真三轴剪切试验过程岩石变形信息精确测量装置及方法

本发明涉及岩石力学试验技术领域，特别涉及一种真三轴剪切试验过程岩石变形信息精确测量装置及方法，特别适用岩石在全应力空间加载下的剪切试验。

背景技术：

岩石的力学特性一般包括强度参数和变形参数，不论是强度参数还是变形参数，都不能通过试验直接获得，都需要通过分析岩石的变形特征间接分析获得。因此，岩石室内试验过程变形信息的精确测量变得异常重要。

常用的变形测量方法包括两种：应变片式变形测量和线性位移式变形测量，应变片式变形测量一般只能测量岩石的局部变形，并不能完全反映岩石的整体变形特征，而且岩石非均质性，导致这种局部变形测量方式逐渐被淘汰。现在普遍使用的是通过线性位移式的传感器进行岩石整体变形测量。

对于岩石直接剪切力学试验，目前一般仅测量2个变形量，分别为法向变形和剪切方向上下岩石的相对位移。但是，岩石直接剪切过程中，存在着7种变形，分别为上部分岩石剪切方向的压缩变形、下部分岩石剪切方向压缩变形、上部分岩石侧向膨胀变形、下部分岩石侧向膨胀变形、剪切方向上下岩石相对位移、法向剪胀变形和侧向方向上下岩石相对位移。尤其对于真三轴剪切试验时，由于受力状态与直剪试验完全不同，这些变形量存在着明显的差别，更加应该引起关注。

因此，有必要研究新的真三轴剪切过程岩石变形信息精确测量装置及方法，精确获得岩石剪切过程变形数据，为研究岩石剪切过程的破坏机理提供更加准确的数据支撑。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种真三轴剪切试验过程岩石变形信息精确测量装置及方法，实现在真三轴剪切试验过程岩石分区变形信息的精准测量。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种真三轴剪切试验过程岩石变形信息精确测量装置，包括：

支撑平台；

变形定位单元，所述变形定位单元包括设置于支撑平台四个对角处的横向第一变形定位板、横向第二变形定位板、横向第三变形定位板和横向第四变形定位板，以及沿着岩样切向方向设置的法向第一变形定位板和法向第二变形定位板；

剪切盒，所述剪切盒包括设置于岩样切向的剪切第一加载板、剪切第二加载板、剪切第三加载板和剪切第四加载板，设置于岩样侧向的侧向第一加载板、侧向第二加载板、侧向第三加载板和侧向第四加载板，以及设置于岩样法向的法向上加载板；

切向变形测量单元，所述切向变形测量单元包括设置于岩样切向的切向第一位移传感器单元、切向第二位移传感器单元、切向第三位移传感器单元和切向第四位移传感器单元；

侧向变形测量单元，所述侧向变形测量单元包括设置于岩样侧向的侧向第一位移传感器单元、侧向第二位移传感器单元、侧向第三位移传感器单元和侧向第四位移传感器单元；

法向变形测量单元，所述法向变形测量单元包括设置于岩样法向的法向第一位移传感器单元和法向第二位移传感器单元。

进一步的，所述切向第一位移传感器单元布置在剪切第一加载板上，所述切向第二位移传感器单元布置在剪切第二加载板上，所述切向第三位移传感器单元布置在剪切第三加载板上，所述切向第四位移传感器单元布置在剪切第四加载板上。

进一步的，所述切向第一位移传感器单元、切向第二位移传感器单元、切向第三位移传感器单元和切向第四位移传感器单元均分别包括变形基准滑块和位移传感器，4个变形基准滑块分别设置于剪切第一加载板、剪切第二加载板、剪切第三加载板和剪切第四加载板上，4个位移传感器分别设置于横向第一变形定位板和横向第二变形定位板上，并且每个位移传感器均与对应变形基准滑块垂直正交接触。

进一步的，所述侧向第一位移传感器单元布置在侧向第一加载板上，所述侧向第二位移传感器单元布置在侧向第二加载板上，所述侧向第三位移传感器单元布置在侧向第三加载板上，所述侧向第四位移传感器单元布置在侧向第四加载板上。

进一步的，所述侧向第一位移传感器单元、侧向第二位移传感器单元、侧向第三位移传感器单元和侧向第四位移传感器单元均分别包括变形基准滑块和位移传感器，4个变形基准滑块分别固定在侧向第一加载板、侧向第二加载板、侧向第三加载板和侧向第四加载板上，4个位移传感器分别设置于横向第二变形定位板和横向第三变形定位板上，并且每个位移传感器均与对应变形基准滑块垂直正交接触。

