可实现超声波测试的多方向岩石剪切试验系统的制作方法

本发明涉及岩石剪切、声发射测试技术领域，更具体地说它是可实现超声波测试的多方向岩石剪切试验系统。

背景技术：

随着我国深部岩体工程越来越多，面临的工程地质问题越来越复杂，包括活动断层、高地应力等难题。岩体开挖造成岩体应力重分布，伴随岩体的变形破坏，其力学特性也发生变化，对工程安全影响最大的是剪切破坏，因此，研究岩体剪切破坏的力学性质和变形特征是岩石力学的关键科学问题。

现有的剪切设备主要可实现单轴压缩剪切、单轴拉伸剪切、往复循环剪切、扭转剪切、三轴压缩剪切、变角剪切等试验，但是在实际工程中，岩体会受到高应力及不同方向的扰动应力等因素的影响，使得岩石剪切破坏的力学特性和变形特征更为复杂。现有设备无法实现多方向剪切及同时进行超声波试验。实际的工程岩体，会受到不同方向的剪切应力，同时岩体开挖造成围岩应力重分布，改变岩体的受力状态，包括应力大小和方向，现有设备无法实现同时改变应力大小和方向的试验；超声波测试可以很好的获得岩体损伤及破裂过程中的内部裂纹扩展信息，因此，开展结合超声波测试的多方向剪切设备的研制至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供可实现超声波测试的多方向岩石剪切试验系统，利用剪切测试系统，可实现一维方向和多方向剪切和循环往复剪切，同时进行超声波测试，完善了设备的功能性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：可实现超声波测试的多方向岩石剪切试验系统，其特征在于：包括外反力框架、内反力框架、反力框架底座和超声波测试系统；所述外反力框架固定在反力框架底座上；所述内反力框架与反力框架底座活动连接、且与所述外反力框架相配合；有剪切盒设置在所述内反力框架内部；

