CN112730079B - 深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验装置及方法，装置包括反力框架、压力室、基础平台及四台作动器，基础平台上设有压力室转运轨道，轨道上设有压力室转运滑台；压力室为分体式结构，压力室底座位于压力室转运滑台上，压力室筒体配有压力室筒体升降式承放台和压力室筒体吊装机构；压力室配有压力室筒体与底座封装夹具。方法为：试样组合体置于压力室底座上；压力室底座移至压力室筒体下方；压力室合体；由夹具封装压力室；压力室移至反力框架内；试样预夹紧；施加真三轴；试验结束；作动器复位；压力室卸载围压；压力室移向吊装机构；夹具解除压力室封装；压力室筒体起吊并移除试样组合体；压力室底座返回原位；压力室筒体下落承放台。

Description

深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验装置及方法

技术领域

本发明属于岩石力学技术领域，特别是涉及一种深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验装置及方法。

背景技术

深部金属地下矿采用深竖井开采是目前唯一获取资源的方法，深井掘进自上向下穿越不同地层，具有岩性变化大、构造应力发育、大断层构造多、局部碎裂化造成岩体不连续面多的特点，同时地应力(σ₁>σ₂>σ₃>0，σ₁为最大主应力、σ₂为中间主应力，σ₃为最小主应力)不但随埋深增加，而且受构造应力影响变异显著，致使地质环境和岩石力学条件极为复杂，经常发生突发塌方、岩爆、大变形和爆破诱发岩体结构失稳等地质灾害。因此，深入研究深部岩石在真三轴应力条件下动态压缩、动态剪切和强卸荷造成岩体破裂与脆性破坏力学性能演化特性十分必要。

目前，岩石力学真三轴动力学试验主要分为以下几类：①、采用柔性或刚性真三轴试验装置加载至一定的高真三轴应力水平，单面突然卸荷形成自由面，通过诱导岩石爆裂来模拟岩爆；②、采用柔性或刚性真三轴试验装置加载至一定的高真三轴应力水平，单面突然卸荷形成自由面，同时作动器施加低频扰动荷载，通过激发岩石爆裂来模拟岩爆；③、采用三维正交霍普金森杆结构的真三轴试验装置，对试样进行冲击模拟岩石动力学破坏；④、采用刚性真三轴加载框架和一维霍普金森杆结合的高压硬岩低频扰动和高速冲击型真三轴试验装置，来模拟完整岩石动力条件下的破坏。但是，针对深部复杂构造和高地应力条件下的工程岩体时，想要研究完整岩石和含有各自不连续面的岩石在真三轴动应力作用下的动态压缩和剪切力学行为，现有的岩石力学真三轴动力学试验装置及方法仍存在局限性，因此研发一套全新的深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验装置及方法势在必行。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验装置及方法，可模拟5000米级埋深地应力条件，可执行高应力条件下不同应力路径完整岩样和具有不连续构造(节理、层理、裂隙)岩样破裂变形、突变失稳、动态压缩剪切、低周疲劳等类型试验，可用于研究不同岩体外在刚度和三向应力组合条件下岩石临界破裂与失稳动力学机制，有效满足深部工程岩体在不连续面的结构控制下和动力作用下失效破坏试验研究需要。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验装置，包括反力框架、压力室、基础平台、第一最大主应力作动器、第二最大主应力作动器、第一中间主应力作动器及第二中间主应力作动器；所述反力框架固定设置在地面上，所述第一最大主应力作动器和第二最大主应力作动器对称设置在反力框架的上下两端，所述第一中间主应力作动器和及第二中间主应力作动器对称设置在反力框架的左右两端；所述基础平台固定设置在反力框架前后两侧的地面上，在基础平台顶部水平铺设有压力室转运轨道，压力室转运轨道采用平行双轨结构，压力室转运轨道贯穿反力框架的中心工作腔；在所述压力室转运轨道上设置有压力室转运滑台，压力室转运滑台可沿压力室转运轨道直线移动；所述压力室采用分体式筒型结构，包括压力室底座和压力室筒体，由压力室底座与压力室筒体扣合组成完整的压力室；所述压力室底座设置在压力室转运滑台上，压力室底座与压力室转运滑台进行随动；在所述基础平台上方设置有压力室筒体吊装机构，在压力室筒体吊装机构的吊臂正下方的基础平台内部隐藏设置有压力室筒体升降式承放台，在压力室筒体升降式承放台左右两侧设置有压力室筒体与底座封装夹具。

所述反力框架采用环状平面一体式结构，反力框架的截面形状为多边形，反力框架的底平面通过主支撑底座与地面固定连接，在主支撑底座与反力框架的底斜面之间设置有侧支撑底座；所述第一最大主应力作动器竖直隐藏嵌装在反力框架的顶部，所述第二最大主应力作动器竖直隐藏嵌装在反力框架的底部，第一最大主应力作动器与第二最大主应力作动器同轴分布；所述第一中间主应力作动器水平隐藏嵌装在反力框架的左端部，所述第二中间主应力作动器水平隐藏嵌装在反力框架的右端部，第一中间主应力作动器与第二中间主应力作动器同轴分布。

