CN113484163B - 多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置及方法 - Google Patents

多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置及方法，包括试验框架、设置在试验框架内部的水平位移加载装置和竖直位移加载装置以及设置在试验框架外部的冲击扰动装置；竖直位移加载装置用于放置试验的多层试样并对试样施加竖直方向的加载力；上下相邻的两个水平位移加载装置通过其上的支撑杆和加载杆向对应的试样施加方向相反的水平加载力，试验框架的侧壁上设置有用于供支撑杆滑动的轴向空腔；冲击杆设置在试验框架外部轴向空腔的延伸方向上，冲击扰动装置包括冲击杆和施力机构，施力机构用于推动冲击杆向轴向空腔运动以撞击对应的支撑杆，进而对试样施加扰动冲击力，本发明用于测试剪切流变岩体在扰动条件下的复杂力学机理。

Description

多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置及方法
技术领域
本发明涉及岩石、混凝土、聚合物等材料的流变力学和动力学技术领域，具体涉及到多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动的测试装置及方法。
背景技术
目前，在岩体开挖工程过程中，人工开挖、机械开挖和******等产生的扰动，影响岩体工程周边围岩长时间稳定；如果岩体存在断层、节理、裂隙等不良地质条件，受到扰动的周边围岩会沿着断层切向发生蠕变错动位移，会使得岩体中的节理、裂隙等张开分离，如果在深部岩体中，高地应力会使得节理岩体、裂隙岩体发生加速剪切蠕变滑移，而开挖扰动会使得这种加速剪切蠕变破坏提前到来，这些因素都不利于岩体工程施工过程和工程后期运营的长期稳定性。因此，为了弄清剪切流变岩体在扰动条件下的复杂力学机理，需要进行动态扰动作用下的流变剪切试验，但是现有的试验机只能做冲击-蠕变试验或者单纯的蠕变试验，实际工程岩体不单单是蠕变一种状态，而是蠕变和应力松弛综合流变状态，因此急需发明一种能够对岩石进行剪切的流变松弛耦合冲击扰动的测试装置及方法。
发明内容
本发明旨在提供多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置及方法，可以解决剪切流变岩体在扰动条件下的复杂力学机理无法测试的问题。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体方案为：
多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置，包括试验框架、设置在试验框架内部的水平位移加载装置和竖直位移加载装置以及设置在试验框架外部的冲击扰动装置；竖直位移加载装置用于放置试验的多层试样并对试样施加竖直方向的加载力；水平位移加载装置数量为多个且上下间隔设置在试验框架的两侧壁之间，每个水平位移加载装置均包括加载杆和支撑杆，试验的多层试样位于对应的水平位移加载装置的加载杆和支撑杆之间，上下相邻的两个水平位移加载装置用于向对应的试样施加方向相反的水平加载力，试验框架的侧壁上设置有用于供支撑杆滑动的轴向空腔，水平位移加载装置位于试验框架内部轴向空腔的延伸方向上；冲击扰动装置的数量与水平位移加载装置数量一致，冲击扰动装置包括冲击杆和施力机构，冲击杆设置在试验框架外部轴向空腔的延伸方向上，冲击杆的下方设置有用于支撑冲击杆的滚轮支座，冲击杆的直径小于轴向空腔的内径，冲击杆相背于轴向空腔的一侧设有施力机构，施力机构用于推动冲击杆向轴向空腔运动以撞击对应的支撑杆，进而对试样施加冲击力。
进一步的，施力机构包括导轨和重球，导轨为弧形，导轨的低端与冲击杆相背于轴向空腔的一端对应，导轨的高端高于冲击杆，导轨用于供重球在重力作用下从导轨的高端沿导轨滚下撞击冲击杆。
进一步的，竖直位移加载装置的下部为位移升降机构，位移升降机构的上部设置有试样支撑平台，试样支撑平台的上表面设置有第一磁性滚轴，试验框架顶板下部与位移升降机构对应的位置设置有第二压力传感器，第二压力传感器下部设置有刚性垫板，刚性垫板的下表面设置有第二磁性滚轴，第一磁性滚轴和第二磁性滚轴形成的空间用于放置试验的多层试样，竖直位移加载装置上设有用于测量试样竖直位移的第二激光位移计；水平位移加载装置上的加载杆远离试样的一端固定连接有蠕变液压加载油缸，蠕变液压加载油缸固定设置在试验框架的侧壁上，蠕变液压加载油缸连接有并联蓄能装置，并联蓄能装置用于向水平位移加载装置提供动力，从而分别控制每个水平位移加载装置的加载杆工作，水平位移加载装置上还设有用于测量试样水平位移的第一激光位移计。
