(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 202211128868.0 (22)申请日 2022.09.16 (71)申请人 中国科学院武汉岩土力学研究所 地址 430071 湖北省武汉市武昌区水果湖 街小洪山2号 (72)发明人 张传庆　张罗送　崔国建　周辉　 方志　叶金萍　李玲玉　谢启明　 赵兴民　张强强　 (74)专利代理 机构 北京众达德权知识产权代理 有限公司 1 1570 专利代理师 田灵菲 (51)Int.Cl. G01N 3/02(2006.01) G01N 3/24(2006.01) (54)发明名称 直剪仪及岩石剪切试验方法 (57)摘要 本申请公开了一种直剪仪及岩石剪切试验 方法， 包括岩样夹持装置、 法向直剪机构及切向 直剪机构， 所述岩样夹持装置包括两相对设置的 第一剪切盒和第二剪切盒， 以盛放并夹持岩样； 所述法向直剪机构与所述第一剪切盒抵接， 以对 所述岩样施加法向应力； 所述切向直剪机构， 与 所述第二剪切盒抵接且与所述法向直剪机构轴 向垂直， 以对所述岩样施加切向应力； 其中， 在所 述切向直剪机构与所述第二剪切盒之间设有切 向应力调节装置， 并通过所述切向应力调节装置 调节所述切向应力的大小以测试所述岩样在不 同切向应力下的断层剪切特征； 本申请通过控制 设备剪切刚度的大小， 从而开展控制断层剪切运 动形式的研究， 得到不同切向应力下断层剪切运 动模式的相关规 律。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 115508182 A 2022.12.23 CN 115508182 A 1.一种直剪 仪， 其特征在于， 包括： 岩样夹持装置， 包括两相对设置的第一剪切盒和第二剪切盒， 以盛放并夹持岩 样； 法向直剪 机构， 与所述第一剪切盒抵 接， 以对所述岩 样施加法向应力； 切向直剪机构， 与所述第二剪切盒抵接且与所述法向直剪机构轴向垂直， 以对所述岩 样施加切向应力； 其中， 在所述切向直剪机构与所述第二剪切盒之间设有切向应力调节装置， 并通过所 述切向应力调节装置调节所述切向应力的大小以测试所述岩样在不同切向应力下的断层 剪切特征。 2.根据权利要求1所述直剪仪， 其特征在于， 所述切向直剪机构包括切向油缸和位于所 述切向油缸端部的切向油缸压头， 所述切向油缸压头与所述切向应力调节装置同轴设置且 与所述切向应力调节装置抵接， 并通过所述切向油缸驱动以对所述第二剪切盒施加切向应 力。 3.根据权利要求2所述 直剪仪， 其特征在于， 所述切向应力调节装置包括： 套筒， 位于所述切向直剪机构与所述第二剪切盒之间， 套设于所述切向油 缸朝向所述 第二剪切盒的端部， 且与所述切向油缸同轴设置， 所述套筒的一端与所述切向油缸连接， 所 述套筒的另一端与所述第二剪切盒抵 接； 调节弹簧， 位于所述套筒内， 所述调节弹簧的一端为固定端， 所述调节弹簧的另一端为 活动端， 所述固定端与所述切向油缸压 头连接； 其中， 所述调节弹簧在所述切向油 缸压头驱动下可沿所述套筒移动和/或收缩以使所 述活动端与所述第二剪切盒抵 接。 4.根据权利要求3所述直剪仪， 其特征在于， 在所述调节弹簧的所述固定端设有固定承 压板， 在所述调节弹簧的所述活动端设有滑动承压板， 所述固定承压板与所述切向油缸压 头连接， 所述滑动承压板与所述套筒连接并可沿所述套筒滑动， 以带动所述调节弹簧的所 述活动端移动。 5.