所述第一最大主应力作动器、第二最大主应力作动器、第一中间主应力作动器及第二中间主应力作动器结构相同，均包括缸筒、活塞杆、缸尾盖板及缸头盖板；所述缸尾盖板密封固装在缸筒的尾端筒口，所述缸头盖板密封固装在缸筒的头端筒口，缸筒同轴套装在活塞杆上，缸筒内的无杆腔与缸尾盖板同侧，缸筒内的有杆腔与缸头盖板同侧；所述活塞杆密封穿过缸尾盖板，在有杆腔的活塞杆与缸筒之间套装有静压支撑密封套，在活塞杆与缸尾盖板穿装孔之间设置有防尘套；在所述活塞杆与缸尾盖板之间连接有磁致伸缩式位移传感器；在所述活塞杆的外伸端连接在轮辐式负荷传感器，轮辐式负荷传感器与活塞杆之间设置有负荷传感器转接座，在轮辐式负荷传感器的外端固定连接有压头；在所述负荷传感器转接座外周设置有抗侧向力机构。

在所述压力室筒体的顶部中心竖直设置有第一自平衡活塞杆，第一自平衡活塞杆与压力室筒体之间通过第一法兰端盖进行密封，第一自平衡活塞杆一端延伸至压力室筒体外部，第一自平衡活塞杆另一端延伸至压力室筒体内部，在第一自平衡活塞杆与压力室筒体之间连接有第一LVDT位移传感器；在所述压力室底座的中心竖直设置有第二自平衡活塞杆，第二自平衡活塞杆与压力室底座之间通过第二法兰端盖进行密封，第二自平衡活塞杆一端延伸至压力室底座下方，第二自平衡活塞杆另一端延伸至压力室底座上方，在第二自平衡活塞杆与压力室底座之间连接有第二LVDT位移传感器；在所述压力室筒体的左侧部水平设置有第三自平衡活塞杆，第三自平衡活塞杆与压力室筒体之间通过第三法兰端盖进行密封，第三自平衡活塞杆一端延伸至压力室筒体外部，第三自平衡活塞杆另一端延伸至压力室筒体内部，在第三自平衡活塞杆与压力室筒体之间连接有第三LVDT位移传感器；在所述压力室筒体的右侧部水平设置有第四自平衡活塞杆，第四自平衡活塞杆与压力室筒体之间通过第四法兰端盖进行密封，第四自平衡活塞杆一端延伸至压力室筒体外部，第四自平衡活塞杆另一端延伸至压力室筒体内部，在第四自平衡活塞杆与压力室筒体之间连接有第四LVDT位移传感器；所述第一自平衡活塞杆与第二自平衡活塞杆同轴分布，所述第三自平衡活塞杆与第四自平衡活塞杆同轴分布；在所述压力室筒体外部设置有吊装吊耳。

在所述压力室转运滑台下表面固设有滑台导向滑块，滑台导向滑块与压力室转运轨道滑动连接；在其中一根所述压力室转运轨道的侧部固装有齿条，齿条与压力室转运轨道相平行；在所述压力室转运滑台上竖直安装有一台液压马达，液压马达的动力输出轴朝向且延伸至压力室转运滑台下方，在液压马达的动力输出轴上固定安装有齿轮，齿轮与齿条相啮合。

所述压力室筒体与底座封装夹具包括左半夹具和右半夹具，左半夹具和右半夹具结构相同，均包括半环夹套、夹套导向支撑台、夹套固定导轨、夹套随动导轨、夹套滑块及夹套电动推移机构；所述夹套导向支撑台固定设置在基础平台侧方，所述夹套固定导轨水平固装在夹套导向支撑台上表面，夹套固定导轨采用平行双轨结构；所述夹套随动导轨水平固装在压力室转运滑台上表面，夹套随动导轨采用平行双轨结构，夹套随动导轨与夹套固定导轨的布设高度和轨距完全相同；所述夹套滑块固定设置在半环夹套下表面，夹套滑块与夹套随动导轨和夹套固定导轨均为滑动连接配合；所述夹套电动推移机构设置在半环夹套与夹套导向支撑台之间，由夹套电动推移机构带动半环夹套在夹套随动导轨和夹套固定导轨上直线移动；在所述左半夹具的半环夹套与右半夹具的半环夹套之间设置有横压肘夹，所述压力室底座和压力室筒体之间通过扣合在一起的两个半环夹套进行封装固定。

一种深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验方法，采用了所述的深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验装置，包括如下步骤：

步骤一：制备岩石试样，将岩石试样利用互扣式压块进行封装，再另准备三套LVDT位移传感器，并将这三套LVDT位移传感器与岩石试样和互扣式压块组合到一起，最终形成试样组合体，通过这三套LVDT位移传感器分别用于在大主应力方向、中主应力方向和小主应力方向上对岩石试样进行体变测量；

