深地环境下的岩石剪切流变试验机

摘要

本发明属于模拟深地工程复杂赋存条件下圆柱状岩石或含结构面岩石轴面剪切试验及剪切流变试验领域，尤其涉及深地环境下的岩石剪切流变试验机，具体结构为：机架、试验支撑平台、上压头和下压头。深地环境下的岩石剪切流变试验机实现了直接对柱状岩心及含结构面的柱状岩心进行剪切试验，解决了尺寸、性状等制约而不能有效进行剪切试验的难题。

权利要求

1.深地环境下的岩石剪切流变试验机，其特征在于：包括机架(3)、试验支撑平台(3A)、上压头(2)和下压头(1)；

所述上压头(2)和下压头(1)结构相同，均包括试样托座(1A)、上固定板(1B)、下固定板(1D)和调节螺杆(1F)；所述试样托座(1A)上设置有开口向上的呈圆弧形的试样安装槽(1A1)，所述试样安装槽(1A1)由试样托座(1A)的一端贯穿至另一端；在下固定板(1D)的两侧分别安装有上固定板(1B)，并由下固定板(1D)和下固定板(1D)两侧的上固定板(1B)包围形成夹持区(1G)，所述试样托座(1A)位于下固定板(1D)上，其一端伸入夹持区(1G)内，并通过转轴与下固定板(1D)铰接；所述调节螺杆(1F)沿竖向穿过下固定板(1D)与试样托座(1A)相连接，且调节螺杆(1F)与下固定板(1D)螺纹配合；所述试样安装槽(1A1)一端为自由端(1A1a)，另一端为施力端(1A1b)，所述施力端(1A1b)的端面呈由上至下向自由端(1A1a)倾斜的斜面；

所述下压头(1)的下固定板(1D)支撑于所述试验支撑平台(3A)上，所述上压头(2)支撑于下压头(1)上，且上压头(2)与下压头(1)呈中心对称布置，并由上压头(2)的试样安装槽(1A1)与下压头(1)的试样安装槽(1A1)包围形成放置岩样的试样夹持区(21)；

在上压头(2)的左侧设置有上剪切施力块(5)，且所述上剪切施力块(5)与上压头(2)的试样安装槽(1A1)的施力端(1A1b)相对设置，上剪切施力块(5)固定于所述机架(3)；下压头(1)的右侧设置有下剪切施力块(4)，且所述下剪切施力块(4)的一端与下压头(1)的试样安装槽(1A1)的施力端(1A1b)相对设置，另一端与水平液压千斤顶(7)的活塞杆相连接；

在上压头(2)上方设置有驱动上压头(2)下压的竖直液压千斤顶(8)，所述竖直液压千斤顶(8)安装于机架(3)。

2.如权利要求1所述的深地环境下的岩石剪切流变试验机，其特征在于：沿试样安装槽(1A1)轴向，所述夹持区(1G)包括托座安装段(1G1)和用于安装传力部件的传力件安装段(1G2)；所述试样托座(1A)设置于托座安装段(1G1)；

在上压头(2)与上剪切施力块(5)之间设置有长方体传力垫块(1H)，所述传力垫块(1H)插接于上压头(2)的传力件安装段(1G2)；

在下压头(1)与下剪切施力块(4)之间设置有长方体传力垫块(1H)，所述传力垫块(1H)插接于下压头(1)的传力件安装段(1G2)。

3.如权利要求1所述的深地环境下的岩石剪切流变试验机，其特征在于：所述上剪切施力块(5)和下剪切施力块(4)均呈L形。

4.如权利要求3所述的深地环境下的岩石剪切流变试验机，其特征在于：在试验支撑平台(3A)上设置有高度调节块(3B)，所述高度调节块(3B)自由放置于试验支撑平台(3A)上；

