(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 202210966631.3 (22)申请日 2022.08.12 (71)申请人 东南大学 地址 210018 江苏省南京市玄武区四牌楼 2 号 (72)发明人 李建春　王东辉　邹春江　 (74)专利代理 机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 专利代理师 王美章 (51)Int.Cl. G01N 3/24(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种结合光弹试验研究岩石结构面剪切力 学特性的试验方法 (57)摘要 本发明提供了一种结合光弹试验研究岩石 结构面剪切力学特性的试验 方法， 基于光弹试验 平台和直剪仪， 直剪仪包括基座单元， 加载单元， 数据监测和采集单元， 控制单元和剪切盒。 该试 验方法包括以下步骤： 1， 调节直剪仪， 安装试样； 2、 调节剪切盒位置， 进行试验准备工作； 3、 预设 目标参数， 选择加载模式； 4、 施加负荷， 采集试验 图像与数据； 5、 试验结束后将直剪仪归位， 保存 数据； 6、 图像、 数据分析工作。 该试验方法根据采 集到的应力光图、 荷载、 位移等各项试验 数据， 结 合预设的目标参数值， 可以实时观测试验过程中 试样的应力场和应变场变化， 绘制相应的荷载 ‑ 位移曲线、 分析不同加载条件对岩体结构面的剪 切力学特性及变形 特征的影响。 权利要求书3页 说明书7页 附图4页 CN 115436191 A 2022.12.06 CN 115436191 A 1.一种结合光弹试验研究岩石结构面剪切力学特性的试验方法， 基于光弹试验平台和 直剪仪， 直剪仪包括： 基座单 元、 加载单元、 数据采集单 元、 控制单 元以及剪切盒： 所述基座单元设置于直剪仪的底部， 用于承载支撑整个直剪仪的重量， 包括底部支撑 板和连接在所述底部支撑板底部和地面之 间的第一高度调节机构， 底部支撑板的底部与光 弹试验平台之 间连接有第一直线导轨移动副， 通过所述第一直线导轨移动副调节直剪仪在 光弹试验平台上 的位置， 通过第一高度可调机构调节所述直剪仪的高度， 使得进行光弹试 验时光路能依次对准， 形成连贯 性； 所述加载单元设置于基座单元上侧， 包括刚性框架和设置在所述刚性框架上的法向加 载装置、 剪切加载装置以及支撑装置， 其中， 所述法向加载装置和剪切加载装置均采用伺服 电动缸， 所述法向加载装置的伺服电动缸安装在所述刚性框架的顶部， 所述剪切加载装置 的伺服电动缸安装在所述刚性框架的左侧； 所述支撑装置用于在试验过程中对剪切盒进行支撑， 包括安装在所述刚性框架右侧的 第一支撑装置和安装在刚性框架 底部的第二支撑装置； 所述刚性框架的右侧设有竖向滑槽， 第一支撑装置通过螺 丝紧固在所述竖向滑槽上； 所述第二支撑装置与法 向加载装置在同一直线上， 通过第 二高度调节机构连接在刚性 框架的底部； 所述数据监测和采集单元， 设置于加载单元内部， 用于监测和采集试验过程中的试验 数据， 包括法向压力传感器、 切向压力传感器、 法向位移传感器和 切向位移传感器； 所述控制单元， 其信号输入端与所述数据监测和采集单元连接， 信号输出端与所述加 载单元连接； 所述剪切盒， 用于放置试验试样， 包括几何尺寸相同的上剪切盒和下剪切盒两部分， 剪 切盒的前后面均无遮板， 使得光源可以通过试样， 保证光路的连贯性； 上剪切盒内壁和下剪 切盒内壁都设置有与试样尺寸相吻合的凹槽， 试样顺着凹槽放入剪切盒中被紧紧的固定 住； 其特征在于， 包括以下步骤： 步骤一： 将直剪仪插电启动后将法向伺 服电动缸与剪切伺 服电动缸的工作长度调至最 短状态， 调节基座单元使其与刚性框架底部 保持平齐， 并将直剪仪调至合适的高度和位置， 把制备好的光弹试验试样放入剪切盒中固定住， 再将上剪切盒和下剪切盒分别安装到第一 顶板和第二顶板上； 步骤二： 调整剪切盒与顶板的位置， 使上剪切盒上端面的中心与法向伺服电动缸驱动 端的中心处在同一直线上， 