步骤二：将试验装置调整到初始状态，在初始状态下，压力室底座位于反力框架前方工位处，压力室筒体位于反力框架后方工位处的压力室筒体升降式承放台上，压力室筒体与底座封装夹具的左右两个半环夹套处于分离状态；

步骤三：将制备好的试样组合体放置到压力室底座的第二自平衡活塞杆顶端，调整试样组合体上三套LVDT位移传感器的位置和触针伸长量，使三套LVDT位移传感器处于试验量程范围内；

步骤四：先通过压力室筒体吊装机构将压力室筒体从压力室筒体升降式承放台上垂直吊起，然后控制压力室筒体升降式承放台下落至低位，再启动液压马达，在齿轮与齿条啮合传动作用下，承载有压力室底座和试样组合体的压力室转运滑台将沿着压力室转运轨道移动，直到压力室底座移动到压力室筒体正下方，此时夹套导向支撑台上的夹套固定导轨与压力室转运滑台上的夹套随动导轨准确衔接在一起；

步骤五：通过压力室筒体吊装机构将压力室筒体下落到压力室底座上，使压力室筒体与压力室底座扣合在一起，此时试样组合体位于压力室筒体内部，然后脱开压力室筒体吊装机构吊臂与压力室筒体外部吊装吊耳之间的连接，之后控制压力室筒体吊装机构吊臂抬升复位；

步骤六：启动夹套电动推移机构，使半环夹套移动，半环夹套底部的夹套滑块将从夹套固定导轨移动到夹套随动导轨上，直到左右两个半环夹套完全扣合在一起，然后通过横压肘夹将两个半环夹套锁定为整体，之后控制夹套电动推移机构复位；

步骤七：再次启动液压马达，将承载有压力室和试样组合体的压力室转运滑台移动到反力框架所在试验工位处，之后通过压力室上的第一自平衡活塞杆、第二自平衡活塞杆、第三自平衡活塞杆及第四自平衡活塞杆配合对压力室内部的试样组合体进行预夹紧；

步骤八：先向压力室内部充入液压油，直到完成最小主应力液压加载，然后启动第一最大主应力作动器、第二最大主应力作动器、第一中间主应力作动器及第二中间主应力作动器对试样组合体内的岩石试样施加最大主应力和中间主应力，之后即可开展岩石真三轴动态压剪试验，同时记录试验数据；

步骤九：试验结束后，先控制第一最大主应力作动器、第二最大主应力作动器、第一中间主应力作动器及第二中间主应力作动器复位，然后卸载最小主应力液压并完成液压油排出；

步骤十：启动液压马达，将承载有压力室和试样组合体的压力室转运滑台移动到反力框架后方工位处，先解除横压肘夹对两个半环夹套的锁定，然后由夹套电动推移机构控制两个半环夹套各自退回到初始位置，完成两个半环夹套的分离；

步骤十一：控制压力室筒体吊装机构吊臂下落，将压力室筒体外部吊装吊耳与压力室筒体吊装机构吊臂连接在一起，然后控制压力室筒体吊装机构吊臂上升，使压力室筒体上升到高位，此时压力室筒体与压力室底座完成分离，同时将露出的试样组合体从压力室底座的第二自平衡活塞杆顶端移除；

步骤十二：再次启动液压马达，将承载有压力室底座的压力室转运滑台移动到反力框架前方工位处，同时控制反力框架后方工位处的压力室筒体升降式承放台升起，最后通过压力室筒体吊装机构将压力室筒体落放到压力室筒体升降式承放台上。

本发明的有益效果：

本发明的深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验装置及方法，可模拟5000米级埋深地应力条件，可执行高应力条件下不同应力路径完整岩样和具有不连续构造(节理、层理、裂隙)岩样破裂变形、突变失稳、动态压缩剪切、低周疲劳等类型试验，可用于研究不同岩体外在刚度和三向应力组合条件下岩石临界破裂与失稳动力学机制，有效满足深部工程岩体在不连续面的结构控制下和动力作用下失效破坏试验研究需要。

附图说明

图1为本发明的深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验装置(初始状态)的俯视图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为本发明的反力框架(配装有作动器等且处于工作状态)的侧视图；