所述超声波测试系统安装在剪切盒上。

在上述技术方案中，所述外反力框架为一端开口的方体结构，所述外反力框架上设有x方向通孔；

所述内反力框架为方体结构，所述内反力框架上设有y方向通孔；

所述反力框架底座为凹形结构；

所述外反力框架开口向下固定在所述反力框架底座上方、且与所述反力框架底座两侧固定连接；

所述内反力框架通过x方向滑轨与所述反力框架底座上端面滑动连接；所述内反力框架通过x方向通孔滑入所述外反力框架、且与所述外反力框架相配合；

有第一应力加载系统、第一应力测量系统和第一位移测量系统布置于所述内反力框架内部；有剪切盒设置在所述内反力框架内部；

有第二应力加载系统、第二应力测量系统和第二位移测量系统布置于所述外反力框架内部。

在上述技术方案中，所述第一应力加载系统包括垂直加载缸、x方向左上加载缸、x方向左下加载缸、x方向右上加载缸和x方向左下加载缸；

所述第一应力测量系统包括垂直加载力传感器、x方向左上力传感器、x方向左下力传感器、x方向右上力传感器和x方向左下力传感器；

所述第一位移测量系统包括垂直向位移传感器、x方向左侧位移传感器、x方向左侧位移传感器支杆、x方向右侧位移传感器和x方向右侧位移传感器支杆；

x方向左侧位移传感器通过x方向左侧位移传感器支杆安装在所述下剪切盒的左侧；

x方向右侧位移传感器通过x方向右侧位移传感器支杆安装在所述下剪切盒的右侧。

在上述技术方案中，所述剪切盒包括上剪切盒和下剪切盒；所述下剪切盒位于x方向滑动辊组上；

有下剪切盒外卡槽设置于所述下剪切盒上；所述下剪切盒通过下剪切盒外卡槽和y方向滑动辊组与y方向滑块支座连接；y方向滑块支座固定在所述内反力框架内侧底部。

在上述技术方案中，x方向右侧位移传感器支杆、x方向左侧位移传感器、x方向右侧位移传感器支杆和x方向右侧位移传感器分别布置在所述下剪切盒的两侧；

x方向左下力传感器、x方向左下加载缸、x方向右下力传感器和x方向右下加载缸分别布置在所述下剪切盒的两侧、且位于x方向左侧位移传感器和x方向右侧位移传感器上方；

x方向左上力传感器、x方向左上加载缸、x方向右上加载缸和x方向右上力传感器分别布置在上剪切盒的两侧；

垂直向承压板、垂直加载力传感器和垂直加载油缸自下而上依次布置在所述上剪切盒上方；所述垂直加载油缸固定在所述内反力框架顶部；

垂直向位移传感器安装在垂直向承压板上；

x方向左上加载缸和x方向左下加载缸均垂直固定于所述内反力框架左侧面；

x方向右下加载缸和x方向右上加载缸均垂直固定于所述内反力框架右侧面。

在上述技术方案中，有四个可移动滑轮设置在所述内反力框架底部；所述可移动滑轮与x方向滑轨滑动连接。

在上述技术方案中，第二应力加载系统包括y方向右下加载缸、y方向右上加载缸、y方向左下加载油缸、y方向左上加载油缸；

第二应力测量系统包括y方向右下力传感器、y方向右上力传感器、y方向左下力传感器、y方向左上力传感器；

第二位移测量系统包括y方向右下位移传感器和y方向左下位移传感器；

当内反力框架滑入所述外反力框架固定后，y方向左下力传感器、y方向左下加载油缸、y方向右下加载缸、y方向右下力传感器分别布置在所述下剪切盒的两侧；

y方向右下位移传感器和y方向左下位移传感器分别布置在所述下剪切盒的两侧、且位于y方向左下加载油缸和y方向右下加载缸下方；

y方向右下位移传感器垂直固定于所述外反力框架的右侧面；

y方向左下位移传感器垂直固定于所述外反力框架的左侧面；

y方向左上力传感器、y方向左上加载油缸、y方向右上加载缸和y方向右上力传感器分别布置在所述上剪切盒的两侧；

y方向左下加载油缸和y方向左上加载油缸均垂直固定于所述外反力框架左侧面；

y方向右下加载缸和y方向右上加载缸均垂直固定于所述外反力框架右侧面。

在上述技术方案中，所述超声波测试系统包括声波探头位置孔、声波探头固定弹簧、声波发射探头、声波接收探头和声波仪；

声波探头位置孔分别设置在所述上剪切盒和所述下剪切盒上；

声波发射探头通过声波探头固定弹簧安装在所述上剪切盒上的声波探头位置孔中；

声波接收探头通过声波探头固定弹簧安装在所述下剪切盒上的声波探头位置孔中；

声波发射探头和声波接收探头分别通过导线与声波采集仪连接。

本发明具有如下优点：

(1)本发明利用内框架剪切测试系统，可实现一维方向剪切和循环往复剪切，可实现现有剪切设备的功能；

(2)本发明利用内框架剪切测试系统，可实现一维方向剪切和循环往复剪切，同时进行声发射测试，完善了设备的功能性；

(3)本发明利用内外框架组合测试系统，可实现不同方向剪切和循环往复剪切，填补多方向剪切设备的空白；

(4)本发明利用内外框架组合测试系统，可实现不同方向剪切和循环往复剪切，同时进行声发射测试，完善了设备的功能性；

(5)本发明可实现剪切过程中声发射测试，避免了采用单一设备进行相关试验测试，本发明集成了多种测试方法于一体，测试效率大大提升；

(6)本发明可实现多种测试手段进行剪切过程中的力学、声学特性的研究，各种测试手段可相互验证实验结果，保证了试验结果的准确性。

本发明功能多、适用广，可实现一维方向和多方向剪切和循环往复剪切试验，同时进行声发射测试，是一种使用更广泛、功能更多、操作更简便、试验方式更符合工程的岩石力学多功能剪切试验装置。