下剪切盒左侧面的中心与剪切伺服电动缸驱动端的中心处于同 一水平位置， 保持节理面初始状态吻合； 步骤三： 通过控制单元预先设置目标参数选择不同的加载模式， 所述目标参数包括： 法 向和剪切目标荷载值、 加载速率和变形速率， 控制法向伺服电动缸与剪切伺服电动缸分别 进行预加载直至伺服电动缸驱动端与剪切盒端面刚好完全接触， 保持剪切盒稳定， 此时上 剪切盒沿法向和剪切方向固定， 无位移， 下剪切盒沿节理面的法向固定， 只可以沿剪切方向 自由移动， 但不允许发生沿节理面法向的位移； 步骤四： 若为静态加载模式， 则控制法向电动缸和剪切电动缸分别以恒定的加载速率 和变形速率对试样施加法向荷载和剪切荷载至目标值后保持静止恒定； 若为动态加载模权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115436191 A 2式， 则法向荷载和剪切荷载到达目标值后， 继续控制法向电动缸或剪切电动缸按照预设的 加载速率和变形速率对试样进行加载， 直至法向或剪切 位移到达一定值时结束试验， 控制 单元采集试验过程中传感器的数据且处理为相应曲线， 同时使用高速摄像机实时拍摄记录 整个加载 过程中试样变化的照片； 步骤五： 加载结束后， 将加载装置归位， 先卸载剪切方向荷载， 法向荷载不动， 以防法向 荷载卸载时， 剪切方向突然变形， 等到剪切加载装置与剪切盒不接触后， 再卸 载法向荷载； 最后取下剪切盒， 将试样拆除、 清理， 然后进行 下一组试验； 步骤六： 试验结束后基于试验过程中采集的图像和各项数据， 根据光弹试验原理模拟 分析岩体结构面的剪切力学 特性和变形 特征。 2.根据权利要求1所述的结合光弹试验研究岩石结构面剪切力学特性的试验方法， 其 特征在于： 所述第一高度调节机构包括脚杯和支撑柱， 所述支撑柱通过脚杯上 的第一丝杆 安装于所述脚杯上。 3.根据权利要求1所述的结合光弹试验研究岩石结构面剪切力学特性的试验方法， 其 特征在于： 所述刚性框架内、 外侧都设置有加强筋， 防止进 行光弹试验加载时直剪仪出现振 动与抖动， 保证试验平台的稳定性。 4.根据权利要求1所述的结合光弹试验研究岩石结构面剪切力学特性的试验方法， 其 特征在于： 所述伺服电动缸的驱动端 上连接有浮动接头， 确保加载时与剪切盒充分接触， 进 而将电动缸施加的负荷完全传递到试样。 5.根据权利要求1所述的结合光弹试验研究岩石结构面剪切力学特性的试验方法， 其 特征在于： 所述法向加载装置的伺服电动缸和剪切加载装置的伺服电动缸上都安装有减速 机。 6.根据权利要求1所述的结合光弹试验研究岩石结构面剪切力学特性的试验方法， 其 特征在于： 所述第一支撑装置包括螺丝、 第一顶杆和第一顶板； 第一顶杆通过螺丝安装在刚 性框架的右侧， 第一顶杆的顶端连接所述第一顶板； 所述第二支撑装置包括第二丝杆、 第二顶板和滑槽导轨， 第二顶板安装在低阻滑槽导 轨上， 低阻滑槽导轨通过四个可调高度的第二丝杆固定在刚性框架的底部 。 7.所述上剪切盒右侧面设有第一滑轨， 第一顶板上有第一滑槽， 上剪切盒通过所述第 一滑轨安装在所述第一顶板的所述第一滑槽上； 所述下剪切盒底面设有第二滑轨， 第二顶板上设有第二滑槽， 下剪切盒通过所述第二 滑轨安装在所述第二顶板的所述第二滑槽上。 8.根据权利要求5所述的结合光弹试验研究岩石结构面剪切力学特性的试验方法， 其 特征在于： 所述拍摄的图像指用于光 弹试验分析的应力光图， 采集的试验数据包括， 法向荷 载、 法向位移、 剪切荷载、 剪切位移； 所述静态加载模式指对试样施加的法向与剪切荷载到达目标值后保持不变直到试验 结束； 动态加载模式分为静态法向 ‑动态剪切加载模式、 动态法向 ‑静态剪切加载模式和动态 法向‑动态剪切 加载模式三种情况。 9.根据权利要求1所述的结合光弹试验研究岩石结构面剪切力学特性的试验方法， 其 特征在于： 依据拍摄记录的应力光图和试样结构面法向荷载、 法向位移、 剪切荷载、 剪切位权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115436191 A 3