图4为图3中B-B剖视图；

图5为本发明的作动器(剖视)的结构示意图；

图6为本发明的压力室的结构示意图；

图7为图6中C-C剖视图；

图中，1—反力框架，2—压力室，3—基础平台，4—第一最大主应力作动器，5—第二最大主应力作动器，6—第一中间主应力作动器，7—第二中间主应力作动器，8—地面，9—压力室转运轨道，10—压力室转运滑台，11—压力室底座，12—压力室筒体，13—压力室筒体吊装机构，14—压力室筒体升降式承放台，15—压力室筒体与底座封装夹具，16—主支撑底座，17—侧支撑底座，18—缸筒，19—活塞杆，20—缸尾盖板，21—缸头盖板，22—静压支撑密封套，23—防尘套，24—磁致伸缩式位移传感器，25—轮辐式负荷传感器，26—负荷传感器转接座，27—压头，28—抗侧向力机构，29—第一自平衡活塞杆，30—第一法兰端盖，31—第一LVDT位移传感器，32—第二自平衡活塞杆，33—第二法兰端盖，34—第三自平衡活塞杆，35—第三法兰端盖，36—第三LVDT位移传感器，37—第四自平衡活塞杆，38—第四法兰端盖，39—第四LVDT位移传感器，40—吊装吊耳，41—滑台导向滑块，42—齿条，43—液压马达，44—半环夹套，45—夹套导向支撑台，46—夹套固定导轨，47—夹套随动导轨，48—夹套滑块，49—夹套电动推移机构，50—横压肘夹，51—试样组合体，52—第二LVDT位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～7所示，一种深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验装置，包括反力框架1、压力室2、基础平台3、第一最大主应力作动器4、第二最大主应力作动器5、第一中间主应力作动器6及第二中间主应力作动器7；所述反力框架1固定设置在地面8上，所述第一最大主应力作动器4和第二最大主应力作动器5对称设置在反力框架1的上下两端，所述第一中间主应力作动器6和及第二中间主应力作动器7对称设置在反力框架1的左右两端；所述基础平台3固定设置在反力框架1前后两侧的地面上，在基础平台3顶部水平铺设有压力室转运轨道9，压力室转运轨道9采用平行双轨结构，压力室转运轨道9贯穿反力框架1的中心工作腔；在所述压力室转运轨道9上设置有压力室转运滑台10，压力室转运滑台10可沿压力室转运轨道9直线移动；所述压力室2采用分体式筒型结构，包括压力室底座11和压力室筒体12，由压力室底座11与压力室筒体12扣合组成完整的压力室2；所述压力室底座11设置在压力室转运滑台10上，压力室底座11与压力室转运滑台10进行随动；在所述基础平台3上方设置有压力室筒体吊装机构13，在压力室筒体吊装机构13的吊臂正下方的基础平台3内部隐藏设置有压力室筒体升降式承放台14，在压力室筒体升降式承放台14左右两侧设置有压力室筒体与底座封装夹具15。

所述反力框架1采用环状平面一体式结构，反力框架1的截面形状为多边形，反力框架1的底平面通过主支撑底座16与地面8固定连接，在主支撑底座16与反力框架1的底斜面之间设置有侧支撑底座17；所述第一最大主应力作动器4竖直隐藏嵌装在反力框架1的顶部，所述第二最大主应力作动器5竖直隐藏嵌装在反力框架1的底部，第一最大主应力作动器4与第二最大主应力作动器5同轴分布；所述第一中间主应力作动器6水平隐藏嵌装在反力框架1的左端部，所述第二中间主应力作动器7水平隐藏嵌装在反力框架1的右端部，第一中间主应力作动器6与第二中间主应力作动器7同轴分布。

本实施例中，反力框架1需要达到超高刚度平面加载反力框架的设计要求。为此，反力框架1采用42CrMo材料以锻造工艺进行制造，其屈服强度可达930MPa，整体有效刚度可达20GN/m以上。

所述第一最大主应力作动器4、第二最大主应力作动器5、第一中间主应力作动器6及第二中间主应力作动器7结构相同，均包括缸筒18、活塞杆19、缸尾盖板20及缸头盖板21；所述缸尾盖板20密封固装在缸筒18的尾端筒口，所述缸头盖板21密封固装在缸筒18的头端筒口，缸筒18同轴套装在活塞杆19上，缸筒18内的无杆腔与缸尾盖板20同侧，缸筒18内的有杆腔与缸头盖板21同侧；所述活塞杆19密封穿过缸尾盖板20，在有杆腔的活塞杆19与缸筒18之间套装有静压支撑密封套22，在活塞杆19与缸尾盖板20穿装孔之间设置有防尘套23；在所述活塞杆19与缸尾盖板20之间连接有磁致伸缩式位移传感器24；在所述活塞杆19的外伸端连接在轮辐式负荷传感器25，轮辐式负荷传感器25与活塞杆19之间设置有负荷传感器转接座26，在轮辐式负荷传感器25的外端固定连接有压头27；在所述负荷传感器转接座26外周设置有抗侧向力机构28。

本实施例中，第一最大主应力作动器4、第二最大主应力作动器5、第一中间主应力作动器6及第二中间主应力作动器7均需要达到大吨位低摩擦动态伺服作动器的设计要求。为此，作动器采用了静压支撑密封套22，保证了启动频率小、具有超高的运动精度、控制精度、精度保持性好的特性；作动器配置了磁致伸缩式位移传感器24和轮辐式负荷传感器25，通过磁致伸缩式位移传感器24来监测活塞杆19的加载位置，通过轮辐式负荷传感器25来监测作动器的加载负荷；作动器还配置了抗侧向力机构28，通过抗侧向力机构28来消活塞加载时所受侧向力，进而消除侧向力对试验数据的影响。

