多方向岩石往复剪切-温度耦合及声学测试系统

摘要

本发明公开了一种多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统。它包括外反力框架、内反力框架和反力框架底座；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；多场耦合试验系统还包括超声波测试系统、声发射测试系统、温度测试系统；所述超声波测试系统、声发射测试系统、温度测试系统均安装在剪切盒上。本发明具有可实现一维方向剪切和循环往复剪切，同时进行声发射、超声波和温度测试的优点。

权利要求

1.一种多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统，其特征在于：包括外反力框架(1)、内反力框架(2)和反力框架底座(3)；

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；

多场耦合试验系统还包括超声波测试系统(81)、声发射测试系统(82)、温度测试系统(83)；

所述超声波测试系统(81)、声发射测试系统(82)、温度测试系统(83)均安装在剪切盒(77)上；

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)；

所述反力框架底座(3)为凹形结构；

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；

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；

具体的多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统的试验测试方案根据实验需求进行自由组合：

当研究不同温度条件下剪切过程中的热固耦合特性时，则只打开温度控制系统，进行不同温度下的一维方向往复循环剪切试验或多方向往复循环剪切试验；

当研究剪切过程中的声发射特性时，则只打开声发射测试系统，进行一维方向往复循环剪切试验或多方向往复循环剪切试验；

当研究超声波条件下剪切过程中的耦合特性时，则只打开超声波测试系统，进行超声波条件下的一维方向往复循环剪切试验或多方向往复循环剪切试验；

当研究不同温度下的声发射、超声波特性时，则打开温度控制系统、声发射测试系统、超声波测试系统，进行一维方向往复循环剪切试验或多方向往复循环剪切试验；

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；

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；

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)；

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；

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)；

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)；

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；

y方向左上力传感器(33)、y方向左上加载油缸(35)、y方向右上加载缸(27)和y方向右上力传感器(30)分别布置在所述上剪切盒(22)的两侧；

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。

2.根据权利要求1所述的多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统，其特征在于：x方向右侧位移传感器支杆(16)、x方向左侧位移传感器(18)、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)分别布置在所述下剪切盒(37)的两侧；

x方向左下力传感器(17)、x方向左下加载缸(19)、x方向右下力传感器(8)和x方向右下加载缸(6)分别布置在所述下剪切盒(37)的两侧、且位于x方向左侧位移传感器(18)和x方向右侧位移传感器(7)上方；

x方向左上力传感器(20)、x方向左上加载缸(21)、x方向右上加载缸(9)和x方向右上力传感器(10)分别布置在上剪切盒(22)的两侧；

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；

垂直向位移传感器(12)安装在垂直向承压板(11)上；

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。

3.根据权利要求2所述的多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统，其特征在于：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)上端和所述下剪切盒(37)下端；

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。

4.根据权利要求3所述的多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统，其特征在于：所述声发射测试系统(82)包括声发射探头位置孔(39)、声发射探头固定弹簧(40)、声发射探头(41)和声发射采集控制系统(55)；

所述声发射探头(41)通过声发射探头固定弹簧(40)安装在声发射探头位置孔(39)中；

声发射探头(41)通过导线与声发射采集控制系统(55)连接；

声发射探头(41)有多个；声发射探头(41)、声发射探头固定弹簧(40)、声发射探头位置孔(39)的数量相等；

多个声发射探头位置孔(39)分别设置在所述上剪切盒(22)侧端和所述下剪切盒(37)侧端。

5.根据权利要求4所述的多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统，其特征在于：所述温度测试系统(83)包括加热孔(42)和加热棒(43)；

加热孔(42)有多个；多个加热孔(42)分别设置在所述上剪切盒(22)侧面和所述下剪切盒(37)侧面；

所述加热棒(43)布置在加热孔(42)中；加热棒(43)通过导线与温度控制仪(48)连接。

说明书

多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统

技术领域

[0001] 本发明涉及岩石剪切、声发射、超声波、温度等多场耦合试验测试技术领域，更具体地说它是一种多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统。