进一步的，弧形导轨的圆心角大于0°小于90°。
进一步的，重球的直径为冲击杆直径的1.5倍。
进一步的，每个冲击杆与对应支撑杆的中心在同一条水平直线上。
进一步的，冲击杆上设置有光纤光栅和加速度传感器。
进一步的，水平位移加载装置和冲击扰动装置的数量均为三个，从上向下依次是1号水平位移加载装置、2号水平位移加载装置和3号水平位移加载装置，与1号水平位移加载装置配合使用的为1号冲击扰动装置，与2号水平位移加载装置配合使用的为2号冲击扰动装置，与3号水平位移加载装置配合使用的为3号冲击扰动装置。
进一步的，该方法包括恒定剪切应力的应力松弛测试：首先，启动各个水平位移加载装置，直到各个水平位移加载装置在水平方向上的加载应力达到预定值；然后，以螺旋位移加载机构作为位移升降机构对试样进行位移加载，达到预定应力值后停止螺旋位移加载机构抬升；最后，打开工控机，记录Y、X方向应力和位移数据；还包括多向剪切蠕变测试：首先，通过螺旋位移加载机构对试样进行位移加载，达到预定应力值；然后，根据试验需要开启一个或多个水平位移加载装置，达到预定剪切应力后，通过所开启的水平位移加载装置确保剪切应力的稳定，打开工控机，记录Y、X方向应力和位移数据；最后，根据试验情况选择冲击扰动装置，使得冲击扰动装置穿过试验框架侧壁上的轴向空腔撞击对应的水平位移加载装置，并在冲击扰动中通过工控机记录Y、X方向应力和位移数据。
进一步的，恒定剪切应力的应力松弛测试包括以下操作步骤：
1)将试样放置在支撑平台的第一磁性滚轴上，通过以螺旋位移加载机构作为位移升降机构抬升试样支撑平台和试样，使最上层试样的上表面与第二磁性滚轴接触，第二压力传感器在竖直方向上与刚性垫板紧密的贴合，且每层试样的水平中心与对应加载杆的水平中心在一条直线上；
2)启动各个水平位移加载装置，使各个水平位移加载装置上的加载杆与相应的试样水平接触；
3)恒定剪切应力的应力松弛测试，启动各个水平位移加载装置，直到各个水平位移加载装置在水平方向上的加载应力达到预定值，启动螺旋位移加载机构对试样进行位移加载，达到预定应力值后停止螺旋位移加载机构抬升，打开工控机，记录Y、X方向应力和位移数据；
多向剪切蠕变测试包括以下操作步骤：
1)将试样放置在支撑平台的第一磁性滚轴上，通过以螺旋位移加载机构作为位移升降机构抬升试样支撑平台和试样，使最上层试样的上表面与第二磁性滚轴接触，第二压力传感器在竖直方向上与刚性垫板紧密的贴合，且每层试样的水平中心与对应加载杆的水平中心在一条直线上；
2)启动各个水平位移加载装置，使各个水平位移加载装置上的加载杆与相应的试样水平接触；
3)多向剪切蠕变测试，打开电机，让螺旋位移加载机构对试样进行位移加载，达到预定应力值；
4)启动2号水平位移加载装置，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
5)单向冲击：将2号冲击扰动装置上的重球放置在预定高度，松开重球，使得重球沿着2号冲击扰动装置上的导轨撞击对应的冲击杆，进而冲击杆水平冲击2号水平位移加载装置上的支撑杆，支撑杆沿着该方向进行冲击剪切试样；多向冲击：将1号冲击扰动装置和3号冲击扰动装置上的重球分别放置在预定高度，同时或依次松开重球，使得1号冲击扰动装置和3号冲击扰动装置上的重球分别沿着1号冲击扰动装置和3号冲击扰动装置上的导轨分别撞击对应的冲击杆，冲击杆分别撞击对应的1号水平位移加载装置的支撑杆和3号水平位移加载装置的支撑杆，进而沿着这些方向进行多向冲击剪切试样；
6)重复1)-3)步骤，启动1号水平位移加载装置和3号水平位移加载装置，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
7)将1号冲击扰动装置上的重球放置预定高度，松开重球，使得重球沿着1号冲击扰动装置上的导轨撞击对应的冲击杆，进而冲击杆水平冲击1号水平位移加载装置的支撑杆，进而沿着该方向进行冲击剪切试样；
8)重复1)-3)步骤，启动1号水平位移加载装置，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
9)将3号冲击扰动装置上的重球放置预定高度，松开重球，使得重球沿着3号冲击扰动装置上的导轨撞击对应的冲击杆，进而冲击杆水平冲击3号水平位移加载装置的支撑杆，进而沿着该方向进行冲击剪切试样；