进一步的，所述法向第一位移传感器单元布置在法向上加载板前端面上，所述法向第二位移传感器单元布置在法向上加载板后端面上。

进一步的，所述法向第一位移传感器单元和法向第二位移传感器单元均包括位移传感器和传感器固定底座，位移传感器通过传感器固定底座固定在法向上加载板前端面或者后端面上。

进一步的，所述法向第一变形定位板固定在横向第一变形定位板和横向第二变形定位板的上端面，所述法向第二变形定位板固定在横向第三变形定位板和横向第四变形定位板上端面。

一种真三轴剪切试验过程岩石变形信息精确测量方法，采用上述真三轴剪切试验过程岩石变形信息精确测量装置，包括如下步骤：

s1、计算岩样的切向压缩变形量ε切向，岩样的切向压缩变形量ε切向包括岩样切向上部分的压缩变形量ε切向上部分、岩样切向下部分的压缩变形量ε切向下部分以及岩样切向上部分和下部分的相对剪切位移量l切向相对剪切位移；

s1.1、计算岩样切向上部分的压缩变形量ε切向上部分：

通过切向第一位移传感器单元的位移传感器得到岩样上部分的左边界相对位移量，通过切向第四位移传感器单元的位移传感器得到岩样上部分的右边界相对位移量，计算得到剪切试验后岩样切向上部分的压缩变形量ε切向上部分：

s1.2、计算岩样切向下部分的压缩变形量ε切向下部分:

通过切向第二位移传感器单元的位移传感器得到岩样下部分的左边界相对位移量，通过切向第三位移传感器单元的位移传感器得到岩样下部分的右边界相对位移量，计算得到剪切试验后岩样切向下部分的压缩变形量ε切向下部分：

s1.3、计算岩样切向上部分和下部分的相对剪切位移量l切向相对剪切位移：

l切向相对剪切位移＝岩样上部分的右边界相对位移量-岩样下部分的左边界相对位移量；

s2、计算岩样的侧向压缩变形量ε侧向，岩样的侧向压缩变形量ε侧向包括岩样侧向上部分的压缩变形量ε侧向上部分、岩样侧向下部分的压缩变形量ε侧向下部分以及岩样侧向上部分和下部分的相对剪切位移量l侧向相对剪切位移；

s2.1、计算岩样侧向上部分的压缩变形量ε侧向上部分：

通过侧向第二位移传感器单元的位移传感器得到岩样上部分的前边界相对位移量，通过侧向第四位移传感器单元的位移传感器得到岩样上部分的后边界相对位移量，计算得到剪切试验后岩样侧向上部分的压缩变形量ε侧向上部分：

s2.2、计算岩样侧向下部分的压缩变形量ε侧向下部分：

通过侧向第一位移传感器单元的位移传感器得到岩样下部分的前边界相对位移量，通过侧向第三位移传感器单元的位移传感器得到岩样下部分的后边界相对位移量，计算得到剪切试验后岩样下部分的压缩变形量ε侧向下部分：

s2.3、计算岩样侧向上部分和下部分的相对剪切位移量l侧向相对剪切位移：

l侧向相对剪切位移＝岩样上部分的后边界相对位移量-岩样下部分的前边界相对位移量；

s3、计算岩样的法向膨胀变形量l法向：

通过法向第一位移传感器单元和法向第二位移传感器单元的位移传感器分别测得岩样法向位移量，计算两个位移量的平均值，得到岩样的法向膨胀变形量l法向。

本发明的有益效果：

本发明通过测量岩石三个主应力方向岩样上、下部分的压缩变形、相互间位错变形，精确测到了硬岩的微小变形信息，有利于对深部断层滑移机制研究的更深层理解；解决了传统岩石直接剪切试验只能获得岩样法向变形信息和切向岩样上、下部分的变形信息，岩样切向及侧向压缩变形测不到，严重制约对深部工程硬岩断层滑移等灾害孕育过程的了解的技术问题。

本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种真三轴剪切试验过程岩石变形信息精确测量装置的三维示意意；