背景技术

[0002] 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、高地温等难题。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。

[0003] 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，岩体会受到温度、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温度、声发射、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；深部岩体工程还受到温度
的影响，高温条件下岩体结构面的力学特性会受到显著改变，超声波和声发射测试可以很
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，开展结合超声波和声发射测
试的多方向剪切、温度设备的研制至关重要。

[0004] 因此，现亟需开发一种结合超声波和声发射测试的多方向剪切、温度的岩体剪切设备。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了提供一种多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统，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、超声波
和温度测试，完善了设备的功能性，真实模拟不同应力路径下不同方向剪切试验以及深部
岩体工程开挖过程中考虑温度的剪切试验，同时结合超声波和声发射测试，使得试验功能
更广和试验效率更高，试验结果的可靠性显著提高。

[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统，其特征在于：包括外反力框架、内反力框架和反力框架底座；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；

[0007] 多场耦合试验系统还包括超声波测试系统、声发射测试系统、温度测试系统；所述超声波测试系统、声发射测试系统、温度测试系统均安装在剪切盒上。

[0008] 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；

[0009] 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；

[0010] 所述反力框架底座为凹形结构；

[0011] 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；

[0012] 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；

[0013] 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；

[0014] 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。

[0015] 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；

[0016] 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；

[0017] 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；

[0018] 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；

[0019] 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。

[0020] 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；

[0021] 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。

[0022] 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；

[0023] 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；

[0024] 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；

[0025] 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；

[0026] 垂直向位移传感器安装在垂直向承压板上；

[0027] 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；

[0028] 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。

[0029] 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。

[0030] 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；

[0031] 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；

[0032] 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；

[0033] 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；

[0034] 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；

[0035] 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；

[0036] 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；

[0037] 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；

[0038] 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；

[0039] 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。

[0040] 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；

[0041] 声波探头位置孔分别设置在所述上剪切盒上端和所述下剪切盒下端；

[0042] 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；

[0043] 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；

[0044] 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。

[0045] 在上述技术方案中，所述声发射测试系统包括声发射探头位置孔、声发射探头固定弹簧、声发射探头和声发射采集控制系统；

[0046] 所述声发射探头通过声发射探头固定弹簧安装在声发射探头位置孔中；声发射探头通过导线与声发射采集控制系统连接；

[0047] 声发射探头有多个；声发射探头、声发射探头固定弹簧、声发射探头位置孔的数量相等；

[0048] 多个声发射探头位置孔分别设置在所述上剪切盒侧端和所述下剪切盒侧端。

[0049] 在上述技术方案中，所述温度测试系统包括加热孔和加热棒；

[0050] 加热孔有多个；多个加热孔分别设置在所述上剪切盒侧面和所述下剪切盒侧面；

[0051] 所述加热棒布置在加热孔中；加热棒通过导线与温度控制仪连接。

[0052] 本发明具有如下优点：

[0053] (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；

[0054] (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、超声波和温度测试，完善了设备的功能性；

[0055] (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；

[0056] (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、超声波和温度测试，完善了设备的功能性；

[0057] (5)本发明可实现剪切过程中声发射、超声波和温度测试，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；

[0058] (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、温度特性的研究，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。

[0059] 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、超声波和温度测试，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。

[0060] 本发明可进行一维度和多方向剪切、温度耦合试验，同时进行超声波和声发射测试，其优点是不仅可以实现常规剪切设备单轴压缩剪切试验、往复循环剪切试验、剪切试
验，而且可以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
向剪切试验以及深部岩体工程开挖过程中考虑温度的剪切试验，同时结合超声波和声发射
测试，使得试验功能更广和试验效率更高，试验结果的可靠性显著提高。