所述试样托座(1A)、上剪切施力块(5)和下剪切施力块(4)均支撑于高度调节块(3B)上。

5.如权利要求1‑4任意一项权利要求所述的深地环境下的岩石剪切流变试验机，其特征在于：

包括水箱(9)，所述水箱(9)呈长方体状，包括底壁(9A)、左侧壁(9B)、右侧壁(9C)、前侧壁(9D)和后侧壁(9E)，由底壁(9A)、左侧壁(9B)、右侧壁(9C)、前侧壁(9D)和后侧壁(9E)包围形成顶部的盛水腔体(9G)；

所述上压头(2)、下压头(1)、上剪切施力块(5)和下剪切施力块(4)均位于盛水腔体(9G)内；

所述水平液压千斤顶(7)的活塞杆穿过右侧壁(9C)与下剪切施力块(4)相连接；

所述下剪切施力块(4)经过水平横梁(6)固定于机架(3)；所述水平横梁(6)穿过左侧壁(9B)与上剪切施力块(5)相连接。

6.如权利要求5所述的深地环境下的岩石剪切流变试验机，其特征在于：所述水箱(9)还包括用于封闭盛水腔体(9G)顶部开口的顶盖(9F)；

所述竖直液压千斤顶(8)的活塞杆穿过顶盖(9F)与上压头(2)相连接；

在顶盖(9F)设置有贯通至盛水腔体(9G)的排气孔(9H)；在侧壁设置有为盛水腔体(9G)注入或放水的注水孔(9K)。

7.如权利要求5所述的深地环境下的岩石剪切流变试验机，其特征在于：所述机架(3)呈正八边形环状结构，所述试验支撑平台(3A)和水箱(9)均位于机架(3)的正八边形中空区域内。

说明书

深地环境下的岩石剪切流变试验机

技术领域

[0001] 本发明属于模拟深地工程复杂赋存条件下圆柱状岩石或含结构面岩石轴面剪切试验及剪切流变试验领域，具体的是深地工程岩石剪切流变试验机。

背景技术

[0002] 岩石的抗剪力学特性是岩体工程建设中必不可少的关键力学参数之一。对于深埋地下的深部工程岩体，其赋存环境通常是高应力与高渗压的共同作用，甚至还面临高温的
耦合作用，在高应力与高渗压下，围岩的抗剪强度及变形特征对工程安全尤为重要，特别是
对于具有显著流变特性的工程岩体，其在剪切荷载下的流变特性也是工程建设需首先掌握
的。深地工程在前期勘查中，剪切试验所用岩心通常是在地质勘探过程中利用勘探钻孔钻
取柱状岩心方式获得，岩心直径通常低于65mm，然后在室内利用切割机切割成试验所需尺
寸。由于岩心尺寸小，很难保障切割成试验所需标准尺寸的试件，而且对于含有结构面的钻
孔柱状岩心，沿垂直于岩心轴线方向切割后，结构面可能会贯穿切割端面。为了解决加工标
准试件困难及对结构面贯穿切割后柱状岩心端面或结构面与试件轴平面小角度相交不超
出45°等条件下的直接剪切试验所需试件尺寸不符合要求的难题，通常将切割后的试件拟
定剪切面置于剪切模具中心，然后在试件周边浇筑混凝土使之符合剪切试验所需的尺寸要
求，待混凝土固化强度达到要求后再把与混凝土浇筑成一体的试件安装到试验机上进行试
验。但是，混凝土浇筑进行剪切试验面临诸多难题，比如，混凝土强度及变形特征与被测试
岩石不协调、不同步，在施加法向荷载和剪切荷载的过程中混凝土会首先发生破坏，导致试
验成功率低；混凝土变形量远高于岩石变形，特别是胶结界面处更易发生较大变形，导致试
验测得的法向变形和切向变形不能有效反映实际；混凝土需要一定的养护龄期，通常是28
天，严重影响试验效率，并且成本大大增加；浇筑混凝土后的试件总重量大大增加，搬运安
装困难，需要多人协同工作，浪费人力资源；对于含结构面的试件，在浇筑和搬运过程中的
扰动更容易造成结构面状态的改变或破坏，试验难以达到预期效果。此外，由于剪切过程中
试件上下两部分必然发生相对移动，如何实现剪切过程中法向加载和试件上下两部分相对
运动下的渗流密闭，保障深部复杂赋存下的高渗流压力环境，目前仍缺乏有效的实现技术。
上述这些难题，严重制约深部复杂赋存环境下的岩石及结构剪切力学性能研究。