10)重复1)-3)步骤，启动3号水平位移加载装置，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
11)将2号冲击扰动装置和3号冲击扰动装置上的重球分别放置在预定高度，松开重球，使得重球分别沿着2号冲击扰动装置和3号冲击扰动装置上的导轨分别撞击对应的冲击杆，冲击杆分别撞击对应的2号水平位移加载装置的支撑杆和3号水平位移加载装置的支撑杆，进而两个重球沿着各个方向进行冲击剪切试样。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1、多层剪切的流变松弛耦合测试***不仅可以实现在法向应力松弛条件下，单向常规剪切，双向常规剪切，三向常规剪切的同时加载和分别加载，单向长时间蠕变剪切，双向蠕变剪切，三向蠕变剪切的同时加载和分别加载，也可以实现岩石单向剪切扰动失稳研究，双向剪切扰动失稳研究，法向应力松弛条件下岩石单向剪切扰动失稳研究和双向剪切扰动失稳研究测试；2、可以实现四轴蠕变和应力松弛同步加载，实现四轴双向蠕变位移载荷和应力松弛载荷的耦合剪切控制，利用铁球撞击冲击杆产生的横向剪切应力波扰动，研究冲击扰动对蠕变松弛耦合状态岩石的剪切滑移的影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明水平位移加载装置的结构示意图；
附图标记：1、试验框架，2、第二压力传感器，3、刚性垫板，4、第二磁性滚轴，5、1号水平位移加载装置，6、2号水平位移加载装置，7、3号水平位移加载装置，8、第一磁性滚轴，9、试样支撑平台，10、螺旋位移加载机构，11、蠕变液压加载油缸，12、第一激光位移计，13、加载杆，14、第一激光挡板，15、第一压力传感器，16、支撑杆，17、第二激光位移计，18、第二激光挡板，19、并联蓄能装置，20、液压表，21、油管，22、轴向空腔，23、冲击杆，24、滚轮支座，25、重球，26、导轨，27、支架，28、固定底座。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明的多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置，包括试验框架1、设置在试验框架1内部的水平位移加载装置和竖直位移加载装置以及设置在试验框架1外部的冲击扰动装置。
设定竖直方向为Y方向，水平方向为X方向，以竖直位移加载装置为Y轴，竖直位移加载装置右侧为X+向，竖直位移加载装置左侧为X-向，竖直位移加载装置的加载方向为Y+方向。
试验框架11为由两个侧壁、上部刚性挡板和下部刚性框柱组成的矩形框架，其中右侧侧壁为X+向加载框板，左侧侧壁为X-向加载框板，下部的刚性框柱数量为两根且平行设置在左侧壁和右侧壁之间。
竖直位移加载装置的下部为位移升降机构，位移升降机构为螺旋位移加载机构10，螺旋位移加载机构10的底座固定在地面上且位于两根刚性框柱之间形成的间隙处，螺旋位移加载机构10的上部设置有试样支撑平台9，通过电机带动螺旋位移加载机构10工作，从而控制试样支撑平台9在Y+方向移动。试样支撑平台9的上表面刻有极坐标系用于试样的精准定位，试样支撑平台9的上表面还设置有第一磁性滚轴8，第一磁性滚轴8能够在试样支撑平台9的上表面沿试样水平位移的方向滚动。试验框架1上部刚性挡板的下表面与螺旋位移加载机构10对应的位置设置有第二压力传感器2，第二压力传感器2下部设置有刚性垫板3，刚性垫板3的下表面吸附有第二磁性滚轴4，第二磁性滚轴4能够在刚性垫板3上沿试样水平位移的方向滚动。第一磁性滚轴8和第二磁性滚轴4形成的空间用于放置试验的多层试样。
竖直位移加载装置上设有用于测量试样竖直位移的第二激光位移计17和第二激光挡板18，第二激光位移计17设置在螺旋位移加载机构10的底部，第二激光挡板18设置在试样支撑平台9的下表面。通过螺旋位移加载机构10对试样施加松弛位移载荷，松弛加载过程中利用第二压力传感器2和第二激光位移计17将试样的竖直方向应力和位移信号传输到工控机。