附图说明

[0061] 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。

[0062] 图2为图1中的A‑A截面试验统图。

[0063] 图3为图1中的B‑B截面试验统图。

[0064] 图4为图1中的C‑C截面试验统图。

[0065] 图5为本发明的xz方向剪切盒与辊轴布置图。

[0066] 图6为本发明的yz方向剪切盒与辊轴布置图。

[0067] 图7为本发明的剪切试验过程中超声波测试系统布置图。

[0068] 图8为本发明的剪切试验过程中温度测试系统布置图。

[0069] 图9为本发明的剪切试验过程中声发射测试系统布置图。

[0070] 图5、图6中的x、y、z为笛卡尔直角坐标系。

[0071] 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，39‑声发射探头位置孔，40‑声发射探头固定
弹簧，41‑声发射探头，42‑加热孔，43‑加热棒，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，48‑温度控制仪，49‑实际温度显示屏，50‑设定温度显
示屏，51‑升高温度设定按钮，52‑温度控制仪电源开关，53‑降低温度设定按钮，54‑紧急停
止按钮，55‑声发射采集控制系统，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，82‑声发射测试系统，83‑温度测试系统。

具体实施方式

[0072] 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。

[0073] 参阅附图1～图9可知：一种多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统，包括外反力框架1、内反力框架2和反力框架底座3；

[0074] 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；

[0075] 所述多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统还包括超声波测试系统81、声发射测试系统82、温度测试系统83；

[0076] 所述超声波测试系统81、声发射测试系统82、温度测试系统83均安装在剪切盒77上；可进行多方向往复剪切试验过程中超声波、声发射、温度、渗透率多场耦合测试，真实模
拟不同应力路径下不同方向剪切试验以及深部岩体工程开挖过程中考虑温度的剪切试验，
同时结合超声波和声发射测试，使得试验功能更广和试验效率更高。

[0077] 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；

[0078] 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；

[0079] 所述反力框架底座3为开口向上的凹形结构(如图1所示)；

[0080] 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、声发射、温度、渗
透率多场耦合测试；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。

[0081] 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；

[0082] 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、声发射、温度、渗透率多场耦合测试。

[0083] 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；

[0084] 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；

[0085] 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；

[0086] 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；

[0087] 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。

[0088] 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；

[0089] 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。

[0090] 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；

[0091] 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；

[0092] 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；

[0093] 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；

[0094] 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；

[0095] 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；

[0096] 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。

[0097] 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；

[0098] 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。

[0099] 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；

[0100] 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；

[0101] 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；

[0102] 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；

[0103] 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；

[0104] 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；

[0105] 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。

[0106] 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。

[0107] 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；

[0108] 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；y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；

[0109] 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；

[0110] 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；

[0111] 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；

[0112] 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。

[0113] 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和y方向左下加载油缸34布置在所述下剪切盒37左侧、且位于y方向右下加载缸26下方；

[0114] y方向右下加载缸26和y方向右下力传感器29布置在所述下剪切盒37右侧、且位于y方向左下加载油缸34下方。

[0115] 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；

[0116] 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。

[0117] 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；

[0118] 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。

[0119] 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。

[0120] 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；

[0121] 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；

[0122] 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；

[0123] 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。

[0124] 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；

[0125] 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；

[0126] 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；

[0127] 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。

[0128] 进一步地，所述声发射测试系统82包括声发射探头位置孔39、声发射探头固定弹簧40、声发射探头41和声发射采集控制系统55；

[0129] 所述声发射探头41通过声发射探头固定弹簧40安装在声发射探头位置孔39中；声发射探头41通过导线与声发射采集控制系统55连接；

[0130] 声发射探头41有多个；声发射探头41、声发射探头固定弹簧40、声发射探头位置孔39的数量相等；

[0131] 多个声发射探头位置孔39分别设置在所述上剪切盒22开口端外侧面和所述下剪切盒37开口端外侧面。

[0132] 进一步地，所述温度测试系统83包括加热孔42和加热棒43；加热孔42与加热棒43的数量相等；

[0133] 加热孔42有多个；多个加热孔42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；

[0134] 所述加热棒43布置在加热孔42中；加热棒43通过导线与温度控制仪48连接；所述温度控制仪48由实际温度显示屏49、设定温度显示屏50、升高温度设定按钮51、温度控制仪
电源开关52、降低温度设定按钮53、紧急停止按钮54组成。