发明内容

[0003] 本发明的目的是解决现有模拟深地复杂环境下柱状及含结构面岩石测试结果不可靠、标准试件加工难、测试费时费力、不能有效考虑深地环境条件等诸多难题，提供一种
深地环境下的岩石剪切流变试验机，其操作简单易行。

[0004] 本发明采用的技术方案是：岩石剪切流变试验机，包括机架3、试验支撑平台3A、上压头2和下压头1；

[0005] 所述上压头2和下压头1结构相同，均包括试样托座1A、上固定板1B、下固定板1D和调节螺杆1F；所述试样托座1A上设置有开口向上的呈圆弧形的试样安装槽1A1，所述试样安
装槽1A1由试样托座1A的一端贯穿至另一端；在下固定板1D的两侧分别安装有上固定板1B，
并由下固定板1D和下固定板1D两侧的上固定板1B包围形成夹持区1G，所述试样托座1A位于
下固定板1D上，其一端伸入夹持区1G内，并通过转轴与下固定板1D铰接；所述调节螺杆1F沿
竖向穿过下固定板1D与试样托座1A相连接，且调节螺杆1F与下固定板1D螺纹配合；所述试
样安装槽1A1一端为自由端1A1a，另一端为施力端1A1b，所述施力端1A1b的端面呈由上至下
向自由端1A1a倾斜的斜面；

[0006] 所述下压头1的下固定板1D支撑于所述试验支撑平台3A上，所述上压头2支撑于下压头1上，且上压头2与下压头1呈中心对称布置，并由上压头2的试样安装槽1A1与下压头1
的试样安装槽1A1包围形成放置岩样的试样夹持区21；

[0007] 在上压头2的左侧设置有上剪切施力块5，且所述上剪切施力块5与上压头2的试样安装槽1A1的施力端1A1b相对设置，上剪切施力块5固定于所述机架3；下压头1的右侧设置
有下剪切施力块4，且所述下剪切施力块4的一端与下压头1的试样安装槽1A1的施力端1A1b
相对设置，另一端与水平液压千斤顶7的活塞杆相连接；

[0008] 在上压头2上方设置有驱动上压头2下压的竖直液压千斤顶8，所述竖直液压千斤顶8安装于机架3。

[0009] 进一步的，沿试样安装槽1A1轴向，所述夹持区1G包括托座安装段1G1和用于安装传力部件的传力件安装段1G2；所述试样托座1A设置于托座安装段1G1；

[0010] 在上压头2与上剪切施力块5之间设置有长方体传力垫块1H，所述传力垫块1H插接于上压头2的传力件安装段1G2；

[0011] 在下压头1与下剪切施力块4之间设置有长方体传力垫块1H，所述传力垫块1H插接于下压头1的传力件安装段1G2。

[0012] 进一步的，所述上剪切施力块5和下剪切施力块4均呈L形。

[0013] 进一步的，在试验支撑平台3A上设置有高度调节块3B，所述高度调节块3B自由放置于试验支撑平台3A上；所述试样托座1A、上剪切施力块5和下剪切施力块4均支撑于高度
调节块3B上。

[0014] 进一步的，包括水箱9，所述水箱9呈长方体状，包括底壁9A、左侧壁9B、右侧壁9C、前侧壁9D和后侧壁9E，由底壁9A、左侧壁9B、右侧壁9C、前侧壁9D和后侧壁9E包围形成顶部
的盛水腔体9G；

