(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211061401.9 (22)申请日 2022.09.01 (71)申请人 同济大学 地址 200092 上海市杨 浦区四平路1239号 (72)发明人 郑虎　鲁天明　戴国威　黄雨　 (74)专利代理 机构 上海科律专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 31290 专利代理师 叶凤 (51)Int.Cl. G01N 3/24(2006.01) G01N 3/12(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界 直剪试验系统 (57)摘要 本发明涉及一种研究岩土体剪切行为的大 型柔性边界直剪试验系统， 包括刚性框架、 剪切 盒、 水平加载系统、 垂直加载系统、 柔性边界控制 系统、 计算机监控管理系统。 本发明所涉及的试 验系统与传统试验装置相比， 具有模拟能力强、 使用简便、 经济成本低、 可真实再现高度不均匀 的岩土体失稳破坏时的等应力边界条件的优势。 权利要求书4页 说明书10页 附图3页 CN 115541411 A 2022.12.30 CN 115541411 A 1.一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统， 其特征在于， 该试验系统 包括刚性框架(1)、 剪切盒(2)、 水平加载系统(3)、 垂直加载系统(4)、 柔性边界控制系统 (5)、 计算机监控管理系统(6)； 所述剪切盒(2)包括有上、 下剪切盒， 位于刚性框架(1)内， 用以装载岩土体并进行剪切 加载； 所述水平加载系统(3)包括水平向液压千斤顶(3 ‑1)和水平加载装置， 位于刚性框架内 剪切盒左侧， 提供 水平荷载用于移动下剪切盒， 从而对试样进行剪切； 所述垂直加载系统(4)包括垂直向液压千斤顶(4 ‑3)和压力板， 利用垂直向液压千斤顶 通过压力板用以施加法向压力， 保证试样法向受力均匀； 所述刚性框架(1)位于剪切盒(2)和垂直向液压千斤顶外侧， 用以固定上剪切盒并防止 在剪切过程中上剪切盒发生 位移； 所述柔性边界控制系统(5)包括一个密封金属盒(5 ‑2)、 液压表(5 ‑4)、 降压阀(5 ‑5)、 液 压泵(5‑6)、 液体输出装置(5 ‑7)、 液体回收装置(5 ‑8)， 用以模拟岩土体失稳破坏时的真实 边界条件； 所述金属盒内置于下剪切盒底部， 金属盒有 六个面， 一面为乳胶膜(5 ‑1)， 其余五 个侧面均为金属板， 其中金属盒与下剪切盒 中岩土体试样 接触的一面为乳胶膜(5 ‑1)， 与下 剪切盒内壁接触的五个面为金属板； 金属盒和下剪切盒子底部两侧设有开孔， 用以连接软 管； 左侧靠近底部的开孔通过软管连接至液体回收装置(5 ‑8)， 右侧开孔通过软管分别连接 至液压泵、 液体输出装置(5 ‑7)， 连接液压泵的软管还连接有 液压表、 降压阀； 所述液体输出 装置(5‑7)用来向金属盒填充液体， 所述液体回收装置(5 ‑8)用来回收金属盒内液体； 所述 液压表、 降压阀和液压泵用来向调节金属盒内液体压力； 所述计算机监控管理系统(6)， 用以设定试验时的法向压力， 同时监测试验过程中的压 力变化情况； 结合水平加载系统(3)、 垂 直加载系统(4)内布设的传感器， 实时监测输出荷载 的大小并采集岩土体在剪切过程中的应力应 变数据。 2.根据权利要求1所述的一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统， 其 特征在于， 所述刚性框架(1)包括横梁(1 ‑1)、 立柱(1 ‑2)、 底座(1 ‑3)、 水平滑轮装置(1 ‑4)和 内框架(1 ‑5)； 所述横梁(1 ‑1)与垂直向液压千斤顶(4 ‑3)相固定， 保证对试样施加均匀的垂直向压 力； 所述立柱(1‑2)与横梁(1 ‑1)固定， 用以抵消垂直向液压千斤顶所产生的反力； 所述底座(1 ‑3)， 用以固定住上部框架及剪切盒， 立柱(1 ‑2)、 内框架(1 ‑5)和底座(1 ‑3) 固定形成整体框架， 避免在试验过程中仪器整体发生 位移； 所述水平 滑轮装置(1 ‑4)采用两排滑轮， 分置 于垂直剪切盒的承台两侧。 3.根据权利要求2所述的一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统， 其 特征在于， 所述横梁(1 ‑1)、 底座(1 ‑3)、 内框(1 ‑5)采用刚性材料制成； 所述立柱(1 ‑2)采用 铝合金材料制成。 4.