深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统及方法

技术领域

本发明属于岩石测试技术领域，具体涉及一种深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统及方法。

背景技术

在地下岩体工程的建设中，岩体常常受到多种复杂应力的共同作用。如岩体在轴向受压的同时仍然可能会受到剪应力、围压、渗流等作用。因此，获知岩石在轴向受压的情况下其抗剪强度的参数大小，是岩体工程施工安全、可靠的保障之一。目前，相关测试规范中测试岩石抗剪强度参数的主要方法有以下几种，分别是直接剪切试验、变角板剪切试验、三轴压缩试验等，这几种方法分别有各自的优缺点。对于直接剪切试验，不仅需要有特定的具备剪切专用的双向加载试验机，而且剪切荷载方向是确定的，导致破坏只能沿预定荷载方向破坏，得到的结果未必是沿最小抗剪应力方向破坏；对于变角板剪切试验，虽然所有的材料压力试验机都可进行试验，但不仅有与直接剪切测试同样的问题，而且还需要修正变角板的摩擦系数；对于三轴压缩试验，不仅需要专用的三轴压力试验机，而且岩石受力状态及试验和分析过程复杂。对于上述不同类型的剪切试验，虽然都可以最终得到岩石破坏时的抗剪强度参数，但无论是哪一种，在进行测试时，岩石内部的受力都是复杂应力状态，都不能得到岩石所受的纯剪应力。

事实上，纯剪应力对研究岩体工程破坏具有重要价值。考虑从事工程建设或科学研究单位的实验室，通常都具有材料压力试验机等能够提供轴向压力的材料试验系统（Material Testing System，简称MTS），为了解决所有材料压力试验机都可以进行岩石纯剪试验的问题，公开号为CN104297027A的中国发明专利申请提供了一种用于纯剪切试验的岩块试件及岩石纯剪切试验方法；但是，若要获得纯剪切下的剪切角度，该方法则无法实现。

为了进行岩石纯剪切测试，现有的岩石扭剪试验装置均为专门设计制造的能够提供扭剪力的设备。然而，现有的进行纯剪测试的各类岩石扭剪试验装置至少存在以下弊端之一：（1）只能进行纯剪，测试的功能太单一；（2）扭剪过程中施加扭力的转轴固定，导致力臂发生改变，不能施加线性扭转荷载；（3）需要专门设计生产，不仅需要大量费用，而且还需要占用大量的实验室场地；（4）不能在现有试验机上直接进行试验；（5）若考虑复杂耦合条件，需要配套的外围设施，比如三轴加载、渗流、加温等耦合条件；（6）不便用应变法或声发射定位等技术测试扭剪变化的状态；（7）轴向荷载不能恒定或按可控变化。

例如：公布号为CN108152147A的中国发明专利申请就公开了一种岩石试样扭裂破坏实验装置，其包括主机架，主机架的上横梁和下横梁上分别安装有用于给岩石试样施加压力的主液压缸组和双杆液压缸组，主液压缸组的主活塞杆穿过上横梁的端部设置有一负荷传感器；上横梁的下表面正对主活塞杆处设置有限制负荷传感器和主活塞杆旋转的防转机构；防转机构上设置有其上具有与岩石试样配合的凹槽的试样上压块；双杆液压缸组的副活塞杆一端穿过下横梁、并在其上安装上试样下压块，试样下压块上开设有与试样上压块上的凹槽配合用于装夹岩石试样的凹槽；副活塞杆另一端穿出副缸体、并在其上安装上轴承；下横梁的一侧设置有给岩石试样施加扭矩的动力输出机构，动力输出机构通过传动机构与连接轴连接；连接轴上安装有扭矩传感器，扭矩传感器另一端与副活塞杆设置有轴承的端部固定连接；扭矩传感器、负荷传感器、主液压缸组、双杆液压缸组和动力输出机构均与控制模块连接。