[0135] 深部岩体工程还受到温度的影响，高温条件下岩体结构面的力学特性会受到显著改变，超声波和声发射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；
本发明不仅可以实现常规剪切设备单轴压缩剪切试验、往复循环剪切试验，而且可以实现
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。

[0136] 所述x、y、z为笛卡尔直角坐标系。

[0137] 现通过本发明的应用实施例对本发明进行详细说明。

[0138] 本发明所述的多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统可进行多方向往复剪切试验过程中超声波、声发射、温度多场耦合测试。

[0139] 本发明所述的多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统进行剪切试验、超声波测试、温度测试、声发射测试组合试验方法，包括如下步骤：

[0140] 步骤一：通过温度控制仪电源开关52打开温度控制仪48，通过升高温度设定按钮51设定到试验指定温度(如50摄氏度)，设定的温度在设定温度显示屏50上显示，加热一段
时间直到温度传感器获取实际温度在实际温度显示屏49上显示为设定温度(50摄氏度)；此
时试样的温度为设定的温度(50摄氏度)；

[0141] S11：进行不同温度下的一维方向往复循环剪切试验，试验方案如下：首先完成试样安装，通过温度控制仪电源开关52打开温度控制仪48，通过升高温度设定按钮51设定到
试验指定温度(如50摄氏度)，设定的温度在设定温度显示屏50上显示，加热一段时间直到
温度传感器获取实际温度在实际温度显示屏49显示为设定温度(50摄氏度)；此时试样的温
度设定的温度(50摄氏度)，然后进行一维方向往复循环剪切试验，获得一维方向往复循环
剪切试验过程中的热固耦合特性；

[0142] S12：设定指定温度(如90摄氏度)，完成一维方向往复循环剪切试验，获得一维方向往复循环剪切试验过程中的热固耦合特性；同时可在一维方向往复循环剪切试验过程中
随时改变设定温度(0～100摄氏度)，完成不同温度下的一维方向往复循环剪切试验，获得
不同温度下的一维方向往复循环剪切试验过程中的热固耦合特性；

[0143] S13：参考S11，首先完成试样安装，通过温度控制仪电源开关52打开温度控制仪48，通过升高温度设定按钮51设定到试验指定温度(如50摄氏度)，设定的温度在设定温度
显示屏50上显示，加热一段时间直到温度传感器获取实际温度在实际温度显示屏49上显示
为设定温度(50摄氏度)；此时试样的温度设定的温度(50摄氏度)，然后进行多方向往复循
环剪切试验，获得多方向往复循环剪切试验过程中的热固耦合特性；

[0144] S14：设定指定温度(如90摄氏度)，重复S13，完成一多方向往复循环剪切试验，获得一维方向往复循环剪切试验过程中的热固耦合特性；同时可在一维方向往复循环剪切试
验过程中随时改变设定温度(0～100摄氏度)，完成不同温度下的一维方向往复循环剪切试
验，获得不同温度下的一维方向往复循环剪切试验过程中的热固耦合特性；

[0145] 步骤二：打开声波采集仪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；

[0146] 步骤三：将多个声发射探头41分别通过声发射探头固定弹簧40安装在声发射探头位置孔39中，将多个声发射探头41通过导线连接到声发射采集控制系统55上，打开声发射
采集控制系统55，进入声发射采集状态；

[0147] 步骤四：进行一维方向往复循环剪切试验；

[0148] 步骤五：进行多方向往复循环剪切试验。

[0149] 具体的多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统的试验测试方案可根据实验需求进行自由组合：

