实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置及方法

本申请涉及岩土工程计算，尤其涉及一种实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置及方法。

背景技术：

1、在岩石剪切试验或摩擦试验中，现有技术大多应用应变传感器监测试样的局部剪应力，由于试样内部无法布置应变片，所以一般只能将应变传感器粘贴于试验表面，得出的局部剪应力均是一维分布情况，针对二维滑动界面的局部剪应力的二维分布状态，没有很好的解决办法。另外，获取局部动态滑动位移的方法主要是采用应变片传感器及数字图像相关法技术(di c)，但是应变片精度低且易损坏，di c技术操作及数据处理复杂且标记相对区域变形的数据点选取困难，因此本申请提供一种实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置及方法。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置及方法，采用精度高、数据准确及操作方便的光纤传感器获取相关数据并解决现有技术中无法实时获取摩擦界面局部剪应力二维分布状态的问题，所述技术方案如下：

2、本申请第一方面提供一种实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置，包括第一剪切盒、第二剪切盒、法向加载件及切向加载件，所述第一剪切盒用于盛放固定试样；所述第二剪切盒位于所述第一剪切盒下方，用于盛放滑动试样，所述固定试样与所述滑动试样相对的面为摩擦界面；所述法向加载件，位于所述第一剪切盒顶部以向所述固定试样、滑动试样施加法向应力；所述切向加载件位于所述第二剪切盒一侧以向所述滑动试样施加剪切应力并驱动所述滑动试样滑动；其中，在所述固定试样上沿所述摩擦界面的长度方向及宽度方向设有数个第一盲孔，在所述滑动试样上沿所述摩擦界面的宽度方向设有数个第二盲孔，在所述第一盲孔和所述第二盲孔内设有光纤传感器，以实时获取摩擦试验过程中摩擦界面剪向应力的二维分布及断层动态滑动位移；在所述固定试样和所述滑动试样上分别布设数个声发射传感器，以实现剪切过程中试样内部裂纹的三维定位。

3、例如，在一个实施例提供的实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置中，所述光纤传感器与动态应变仪连接，所述声发射传感器与声发射监测系统连接。

4、例如，在一个实施例提供的实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置中，在所述固定试样靠近所述摩擦界面处沿所述摩擦界面的长度方向及宽度方向设有数个所述第一盲孔，在所述滑动试样靠近所述摩擦界面处沿所述摩擦界面的宽度方向设有数个第二盲孔。

5、例如，在一个实施例提供的实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置中，在所述固定试样和所述滑动试样上沿所述摩擦界面长度方向的两侧面均布置至少四个所述声发射传感器。

6、例如，在一个实施例提供的实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置中，所述固定试样和所述滑动试样侧面上的至少四个所述声发射传感器呈折线分布，在所述声发射传感器与所述固定试样、滑动试样之间涂设耦合剂，以增强所述声发射传感器与所述固定试样、滑动试样表面的接触。

7、例如，在一个实施例提供的实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置中，所述光纤传感器通过柔性胶固设在所述第一盲孔和所述第二盲孔内，以防止所述光纤传感器与所述固定试样、滑动试样脱节。

8、例如，在一个实施例提供的实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置中，所述固定试样朝向所述滑动试样的表面粗糙度与所述滑动试样朝向所述固定试样的表面粗糙度不同，以形成不同粗糙度的摩擦界面。

9、例如，在一个实施例提供的实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置中，所述第一盲孔和所述第二盲孔的直径为1-2mm。

10、本申请第二方面提供一种实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验方法，采用上述实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置进行摩擦滑动试验，包括以下步骤：s1制作试验样本；s2在固定岩样上沿所述摩擦界面的长度方向及宽度方向均匀打出一排第一盲孔，在滑动岩样沿所述摩擦界面的宽度方向均匀打出一排第二盲孔，在所述第一盲孔和所述第二盲孔内固设光纤传感器；s3将粘贴有光纤传感器的固定岩样和滑动岩样分别放置于第一剪切盒和第二剪切盒中，并利用法向加载件对第一剪切盒施加预压；s4：在固定岩样和滑动岩样的侧面沿所述摩擦界面的长度方向分别布置声发射传感器，并将光纤传感器和声发射传感器的导线分别接入动态应变仪与声发射监测系统中；s5：先通过法向加载件施加法向荷载至设计法向应力σ0，然后利用切向加载件对第二剪切盒施加位移加载速率v，开展岩石摩擦滑动试验；s6：试验中通过光纤传感器和声发射传感器实时监测试样的应变及其声发射相关参数，利用获取的摩擦界面局部剪应力在试验滑移前后的动态变化规律，细化研究局部剪应力与界面法向应力的关系，进而揭示试样滑移失稳的内部机理。

