一种多向动态一体化岩土体力学测试系统

1.本发明涉及岩土体力学试验技术领域，更具体地说，它涉及一种多向动态一体化岩土体力学测试系统。


背景技术：

2.川藏铁路是世界上地质、地形、地貌最为复杂的地区，沿线板块构造最为活跃，活动断裂最为密集，地震烈度最为强烈，地形变化最为显著，自然灾害最为发育，同时也是世界上科学和技术难题最多，最难修建的铁路。
3.因此，工程技术人员将面临着严峻的岩土动力灾变防控难题。近断层地震动对结构的破坏作用主要在于其速度时程上具有明显脉冲，能够在短时间内释放大量能量，进而使得结构物产生强烈振动，最终发生失稳破坏。活动断裂带地震边坡失稳机理、地震荷载作用下岩土体动强度衰减及灾害防控研究是岩土工程防灾领域的重要科学问题。
4.然而，受制于岩土体力学测试设备加载应变率及荷载范围，地震荷载作用下岩土体强度衰减规律及动态特性研究亟待深入。岩土体直剪仪作为岩土体力学特测试装备，是研究岩体静动力学特性的基础。目前国内外市场上的直剪仪结构复杂，且功能单一，没有设置多向动态加载，无法模拟地震、交通等动荷载作用下岩土体的动力响应。常规岩土体剪切试验系统无法同时适用动态直剪和单剪的需求，即无法同时适用岩体结构面、碎裂岩体的动态剪切试验，且岩样形状较为单一，岩样尺寸较小，不能支持多种形状尺寸的试样，包括现最先进英国gds动单剪设备由于试样尺寸较小，不能满足实际工程中所要求的边界效应和尺寸效应，无法实现多尺寸、多形状岩样剪切试验，这会导致试验数据的有效性和真实性降低。因此，研制多向荷载及近断层脉冲地震荷载作用下岩土体力学特性测试装置具有重大需求背景和现实意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种多向动态一体化岩土体力学测试系统，通过改变剪切盒尺寸的形状、大小和侧壁结构，设计了可拆卸剪切盒/剪切箱和三个独立的作动器顶进行动力加载，该装置可以完成轴向加载、多向动态直剪或多向动态单剪实验。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种多向动态一体化岩土体力学测试系统，包括主体机械结构、伺服控制系统、液压油源及冷却系统、数据测量和采集系统、计算机控制及软件系统，所述主体机械结构包括主机机架，所述主机机架包括底板，所述底板顶面依次分层设有承台一、滚动轴承一、垫板一、承台二、滚动轴承二、垫板二，所述滚动轴承一与所述滚动轴承二成90
°
交叉布置，所述垫板二顶面设有井字形的滑动导轨，所述滑动导轨端头分别两两对称固定有四块水平加载支撑框架，其中两相对所述水平加载支撑框架均固定设有水平动态力σ2加载千斤顶，另外两相对所述水平加载支撑框架均固定设有水平动态力σ3加载千斤顶，所述滑动导轨滑动连接有下剪切盒，所述下剪切盒顶
面可拆卸连接有多块叠片，多块所述叠片顶面可拆卸连接有上剪切盒，所述上剪切盒顶部固定设有垂直动态力σ1加载千斤顶。
7.本发明进一步设置为：所述上剪切盒顶面设有顶板，所述顶板固定设有与所述垂直动态力σ1加载千斤顶对应的σ1加载定位块，所述上剪切盒和所述下剪切盒侧面均设有侧板，所述上剪切盒的两相对所述侧板均固定设有与所述水平动态力σ2加载千斤顶对应的σ2加载定位块，所述下剪切盒的两相对所述侧板均固定设有与所述水平动态力σ3加载千斤顶对应的σ3加载定位块。
8.通过采用上述技术方案，将试块放置于主体机械结构内，通过伺服控制系统为主体机械结构加载，从而实现试块的剪切试验，液压油源系统提供加载的动力源，通过数据测量和采集系统对试验全程实时采集各类数据，通过计算机控制及软件系统控制各个过程的操作并对最终试验数据进行分析处理；上剪切盒、下剪切盒及叠片可通过高强螺钉固定实现直剪功能，叠片也可不固定，则可以从任意方向剪切，实现单剪功能。
9.本发明进一步设置为：所述伺服控制系统包括工控机、操作软件、伺服控制器、伺服阀、传感器、油缸、液压及油源。
10.通过采用上述技术方案，试验装置能够实现恒定法向荷载、恒定法向刚度、变法向刚度、复杂波形动态荷载等多种剪切试验功能的闭环控制。