水平位移加载装置上下间隔设置在试验框架1的X+向加载框板和X-向加载框板之间，水平位移加载装置的数量为三个，每个水平位移加载装置均为一个剪切X方向上的单轴蠕变液压加载***，三个水平方向上的单轴蠕变液压加载***和一个竖直方向上的位移加载装置可以实现四轴蠕变和应力松弛同步加载。水平位移加载装置从上向下依次为1号水平位移加载装置5、2号水平位移加载装置6和3号水平位移加载装置7，上下相邻的两个水平位移加载装置用于向各自对应的试样施加方向相反的水平加载力，每个水平位移加载装置均包括加载杆13和支撑杆16，上下相邻的两个水平位移加载装置的支撑杆16间距为支撑杆16直径的0.2倍。试验的多层试样位于对应的水平位移加载装置的加载杆13和支撑杆16之间，试验框架1的侧壁上设置有用于供支撑杆16滑动的轴向空腔22，轴向空腔22贯穿设置在试验框架1的侧壁上，支撑杆16在轴向空腔22移动的范围可为支撑杆16长度的5％-10％，空腔直径可为支撑杆16直径的1.2倍-1.5倍。
冲击扰动装置的数量与水平位移加载装置数量一致，冲击扰动装置包括冲击杆23、导轨26和重球25，重球25为铁球，冲击杆23设置在试验框架1外部、并位于轴向空腔22的延伸方向上，每个冲击杆23与对应的支撑杆16和加载杆13的中心在同一条轴线上。冲击杆23上设置有光纤光栅和加速度传感器(图中未显示)，冲击杆23的下方设置有用于支撑冲击杆23的滚轮支座24，滚轮支座24上设置有滚轮用于供冲击杆23滑动，滚轮支座24焊接在固定底座28上，固定底座28锚固在地面上。冲击杆23的直径小于轴向空腔22的内径，导轨26包括一段圆心角大于0°小于90°的弧形段，冲击杆23相背于轴向空腔22的一端与导轨26的低端对应，冲击杆23与导轨26对应的一端轴向中心处开设有凹槽，导轨26的低端与凹槽间隙配合，导轨26的高端高于冲击杆23，导轨26用于供铁球在重力作用下从导轨26的高端沿导轨26滚下撞击冲击杆23，进而由冲击杆23撞击对应的支撑杆16以对试样施加冲击力。导轨26的下方还焊接有用于支撑导轨26的支架27，支架27为铁架。此外，导轨也可以为一段斜面或者导轨的形状只要满足重球的起始位置高于冲击杆即可。
具体的，1号水平位移加载装置5包括X+向1号支撑杆16和X-向1号加载杆13；X-向1号加载杆13远离试样的一端固定连接有X-向1号蠕变液压加载油缸11，X-向1号蠕变液压加载油缸11固定设置在X-向加载框板上，X-向1号蠕变液压加载油缸11上还设置有用于测量试样水平位移的X-向1号第一激光位移计12，X-向1号加载杆13的末端设置有与X-向1号第一激光位移计12配合使用的X-向1号第一激光挡板14；X+向1号支撑杆16靠近试样的一端安装有X+向1号第一压力传感器15，X+向1号支撑杆16远离试样的一端滑动设置在试验框架1上开设的X+向1号轴向空腔22里，在试验框架1外部X+向1号轴向空腔22的延伸方向上设置有X+向1号冲击杆23，X+向1号冲击杆23的下方间隔设置有两个X+向1号滚轮支座24，X+向1号冲击杆23相背于X+向1号轴向空腔22一端的轴向中心处开设有凹槽，X+向1号导轨26的低端与凹槽间隙配合，X+向1号导轨26用于供铁球在重力作用下从X+向1号导轨26的高端沿X+向1号导轨26滚下撞击X+向1号冲击杆23，进而由X+向1号冲击杆23撞击对应的X+向1号支撑杆16以对试样施加冲击力。通过X-向1号第一激光位移计12和X+向1号第一压力传感器15记录试样水平方向长时间的位移变化和蠕变应力。
同样的，2号水平位移加载装置6包括X-向2号支撑杆16和X+向2号加载杆13；X+向2号加载杆13远离试样的一端固定连接有X+向2号蠕变液压加载油缸11，X+向2号蠕变液压加载油缸11固定设置在X+向加载框板上，X+向2号蠕变液压加载油缸11上还设置有用于测量试样水平位移的X+向2号第一激光位移计12，X+向2号加载杆13的末端设置有与X+向2号第一激光位移计12配合使用的X+向2号第一激光挡板14；X-向2号支撑杆16靠近试样的一端安装有X-向2号第一压力传感器15，X-向2号支撑杆16远离试样的一端滑动设置在试验框架1上开设的X-向2号轴向空腔22里，在试验框架1外部X-向2号轴向空腔22的延伸方向上设置有X-向2号冲击杆23，X-向2号冲击杆23的下方间隔设置有两个X-向2号滚轮支座24，X-向2号冲击杆23相背于X-向2号轴向空腔22一端的轴向中心处开设有凹槽，X-向2号导轨26的低端与凹槽间隙配合，X-向2号导轨26用于供铁球在重力作用下从X-向2号导轨26的高端沿X-向2号导轨26滚下撞击X-向2号冲击杆23，进而由X-向2号冲击杆23撞击对应的X-向2号支撑杆16以对试样施加冲击力；通过X-向2号第一激光位移计12和X-向2号第一压力传感器15记录试样水平方向长时间的位移变化和蠕变应力。