附图说明

图1为本发明的多方向岩石往复剪切试验统外框架示意图。

图2为图1中的a-a截面试验统图。

图3为图1中的b-b截面试验统图。

图4为图1中的c-c截面试验统图。

图5为本发明的xz方向剪切盒与辊轴布置图。

图6为本发明的yz方向剪切盒与辊轴布置图。

图7为本发明的剪切试验过程中超声波测试系统布置图。

图4中的x、y为笛卡尔直角坐标系。

图中：1-外反力框架，2-内反力框架，3-反力框架，4-x方向右侧位移传感器支杆，5-y方向滑块支座，6-x方向右下加载缸，7-x方向右侧位移传感器，8-x方向右下力传感器，9-x方向右上加载缸，10-x方向右上力传感器，11-垂直向承压板，12-垂直向位移传感器，13-可移动滑轮，14-y方向滑动辊组，15-x方向滑动辊组，16-x方向右侧位移传感器支杆，17-x方向左下力传感器，18-x方向左侧位移传感器，19-x方向左下加载缸，20-x方向左上力传感器，21-x方向左上加载缸，22-上剪切压盒，23-岩石试样，24-垂直加载力传感器，25-垂直加载油缸，26-y方向右下加载缸，27-y方向右上加载缸，28-y方向右下位移传感器，29-y方向右下力传感器，30-y方向右上力传感器，31-y方向左下位移传感器，32-y方向左下力传感器，33-y方向左上力传感器，34-y方向左下加载油缸，35-y方向左上加载油缸，36-x方向滑轨，37-下剪切压盒，38-下剪切压盒外卡槽，44-声波探头位置孔，45-声波探头固定弹簧，46-声波发射探头，47-声波接收探头，56-声波采集仪，71-第一应力加载系统，72-第一应力测量系统，73-第一位移测量系统，74-第二应力加载系统，75-第二应力测量系统，76-第二位移测量系统，77-剪切盒，78-x方向通孔，79-y方向通孔，80-x方向滑轨，81-超声波测试系统。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：可实现超声波测试的多方向岩石剪切试验系统，包括外反力框架1、内反力框架2、反力框架底座3和超声波测试系统81；所述外反力框架1固定在反力框架底座3上；所述内反力框架2与反力框架底座3活动连接、且与所述外反力框架1相配合；有剪切盒77设置在所述内反力框架2内部；内反力框架2可用于实现岩石试样一维方向往复剪切试验，也可用于实现多方向往复剪切试验；

所述超声波测试系统81安装在剪切盒77上(如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示)；可进行多方向往复剪切试验过程中超声波测试。

进一步地，所述外反力框架1为一端开口的方体结构，所述外反力框架1上设有x方向通孔78；所述外反力框架1开口向下固定在所述反力框架底座3上方、且与所述反力框架底座3两侧固定连接；所述外反力框架1开口向下固定在所述反力框架底座3上方、且与所述反力框架底座3两侧固定连接；可移动滑轮13在x方向滑轨80上滑行、带动内反力框架2从x方向通孔78滑动至外反力框架1中的指定位置固定，外反力框架1和内反力框架2中的组件同时对剪切盒77施加应力以及测量应力和位移，实现不同方向剪切试验、往复循环剪切试验、真实模拟不同应力路径下不同方向剪切试验以及实际工程过程中各种应力条件下的剪切试验，试验功能和试验效率大大提高；

所述内反力框架2为方体结构，所述内反力框架2上设有y方向通孔79；外反力框架1中的第二应力加载系统74通过y方向通孔79对剪切盒77施加应力以及测量应力和位移；便于外反力框架1和内反力框架2中的组件同时对剪切盒77施加应力以及测量应力和位移，实现不同方向剪切试验、往复循环剪切试验；

所述反力框架底座3为开口向上的凹形结构(如图1所示)；所述内反力框架2通过x方向滑轨80与所述反力框架底座3上端面滑动连接；所述内反力框架2通过x方向通孔78滑入所述外反力框架1、且与所述外反力框架1相配合(如图1、图2、图3、图4所示)，可实现一维方向和多方向剪切试验过程中超声波测试。

进一步地，有第一应力加载系统71、第一应力测量系统72和第一位移测量系统73布置于所述内反力框架2内部；有剪切盒77设置在所述内反力框架2内部(如图2、图4所示)；内反力框架2中的第一应力加载系统71用于提供加载应力；第一应力测量系统72用于测量应力；第一位移测量系统73用于测量位移；