虽然上述的岩石试样扭裂破坏实验装置通过设置主液压缸组和双杆液压缸组，能够用于给岩石试样施加轴向压力，并通过设置动力输出机构再由传动机构将动力输出机构与连接轴连接，能够用于给岩石试样施加扭矩，实现对岩石同时受轴向压力和扭剪力作用变形和破坏情况等的研究，但是这无疑增加了装置的复杂程度和体积，而且其不能够将轴向压力转化为扭剪力，因此无法与可提供轴向压力的设备配合使用，需要另外设计制造用于提供轴向压力的主液压缸组和双杆液压缸组、以及用于提供扭剪力的动力输出机构，这无疑增加了设备成本，并会更多地占用实验室空间。另外，上述的岩石试样扭裂破坏试验装置缺乏加载三轴围压、温度场和渗流场的机构，不便于对岩石试样进行三轴围压-轴压-扭剪耦合试验测试，也不便于对岩石试样进行三轴围压-温度-轴压-扭剪耦合试验测试，也不便于对岩石试样进行三轴围压-轴压-渗流-扭剪耦合试验测试，也不便于对岩石试样进行三轴围压-温度-轴压-渗流-扭剪耦合试验测试。

发明内容

本发明提供了一种深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统，旨在使其能够与可提供轴向压力的设备配合使用以简化结构、节约成本，并便于对岩石试样进行三轴围压-温度-轴压-扭剪耦合试验测试。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统，包括装置主体和试样固定机构；

所述装置主体内设有工作腔；

所述试样固定机构包括两个相对设置在工作腔中的试样固定头，两个试样固定头彼此相对应的部位处均设有试样固定部；

还包括三轴压力室；

所述装置主体上与两个试样固定头相对应的部位分别为第一安装位和第二安装位；所述装置主体的第一安装位和/或第二安装位处设置有动力转换组件，所述动力转换组件包括扭矩输出件、动力输入件、传动机构和轴压机构；

所述扭矩输出件可转动地设置在装置主体上，并与所对应的试样固定头固定连接，且可带动与之相连的试样固定头相对于另一个试样固定头转动；

所述动力输入件活动设置，并可沿直线运动；

所述传动机构分别与扭矩输出件和动力输入件传动连接，并能够将动力输入件的直线运动转换为扭矩输出件的旋转运动；

所述轴压机构包括可滑动地设置在动力输入件内的压力轴，所述压力轴的内端依次穿过动力输入件的内端、扭矩输出件及与扭矩输出件相连的试样固定头并伸至试样固定部处，所述压力轴的外端开设有滑槽；

所述轴压机构还包括可滑动地设置在压力轴的滑槽中并与该滑槽围成压力腔的活塞，所述压力腔中设有加压介质；所述加压介质产生的压力能够使得活塞的外端面与动力输入件的外端面齐平；

所述三轴压力室的内腔为三轴压力腔，所述三轴压力室上开设有可供压杆穿入三轴压力腔的压杆过孔；所述装置主体设置在三轴压力腔中，且至少有一个动力输入件与压杆过孔相对应。

进一步的，所述装置主体包括装置底座、设置在装置底座上的支架杆、以及设置在支架杆顶端的装置上盖；

所述工作腔为装置底座与装置上盖之间的空间位置。

进一步的，所述支架杆为长度可调的伸缩支撑杆，其至少为三根，并呈环形阵列分布。

进一步的，所述轴压机构还包括分别与压力腔连通的加压介质进入管和加压介质排出管，以及设置在压力轴的滑槽中用于对活塞进行限位的卡台。

进一步的，该剪切试验系统还包括压力轴加压模块和围压场模块；

所述压力轴加压模块的加压介质出口与加压介质进入管连接，其加压介质进口与加压介质排出管连接；

所述围压场模块的围压介质出口与三轴压力室的加压口连通，其围压介质进口与三轴压力室的泄压口连通。

进一步的，两个试样固定头分别为上下设置的试样上固定头和试样下固定头；

所述装置主体的第一安装位与试样上固定头相对应，且仅在第一安装位处设置有动力转换组件；

所述试样下固定头与装置底座固定连接；

所述扭矩输出件呈环形；

所述动力输入件与扭矩输出件同轴设置；

所述传动机构包括设置在扭矩输出件顶面上并将动力输入件环绕的齿圈、设置在动力输入件上并沿其运动轨迹中心线分布的齿条、以及可转动地设置在装置主体上并分别与齿圈和齿条相啮合的轴齿轮。