同样的，3号水平位移加载装置7包括X+向3号支撑杆16和X-向3号加载杆13；X-向3号加载杆13远离试样的一端固定连接有X-向3号蠕变液压加载油缸11，X-向3号蠕变液压加载油缸11固定设置在X-向加载框板上，X-向3号蠕变液压加载油缸11上还设置有用于测量试样水平位移的X-向3号第一激光位移计12，X-向3号加载杆13的末端设置有与X-向3号第一激光位移计12配合使用的X-向3号第一激光挡板14；X+向3号支撑杆16靠近试样的一端安装有X+向3号第一压力传感器15，X+向3号支撑杆16远离试样的一端滑动设置在试验框架1上开设的X+向3号轴向空腔22里，在试验框架1外部X+向3号轴向空腔22的延伸方向上设置有X+向3号冲击杆23，X+向3号冲击杆23的下方间隔设置有两个X+向3号滚轮支座24，X+向3号冲击杆23相背于X+向3号轴向空腔22一端的轴向中心处开设有凹槽，X+向3号导轨26的低端与凹槽间隙配合，X+向3号导轨26用于供铁球在重力作用下从X+向3号导轨26的高端沿X+向3号导轨26滚下撞击X+向3号冲击杆23，进而由X+向3号冲击杆23撞击对应的X+向3号支撑杆16以对试样施加冲击力。通过X-向3号第一激光位移计12和X+向3号第一压力传感器15记录试样水平方向长时间的位移变化和蠕变应力。
蠕变液压加载油缸11通过油管21连接有并联蓄能装置19，并联蓄能装置19由三个蓄能器并联组成，每个蓄能器通过油管21分别向对应的蠕变液压加载油缸11输油从而为水平位移加载装置提供动力，控制对应蠕变液压加载油缸11上连接的加载杆13工作。
此外，第一磁性滚轴8和第二磁性滚轴4可以设置为不同的直径，根据实际试验时试样的情况进行调整。
多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置的方法，该方法包括恒定剪切应力的应力松弛测试和多向剪切蠕变测试；
恒定剪切应力的应力松弛测试的操作步骤如下：
1)将试验的三层试样放置在支撑平台的第一磁性滚轴8上，根据支撑平台表面刻有的极坐标系矫正试样的中心位置，打开电机，通过螺旋位移加载机构10抬升支撑平台和试样，使最上层试样的上表面与第二磁性滚轴4接触，第二压力传感器2在竖直方向上与刚性垫板3紧密的贴合，且每层试样的水平中心与对应加载杆13的水平中心在一条直线上；
2)关闭油管21，打开平流泵给并联蓄能装置19输油，观测液压表20，表中读数到预定值时，关闭平流泵，打开油管21给X+向2号蠕变液压加载油缸11输油，给X-向1号蠕变液压加载油缸11输油，给X-向3号蠕变液压加载油缸11输油，直到X+向2号加载杆13、X-向1号加载杆13和X-向3号加载杆13与试样水平接触，关闭油管21，观察并调整X-向2号支撑杆16、X+向1号支撑杆16和X+向3号支撑杆16，以使X+向2号加载杆13与X-向2号支撑杆16在同一水平直线上，X-向1号加载杆13与X+向1号支撑杆16在同一水平直线上，X-向3号加载杆13与X+向3号支撑杆16在同一水平直线上；
3)恒定剪切应力的应力松弛测试，打开油管21，给X+向2号蠕变液压加载油缸11输油，给X-向1号蠕变液压加载油缸11输油，给X-向3号蠕变液压加载油缸11输油，直到各个X水平加载应力达到同一预定值(或者各个X水平加载应力达到不同预定值)，打开电机，让螺旋位移加载机构10对试样进行竖直位移加载，达到预定压力值后停止螺位移加载机构抬升，打开工控机，记录Y、X方向应力和位移数据。
多向剪切蠕变测试的操作步骤如下：
1)将试验的三层试样放置在支撑平台的第一磁性滚轴8上，根据支撑平台表面刻有的极坐标系矫正试样的中心位置，打开电机，通过螺旋位移加载机构10抬升支撑平台和试样，使最上层试样的上表面与第二磁性滚轴4接触，第二压力传感器2在竖直方向上与刚性垫板3紧密的贴合，且每层试样的水平中心与对应加载杆13的水平中心在一条直线上；
2)打开电机，让螺旋位移加载机构10对试样进行竖直位移加载，达到预定压力值；
3)打开油管21，给X+向2号蠕变液压加载油缸11输油，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置19开始长时间补压工作以确保剪切应力的稳定，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