11.本发明进一步设置为：所述液压油源系统包括静态加载油缸和动态加载作动器，所述静态加载油缸和动态加载作动器连接有不同的驱动电机和液压泵，所述动态加载作动器所在油路中设有蓄能器；所述冷却系统采用板式换热器的水冷结构。
12.通过采用上述技术方案，由于静态加载油缸和动态加载作动器执行过程中对液压油流量和工作压力要求不同，为了精准控制油缸，静态加载油缸和动态加载作动器分别采用不同的电机和液压泵驱动。为了提升动态加载作动器瞬时流量，每个油路中都安装液压有储能器，既能补充压力的不足又能吸收压力的脉动，保证试验过程中的压力平稳。冷却系统的主要作用是在使用时降低油温，防止油温过高而造成安全隐患。冷却水通过板式换热器来对油源降温，然后再通过回流管回到冷却水池中，这样能够避免水资源的浪费。
13.本发明进一步设置为：所述数据测量和采集包括振动控制器、数据采集卡、荷载传感器、位移传感器。
14.通过采用上述技术方案，荷载传感器均安装在作动器加载端，位移传感器布置在作动器内部，实时跟踪测量活塞位移，试验全程实时采集各类数据。
15.本发明进一步设置为：所述计算机控制系统由整机、计算机操作台、主控制屏组成，所述软件系统由自动数据采集系统及软件和标准数据存储、处理系统三套软件。
16.综上所述，本发明具有以下有益效果：
17.本发明的一种多向动态一体化岩土体力学测试系统具有两向水平和垂直方向的多向动态加载单剪/直剪伺服动力装置，高精度多向控制伺服控制系统，能实现地震荷载(包括脉冲荷载)作用下应变率和多频率段加载；
18.本发明的一种多向动态一体化岩土体力学测试系统可用于研究地震动多向性对岩石的动力特性的影响，有利于揭示边坡动力失稳机理，通过该系统可解决多向地震作用下三个方向独立施加动态荷载；揭示地震荷载作用下岩土体强度衰减规律及动态特性；探究动荷载下的方向效应和尺寸效应；研究边坡动力失稳机理及断层蠕滑、黏滑；从而得到岩
体多向动态循环剪切力学性质与岩土工程灾变之间的内在联系。
附图说明
19.图1是本发明实施例中多向动态一体化岩土体力学测试系统结构图；
20.图2是本发明实施例中多向动态一体化岩土体力学测试系统主体机械结构图；
21.图3是本发明实施例中多向动态一体化岩土体力学测试系统主体机械结构图(上剪切盒和下剪切盒)；
22.图4是本发明实施例中多向动态一体化岩土体力学测试系统主体机械结构图(方形上剪切盒和下剪切盒的内部结构)；
23.图5是本发明实施例中多向动态一体化岩土体力学测试系统主体机械结构图(圆形上剪切盒和下剪切盒的内部结构)。
24.图中：1、下剪切盒；2、上剪切盒；3、垂直动态力σ1加载千斤顶；4、水平动态力σ2加载千斤顶；5、主机机架；501、底板；502、承台一；503、滚动轴承一；504、垫板一；505、承台二；506、滚动轴承二；507、垫板二；508、滑动导轨；6、计算机控制系统；7、振动控制器；8、伺服控制器；9、蓄能器；10、液压源系统；11、水平加载支撑框架；12、水平动态力σ3加载千斤顶；13、顶板；131、σ1加载定位块；14、侧板；141、σ2加载定位块；142、σ3加载定位块；15、叠片。
具体实施方式
25.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明的实施例及附图，对本发明的技术方案进行进一步详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
27.实施例1：
28.如图1、图2所示，一种多向动态一体化岩土体力学测试系统，包括主体机械结构、伺服控制系统、液压油源及冷却系统、数据测量和采集系统、计算机控制及软件系统；主体机械结构包括主机机架5，主机机架5顶面依次分层安装有承台一502、滚动轴承一503、垫板一504、承台二505、滚动轴承二506、垫板二507，滚动轴承一503与滚动轴承二506成90
°