在所述压力室筒体12的顶部中心竖直设置有第一自平衡活塞杆29，第一自平衡活塞杆29与压力室筒体12之间通过第一法兰端盖30进行密封，第一自平衡活塞杆29一端延伸至压力室筒体12外部，第一自平衡活塞杆29另一端延伸至压力室筒体12内部，在第一自平衡活塞杆29与压力室筒体12之间连接有第一LVDT位移传感器31；在所述压力室底座11的中心竖直设置有第二自平衡活塞杆32，第二自平衡活塞杆32与压力室底座11之间通过第二法兰端盖33进行密封，第二自平衡活塞杆32一端延伸至压力室底座11下方，第二自平衡活塞杆32另一端延伸至压力室底座11上方，在第二自平衡活塞杆32与压力室底座11之间连接有第二LVDT位移传感器52；在所述压力室筒体12的左侧部水平设置有第三自平衡活塞杆34，第三自平衡活塞杆34与压力室筒体12之间通过第三法兰端盖35进行密封，第三自平衡活塞杆34一端延伸至压力室筒体12外部，第三自平衡活塞杆34另一端延伸至压力室筒体12内部，在第三自平衡活塞杆34与压力室筒体12之间连接有第三LVDT位移传感器36；在所述压力室筒体12的右侧部水平设置有第四自平衡活塞杆37，第四自平衡活塞杆37与压力室筒体12之间通过第四法兰端盖38进行密封，第四自平衡活塞杆37一端延伸至压力室筒体12外部，第四自平衡活塞杆37另一端延伸至压力室筒体12内部，在第四自平衡活塞杆37与压力室筒体12之间连接有第四LVDT位移传感器39；所述第一自平衡活塞杆29与第二自平衡活塞杆32同轴分布，所述第三自平衡活塞杆34与第四自平衡活塞杆37同轴分布；在所述压力室筒体12外部设置有吊装吊耳40。

本实施例中，压力室底座11和压力室筒体12均采用42CrMo材料以锻造工艺进行制造，其屈服强度可达930MPa，由压力室底座11和压力室筒体12扣合组成完整的压力室后，其可耐压120MPa；由于采用了分体式设计，因此取消了传统的试样安装孔，提高了试样操作空间；通过第一自平衡活塞杆29、第二自平衡活塞杆32、第三自平衡活塞杆34及第四自平衡活塞杆37的微调配合，可对试样进行预定位处理。

在所述压力室转运滑台10下表面固设有滑台导向滑块41，滑台导向滑块41与压力室转运轨道9滑动连接；在其中一根所述压力室转运轨道9的侧部固装有齿条42，齿条42与压力室转运轨道9相平行；在所述压力室转运滑台10上竖直安装有一台液压马达43，液压马达43的动力输出轴朝向且延伸至压力室转运滑台10下方，在液压马达43的动力输出轴上固定安装有齿轮，齿轮与齿条42相啮合。

所述压力室筒体与底座封装夹具15包括左半夹具和右半夹具，左半夹具和右半夹具结构相同，均包括半环夹套44、夹套导向支撑台45、夹套固定导轨46、夹套随动导轨47、夹套滑块48及夹套电动推移机构49；所述夹套导向支撑台45固定设置在基础平台3侧方，所述夹套固定导轨46水平固装在夹套导向支撑台45上表面，夹套固定导轨46采用平行双轨结构；所述夹套随动导轨47水平固装在压力室转运滑台10上表面，夹套随动导轨47采用平行双轨结构，夹套随动导轨47与夹套固定导轨46的布设高度和轨距完全相同；所述夹套滑块48固定设置在半环夹套44下表面，夹套滑块48与夹套随动导轨47和夹套固定导轨46均为滑动连接配合；所述夹套电动推移机构49设置在半环夹套44与夹套导向支撑台45之间，由夹套电动推移机构49带动半环夹套44在夹套随动导轨47和夹套固定导轨46上直线移动；在所述左半夹具的半环夹套44与右半夹具的半环夹套44之间设置有横压肘夹50，所述压力室底座11和压力室筒体12之间通过扣合在一起的两个半环夹套44进行封装固定。

本实施例中，试验装置的大流量液压油源按照节能、可拆装、可回收理念进行设计，可采用五套不同流量油泵组合方式，以满足在不同功能下对大、小流量的需求，以实现节约能源、减少发热、提升系统稳定性的目的；通过不同流量的伺服阀组合，以实现不同功能试验条件下对流量大小的需求；此外，为了满足静态、动态、应力应变全过程曲线等不同的试验，可采用4套100L/min油泵并联使用，可单独或者同时开启，从而实现既满足动态控制需要的大流量，又满足全过程曲线需要的小流量，避免过多流量损耗，实现电能的节约，同时避免设备的发热，提高设备的可靠性和稳定性。为了保证试验的进行，可采用德国生产的EDC i70控制器作为主控元件，EDC i70多通道应用，机箱内装式，三个主应力控制命令和数据采集功能在通用软件平台上完成即可。