4)单向冲击：将2号冲击扰动装置的铁球放置在预定高度，调整X-向2号冲击杆23水平位置，松开铁球，使得铁球沿着X-向2号导轨26撞击X-向2号冲击杆23，进而X-向2号冲击杆23水平冲击X-向2号支撑杆16，进而沿着该方向进行冲击剪切试样。多向冲击：将1号冲击扰动装置的铁球和3号冲击扰动装置的铁球分别放置在预定高度，调整X+向1号冲击杆23和X+向3号冲击杆23的水平位置，同时松开1号冲击扰动装置的铁球和3号冲击扰动装置的铁球(或者依次松开，中间有时间间隔)，使得1号冲击扰动装置的铁球沿着X+向1号导轨26撞击X+向1号冲击杆23，进而X+向1号冲击杆23水平冲击X+向1号支撑杆16，3号冲击扰动装置的铁球沿着X+向3号导轨26撞击X+向3号冲击杆23，进而X+向3号冲击杆23水平冲击X+向3号支撑杆16，进而沿着这些方向进行多向冲击剪切试样。
5)重复1)-2)步骤，打开油管21，给X-向1号蠕变液压加载油缸11输油，给X-向3号蠕变液压加载油缸11输油，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置19开始长时间补压工作以确保剪切应力的稳定，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
6)将1号冲击扰动装置的铁球放置在预定高度，调整X+向1号冲击杆23水平位置，松开1号冲击扰动装置的铁球，使得铁球沿着X+向1号导轨26撞击X+向1号冲击杆23，进而X+向1号冲击杆23水平冲击X+向1号支撑杆16，进而沿着该方向进行冲击剪切试样。
7)重复1)-2)步骤，打开油管21，给X-向1号蠕变液压加载油缸11输油，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置19开始长时间补压工作以确保剪切应力的稳定，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
8)将3号冲击扰动装置的铁球放置在预定高度，调整X+向3号冲击杆23的水平位置，松开3号冲击扰动装置的铁球，使得铁球沿着X+向3号导轨26撞击X+向3号冲击杆23，X+向3号冲击杆23水平冲击X+向3号支撑杆16，进而沿着该方向进行冲击剪切试样。
9)重复1)-2)步骤，打开油管21，给X-向3号蠕变液压加载油缸11输油，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置19开始长时间补压工作以确保剪切应力的稳定，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
10)将2号冲击扰动装置的铁球和3号冲击扰动装置的铁球放置在预定高度，分别调整X-向2号冲击杆23、X+向3号冲击杆23的水平位置，松开2号冲击扰动装置的铁球和3号冲击扰动装置的铁球，使得2号冲击扰动装置的铁球沿着X-向2号导轨26撞击X-向2号冲击杆23，进而X-向2号冲击杆23水平冲击X-向2号支撑杆16；使得3号冲击扰动装置的铁球沿着X+向3号导轨26撞击冲击杆23，X+向3号冲击杆23水平冲击X+向3号支撑杆16，进而两个铁球沿着各个方向进行冲击剪切试样。
本发明不仅可以实现在法向应力松弛条件下，单向常规剪切，双向常规剪切，三向常规剪切的同时加载和分别加载，单向长时间蠕变剪切，双向蠕变剪切，三向蠕变剪切的同时加载和分别加载，也可以实现岩石单向剪切扰动失稳研究，双向剪切扰动失稳研究，法向应力松弛条件下岩石单向剪切扰动失稳研究和双向剪切扰动失稳研究测试。

Claims (10)

1.多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置，其特征在于，包括试验框架(1)、设置在试验框架(1)内部的水平位移加载装置和竖直位移加载装置以及设置在试验框架(1)外部的冲击扰动装置；
竖直位移加载装置用于放置试验的多层试样并对试样施加竖直方向的加载力；
水平位移加载装置数量为多个且上下间隔设置在试验框架(1)的两侧壁之间，每个水平位移加载装置均包括加载杆(13)和支撑杆(16)，试验的多层试样位于对应的水平位移加载装置的加载杆(13)和支撑杆(16)之间，上下相邻的两个水平位移加载装置用于向对应的试样施加方向相反的水平加载力，试验框架(1)的侧壁上设置有用于供支撑杆(16)滑动的轴向空腔(22)，水平位移加载装置位于试验框架(1)内部轴向空腔(22)的延伸方向上；
冲击扰动装置的数量与水平位移加载装置数量一致，冲击扰动装置包括冲击杆(23)和施力机构，冲击杆(23)设置在试验框架(1)外部轴向空腔(22)的延伸方向上，冲击杆(23)的下方设置有用于支撑冲击杆(23)的滚轮支座(24)，冲击杆(23)的直径小于轴向空腔(22)的内径，冲击杆(23)相背于轴向空腔(22)的一侧设有施力机构，施力机构用于推动冲击杆(23)向轴向空腔(22)运动以撞击对应的支撑杆(16)，进而对试样施加冲击力；
