刻需要對(duì)所述試件施加的法向應(yīng)力，σ₀為所述試件的初始圍壓，△d為所述試件在該時(shí)刻所發(fā)生的累計(jì)的法向位移，K為所述試件的法向剛度，K為定值。

控制系統(tǒng)利用法向位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)法向位移的實(shí)時(shí)反饋，隨時(shí)調(diào)節(jié)對(duì)試件施加的法向壓力大小，技術(shù)先進(jìn)，突破了傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)只能實(shí)現(xiàn)恒荷載邊界的技術(shù)難題，進(jìn)而可以根據(jù)圍巖在實(shí)際工程中的真實(shí)情況，能夠模擬巖體在不連續(xù)面處法向荷載不斷變化、和周圍巖體剛度恒定不變的情況，實(shí)現(xiàn)了恒定法向剛度邊界條件下的巖體不連續(xù)面剪切試驗(yàn)。利用恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置所獲得的巖石剪切力學(xué)參數(shù)更加符合實(shí)際情況，使圍巖分級(jí)的確定、開(kāi)挖工法和支護(hù)設(shè)計(jì)的選擇更加科學(xué)準(zhǔn)確，對(duì)工程施工安全和經(jīng)濟(jì)成本的合理控制有重要的意義。

巖體循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置還包括水平加載系統(tǒng)，用以對(duì)所述試件施加垂直于剪切方向的水平壓力。

工程現(xiàn)場(chǎng)中，巖體在水平方向受到平行于剪切方向的水平剪力和垂直于剪切方向的水平壓力兩個(gè)方向的受力。理想的試驗(yàn)裝備應(yīng)首先使試件滿足工程現(xiàn)場(chǎng)的法向和兩個(gè)水平向的應(yīng)力狀態(tài)，然后施加需要的剪切荷載。傳統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)忽略了對(duì)水平壓力的模擬，模擬環(huán)境失真。通過(guò)采用水平加載系統(tǒng)，可以在進(jìn)行剪切試驗(yàn)之前實(shí)現(xiàn)水平壓力的模擬，使得試驗(yàn)的模擬環(huán)境與巖體在圍巖中的真實(shí)受力環(huán)境一致，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

所述底座上設(shè)有用以固定試件的試件固定部件，所述固定部件由彼此分離的上部固定件和下部固定件組成，所述固定部件內(nèi)部構(gòu)成用于容納所述試件的空間；所述水平加載系統(tǒng)包括液壓囊，所述液壓囊設(shè)在所述固定部件的側(cè)壁內(nèi)側(cè)，并與伺服油源連接；所述伺服油源與所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制所述伺服油源對(duì)所述液壓囊加壓，使液壓囊膨脹，通過(guò)液壓囊與側(cè)壁的緊密擠壓，來(lái)施加對(duì)試件的水平壓力。

采用液壓囊而不是傳統(tǒng)的油缸來(lái)施加水平壓力，使得試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，合理利用空間，布局合理，減小儀器的占地面積，成本低廉。液壓囊由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制加壓，方便準(zhǔn)確。

所述試件固定部件與所述底座之間設(shè)有滾珠板，可以減小試件固定部件與底座的摩擦力，保證所模擬的巖體受力與實(shí)際情況更加相符。

巖體循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置還包括剪力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和剪切位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述剪力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括分別監(jiān)測(cè)四個(gè)所述剪切加載油缸相應(yīng)壓力的壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；所述剪切位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括用以分別測(cè)量所述第一和第二剪切加載組件中各個(gè)所述加載油缸位移值的若干位移計(jì)和剪切位移數(shù)據(jù)采集儀。

所述剪力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括分別監(jiān)測(cè)四個(gè)所述剪切加載油缸相應(yīng)壓力的四個(gè)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在四個(gè)不同的剪切加載油缸上均設(shè)有壓力監(jiān)測(cè)儀，可以方便的監(jiān)測(cè)并調(diào)整相應(yīng)的原巖應(yīng)力和剪切力的數(shù)值，為實(shí)現(xiàn)巖體受力環(huán)境的真實(shí)模擬提供便利。