根据权利要求1所述的一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统， 其 特征在于， 所述剪切盒(2)包括上剪切盒(2 ‑1)、 下剪切盒(2 ‑2)、 滚珠轴排(2 ‑3)； 所述上剪切盒(2 ‑1)， 用以承受液压千斤顶所施加的法向压力； 所述下剪切盒(2 ‑2)， 用以连接水平加载装置， 并对试样施加剪切作用；权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115541411 A 2所述下剪切盒(2 ‑2)左侧设置有左铰链座(2 ‑4)， 用以连接水平加载装置， 下剪切盒(2 ‑ 2)与水平加载装置形成铰链连接； 所述上剪切盒(2 ‑1)右侧设置有右铰链座(2 ‑5)， 用以连接刚性框架的内框(1 ‑5)， 将上 剪切盒与刚性框架固定住， 防止其发生移动； 所述上剪切盒左侧外壁设置有上等边角钢(2 ‑6)， 所述下剪切盒右侧外壁设置有下等 边角钢(2 ‑7)， 上等边角钢(2 ‑6)和下等边角钢(2 ‑7)用以防止在剪切过程中上、 下剪切盒中 的岩土体试样在法向压力的作用下被挤出； 所述滚珠轴排(2 ‑3)设置于下剪切盒(2 ‑2)底部， 用以下剪切盒在外部荷载作用下发生 水平剪切位移。 5.根据权利要求4所述的一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统， 其 特征在于， 所述上剪切盒(2 ‑1)、 下剪切盒(2 ‑2)采用高强度刚性材料制成； 所述滚珠轴排 (2‑3)采用滚轮铺垫成两排， 保证下剪切盒可以在沿水平方向移动； 所述左铰链 座(2‑4)、 右 铰链座(2 ‑5)采用刚性材 料制成。 6.根据权利要求1所述的一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统， 其 特征在于， 所述水平加载系统(3)结合油泵来施加水平荷载， 保证水平荷载能够持续稳定地 施加在下剪切盒上， 包括水平向液压千斤顶(3 ‑1)、 水平荷载传感器(3 ‑2)、 水平位移传感器 (3‑3)、 螺杆(3 ‑4)、 变频减速稳定装置(3 ‑5)； 所述水平 向液压千斤顶(3 ‑1)固定于刚性框架的内框架(1 ‑5)， 并通过螺杆(3 ‑4)与变 频减速稳定装置(3 ‑5)相连， 所述水平荷载传感器(3 ‑2)和水平位移传感器(3 ‑3)设置在螺 杆(3‑4)上， 变频减速稳定装置(3 ‑5)通过销子一(3 ‑6)与下剪切盒的左铰链座(2 ‑4)相连 接； 所述水平向液压千斤顶(3 ‑1)结合油泵来向下剪切盒提供水平力； 所述水平荷载传感 器(3‑2)， 用以监测水平输出荷载的大小； 所述水平 位移传感器(3 ‑3)， 用以监测水平 位移的 变化情况； 所述螺杆(3 ‑4)， 用以传递水平荷载； 所述变频减速稳定装置(3 ‑5)， 用以卸载时 控制水平输出荷载的大小。 7.根据权利要求1所述的一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统， 其 特征在于， 所述垂 直加载系统(4)结合油泵来布设垂 直向压力加载装置， 包括垂 直向荷载传 感器(4‑1)、 垂直向位移传感器(4 ‑2)、 垂直向液压千斤顶(4 ‑3)、 垂向传力活动垫 板(4‑4)； 所述垂直向液压千斤顶(4 ‑3)固定于刚性框架的横梁(1 ‑1)， 用以输出垂直向荷载； 垂 直向荷载传感器(4 ‑1)、 垂直向位移传感器(4 ‑2)设置于垂直向液压千斤顶(4 ‑3)上， 用以监 测垂直输出荷载的大小； 垂向传力活动垫板(4 ‑4)布设于刚性框架的内框架(1 ‑5)和上剪切 盒之间， 用以将液压千斤顶所施加的垂向压力均匀地传递到试样上； 垂直加载系统的工作原理为： 首先利用计算机监控管理系 统设定液压千斤顶(4 ‑3)输 出荷载大小及频率， 然后利用液压千斤顶(4 ‑3)向垂向传力活动垫板(4 ‑4)施加垂直向荷 载， 并通过垂直 向荷载传感器(4 ‑1)、 垂直向位移传感器(4 ‑2)实时监测输出的垂直荷载大 小， 最后通过垂向传力活动垫 板(4‑4)将垂向压力均匀地分散传递到试样上。 8.根据权利要求1所述的一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统， 其 特征在于， 所述柔性边界控制系统(5)中， 所述金属盒高度约为下剪切盒的高度的三分之 一， 金属盒的底面积与下剪切盒的内底面积保持一致， 保证金属盒能顺利放入下剪切盒中权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115541411 A 3