一种深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验方法，采用了所述的深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验装置，包括如下步骤：

步骤一：制备岩石试样，将岩石试样利用互扣式压块进行封装，再另准备三套LVDT位移传感器，并将这三套LVDT位移传感器与岩石试样和互扣式压块组合到一起，最终形成试样组合体51，通过这三套LVDT位移传感器分别用于在大主应力方向、中主应力方向和小主应力方向上对岩石试样进行体变测量；

步骤二：将试验装置调整到初始状态，在初始状态下，压力室底座11位于反力框架1前方工位处，压力室筒体12位于反力框架1后方工位处的压力室筒体升降式承放台14上，压力室筒体与底座封装夹具15的左右两个半环夹套44处于分离状态；

步骤三：将制备好的试样组合体51放置到压力室底座11的第二自平衡活塞杆32顶端，调整试样组合体51上三套LVDT位移传感器的位置和触针伸长量，使三套LVDT位移传感器处于试验量程范围内；

步骤四：先通过压力室筒体吊装机构13将压力室筒体12从压力室筒体升降式承放台14上垂直吊起，然后控制压力室筒体升降式承放台14下落至低位，再启动液压马达43，在齿轮与齿条42啮合传动作用下，承载有压力室底座11和试样组合体51的压力室转运滑台10将沿着压力室转运轨道9移动，直到压力室底座11移动到压力室筒体12正下方，此时夹套导向支撑台45上的夹套固定导轨46与压力室转运滑台10上的夹套随动导轨47准确衔接在一起；

步骤五：通过压力室筒体吊装机构13将压力室筒体12下落到压力室底座11上，使压力室筒体12与压力室底座11扣合在一起，此时试样组合体51位于压力室筒体12内部，然后脱开压力室筒体吊装机构13吊臂与压力室筒体12外部吊装吊耳40之间的连接，之后控制压力室筒体吊装机构13吊臂抬升复位；

步骤六：启动夹套电动推移机构49，使半环夹套44移动，半环夹套44底部的夹套滑块48将从夹套固定导轨46移动到夹套随动导轨47上，直到左右两个半环夹套44完全扣合在一起，然后通过横压肘夹50将两个半环夹套44锁定为整体，之后控制夹套电动推移机构49复位；

步骤七：再次启动液压马达43，将承载有压力室2和试样组合体51的压力室转运滑台10移动到反力框架1所在试验工位处，之后通过压力室2上的第一自平衡活塞杆29、第二自平衡活塞杆32、第三自平衡活塞杆34及第四自平衡活塞杆37配合对压力室2内部的试样组合体51进行预夹紧；

步骤八：先向压力室2内部充入液压油，直到完成最小主应力液压加载，然后启动第一最大主应力作动器4、第二最大主应力作动器5、第一中间主应力作动器6及第二中间主应力作动器7对试样组合体51内的岩石试样施加最大主应力和中间主应力，之后即可开展岩石真三轴动态压剪试验，同时记录试验数据；

步骤九：试验结束后，先控制第一最大主应力作动器4、第二最大主应力作动器5、第一中间主应力作动器6及第二中间主应力作动器7复位，然后卸载最小主应力液压并完成液压油排出；

步骤十：启动液压马达43，将承载有压力室2和试样组合体51的压力室转运滑台10移动到反力框架1后方工位处，先解除横压肘夹50对两个半环夹套44的锁定，然后由夹套电动推移机构49控制两个半环夹套44各自退回到初始位置，完成两个半环夹套44的分离；

步骤十一：控制压力室筒体吊装机构13吊臂下落，将压力室筒体12外部吊装吊耳40与压力室筒体吊装机构13吊臂连接在一起，然后控制压力室筒体吊装机构13吊臂上升，使压力室筒体12上升到高位，此时压力室筒体12与压力室底座11完成分离，同时将露出的试样组合体51从压力室底座11的第二自平衡活塞杆32顶端移除；