有第二应力加载系统74、第二应力测量系统75和第二位移测量系统76布置于所述外反力框架1内部(如图3、图4所示)；外反力框架1中的第二应力加载系统74用于提供加载应力；第二应力测量系统75用于测量应力；第二位移测量系统76用于测量位移，可进行多方向往复剪切试验过程中超声波测试。

进一步地，所述第一应力加载系统71包括垂直加载缸25、x方向左上加载缸21、x方向左下加载缸19、x方向右上加载缸9和x方向左下加载缸6；

所述第一应力测量系统72包括垂直加载力传感器24、x方向左上力传感器20、x方向左下力传感器17、x方向右上力传感器10和x方向左下力传感器8；垂直加载缸25用于提供垂直应力，垂直加载力传感器24用于测量应力；x方向左上加载缸21用于提供水平应力，x方向左上力传感器20用于测量应力；x方向左下加载缸19用于提供水平应力，x方向左下力传感器17用于测量应力；x方向左下加载缸6用于提供水平应力，x方向左下力传感器8用于测量应力；

所述第一位移测量系统73包括垂直向位移传感器12、x方向左侧位移传感器18、x方向左侧位移传感器支杆16、x方向右侧位移传感器7和x方向右侧位移传感器支杆4；

x方向左侧位移传感器18通过x方向左侧位移传感器支杆16安装在所述下剪切盒37的左侧；x方向左侧位移传感器支杆16对x方向左侧位移传感器18起固定、支撑作用；

x方向右侧位移传感器7通过x方向右侧位移传感器支杆4安装在所述下剪切盒37的右侧(如图2、图4所示)；x方向右侧位移传感器支杆4对x方向右侧位移传感器7起固定、支撑作用。

进一步地，所述剪切盒77包括上剪切盒22和下剪切盒37；所述下剪切盒37位于x方向滑动辊组15上；此种方式布置可以实现试样完成x方向和y方向的剪切，推动下剪切盒37可以实现y方向剪切试验，推动下剪切盒外卡槽38可以实现x方向剪切试验；

有下剪切盒外卡槽38设置于所述下剪切盒37上；所述下剪切盒37通过下剪切盒外卡槽38和y方向滑动辊组14与y方向滑块支座5连接；y方向滑块支座5固定在所述内反力框架2内侧底部。

进一步地，x方向右侧位移传感器支杆16和x方向左侧位移传感器18布置在所述下剪切盒37左侧，x方向右侧位移传感器支杆4和x方向右侧位移传感器7布置在所述下剪切盒37右侧；

x方向左下力传感器17和x方向左下加载缸19布置在所述下剪切盒37左侧、且位于x方向左侧位移传感器18上方；

x方向右下力传感器8和x方向右下加载缸6布置在所述下剪切盒37右侧、且位于x方向右侧位移传感器7上方；x方向左下加载缸19提供水平应力，x方向左下力传感器17用于测量下剪切盒37左侧应力，x方向左侧位移传感器18用于测量下剪切盒37的左侧位移；

x方向右下加载缸6提供水平应力，x方向右下力传感器8用于测量下剪切盒37右侧应力，x方向右侧位移传感器7用于测量剪切盒37的右侧位移；

x方向左上力传感器20和x方向左上加载缸21布置在上剪切盒22左侧，x方向右上加载缸9和x方向右上力传感器10布置在上剪切盒22右侧(如图2、图4所示)；x方向左上加载缸21提供水平应力，x方向左上力传感器20测量上剪切盒22的左侧应力；

x方向右上加载缸9提供水平应力，x方向右上力传感器10测量上剪切盒22的右侧应力。

垂直向承压板11、垂直加载力传感器24和垂直加载油缸25自下而上依次布置在所述上剪切盒22上方；所述垂直加载油缸25固定在所述内反力框架2顶部；垂直加载油缸25提供垂直应力，垂直加载力传感器24用于测量垂直应力；