[0015] 所述上压头2、下压头1、上剪切施力块5和下剪切施力块4均位于盛水腔体9G内；

[0016] 所述水平液压千斤顶7的活塞杆穿过右侧壁9C与下剪切施力块4相连接；

[0017] 所述下剪切施力块4经过水平横梁6固定于机架3；所述水平横梁6穿过左侧壁9B与上剪切施力块5相连接。

[0018] 进一步的，所述水箱9还包括用于封闭盛水腔体9G顶部开口的顶盖9F；

[0019] 所述竖直液压千斤顶8的活塞杆穿过顶盖9F与上压头2相连接；

[0020] 在顶盖9F设置有贯通至盛水腔体9G的排气孔9H；在侧壁设置有为盛水腔体9G注入或放水的注水孔9K。

[0021] 进一步的，所述机架3呈正八边形环状结构，所述试验支撑平台3A和水箱9均位于机架3的正八边形中空区域内。

[0022] 本发明的有益效果是：

[0023] 1实现了直接对柱状岩心及含结构面的柱状岩心进行剪切试验，解决了尺寸、性状等制约而不能有效进行剪切试验的难题。

[0024] 2解决了混凝土浇筑导致的变形不协调、变形测量结果失真、试验成功率低等难题，同时还克服了混凝土浇筑导致费时、费工问题，并且节省了浇筑成本和人员成本。

[0025] 3克服了混凝土浇筑导致的结构面二次扰动和破坏难题，保障了测试结构面性状的原始状态，从而确保了测得力学参数和剪切变形的真实性。

[0026] 4实现了剪切过程中法向荷载和试件上下两部分相对运动中的高渗压密闭，保障了实现深部高渗压下的直接剪切测试。

附图说明

[0027] 图1为剪切压头主视图；

[0028] 图2为剪切压头左视图；

[0029] 图3为剪切压头俯视图；

[0030] 图4为滑块处于下限位时，剪切压头的A‑A剖视图；

[0031] 图5为滑块处于下限位时，剪切压头的B‑B剖视图；

[0032] 图6为滑块处于上限位时，剪切压头的A‑A剖视图；

[0033] 图7为深地环境下的岩石剪切流变试验机的整体装配主视图；

[0034] 图8为深地环境下的岩石剪切流变试验机水平剪切状态示意图；

[0035] 图9为深地环境下的岩石剪切流变试验机斜剪状态示意图；

[0036] 图10为水箱主视图；

[0037] 图11为水箱俯视图；

[0038] 图12为水箱左视图。

[0039] 图中，下压头1、上压头2、试样夹持区21、试样托座1A、试样安装槽1A1、自由端1A1a、施力端1A1b、凹槽1A2、转轴1A3、上固定板1B、上安装槽1B1、缺角1B2、连接螺栓1C、下
固定板1D、下安装槽1D1、调高垫板1E、调节螺杆1F、夹持区1G、托座安装段1G1、传力件安装
段1G2、传力垫块1H、机架3、试验支撑平台3A、高度调节块3B、下剪切施力块4、上剪切施力块
5、水平横梁6、水平液压千斤顶7、竖直液压千斤顶8、水箱9、底壁9A、左侧壁9B、右侧壁9C、前
侧壁9D、后侧壁9E、顶盖9F、盛水腔体9G、排气孔9H、注水孔9K、岩样10。