交叉布置，垫板二507顶面设有井字形的滑动导轨508，滑动导轨508端头分别两两对称固定安装有四块水平加载支撑框架11，其中两相对水平加载支撑框架11均固定安装有水平动态力σ2加载千斤顶4，另外两相对水平加载支撑框架11均固定安装有水平动态力σ3加载千斤顶12，滑动导轨508滑动连接有下剪切盒1，下剪切盒1顶面可拆卸连接安装有多块叠片15，多块叠片15顶面可拆卸连接有上剪切盒2，多块叠片之间以及叠片与上剪切盒、下剪切盒之间可采用高强螺栓固定，也可不固定，上剪切盒2及下剪切盒1为最大试样尺寸为500
×
500
×
500mm(长
×
宽
×
高)的正方体盒，叠片15为500
×
500
×
500mm(长
×
宽
×
高)的方片状结构，上剪切盒2顶部固定安装有垂直动态力σ1加载千斤顶3，上剪切盒2顶面安装有顶板13，顶板13固定安装有与垂直动态力σ1加载千斤顶3对应的σ1加载定位块131，上剪切盒2和下剪切盒1侧面均安装有侧板14，上剪切盒2的两相对侧板14均固定安装有与水平动态力σ2加载千斤顶4对
应的σ2加载定位块141，下剪切盒1的两相对侧板14均固定安装有与水平动态力σ3加载千斤顶12对应的σ3加载定位块142；伺服控制系统包括工控机、操作软件、伺服控制器8、伺服阀、传感器、油缸、液压及油源；液压油源系统包括静态加载油缸和动态加载作动器，静态加载油缸和动态加载作动器连接有不同的驱动电机和液压泵，动态加载作动器所在油路中设有蓄能器9；冷却系统采用板式换热器的水冷结构；数据测量和采集包括振动控制器7、数据采集卡、荷载传感器、位移传感器，荷载传感器均安装在作动器加载端，最大量程为2200kn，位移传感器布置在作动器内部，实时跟踪测量活塞位移，最大量程为300mm，试验全程实时采集各类数据，其中法向和切向荷载、位移等数据采样频率可在0～10khz范围内调整；计算机控制系统6由整机、计算机操作台、主控制屏组成，软件系统由自动数据采集系统及软件和标准数据存储、处理系统三套软件。
29.实施例2：
30.如图1、图2所示，一种多向动态一体化岩土体力学测试系统，其与实施例1的区别在于上剪切盒2、下剪切盒1为最大直径为500mm的圆盒，叠片15为最大直径为500mm的圆环状结构，可减少方向效应对实验结果的影响。
31.测试步骤：
32.(1)实验准备
33.开机启动后需要对试验机进行复位和调整，检查位移传感器、加速度传感器、压力表、等是否正常；打开冷却系统；根据试件尺寸，选择相应尺寸的上剪切盒2、下剪切盒1及垫片，将相应尺寸的刚性垫块放入叠片15中，再将试件放在垫块上。通过调整试件下面的刚性垫块的高度，使试件中心刚好在剪切位置，安放上剪切盒2。检查上剪切盒2、下剪切盒1是否完全对齐并在上剪切盒2和下剪切盒1内壁均匀涂抹凡士林，并将试样放入剪切盒中。依次在试件上面放置传力铁块和刚性垫片，在刚性垫块上放置滚珠轴承。将剪切盒推至法向千斤顶下，使千斤顶中心与滚珠轴承中心对齐。根据试验需求对计算机控制及软件系统进行指令设置；
34.(2)安装试件
35.调整上剪切盒2的高度，对于大尺寸试件采用升降机将其放入剪切盒，调整剪切面的高度并固定上剪切盒2，对上剪切盒2进行切向限位，安装并设置位移计；
36.(3)加载过程
37.在进行剪切试验时，开启伺服控制系统，先通过垂直加载系统控制垂直动态力σ1加载千斤顶3，按照一定速率施加法向拉/压力，待荷载稳定后，按照预先输入的地震波通过水平动态力σ2加载千斤顶4或水平动态力σ3加载千斤顶12给试件施加水平剪力，直至试样破坏；在此过程中数据测量和采集系统、计算机控制及软件系统将对剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移进行实时自动采集和保存，根据配置的高清摄像机记录试样剪切面破坏的全过程；
38.(4)数据处理及分析
39.剪切位移达到设定行程后系统将会自动停止剪切行程、保存数据并卸除竖向压力；基于电脑采集的各种数据，根据试验目的进行试验数据处理，对所得出的结果进行分析；
40.(5)注意事项