根据权利要求4所述直剪仪， 其特征在于， 在所述调节弹簧的所述固定端和所述活动 端均固设有铁块板， 所述固定端通过所述铁块板与所述固定承压板连接， 所述活动端通过 另一所述铁块板与所述滑动承压板连接， 在所述固定承压板背离所述调节弹簧的表面设有 磁块， 所述固定承压 板通过所述磁块与所述切向油缸压 头磁性连接 。 6.根据权利要求4所述直剪仪， 其特征在于， 所述套筒包括数根支撑杆， 所述支撑杆的 一端与所述切向油缸连接， 所述支撑杆 的另一端与所述第二剪切盒抵接， 在所述支撑杆内 沿所述支撑杆轴向设有滑道， 所述滑道为工字型滑道， 在所述滑道内设有钢珠， 在所述滑动 承压板上设有与所述滑道相适配的滑槽， 以使所述滑动承压板穿设于所述支撑杆上并可沿 所述滑道移动。 7.根据权利要求6所述直剪仪， 其特征在于， 在所述切向油缸朝向所述支撑杆的表面设 有数个与所述支撑杆一 一对应的弧形磁块， 所述支撑杆的一端与所述弧形磁块磁性连接 。 8.根据权利要求4所述直剪仪， 其特征在于， 在所述滑动承压板及所述固定承压板朝向 所述调节弹簧的表面均设有围绕所述表面中心的凹槽， 所述调节弹簧的两端分别位于所述 凹槽内以使所述调节弹簧与所述滑动承压 板和所述固定承压 板中心对应。 9.根据权利要求1 ‑8任一项所述直剪仪的岩石剪切试验方法， 其特征在于， 包括以下步权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115508182 A 2骤： S1： 将所述套 筒固定在所述切向油缸朝向所述第二剪切盒的端部； S2： 将所述调节弹簧的固定端和活动端分别焊接所述铁块板， 再在所述调节弹簧的活 动端连接滑动承压板， 在所述调节弹簧的固定端连接固定承压板， 并在所述固定承压板背 离所述调节弹簧的表面设置磁块； S3： 将所述滑动承压板穿过所述支撑杆并使所述滑动承压板上的滑槽与 所述支撑杆内 的滑道相咬合， 将所述固定承压 板通过所述磁块与所述切向油缸压 头磁性连接； S4： 在所述第一剪切盒和所述第二剪切盒中分别放置相应尺寸的岩样， 并使所述滑动 承压板与所述第二剪切盒接触； S5： 启动所述法向直剪机构对所述第一剪切盒施加法向荷载至预设值为止， 并保持法 向应力不变， 然后启动所述切向直剪机构， 通过速率控制所述切向油缸压头朝向所述第二 剪切盒移动； S6： 得到在所述调节弹簧 的切向弹簧刚度ks1下的岩石剪切应力—剪切位移曲线， 并计 算出岩石 断层面的剪切刚度ks3， 根据所述岩石断层面的剪切刚度ks3调节所述调节弹簧的 切向弹簧刚度ks1， 重复所述步骤S 1—S5， 以得到不同剪切刚度 下的岩石剪切应力—剪切位 移曲线， 进而开展不同切向应力下断层剪切特征形式的研究； 并通过改变切向弹簧刚度ks1， 从而控制岩石断层面的剪切刚度ks3， 进 而改变断层的剪切运动形式。 10.根据权利要求9所述岩石剪切试验方法， 其特征在于， 所述步骤S6中， 所述调节弹簧 的切向弹簧刚度ks1小于所述切向直剪机构的切向应力ks2， 通过改变所述调节弹簧 的切向 弹簧刚度ks1以得到岩石的不同剪切应力—剪切位移曲线， 从而获得不同岩石断层面的剪切 刚度ks3， 然后根据临界刚度的计算公式： 其中， KCR为临界刚度， DC为特征滑移量， a、 b为试验参数， σn是正应力； 在a－b＜0的前提下， 当ks3＜KCR时， 断层发生粘滑现象； 当ks3＞KCR时， 断层无粘滑， 出现 稳定滑动现象。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115508182 A 3