[0150] 例如，当研究不同温度条件下剪切过程中的热固耦合特性时，则只需要打开温度控制系统，进行不同温度下的一维方向往复循环剪切试验或多方向往复循环剪切试验；

[0151] 当研究剪切过程中的声发射特性时，则只需要打开声发射测试系统，进行一维方向往复循环剪切试验或多方向往复循环剪切试验；

[0152] 当研究超声波条件下剪切过程中的耦合特性时，则只需要打超声波测试系统，进行超声波条件下的一维方向往复循环剪切试验或多方向往复循环剪切试验；

[0153] 当研究不同温度下的声发射、超声波特性时，则需要打开温度控制系统、声发射测试系统、超声波测试系统，进行一维方向往复循环剪切试验或多方向往复循环剪切试验(如
图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示)。

[0154] 在步骤四中，一维方向往复循环剪切试验的具体方式为：S411：将试样23放入下剪切盒37中、并将上剪切盒22盖在下剪切盒37上，然后剪切盒77整体放在x方向滑动辊组15
上；

[0155] S412：将垂直加载力传感器24、垂直加载油缸25通过垂直向承压板11紧压在上剪切盒22上面，组成垂直向应力测量系统；

[0156] S413：将x方向左上力传感器20、x方向左上加载缸21、x方向右上加载缸9、x方向右上力传感器10紧压在上剪切盒22的两侧；

[0157] S414：将x方向左下力传感器17、x方向左下加载缸19、x方向右下加载缸6、x方向右下力传感器8紧压在下剪切盒37的两侧；

[0158] 通过S413和S414组成水平向应力测量系统；

[0159] S415：将垂直向位移传感器12安装在垂直向承压板11上，将x方向左侧位移传感器18通过x方向右侧位移传感器支杆16安装在下剪切盒37的左侧，将x方向右下加载缸6通过x
方向右侧位移传感器支杆4安装在下剪切盒37的右侧，组成位移测量系统；

[0160] S416：通过垂直加载油缸25对岩石试样23施加垂向力至目标压力，并保持压力值恒定；

[0161] S417：限定x方向右上加载缸9的位移，使其保持固定不动；然后x方向左上加载缸21增加压力，x方向左上加载缸21增加压力至压力值为验要求的剪切力的1.5倍，然后保持
此压力值固定不变；这样可以保证剪切试验过程中上部剪切盒的位置固定，更好的完成剪
切试验，同时保证由不明原因造成的压力过大时，引起上部加载缸的压力过大(超过1.5倍
的剪切力)，可以人工及时终止试验，检查原因，起到一定的保护作用；

[0162] 至此，剪切盒77上部完成固定；

[0163] S418：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(2～3cm)，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(约2cm)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；

[0164] S419：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；

[0165] S4110：重复S418和S419，实现岩石试样一维方向往复剪切试验。

[0166] 在步骤五中，多方向往复循环剪切试验的具体方式为：S421：完成岩石试样一维方向往复剪切试验；

[0167] S512：推动内反力框架2底部的四个可移动滑轮13，且通过x方向滑轨可进入外反力框架1的内部指定位置；

[0168] S513：限定y方向右上加载缸27的位移，使其保持固定不动；然后y方向左上加载油缸35增加压力，y方向左上加载油缸35增加压力至压力值为验要求的剪切力的1.5倍，然后
保持此压力值固定不变；这样可以保证剪切试验过程中上部剪切盒的位置固定，更好的完
成剪切试验，同时保证由不明原因造成的压力过大时，引起上部加载缸的压力过大(超过
1.5倍的剪切力)，可以人工及时终止试验，检查原因，起到一定的保护作用；

[0169] S514：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(2～3cm)，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(约2cm)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；

[0170] S515：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；

[0171] S516：重复S514和S515，实现多方向往复剪切试验。

[0172] 为了能够更加清楚的说明本发明所述的多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试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：

[0173]

[0174] 由上表可知，本发明所述的多方向岩石往复剪切‑温度耦合及声学测试系统与现有技术相比，能实现一维方向剪切和循环往复剪切，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温度等多场耦合试验，和/或进行声发射
和/或超声波测试等多场耦合试验。

[0175] 其它未说明的部分均属于现有技术。