11、例如，在一个实施例提供的实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验方法中，试验中的法向边界条件为恒定法向应力条件和恒定法向刚度条件，以对比不同法向边界条件下，摩擦界面局部剪应力二维分布的差异和动态滑动位移的差异，进而得到不同法向边界条件下摩擦界面局部剪应力和局部滑动位移的动态演化规律。

12、本申请一些实施例提供的一种实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置带来的有益效果为：本申请采用精度高、数据准确及操作方便的光纤传感器获取相关数据并解决现有技术中无法实时获取摩擦界面局部剪应力二维分布状态的问题，能更明确了解摩擦过程中摩擦界面局部剪应力锁固-瞬时滑动-锁固的动态分布，揭示了局部剪应力与法向应力的变化规律，进而研究试样滑动失稳的内部机理，为相应的岩土工程提供技术支持及理论依据；本申请通过沿摩擦界面横向与纵向分布的光纤传感器，可以实时获取试验过程中摩擦界面剪向应力的二维分布状态，这样能动态分析试样在滑动前、后的摩擦界面剪应力的差异，直观得到摩擦界面局部剪应力从锁固-跌落-锁固的循环过程的分布情况及其成核全过程的演化规律，从而揭示试样滑动的内部机制，为研究断层滑动失稳及其滑动稳定性的内部机理提供理论依据；通过声发射传感器，可以实现剪切过程中试验内部裂纹的三维定位，获取试样从准动态-动态滑动跌落-准动态循环全过程的裂纹扩展及其位置分布情况，配合试验滑动前后局部剪应力的分布情况，得到声发射能量、b值与局部剪应力的变化规律，这样在实际工程中，能通过监测断层上下盘位移声发射各参数的变化规律，达到预测及防治断层活化的目。

技术特征：

1.一种实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置，其特征在于，所述光纤传感器与动态应变仪连接，所述声发射传感器与声发射监测系统连接。

3.根据权利要求1所述实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置，其特征在于，在所述固定试样靠近所述摩擦界面处沿所述摩擦界面的长度方向及宽度方向设有数个所述第一盲孔，在所述滑动试样靠近所述摩擦界面处沿所述摩擦界面的宽度方向设有数个第二盲孔。

4.根据权利要求1所述实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置，其特征在于，在所述固定试样和所述滑动试样上沿所述摩擦界面长度方向的两侧面均布置至少四个所述声发射传感器。

5.根据权利要求4所述实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置，其特征在于，所述固定试样和所述滑动试样侧面上的至少四个所述声发射传感器呈折线分布，在所述声发射传感器与所述固定试样、滑动试样之间涂设耦合剂，以增强所述声发射传感器与所述固定试样、滑动试样表面的接触。

6.根据权利要求1所述实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置，其特征在于，所述光纤传感器通过柔性胶固设在所述第一盲孔和所述第二盲孔内，以防止所述光纤传感器与所述固定试样、滑动试样脱节。

7.根据权利要求1所述实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置，其特征在于，所述固定试样朝向所述滑动试样的表面粗糙度与所述滑动试样朝向所述固定试样的表面粗糙度不同，以形成不同粗糙度的摩擦界面。

8.根据权利要求1所述实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置，其特征在于，所述第一盲孔和所述第二盲孔的直径为1-2mm。

9.一种实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置进行摩擦滑动试验，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验方法，其特征在于，试验中的法向边界条件为恒定法向应力条件和恒定法向刚度条件，以对比不同法向边界条件下，摩擦界面局部剪应力二维分布的差异和动态滑动位移的差异，进而得到不同法向边界条件下摩擦界面局部剪应力和局部滑动位移的动态演化规律。

技术总结
本申请公开了一种实时监测滑动界面剪应力及滑动位移的试验装置及方法，包括第一剪切盒、第二剪切盒、法向加载件及切向加载件，所述第一剪切盒用于盛放固定试样；所述第二剪切盒位于所述第一剪切盒下方，用于盛放滑动试样；所述法向加载件位于所述第一剪切盒顶部以施加法向应力；所述切向加载件位于所述第二剪切盒一侧以施加剪切应力；其中，在所述固定试样上设有数个第一盲孔，在所述滑动试样上设有数个第二盲孔，在所述第一盲孔和所述第二盲孔内设有光纤传感器，以实时获取摩擦试验过程中摩擦界面剪向应力的二维分布及断层动态滑动位移；在所述固定试样和所述滑动试样上分别布设数个声发射传感器，以实现剪切过程中试样内部裂纹的三维定位。

技术研发人员：张罗送,张传庆,方志,周辉,周奥鸽,叶金萍,李玲玉,谢起明,张强强
受保护的技术使用者：中国科学院武汉岩土力学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16