41.实验中若液压源失去控制，立即按下紧急制动按钮，确保人员安全；提升和放下活塞杆时注意速度不能太快；制样时应保证岩样上下面平整且与轴向垂直；安装剪切盒子杆时注意保持平衡，避免砸伤；实验开始前确定岩样位于轴向活塞杆的正下方；试验完成后，用风枪吹出剪切盒中的水分及灰尘同时对剪切盒进行防锈处理，关闭试验系统。
42.本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

技术特征：
1.一种多向动态一体化岩土体力学测试系统，其特征是：包括主体机械结构、伺服控制系统、液压油源及冷却系统、数据测量和采集系统、计算机控制及软件系统，所述主体机械结构包括主机机架(5)，所述主机机架(5)包括底板(501)，所述底板(501)顶面依次分层设有承台一(502)、滚动轴承一(503)、垫板一(504)、承台二(505)、滚动轴承二(506)、垫板二(507)，所述滚动轴承一(503)与所述滚动轴承二(506)成90
°
交叉布置，所述垫板二(507)顶面设有井字形的滑动导轨(508)，所述滑动导轨(508)端头分别两两对称固定有四块水平加载支撑框架(11)，其中两相对所述水平加载支撑框架(11)均固定设有水平动态力σ2加载千斤顶(4)，另外两相对所述水平加载支撑框架(11)均固定设有水平动态力σ3加载千斤顶(12)，所述滑动导轨(508)滑动连接有下剪切盒(1)，所述下剪切盒(1)顶面可拆卸连接有多块叠片(15)，多块所述叠片(15)顶面可拆卸连接有上剪切盒(2)，所述上剪切盒(2)顶部固定设有垂直动态力σ1加载千斤顶(3)。2.根据权利要求1所述的一种多向动态一体化岩土体力学测试系统，其特征是：所述上剪切盒(2)顶面设有顶板(13)，所述顶板(13)固定设有与所述垂直动态力σ1加载千斤顶(3)对应的σ1加载定位块(131)，所述上剪切盒(2)和所述下剪切盒(1)侧面均设有侧板(14)，所述上剪切盒(2)的两相对所述侧板(14)均固定设有与所述水平动态力σ2加载千斤顶(4)对应的σ2加载定位块(141)，所述下剪切盒(1)的两相对所述侧板(14)均固定设有与所述水平动态力σ3加载千斤顶(12)对应的σ3加载定位块(142)。3.根据权利要求1所述的一种多向动态一体化岩土体力学测试系统，其特征是：所述伺服控制系统包括工控机、操作软件、伺服控制器(8)、伺服阀、传感器、油缸、液压及油源。4.根据权利要求1所述的一种多向动态一体化岩土体力学测试系统，其特征是：所述液压油源系统包括静态加载油缸和动态加载作动器，所述静态加载油缸和动态加载作动器连接有不同的驱动电机和液压泵，所述动态加载作动器所在油路中设有蓄能器(9)；所述冷却系统采用板式换热器的水冷结构。5.根据权利要求1所述的一种多向动态一体化岩土体力学测试系统，其特征是：所述数据测量和采集包括振动控制器(7)、数据采集卡、荷载传感器、位移传感器。6.根据权利要求1所述的一种多向动态一体化岩土体力学测试系统，其特征是：所述计算机控制系统(6)由整机、计算机操作台、主控制屏组成，所述软件系统由自动数据采集系统及软件和标准数据存储、处理系统三套软件。

技术总结
本发明公开了一种多向动态一体化岩土体力学测试系统，涉及岩土体力学试验技术领域，其技术方案要点是：包括主体机械结构、伺服控制系统、液压油源及冷却系统、数据测量和采集系统、计算机控制及软件系统。本发明具有两向水平和垂直方向的多向动态加载单剪/直剪伺服动力装置，高精度多向控制伺服控制系统，能实现地震荷载(包括脉冲荷载)作用下应变率和多频率段加载，通过该系统可解决多向地震作用下三个方向独立施加动态荷载；揭示地震荷载作用下岩土体强度衰减规律及动态特性；探究动荷载下的方向效应和尺寸效应；研究边坡动力失稳机理及断层蠕滑、黏滑；从而得到岩体多向动态循环剪切力学性质与岩土工程灾变之间内在联系的效果。的效果。的效果。


技术研发人员：张迎宾 朱辉 余鹏程 曾营 胡兵 王宝瑞 张世豪 刘灏国
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/9