具体实施方式

[0040] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明如下：

[0041] 本说明书中所表示方位的“上”和“下”均以附图1所示为准。

[0042] 剪切试验机，如图1‑图7所示，包括机架3、试验支撑平台3A、上压头2和下压头1；所述上压头2和下压头1结构相同，均包括试样托座1A、上固定板1B、下固定板1D和调节螺杆
1F；所述试样托座1A上设置有开口向上的呈圆弧形的试样安装槽1A1，所述试样安装槽1A1
由试样托座1A的一端贯穿至另一端；在下固定板1D的两侧分别安装有上固定板1B，并由下
固定板1D和下固定板1D两侧的上固定板1B包围形成夹持区1G，所述试样托座1A位于下固定
板1D上，其一端伸入夹持区1G内，并通过转轴与下固定板1D铰接；所述调节螺杆1F沿竖向穿
过下固定板1D与试样托座1A相连接，且调节螺杆1F与下固定板1D螺纹配合；所述试样安装
槽1A1一端为自由端11A11，另一端为施力端1A1b，所述施力端1A1b的端面呈由上至下向自
由端11A11倾斜的斜面；

[0043] 所述下压头1的下固定板1D支撑于所述试验支撑平台3A上，所述上压头2支撑于下压头1上，且上压头2与下压头1呈中心对称布置，并由上压头2的试样安装槽1A1与下压头1
的试样安装槽1A1包围形成放置岩样的试样夹持区21；

[0044] 在上压头2的左侧设置有上剪切施力块5，且所述上剪切施力块5与上压头2的试样安装槽1A1的施力端1A1b相对设置，上剪切施力块5固定于所述机架3；下压头1的右侧设置
有下剪切施力块4，且所述下剪切施力块4的一端与下压头1的试样安装槽1A1的施力端1A1b
相对设置，另一端与水平液压千斤顶7的活塞杆相连接；

[0045] 在上压头2上方设置有驱动上压头2下压的竖直液压千斤顶8，所述竖直液压千斤顶8安装于机架3。

[0046] 使用时，按从上到下依次为上压头2、待剪岩样和下压头1，且上压头2和下压头1放置方向相反，且保持水平，待剪岩样放置于试样夹持区21，并保证岩样待剪切面保持水平。
待岩样10装卡完毕，启动水平液压千斤顶7施加一个合适大小的力，让剪切装置在水平方向
上固定。然后启动垂直液压千斤顶8，对剪切装置在垂直方向上施加一个适当的荷载，使上
压头2和下压头1在竖直方向上能够卡住待剪岩样10。最后启动水平液压千斤顶7施加水平
荷载开始剪切试验。此过程为零角度沿试样中线水平剪切的测量方法及过程。

[0047] 当岩样为非标准试样时，通常需要调节剪切角度，使得剪切平面保持水平。如图9所示为剪切角度15°下的整体工作剖面图，只是在剪切压头的可旋转试样放置托槽1和托槽
下固定板4之间，各放置了一个角度为15°的楔形调角度垫块，用于调节剪切角度。还可以制
作20°、25°、30°等不同角度的楔形垫块，以满足岩样不同剪切角度的需求。当垫板角度在15
～20°间，则放置一个15°的垫块，然后微调螺栓长度，使待剪切面处于水平状态。

[0048] 为了传递水平剪切力，使水平剪切力施加于待剪岩样上，优选的，沿试样安装槽1A1轴向，所述夹持区1G包括托座安装段1G1和用于安装传力部件的传力件安装段1G2；所述
试样托座1A设置于托座安装段1G1；

[0049] 在上压头2与上剪切施力块5之间设置有长方体传力垫块1H，所述传力垫块1H插接于上压头2的传力件安装段1G2；

[0050] 在下压头1与下剪切施力块4之间设置有长方体传力垫块1H，所述传力垫块1H插接于下压头1的传力件安装段1G2。

[0051] 如图8所示，下剪切施力块4与上剪切施力块5位置对称，在进行试验中，上剪切施力块5是恒定的，与施加法向力的竖直液压千斤顶8的相对位置不变，只有下剪切施力块4在
水平向推力作用下可以运动，因此，下剪切施力块4在水平向推力作用下，通过传力垫块1H
推动岩石发生剪切破坏。在该过程中，通过下剪切施力块4施加的推力，上剪切施力块5的位
置不动，但是上剪切施力块5提供的是反向力。同时，剪切破坏面，始终通过剪切力和反作用
力的中心，也就是始终是水平的。