垂直向位移传感器12安装在垂直向承压板11上、且布置在所述上剪切盒22上方、且垂直固定在所述内反力框架2顶部(如图2、图3所示)；垂直向位移传感器12用于检测剪切盒77的垂直位移。

x方向左上加载缸21和x方向左下加载缸19均垂直固定于所述内反力框架2左侧面；x方向左上加载缸21和x方向左下加载缸19呈间隔设置；内反力框架2的左侧面对x方向左上加载缸21和x方向左下加载缸19起支撑和固定作用；

x方向右下加载缸6和x方向右上加载缸9均垂直固定于所述内反力框架2右侧面；x方向右下加载缸6和x方向右上加载缸9呈间隔设置；内反力框架2右侧面对x方向右下加载缸6和x方向右上加载缸9起支撑和固定作用；

剪切盒77右侧通过x方向右下加载缸6和x方向右上加载缸9提供水平加载应力、左侧通过x方向左上加载缸21和x方向左下加载缸19提供水平加载应力；

x方向左下力传感器17位于x方向左下加载缸19的伸缩端；x方向左上力传感器20位于x方向左上加载缸21的伸缩端；x方向右上力传感器10位于x方向右上加载缸9的伸缩端；x方向右下力传感器8位于x方向右下加载缸6的伸缩端(如图2、图3、图4所示)，提高检测精度。

进一步地，有四个可移动滑轮13设置在所述内反力框架2底部；所述可移动滑轮13与x方向滑轨80滑动连接，移动滑轮13在x方向滑轨80滑动、带动内反力框架2滑进或滑出外反力框架1，从而实现一维度和多方向剪切试验。

进一步地，第二应力加载系统74包括y方向右下加载缸26、y方向右上加载缸27、y方向左下加载油缸34、y方向左上加载油缸35；

第二应力测量系统75包括y方向右下力传感器29、y方向右上力传感器30、y方向左下力传感器32、y方向左上力传感器33；方向右下加载缸26提供水平应力，y方向右下力传感器29用于测量剪切盒77右下应力；

y方向右上加载缸27提供水平应力，y方向右上力传感器3用于测量剪切盒77右上应力；

y方向左下加载油缸34提供水平应力，y方向左下力传感器32用于测量剪切盒77左下应力；

y方向左上加载油缸35提供水平应力，y方向左上力传感器33用于测量剪切盒77左上应力；

第二位移测量系统76包括y方向右下位移传感器28和y方向左下位移传感器31；y方向左下位移传感器31与y方向右下位移传感器28从对向(左右)两侧测量下剪切盒37的位移。

当内反力框架2滑入所述外反力框架1固定后，y方向左下力传感器32、y方向左下加载油缸34、y方向右下加载缸26、y方向右下力传感器29分别布置在所述下剪切盒37的两侧；

y方向右下位移传感器28和y方向左下位移传感器31分别布置在所述下剪切盒37的两侧、且位于y方向左下加载油缸34和y方向右下加载缸26下方；

y方向右下位移传感器28垂直固定于所述外反力框架1的右侧面；

y方向左下位移传感器31垂直固定于所述外反力框架1的左侧面；外反力框架1分别为y方向右下位移传感器28和y方向左下位移传感器31提供固定、支撑力。

y方向左上力传感器33和y方向左上加载油缸35布置在所述上剪切盒22左侧，y方向右上加载缸27和y方向右上力传感器30布置在所述上剪切盒22右侧；

y方向左下加载油缸34和y方向左上加载油缸35均垂直固定于所述外反力框架1左侧面；y方向左下加载油缸34与y方向左上加载油缸35呈间隔设置；反力框架1分别为y方向左下加载油缸34和y方向左上加载油缸35提供固定、支撑力。

y方向右下加载缸26和y方向右上加载缸27均垂直固定于所述外反力框架1右侧面；y方向右下加载缸26与y方向右上加载缸27呈间隔设置；外反力框架1分别为y方向右下加载缸26和y方向右上加载缸27提供固定、支撑力。

y方向左下力传感器32设置在y方向左下加载油缸34的伸缩端；y方向右下力传感器29设置在y方向右下加载缸26的伸缩端；y方向左上力传感器33设置在y方向左上加载油缸35的伸缩端；y方向右上力传感器30设置在y方向右上加载缸27的伸缩端(如图3、图4所示)，提高检测精度。