步骤十二：再次启动液压马达，将承载有压力室底座11的压力室转运滑台10移动到反力框架1前方工位处，同时控制反力框架1后方工位处的压力室筒体升降式承放台14升起，最后通过压力室筒体吊装机构13将压力室筒体12落放到压力室筒体升降式承放台14上。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验装置，其特征在于：包括反力框架、压力室、基础平台、第一最大主应力作动器、第二最大主应力作动器、第一中间主应力作动器及第二中间主应力作动器；所述反力框架固定设置在地面上，所述第一最大主应力作动器和第二最大主应力作动器对称设置在反力框架的上下两端，所述第一中间主应力作动器和及第二中间主应力作动器对称设置在反力框架的左右两端；所述基础平台固定设置在反力框架前后两侧的地面上，在基础平台顶部水平铺设有压力室转运轨道，压力室转运轨道采用平行双轨结构，压力室转运轨道贯穿反力框架的中心工作腔；在所述压力室转运轨道上设置有压力室转运滑台，压力室转运滑台可沿压力室转运轨道直线移动；所述压力室采用分体式筒型结构，包括压力室底座和压力室筒体，由压力室底座与压力室筒体扣合组成完整的压力室；所述压力室底座设置在压力室转运滑台上，压力室底座与压力室转运滑台进行随动；在所述基础平台上方设置有压力室筒体吊装机构，在压力室筒体吊装机构的吊臂正下方的基础平台内部隐藏设置有压力室筒体升降式承放台，在压力室筒体升降式承放台左右两侧设置有压力室筒体与底座封装夹具；

所述反力框架采用环状平面一体式结构，反力框架的截面形状为多边形，反力框架的底平面通过主支撑底座与地面固定连接，在主支撑底座与反力框架的底斜面之间设置有侧支撑底座；所述第一最大主应力作动器竖直隐藏嵌装在反力框架的顶部，所述第二最大主应力作动器竖直隐藏嵌装在反力框架的底部，第一最大主应力作动器与第二最大主应力作动器同轴分布；所述第一中间主应力作动器水平隐藏嵌装在反力框架的左端部，所述第二中间主应力作动器水平隐藏嵌装在反力框架的右端部，第一中间主应力作动器与第二中间主应力作动器同轴分布；

所述第一最大主应力作动器、第二最大主应力作动器、第一中间主应力作动器及第二中间主应力作动器结构相同，均包括缸筒、活塞杆、缸尾盖板及缸头盖板；所述缸尾盖板密封固装在缸筒的尾端筒口，所述缸头盖板密封固装在缸筒的头端筒口，缸筒同轴套装在活塞杆上，缸筒内的无杆腔与缸尾盖板同侧，缸筒内的有杆腔与缸头盖板同侧；所述活塞杆密封穿过缸尾盖板，在有杆腔的活塞杆与缸筒之间套装有静压支撑密封套，在活塞杆与缸头盖板穿装孔之间设置有防尘套；在所述活塞杆与缸尾盖板之间连接有磁致伸缩式位移传感器；在所述活塞杆的外伸端连接有轮辐式负荷传感器，轮辐式负荷传感器与活塞杆之间设置有负荷传感器转接座，在轮辐式负荷传感器的外端固定连接有压头；在所述负荷传感器转接座外周设置有抗侧向力机构；

在所述压力室筒体的顶部中心竖直设置有第一自平衡活塞杆，第一自平衡活塞杆与压力室筒体之间通过第一法兰端盖进行密封，第一自平衡活塞杆一端延伸至压力室筒体外部，第一自平衡活塞杆另一端延伸至压力室筒体内部，在第一自平衡活塞杆与压力室筒体之间连接有第一LVDT位移传感器；在所述压力室底座的中心竖直设置有第二自平衡活塞杆，第二自平衡活塞杆与压力室底座之间通过第二法兰端盖进行密封，第二自平衡活塞杆一端延伸至压力室底座下方，第二自平衡活塞杆另一端延伸至压力室底座上方，在第二自平衡活塞杆与压力室底座之间连接有第二LVDT位移传感器；在所述压力室筒体的左侧部水平设置有第三自平衡活塞杆，第三自平衡活塞杆与压力室筒体之间通过第三法兰端盖进行密封，第三自平衡活塞杆一端延伸至压力室筒体外部，第三自平衡活塞杆另一端延伸至压力室筒体内部，在第三自平衡活塞杆与压力室筒体之间连接有第三LVDT位移传感器；在所述压力室筒体的右侧部水平设置有第四自平衡活塞杆，第四自平衡活塞杆与压力室筒体之间通过第四法兰端盖进行密封，第四自平衡活塞杆一端延伸至压力室筒体外部，第四自平衡活塞杆另一端延伸至压力室筒体内部，在第四自平衡活塞杆与压力室筒体之间连接有第四LVDT位移传感器；所述第一自平衡活塞杆与第二自平衡活塞杆同轴分布，所述第三自平衡活塞杆与第四自平衡活塞杆同轴分布；在所述压力室筒体外部设置有吊装吊耳；

在所述压力室转运滑台下表面固设有滑台导向滑块，滑台导向滑块与压力室转运轨道滑动连接；在其中一根所述压力室转运轨道的侧部固装有齿条，齿条与压力室转运轨道相平行；在所述压力室转运滑台上竖直安装有一台液压马达，液压马达的动力输出轴朝向且延伸至压力室转运滑台下方，在液压马达的动力输出轴上固定安装有齿轮，齿轮与齿条相啮合；