所述剪切位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括用以分別測(cè)量所述第一和第二剪切加載組件中各個(gè)所述加載油缸位移值的若干位移計(jì)和剪切位移數(shù)據(jù)采集儀。

巖體循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置還包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括所述法向位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且還包括法向壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水平力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的一種或幾種。

所述的法向位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括用以測(cè)量試件法向位移大小的位移計(jì)和位移數(shù)據(jù)采集儀。

所述的法向壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括用以測(cè)量試件所承受軸向壓力大小的壓力傳感器和法向壓力數(shù)據(jù)采集儀。

所述水平力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括用以測(cè)量垂直于剪切方向水平力大小的液壓傳感器和水平力圍壓數(shù)據(jù)采集儀。

循環(huán)剪切試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟1：向試件施加模擬巖體在圍巖中原始受力情況的原始水平剪力，所述原始水平剪力的施加方法為：第一、第二、第三和第四剪切加載油缸對(duì)所述試件的施力值等于圍巖的原始剪力值；

步驟2：保持所述第二和第三剪切加載油缸的壓力不變，保持所述第四剪切加載油缸位移不變，控制所述第一剪切加載油缸以恒定的速度朝向所述試件移動(dòng)來(lái)施加剪切力；

步驟3：當(dāng)所述試件的剪切位移達(dá)到第一設(shè)定值后，將所述剪切力卸載，是所述試件再次達(dá)到原巖應(yīng)力水平，保持所述第一和第四剪切加載油缸的壓力不變，保持所述第三剪切加載油缸位移不變，控制所述第二剪切油缸一恒定移動(dòng)速度朝向所述試件來(lái)施加反向剪切力，當(dāng)所述試件的剪切位移達(dá)到第二設(shè)定值后卸載所述反向剪切力，完成一個(gè)循環(huán)剪切；

步驟4：重復(fù)步驟2和步驟3的操作，實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)剪切試驗(yàn)。

巖體在不連續(xù)面的剪切性能，因受力環(huán)境的不同會(huì)產(chǎn)生很大的差異。通過(guò)四個(gè)獨(dú)立的油缸，既可以在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)模擬巖體的原始受力情況，又可以在發(fā)生剪力時(shí)，持續(xù)模擬圍巖受力環(huán)境。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，施加剪切力的油缸以恒定速度朝向試件來(lái)施加剪切力，更符合巖體在實(shí)際工程中的剪切受力情況；對(duì)于與試件直接受力區(qū)域相鄰的部分，受力大小仍然為原巖應(yīng)力狀態(tài)，因此第二和第三剪切加載油缸的壓力保持不變；第四剪切加載油缸對(duì)試件施力的部位與直接受力區(qū)域呈對(duì)角線，通過(guò)控制其位移保持不變來(lái)為剪切力提供反力。通過(guò)對(duì)上述四個(gè)油缸的控制，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)巖體受力環(huán)境的持續(xù)模擬，可以真實(shí)的模擬巖體不連續(xù)面的剪力受力過(guò)程，所獲得的力學(xué)參數(shù)更加準(zhǔn)確，大大提高了正確判斷圍巖分級(jí)和合理選擇支護(hù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

此處的剪切力，是指在原始水平剪力的基礎(chǔ)上，繼續(xù)向試件施加的剪力的增值。

本發(fā)明的有益效果是：

能夠使巖體首先達(dá)到工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了在原巖應(yīng)力條件下的巖體循環(huán)剪切試驗(yàn)，更真實(shí)的再現(xiàn)和測(cè)試巖石在工程現(xiàn)場(chǎng)的物理力學(xué)性質(zhì)。循環(huán)剪切試驗(yàn)對(duì)于確定合理的巖石剪切力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行合理的圍巖分級(jí)，采取合適的開(kāi)挖工法和進(jìn)行合理的支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要意義。

附圖說(shuō)明

圖1是剪切加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是具有法向加載系統(tǒng)的循環(huán)剪切裝置示意圖；