[0052] 如图8所示，岩石水平放置，当岩石剪切面正好通过岩石中心轴线，即试件中部，则可以去掉传力垫块1H，则这个时候施力端1A1b可以不是斜面。如图9所示，因为岩石剪切面
与轴线相交，此时，必须把试样托座1A调整到一定角度，才能使剪切面水平，该结构可以适
用于不同倾角导致的加载接触面高度不同。

[0053] 上剪切施力块5和下剪切施力块4也可以为方形，但是，为了节约材料，减轻其重量，所述上剪切施力块5和下剪切施力块4均呈L形。

[0054] 为了能够调节下压头1和上压头2的高度位置，利于水平横梁6与上压头2进行连接，以及水平液压千斤顶7与下压头1进行连接。优选的，在试验支撑平台3A上设置有高度调
节块3B，所述高度调节块3B自由放置于试验支撑平台3A上；所述试样托座1A、上剪切施力块
5和下剪切施力块4均支撑于高度调节块3B上。

[0055] 为了实现加水渗透剪切，如图10、图11和图12所示，需要加装水箱9，所述水箱9呈长方体状，包括底壁9A、左侧壁9B、右侧壁9C、前侧壁9D和后侧壁9E，由底壁9A、左侧壁9B、右
侧壁9C、前侧壁9D和后侧壁9E包围形成顶部的盛水腔体9G；所述上压头2、下压头1、上剪切
施力块5和下剪切施力块4均位于盛水腔体9G内。

[0056] 在右侧壁9C中部开设有圆孔，圆孔大小与水平液压千斤顶7的活塞杆直径相匹配，水平液压千斤顶7的活塞杆穿过右侧壁9C与下压头1对应的下剪切施力块4相连接，水平液
压千斤顶7的活塞杆可沿圆孔轴向相对右侧壁9C滑动，并在水平液压千斤顶7的活塞杆上套
装密封圈，以保证水平液压千斤顶7的活塞杆与右侧壁9C上的圆孔之间的密封性。

[0057] 同理，在左侧壁9B的中部开设有圆孔，圆孔大小与水平横梁6的外径相匹配，水平横梁6穿过左侧壁9B上的圆孔与上压头2对应的上剪切施力块5相连接，水平横梁6可沿圆孔
轴向相对左侧壁9B滑动，并在水平横梁6外周套装密封圈，以保证水平横梁6与左侧壁9B上
的圆孔之间的密封性。

[0058] 若不设置顶盖，只能进行常压渗透剪切，若要实现高压渗透剪切，需要在水箱9顶部加装用于封闭盛水腔体9G顶部开口的顶盖9F，在顶盖9F的中部开设有圆孔，圆孔大小与
竖向液压千斤顶8活塞杆的直径相匹配，竖直液压千斤顶8的活塞杆穿过顶盖9F上的圆孔与
上压头2相连接。竖向液压千斤顶8的活塞杆可沿圆孔轴向相对顶盖9F滑动，并在竖向液压
千斤顶8的活塞杆上套装密封圈，以保证竖向液压千斤顶8的活塞杆与顶盖9F上的圆孔之间
的密封性。安装完成后，可以通过侧壁设置的注水孔9K为盛水腔体9G注水。在顶盖9F设置有
贯通至盛水腔体9G的排气孔9H。

[0059] 为了使该深地环境下的岩石直剪流变试验机形成一个整体，方便使用，所述机架3呈正八边形环状结构，所述试验支撑平台3A和水箱9均位于机架3的正八边形中空区域内。
通过将试验支撑平台3A和水箱9容纳于正八边形中空区域内，使深地环境下的岩石直剪流
变试验机的结构更紧凑，占地面积小。其中，所述八边形可以在试验机进行两个方向加载
时，试验机反力架整体受力性能好，并且试验操作方便，节省占地空间。