图2是本发明实施例提供的一种真三轴剪切试验过程岩石变形信息精确测量装置的切向方向示意图；

图3是本发明实施例提供的一种真三轴剪切试验过程岩石变形信息精确测量装置的侧向方向示意图；

图4是本发明实施例提供的变形基准滑块的示意图；

图5是本发明实施例提供的横向第二变形定位板的示意图；

图6是本发明实施例提供的传感器固定底座的示意图；

图7是本发明实施例提供的岩石剪切过程岩样切向和法向变形信息精确测量计算方法的示意图。

说明书附图中的附图标记包括：

1-剪切第一加载板，2-剪切第二加载板，3-横向第一变形定位板，4-侧向第一加载板，5-侧向第二加载板，6-横向第二变形定位板，7-支撑平台，8-剪切第三加载板，9-剪切第四加载板，10-横向第三变形定位板，11-侧向第三加载板，12-侧向第四加载板，13-法向上加载板，14-法向第二变形定位板，15-位移传感器，16-变形基准滑块，17-变形基准滑块固定孔，18-变形定位板位移传感器安置孔，19-变形定位板位移传感器固定孔，20-传感器固定底座，21-传感器固定底座固定孔，22-传感器固定底座位移传感器安置孔，23-传感器固定底座位移传感器固定孔，24-岩样，25-横向第四变形定位板，26-法向第一变形定位板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“侧向”、“切向”、“法向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图6所示，本发明提供了一种真三轴剪切试验过程岩石变形信息精确测量装置，包括：

支撑平台7；

变形定位单元，变形定位单元包括设置于支撑平台7四个对角处的横向第一变形定位板3、横向第二变形定位板6、横向第三变形定位板10和横向第四变形定位板25，以及沿着岩样24切向方向设置的法向第一变形定位板26和法向第二变形定位板14；

剪切盒，剪切盒包括设置于岩样24切向的剪切第一加载板1、剪切第二加载板2、剪切第三加载板8和剪切第四加载板9，设置于岩样24侧向的侧向第一加载板4、侧向第二加载板5、侧向第三加载板11和侧向第四加载板12，以及设置于岩样24法向的法向上加载板13；

切向变形测量单元，切向变形测量单元包括设置于岩样24切向的切向第一位移传感器单元、切向第二位移传感器单元、切向第三位移传感器单元和切向第四位移传感器单元；

侧向变形测量单元，侧向变形测量单元包括设置于岩样24侧向的侧向第一位移传感器单元、侧向第二位移传感器单元、侧向第三位移传感器单元和侧向第四位移传感器单元；

法向变形测量单元，法向变形测量单元包括设置于岩样24法向的法向第一位移传感器单元和法向第二位移传感器单元。

本发明中，支撑平台7用于放置岩样24和剪切盒，横向第一变形定位板3、横向第二变形定位板6、横向第三变形定位板10和横向第四变形定位板25的结构相同，并且对称固定于支撑平台7的四个对角处，均与支撑平台7通过螺母固定。通过剪切第一加载板1、剪切第二加载板2、剪切第三加载板8、剪切第四加载板9、侧向第一加载板4、侧向第二加载板5、侧向第三加载板11、侧向第四加载板12和法向上加载板13这9个加载板将岩样24完全包裹其中，进行真三轴剪切试验时，通过该9个加载板传力，达到真三轴剪切加载目的。

切向第一位移传感器单元布置在剪切第一加载板1上，切向第二位移传感器单元布置在剪切第二加载板2上，切向第三位移传感器单元布置在剪切第三加载板8上，切向第四位移传感器单元布置在剪切第四加载板9上。切向第一位移传感器单元、切向第二位移传感器单元、切向第三位移传感器单元和切向第四位移传感器单元均分别包括变形基准滑块16和位移传感器15，4个变形基准滑块16分别设置于剪切第一加载板1、剪切第二加载板2、剪切第三加载板8和剪切第四加载板9上，4个位移传感器15分别设置于横向第一变形定位板3和横向第二变形定位板6上，并且每个位移传感器15均与对应变形基准滑块16垂直正交接触。本实施例中，变形基准滑块16为凸台状，4个变形基准滑块16分别通过变形基准滑块固定孔17固定在剪切第一加载板1、剪切第二加载板2、剪切第三加载板8和剪切第四加载板9靠近横向第一变形定位板3和横向第二变形定位板6的一侧，4个位移传感器15分别通过变形定位板位移传感器安置孔18和变形定位板位移传感器固定孔19安装固定在横向第一变形定位板3和横向第二变形定位板6上与4个变形基准滑块16对应的位置，每个位移传感器15均与对应的变形基准滑块16的凸台成垂直正交安放，并且每个位移传感器15均与对应的变形基准滑块16的凸台接触，岩石剪切试验时，在切向的剪切第一加载板1、剪切第二加载板2、剪切第三加载板8和剪切第四加载板9均会随着岩石变形而运动，通过测量剪切第一加载板1、剪切第二加载板2、剪切第三加载板8和剪切第四加载板9的相对位移变化，能够计算岩样24切向方向的上下部分相对位移和岩样24切向方向的上下部分自身的压缩或膨胀变形。