进一步地，所述超声波测试系统81包括声波探头位置孔44、声波探头固定弹簧45、声波发射探头46、声波接收探头47和声波仪56；声波探头位置孔44分别设置在所述上剪切盒22上端中部和所述下剪切盒37下端中部；声波发射探头46通过声波探头固定弹簧45安装在所述上剪切盒22上的声波探头位置孔44中；声波接收探头47通过声波探头固定弹簧45安装在所述下剪切盒37上的声波探头位置孔44中；声波发射探头46和声波接收探头47分别通过导线与声波采集仪56连接(如图5、图6、图7所示)。

现通过本发明的应用实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：多方向往复剪切试验过程中超声波测试

本实施例利用所述的多功能多方向岩石往复剪切试验装置进行多方向往复剪切试验过程中超声波测试，具体试验方法，包括如下步骤，

步骤一：将声波发射探头46通过声波探头固定弹簧45安装在声波探头位置孔44中，将声波接收探头47通过声波探头固定弹簧45安装在声波探头位置孔44中，将声波发射探头46和将声波接收探头47通过导线连接到声波采集仪56上；

步骤二：在完成一维方向往复剪切试验的同时进行超声波测试，具体的操作是：声波采集仪56通过声波发射探头46发射声波信号，声波信号通过试样23被声波接收探头47接收，并最终被声波采集仪56接收与存储，获得剪切过程中的超声波特性；

步骤三：进行一维方向往复剪切试验。

步骤四：在完成多方向往复剪切试验的同时进行超声波测试，具体操作同步骤一和步骤二，获得剪切过程中的超声波特性；

实施例2：多方向往复剪切试验过程中超声波测试

步骤一：将声波发射探头46通过声波探头固定弹簧45安装在声波探头位置孔44中，将声波接收探头47通过声波探头固定弹簧45安装在声波探头位置孔44中，将声波发射探头46和将声波接收探头47通过导线连接到声波采集仪56上；

步骤二：在完成多方向往复剪切试验的同时进行超声波测试，具体的操作是：声波采集仪56通过声波发射探头46发射声波信号，声波信号通过试样23被声波接收探头47接收，并最终被声波采集仪56接收与存储，获得剪切过程中的超声波特性；

步骤三：进行多方向往复剪切试验。

其中，实现岩石试样一维方向往复剪切试验的具体方式为：

s51：将x方向右下力传感器8和x方向右下加载缸6离开下剪切盒37一定距离，通过x方向左下加载缸19对岩石试样23施加水平剪切应力，采用位移控制模式进行单向剪切试验，在剪切一段位移后停止加载并将x方向左下加载缸19退回，完成单向剪切试验；

s52：通过x方向右下加载缸6对岩石试样23进行反方向加载，直至岩石试样23剪切到指定的距离后停止加载，并将x方向右下加载缸6退回，完成反向剪切试验；

s53：重复s51和s52，实现岩石试样一维方向往复剪切试验。

其中，实现多方向往复剪切试验的具体方式为：

s61：进行岩石试样一维方向往复剪切试验；

将y方向右下加载缸26和y方向右下力传感器29离开下剪切盒37一定距离，通过y方向左下加载油缸34对岩石试样23施加水平剪切应力，采用位移控制模式进行单向剪切试验，在剪切一段位移后停止加载并将y方向左下加载油缸34退回，完成单向剪切试验；

s62：通过y方向右下加载缸26对岩石试样23进行反方向加载，直至岩石试样23剪切到指定的距离后停止加载，并将y方向右下加载缸26退回，完成反向剪切试验；

s63：重复s61和s62，实现多方向往复剪切试验。

所述x、y、z为笛卡尔直角坐标系。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的可实现超声波测试的多方向岩石剪切试验系统与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，本发明所述的可实现超声波测试的多方向岩石剪切试验系统与现有技术相比，能实现不同方向上的剪切和循环往复剪切，能实现不同方向上的剪切试验的同时进行超声波测试。

其它未说明的部分均属于现有技术。