水平位移加载装置上的加载杆(13)远离试样的一端固定连接有蠕变液压加载油缸(11)，蠕变液压加载油缸(11)连接有并联蓄能装置(19)，并联蓄能装置(19)用于向水平位移加载装置提供动力，从而分别控制每个水平位移加载装置的加载杆(13)工作。
2.根据权利要求1所述的多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置，其特征在于，施力机构包括导轨(26)和重球(25)，导轨(26)为弧形，导轨(26)的低端与冲击杆(23)相背于轴向空腔(22)的一端对应，导轨(26)的高端高于冲击杆(23)，导轨(26)用于供重球(25)在重力作用下从导轨(26)的高端沿导轨(26)滚下撞击冲击杆(23)。
3.根据权利要求1所述的多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置，其特征在于，竖直位移加载装置的下部为位移升降机构，位移升降机构的上部设置有试样支撑平台(9)，试样支撑平台(9)的上表面设置有第一磁性滚轴(8)，试验框架(1)顶板下部与位移升降机构对应的位置设置有第二压力传感器(2)，第二压力传感器(2)下部设置有刚性垫板(3)，刚性垫板(3)的下表面设置有第二磁性滚轴(4)，第一磁性滚轴(8)和第二磁性滚轴(4)形成的空间用于放置试验的多层试样，竖直位移加载装置上设有用于测量试样竖直位移的第二激光位移计(17)；
蠕变液压加载油缸(11)固定设置在试验框架(1)的侧壁上，水平位移加载装置上还设有用于测量试样水平位移的第一激光位移计(12)。
4.根据权利要求2所述的多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置，其特征在于，弧形导轨(26)的圆心角大于0°小于90°。
5.根据权利要求2所述的多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置，其特征在于，重球(25)的直径为冲击杆(23)直径的1.5倍。
6.根据权利要求1所述的多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置，其特征在于，每个冲击杆(23)与对应支撑杆(16)的中心在同一条水平直线上。
7.根据权利要求1所述的多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置，其特征在于，冲击杆(23)上设置有光纤光栅和加速度传感器。
8.根据权利要求1至7中任一权利权利要求所述的多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置，其特征在于，水平位移加载装置和冲击扰动装置的数量均为三个，从上向下依次是1号水平位移加载装置(5)、2号水平位移加载装置(6)和3号水平位移加载装置(7)，与1号水平位移加载装置(5)配合使用的为1号冲击扰动装置，与2号水平位移加载装置(6)配合使用的为2号冲击扰动装置，与3号水平位移加载装置(7)配合使用的为3号冲击扰动装置。
9.根据权利要求8所述的多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置的方法，其特征在于，该方法包括恒定剪切应力的应力松弛测试：首先，启动各个水平位移加载装置，直到各个水平位移加载装置在水平方向上的加载应力达到预定值；然后，以螺旋位移加载机构(10)作为位移升降机构对试样进行位移加载，达到预定应力值后停止螺旋位移加载机构(10)抬升；最后，打开工控机，记录Y、X方向应力和位移数据；
还包括多向剪切蠕变测试：首先，通过螺旋位移加载机构(10)对试样进行位移加载，达到预定应力值；然后，根据试验需要开启一个或多个水平位移加载装置，达到预定剪切应力后，通过所开启的水平位移加载装置确保剪切应力的稳定，打开工控机，记录Y、X方向应力和位移数据；最后，根据试验情况选择冲击扰动装置，使得冲击扰动装置穿过试验框架侧壁上的轴向空腔(22)撞击对应的水平位移加载装置，并在冲击扰动中通过工控机记录Y、X方向应力和位移数据。
10.根据权利要求9所述的多层材料剪切的流变松弛耦合冲击扰动测试装置的方法，其特征在于，
恒定剪切应力的应力松弛测试包括以下操作步骤：