侧向第一位移传感器单元布置在侧向第一加载板4上，侧向第二位移传感器单元布置在侧向第二加载板5上，侧向第三位移传感器单元布置在侧向第三加载板11上，侧向第四位移传感器单元布置在侧向第四加载板12上。侧向第一位移传感器单元、侧向第二位移传感器单元、侧向第三位移传感器单元和侧向第四位移传感器单元均分别包括变形基准滑块16和位移传感器15，4个变形基准滑块16分别固定在侧向第一加载板4、侧向第二加载板5、侧向第三加载板11和侧向第四加载板12上，4个位移传感器15分别设置于横向第二变形定位板6和横向第三变形定位板10上，并且每个位移传感器15均与对应变形基准滑块16垂直正交接触。本实施例中，变形基准滑块16为凸台状，4个变形基准滑块16分别通过变形基准滑块固定孔17固定在侧向第一加载板4、侧向第二加载板5、侧向第三加载板11和侧向第四加载板12靠近横向第二变形定位板6和横向第三变形定位板10的一侧，4个位移传感器15分别通过变形定位板位移传感器安置孔18和变形定位板位移传感器固定孔19安装固定在横向第二变形定位板6和横向第三变形定位板10上与4个变形基准滑块16对应的位置，每个位移传感器15均与对应的变形基准滑块16的凸台成垂直正交安放，并且每个位移传感器15均与对应的变形基准滑块16的凸台接触，岩石剪切试验时，在侧向的侧向第一加载板4、侧向第二加载板5、侧向第三加载板11和侧向第四加载板12均会随着岩石变形而运动，通过测量侧向第一加载板4、侧向第二加载板5、侧向第三加载板11和侧向第四加载板12的相对位移变化，能够计算岩样24侧向方向的上下部分侧向位移和岩样24侧向方向的上下部分自身的压缩或膨胀变形。

法向第一位移传感器单元布置在法向上加载板13前端面上，法向第二位移传感器单元布置在法向上加载板13后端面上。法向第一位移传感器单元和法向第二位移传感器单元均包括位移传感器15和传感器固定底座20，位移传感器15通过传感器固定底座20固定在法向上加载板13前端面或者后端面上。本实施例中，传感器固定底座20为凸台状，法向第一位移传感器单元的位移传感器15用螺母通过传感器固定底座固定孔21固定于法向上加载板13的前端面上，然后将位移传感器15放置于传感器固定底座位移传感器安置孔22并通过传感器固定底座位移传感器固定孔23固定；法向第二位移传感器单元的位移传感器15用螺母通过传感器固定底座固定孔21固定于法向上加载板13的前端面上，然后将位移传感器15放置于传感器固定底座位移传感器安置孔22并通过传感器固定底座位移传感器固定孔23固定；法向第一位移传感器单元的位移传感器15端部的伸缩铁杆与法向第一变形定位板26接触，法向第二位移传感器单元的位移传感器15端部的伸缩铁杆与法向第二变形定位板14接触，当岩石产生剪胀变形时，两个位移传感器15端部的伸缩铁杆会随着变形产生而滑动，起到测量法向变形作用。

法向第一变形定位板26固定在横向第一变形定位板3和横向第二变形定位板6的上端面，法向第二变形定位板14固定在横向第三变形定位板10和横向第四变形定位板25上端面。

一种真三轴剪切试验过程岩石变形信息精确测量方法，采用上述真三轴剪切试验过程岩石变形信息精确测量装置，包括如下步骤：

s1、计算岩样24的切向压缩变形量ε切向，岩样24的切向压缩变形量ε切向包括岩样24切向上部分的压缩变形量ε切向上部分、岩样24切向下部分的压缩变形量ε切向下部分以及岩样24切向上部分和下部分的相对剪切位移量l切向相对剪切位移；

s1.1、计算岩样24切向上部分的压缩变形量ε切向上部分：

通过切向第一位移传感器单元的位移传感器15得到岩样24上部分的左边界相对位移量，通过切向第四位移传感器单元的位移传感器15得到岩样24上部分的右边界相对位移量，计算得到剪切试验后岩样24切向上部分的压缩变形量ε切向上部分：

s1.2、计算岩样24切向下部分的压缩变形量ε切向下部分:

通过切向第二位移传感器单元的位移传感器15得到岩样24下部分的左边界相对位移量，通过切向第三位移传感器单元的位移传感器15得到岩样24下部分的右边界相对位移量，计算得到剪切试验后岩样24切向下部分的压缩变形量ε切向下部分：

s1.3、计算岩样24切向上部分和下部分的相对剪切位移量l切向相对剪切位移：

l切向相对剪切位移＝岩样上部分的右边界相对位移量-岩样下部分的左边界相对位移量；

s2、计算岩样24的侧向压缩变形量ε侧向，岩样24的侧向压缩变形量ε侧向包括岩样24侧向上部分的压缩变形量ε侧向上部分、岩样24侧向下部分的压缩变形量ε侧向下部分以及岩样24侧向上部分和下部分的相对剪切位移量l侧向相对剪切位移；

s2.1、计算岩样24侧向上部分的压缩变形量ε侧向上部分：

通过侧向第二位移传感器单元的位移传感器15得到岩样24上部分的前边界相对位移量，通过侧向第四位移传感器单元的位移传感器15得到岩样24上部分的后边界相对位移量，计算得到剪切试验后岩样24侧向上部分的压缩变形量ε侧向上部分：

s2.2、计算岩样24侧向下部分的压缩变形量ε侧向下部分：

通过侧向第一位移传感器单元的位移传感器15得到岩样24下部分的前边界相对位移量，通过侧向第三位移传感器单元的位移传感器15得到岩样24下部分的后边界相对位移量，计算得到剪切试验后岩样24下部分的压缩变形量ε侧向下部分：

s2.3、计算岩样24侧向上部分和下部分的相对剪切位移量l侧向相对剪切位移：

l侧向相对剪切位移＝岩样上部分的后边界相对位移量-岩样下部分的前边界相对位移量；

s3、计算岩样24的法向膨胀变形量l法向：

通过法向第一位移传感器单元和法向第二位移传感器单元的位移传感器15分别测得岩样24法向位移量，计算两个位移量的平均值，得到岩样24的法向膨胀变形量l法向。

如图7所示，本实施例以岩样24切向和法向变形为例进行岩样24切向和法向变形信息精确测量计算：

(1)图中o1、o2、o3、o4分别为切向第一位移传感器单元、切向第四位移传感器单元、切向第二位移传感器单元和切向第三位移传感器单元的位移传感器15的初始位置；图中a、c、e、g分别为岩样24切向上部分两端的初始边界位置和岩样24切向下部分两端的初始边界位置；图中b、d、f、g分别为岩石真三轴剪切试验后岩样24切向上部分两端边界位置和岩样24切向下部分两端边界位置；

计算岩样24的切向压缩变形量ε切向，岩样24的切向压缩变形量ε切向包括岩样24切向上部分的压缩变形量ε切向上部分、岩样24切向下部分的压缩变形量ε切向下部分以及岩样24切向上部分和下部分的相对剪切位移量l切向相对剪切位移；

计算岩样24切向上部分的压缩变形量ε切向上部分：

通过切向第一位移传感器单元的位移传感器15得到岩样24上部分的左边界相对位移量lab，通过切向第四位移传感器单元的位移传感器15得到岩样24上部分的右边界相对位移量lcd，计算得到剪切试验后岩样24切向上部分的压缩变形量ε切向上部分：

岩样24的切向长度为lac；

计算岩样24切向下部分的压缩变形量ε切向下部分：

通过切向第二位移传感器单元的位移传感器15得到岩样24下部分的左边界相对位移量lef，通过切向第三位移传感器单元的位移传感器15得到岩样24下部分的右边界相对位移量lgh，计算得到剪切试验后岩样24切向下部分的压缩变形量ε切向下部分：

岩样24的切向长度为leh，leh＝lac；

s1.3、计算岩样24切向上部分和下部分的相对剪切位移量l切向相对剪切位移：

l切向相对剪切位移＝岩样上部分的右边界相对位移量-岩样下部分的左边界相对位移量；

(2)图中o5为法向第一位移传感器单元和法向第二位移传感器单元的位移传感器15的初始位置；图中，i为岩样24上边界初始位置；h为岩样24上边界剪切试验后的位置，计算岩样24的法向膨胀变形量l法向：

通过法向第一位移传感器单元和法向第二位移传感器单元的位移传感器15分别测得岩样24法向位移量，计算两个位移量的平均值lih，得到剪切试验后岩样24的法向膨胀变形量l法向为lih。

岩样24上、下部分在侧向产生的压缩或膨胀变形以及岩样24上、下部分在侧向的相对位移计算方法与剪切方向变形测量方法一致。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。