所述压力室筒体与底座封装夹具包括左半夹具和右半夹具，左半夹具和右半夹具结构相同，均包括半环夹套、夹套导向支撑台、夹套固定导轨、夹套随动导轨、夹套滑块及夹套电动推移机构；所述夹套导向支撑台固定设置在基础平台侧方，所述夹套固定导轨水平固装在夹套导向支撑台上表面，夹套固定导轨采用平行双轨结构；所述夹套随动导轨水平固装在压力室转运滑台上表面，夹套随动导轨采用平行双轨结构，夹套随动导轨与夹套固定导轨的布设高度和轨距完全相同；所述夹套滑块固定设置在半环夹套下表面，夹套滑块与夹套随动导轨和夹套固定导轨均为滑动连接配合；所述夹套电动推移机构设置在半环夹套与夹套导向支撑台之间，由夹套电动推移机构带动半环夹套在夹套随动导轨和夹套固定导轨上直线移动；在所述左半夹具的半环夹套与右半夹具的半环夹套之间设置有横压肘夹，所述压力室底座和压力室筒体之间通过扣合在一起的两个半环夹套进行封装固定。

2.一种深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验方法，采用了权利要求1所述的深部复杂构造条件下岩石真三轴动态压剪试验装置，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：制备岩石试样，将岩石试样利用互扣式压块进行封装，再另准备三套LVDT位移传感器，并将这三套LVDT位移传感器与岩石试样和互扣式压块组合到一起，最终形成试样组合体，通过这三套LVDT位移传感器分别用于在大主应力方向、中主应力方向和小主应力方向上对岩石试样进行体变测量；

步骤二：将试验装置调整到初始状态，在初始状态下，压力室底座位于反力框架前方工位处，压力室筒体位于反力框架后方工位处的压力室筒体升降式承放台上，压力室筒体与底座封装夹具的左右两个半环夹套处于分离状态；

步骤三：将制备好的试样组合体放置到压力室底座的第二自平衡活塞杆顶端，调整试样组合体上三套LVDT位移传感器的位置和触针伸长量，使三套LVDT位移传感器处于试验量程范围内；

步骤四：先通过压力室筒体吊装机构将压力室筒体从压力室筒体升降式承放台上垂直吊起，然后控制压力室筒体升降式承放台下落至低位，再启动液压马达，在齿轮与齿条啮合传动作用下，承载有压力室底座和试样组合体的压力室转运滑台将沿着压力室转运轨道移动，直到压力室底座移动到压力室筒体正下方，此时夹套导向支撑台上的夹套固定导轨与压力室转运滑台上的夹套随动导轨准确衔接在一起；

步骤五：通过压力室筒体吊装机构将压力室筒体下落到压力室底座上，使压力室筒体与压力室底座扣合在一起，此时试样组合体位于压力室筒体内部，然后脱开压力室筒体吊装机构吊臂与压力室筒体外部吊装吊耳之间的连接，之后控制压力室筒体吊装机构吊臂抬升复位；

步骤六：启动夹套电动推移机构，使半环夹套移动，半环夹套底部的夹套滑块将从夹套固定导轨移动到夹套随动导轨上，直到左右两个半环夹套完全扣合在一起，然后通过横压肘夹将两个半环夹套锁定为整体，之后控制夹套电动推移机构复位；

步骤七：再次启动液压马达，将承载有压力室和试样组合体的压力室转运滑台移动到反力框架所在试验工位处，之后通过压力室上的第一自平衡活塞杆、第二自平衡活塞杆、第三自平衡活塞杆及第四自平衡活塞杆配合对压力室内部的试样组合体进行预夹紧；

步骤八：先向压力室内部充入液压油，直到完成最小主应力液压加载，然后启动第一最大主应力作动器、第二最大主应力作动器、第一中间主应力作动器及第二中间主应力作动器对试样组合体内的岩石试样施加最大主应力和中间主应力，之后即可开展岩石真三轴动态压剪试验，同时记录试验数据；

步骤九：试验结束后，先控制第一最大主应力作动器、第二最大主应力作动器、第一中间主应力作动器及第二中间主应力作动器复位，然后卸载最小主应力液压并完成液压油排出；

步骤十：启动液压马达，将承载有压力室和试样组合体的压力室转运滑台移动到反力框架后方工位处，先解除横压肘夹对两个半环夹套的锁定，然后由夹套电动推移机构控制两个半环夹套各自退回到初始位置，完成两个半环夹套的分离；

步骤十一：控制压力室筒体吊装机构吊臂下落，将压力室筒体外部吊装吊耳与压力室筒体吊装机构吊臂连接在一起，然后控制压力室筒体吊装机构吊臂上升，使压力室筒体上升到高位，此时压力室筒体与压力室底座完成分离，同时将露出的试样组合体从压力室底座的第二自平衡活塞杆顶端移除；

步骤十二：再次启动液压马达，将承载有压力室底座的压力室转运滑台移动到反力框架前方工位处，同时控制反力框架后方工位处的压力室筒体升降式承放台升起，最后通过压力室筒体吊装机构将压力室筒体落放到压力室筒体升降式承放台上。

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