1)将试样放置在支撑平台的第一磁性滚轴(8)上，通过以螺旋位移加载机构(10)作为位移升降机构抬升试样支撑平台(9)和试样，使最上层试样的上表面与第二磁性滚轴(4)接触，第二压力传感器(2)在竖直方向上与刚性垫板(3)紧密的贴合，且每层试样的水平中心与对应加载杆(13)的水平中心在一条直线上；
2)启动各个水平位移加载装置，使各个水平位移加载装置上的加载杆(13)与相应的试样水平接触；
3)恒定剪切应力的应力松弛测试，启动各个水平位移加载装置，直到各个水平位移加载装置在水平方向上的加载应力达到预定值，启动螺旋位移加载机构(10)对试样进行位移加载，达到预定应力值后停止螺旋位移加载机构(10)抬升，打开工控机，记录Y、X方向应力和位移数据；
多向剪切蠕变测试包括以下操作步骤：
1)将试样放置在支撑平台的第一磁性滚轴(8)上，通过以螺旋位移加载机构(10)作为位移升降机构抬升试样支撑平台(9)和试样，使最上层试样的上表面与第二磁性滚轴(4)接触，第二压力传感器(2)在竖直方向上与刚性垫板(3)紧密的贴合，且每层试样的水平中心与对应加载杆(13)的水平中心在一条直线上；
2)启动各个水平位移加载装置，使各个水平位移加载装置上的加载杆(13)与相应的试样水平接触；
3)多向剪切蠕变测试，打开电机，让螺旋位移加载机构(10)对试样进行位移加载，达到预定应力值；
4)启动2号水平位移加载装置(6)，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置(19)开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
5)单向冲击：将2号冲击扰动装置上的重球(25)放置在预定高度，松开重球(25)，使得重球(25)沿着2号冲击扰动装置上的导轨(26)撞击对应的冲击杆(23)，进而冲击杆(23)水平冲击2号水平位移加载装置(6)上的支撑杆(16)，支撑杆(16)沿着该方向进行冲击剪切试样；多向冲击：将1号冲击扰动装置和3号冲击扰动装置上的重球(25)分别放置在预定高度，同时或依次松开重球(25)，使得1号冲击扰动装置和3号冲击扰动装置上的重球(25)分别沿着1号冲击扰动装置和3号冲击扰动装置上的导轨(26)分别撞击对应的冲击杆(23)，冲击杆(23)分别撞击对应的1号水平位移加载装置(5)的支撑杆(16)和3号水平位移加载装置(7)的支撑杆(16)，进而沿着这些方向进行多向冲击剪切试样；
6)重复1)-3)步骤，启动1号水平位移加载装置(5)和3号水平位移加载装置(7)，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置(19)开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
7)将1号冲击扰动装置上的重球(25)放置预定高度，松开重球(25)，使得重球(25)沿着1号冲击扰动装置上的导轨(26)撞击对应的冲击杆(23)，进而冲击杆(23)水平冲击1号水平位移加载装置(5)的支撑杆(16)，进而沿着该方向进行冲击剪切试样；
8)重复1)-3)步骤，启动1号水平位移加载装置(5)，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置(19)开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
9)将3号冲击扰动装置上的重球(25)放置预定高度，松开重球(25)，使得重球(25)沿着3号冲击扰动装置上的导轨(26)撞击对应的冲击杆(23)，进而冲击杆(23)水平冲击3号水平位移加载装置(7)的支撑杆(16)，进而沿着该方向进行冲击剪切试样；
10)重复1)-3)步骤，启动3号水平位移加载装置(7)，达到预定剪切应力后，打开平流泵，使得并联蓄能装置(19)开始工作，打开工控机，长时间记录Y、X方向应力和位移数据；
11)将2号冲击扰动装置和3号冲击扰动装置上的重球(25)分别放置在预定高度，松开重球(25)，使得重球(25)分别沿着2号冲击扰动装置和3号冲击扰动装置上的导轨(26)分别撞击对应的冲击杆(23)，冲击杆(23)分别撞击对应的2号水平位移加载装置(6)的支撑杆(16)和3号水平位移加载装置(7)的支撑杆(16)，进而两个重球(25)沿着各个方向进行冲击剪切试样。
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