圖3是試件固定部件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是試件的受力圖；

圖中，1.底座，2.加載框架，3.框架頂板，4.法向液壓油缸，5.剪切加載裝置，6.試件固定部件，7.第一剪切加載油缸，8.第二剪切加載油缸，9.第三剪切加載油缸，10.第四剪切加載油缸，11.滾珠板，12.上部固定件，13.下部固定件，14.傳力桿，15.支撐裝置，16.第一缸體固定件，17.第二缸體固定件，18.第一傳力軸，19.第二傳力軸。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1：

一種巖體循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置，如圖1所示，包括底座1和剪切加載裝置。剪切加載裝置5包括支撐裝置15、剪切加載框架、第一剪切加載油缸7及墊板、第二剪切加載油缸8及墊板、第三剪切加載油缸9及墊板、第四剪切加載油缸10及墊板、第二伺服油源、滾珠板11，用于給試樣加載剪切方向的水平原巖應(yīng)力和剪切力；滾珠板位于下側(cè)U型加載框的下方，用于減小試件固定部件6與底座1之間的摩擦力。

剪切加載系統(tǒng)還包括第一缸體固定件16和第二缸體固定件17，第一剪切加載油缸7的缸體和第三剪切加載油缸9的缸體均固定在第一缸體固定件16內(nèi)，第二剪切加載油缸的缸體和第四剪切加載油缸的缸體均固定在第二缸體固定件17內(nèi)，第一缸體固定件16和第二缸體固定件17之間設(shè)有用以給第一和第二剪切加載組件提供反力的傳力軸14(圖1中未畫(huà)出)。

第一和第二缸體固定件上分別設(shè)有沿前后方向布置的第一傳力軸18和第二傳力軸19，傳力軸18、19延伸至第一缸體固定件16、第二缸體固定件17的前后表面外側(cè)形成突出部；第一傳力軸18和第二傳力軸19的突出部通過(guò)傳力桿14連接，如圖2所示。第一和第二剪切加載組件通過(guò)傳力軸和傳力桿來(lái)提供反力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，空間利用率高。

傳力桿14為兩個(gè)，布置在第一和第二缸體固定件的前后兩側(cè)。

支撐裝置15用以承載第一剪切油缸7和第三剪切油缸9，剪切支撐裝置15沿第一剪切油缸7和第三剪切油缸9運(yùn)動(dòng)延伸的方向布置，剪切支撐裝置的表面與底座的表面平行。

巖體循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置還可以包括加載框架2和法向加載系統(tǒng)，如圖2所示。其中法向加載系統(tǒng)包括兩個(gè)豎直平行設(shè)置的法向液壓油缸4和第一伺服油源，用于給試件施加法向壓力；第一伺服油源用于驅(qū)動(dòng)法向液壓油缸4來(lái)給巖石試件施加法向壓力；液壓油缸固定在框架頂板3上。

巖體循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置還包括水平加載系統(tǒng)。水平加載系統(tǒng)包括第三伺服油源、試件固定部件6和液壓囊，用于給試件施加垂直于剪切方向的水平原巖應(yīng)力；試件固定部件6為U型加載框，如圖3所示，共有上下兩個(gè)，包括將U型框架倒置的上部固定件12和U型框架正置的下部固定件13，U型加載框內(nèi)側(cè)預(yù)制兩個(gè)聯(lián)通的腔體，這兩個(gè)腔體共同構(gòu)成用以容納試件的空間。液壓囊設(shè)在U型框架的側(cè)壁內(nèi)側(cè)，在第三伺服油源的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)試件施加水平壓力。

巖體循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置還包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括法向壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、法向位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、剪切力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、剪切位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、剪切方向水平力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、垂直于剪切方向水平力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；

法向壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括壓力傳感器和法向壓力數(shù)據(jù)采集儀，用于測(cè)量試件所承受軸向壓力的大小，并將其傳遞至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；

法向位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括位移計(jì)和位移數(shù)據(jù)采集儀，用于測(cè)量試件法向位移的大小，并將其傳遞至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；

剪切力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括四個(gè)壓力傳感器和剪切力數(shù)據(jù)采集儀，四個(gè)壓力傳感器分別位于第一剪切加載油缸及墊板之間、第二剪切加載油缸及墊板之間、第三剪切加載油缸及墊板之間、第四剪切加載油缸及墊板之間，用于測(cè)量巖石試件所承受剪切力和剪切方向的水平原巖應(yīng)力的大小，并將其傳遞至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

剪切位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括位移計(jì)和剪切位移數(shù)據(jù)采集儀，分別監(jiān)測(cè)三個(gè)剪切加載油缸的位移的大小，并將其傳遞至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；

垂直于剪切方向水平力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括液壓傳感器和水平力圍壓數(shù)據(jù)采集儀。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)、控制軟件、數(shù)據(jù)總線和控制器，用于提供人機(jī)交互界面，輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，收集各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，控制加載過(guò)程，實(shí)現(xiàn)恒定法向剛度邊界控制，以及顯示和輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果；數(shù)據(jù)總線用于在計(jì)算機(jī)和控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和傳輸，以及向計(jì)算機(jī)傳輸各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；控制器通過(guò)數(shù)據(jù)總線接收計(jì)算機(jī)指令，根據(jù)指令控制各個(gè)加載系統(tǒng)按照特定的路徑進(jìn)行加載，從而實(shí)現(xiàn)恒定法向剛度邊界控制；恒定法向剛度邊界控制是指：剪切過(guò)程中，巖石試件會(huì)產(chǎn)生剪脹現(xiàn)象，由于不連續(xù)面是粗糙不平的，隨著剪切位移不斷增大，剪脹程度不斷變化，根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的試件法向位移計(jì)算為了保持恒定法向剛度所需要的法向壓力，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出指令適時(shí)修正法向壓力的大小，形成控制循環(huán)，在剪切加載的整個(gè)過(guò)程中，該控制循環(huán)不斷進(jìn)行。試件的受力圖如圖4所示。

巖體循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置的一種試驗(yàn)方法是：

首先將巖石試件安裝在U型加載框中，然后安裝到試驗(yàn)機(jī)相應(yīng)位置；通過(guò)剪切加載系統(tǒng)的四個(gè)油缸施加剪切方向的水平原巖應(yīng)力；通過(guò)水平加載系統(tǒng)施加垂直于剪切方向的水平原巖應(yīng)力；通過(guò)法向加載系統(tǒng)施加法向應(yīng)力；通過(guò)剪切加載系統(tǒng)第一剪切加載油缸以恒定移動(dòng)速度控制對(duì)試件施加向右的剪切力，同時(shí)保持第二剪切加載油缸和第三剪切加載油缸壓力不變，第四剪切加載油缸位移不變。

剪切位移達(dá)到預(yù)設(shè)目的之后，將剪切力卸載，試件再次達(dá)到原巖應(yīng)力水平；通過(guò)剪切加載系統(tǒng)第二剪切加載油缸以恒定移動(dòng)速度控制對(duì)試件施加向左的剪切力，同時(shí)保持第一剪切加載油缸和第四剪切加載油缸壓力不變，第三剪切加載油缸位移不變；待剪切位移達(dá)到預(yù)設(shè)目的之后卸載剪切力，完成一個(gè)循環(huán)剪切；根據(jù)需要重復(fù)上述步驟，可以實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)剪切。

在上述試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量試件的法向位移，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)法向位移計(jì)算為了保持恒定法向剛度邊界所需要的法向應(yīng)力，計(jì)算公式為：σ＝σ₀+△d*Κ，式中，σ為某時(shí)刻需要對(duì)試件施加的法向應(yīng)力其中σ₀為初始圍壓，△d為巖石試件在某一個(gè)階段發(fā)生的法向位移，K為巖石試件的法向剛度；進(jìn)而發(fā)出指令不斷修正法向應(yīng)力的大小，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄和輸出巖石試件的圍壓、軸壓、側(cè)向變形和軸向變形數(shù)據(jù)。

對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)，未予以詳細(xì)說(shuō)明的部分，為現(xiàn)有技術(shù)，在此不進(jìn)行贅述。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。