进一步的，所述试样上固定头和/或压力轴内设有上渗流通道，所述上渗流通道具有处于压力轴下端的第一上渗流液进出口，以及处于压力轴侧壁面或试样上固定头侧壁面上的第二上渗流液进出口；

所述试样下固定头内设有下渗流通道，所述下渗流通道具有处于试样下固定头的试样固定部处的第一下渗流液进出口以及处于其侧壁面上的第二下渗流液进出口。

进一步的，所述动力输入件具有处于装置主体外侧的动力输入端，所述动力输入端的表面即为动力输入件的外端面；

所述动力输入件上设置有复位板，所述复位板处于装置上盖的上侧，且所述复位板与装置上盖之间设置有复位弹簧。

进一步的，所述动力输入件呈长方体形，其四个侧面上均设置有齿条；

所述轴齿轮为四根，并分别与动力输入件四个侧面上的齿条相啮合。

进一步的，所述三轴压力室的底板的试验台；

所述装置主体固定设置在试验台上。

本发明还提供了一种深地多场与复杂应力耦合剪切试验方法，该方法采用剪切试验系统进行岩石试验，所述剪切试验系统为上述的深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统；该方法包括下列步骤：

步骤一，制作岩石试样，并在岩石试样上包裹密封膜，密封膜的两端均用密封圈密封住，再将岩石试样固定在剪切试验系统的两个试样固定头之间；

步骤二，将固定有岩石试样的剪切试验系统安装到能够提供轴向压力的设备上，将压力腔与压力轴加压模块循环连通，将三轴压力腔与围压场模块循环连通，将加热元件与温度场模块电性连接；之后，使得提供轴向压力的设备的压杆与活塞的外端面刚好接触，再控制压力腔中注入加压介质的量以对岩石试样预施加恒定的轴向压力；

步骤三，通过提供轴向压力的设备驱使动力输入件和活塞做直线运动，由传动机构将动力输入件的直线运动转换为扭矩输出件的旋转运动，再由扭矩输出件带动与之固定连接的试样固定头相对于另一个试样固定头转动，对岩石试样施加扭转力矩；同时，活塞与动力输入件同步轴向移动，通过压力轴加压模块控制压力腔中注入加压介质的量，对岩石试样施加恒定的轴向压力，或是使得对岩石试样施加的轴向压力满足测试预期的轴向压力变化；

同时，通过围压场模块向三轴压力腔中注入试验油对岩石试样施加三轴围压；并且，通过温度场模块控制加热元件对试验油及岩石试样进行加热；

步骤四，对岩石试样进行三轴围压-温度-轴压-扭剪耦合试验测试，测量岩石试样在试验过程中的变形和破坏情况，并采集信息进行数据分析。

本发明的有益效果是：

1）该剪切试验系统通过在装置主体的第一安装位和/或第二安装位处设置动力转换组件，由于动力转换组件的动力输入件能够沿直线运动，因此其能够与可提供轴向压力的设备的压杆轴向配合，以利用该设备所提供的轴向压力作为动力；进而可通过动力转换组件的传动机构将动力输入件的直线运动转换为扭矩输出件的旋转运动，并能够使扭矩输出件带动与之固定连接的试样固定头相对于另一个试样固定头转动，从而可对安装固定在两个试样固定头之间的岩石试样施加扭转力矩进行测试。

同时，因为轴压机构的压力轴可滑动地设置在动力输入件内，压力轴的内端伸至试样固定部处，并且在压力轴的外端的滑槽中可滑动地设置有活塞，活塞围滑槽所形成的压力腔中设置有能够使得活塞的外端面与动力输入件的外端面齐平的加压介质，进而提供轴向压力的设备的压杆能够同时作用于活塞的外端面和动力输入件的外端面上，即压杆可同时驱使动力输入件和轴压机构的活塞运动，活塞运动必然驱使加压介质推动压力轴，从而可通过轴压机构的压力轴对安装固定在两个试样固定头之间的岩石试样施加轴向压力进行测试。

同时，通过将装置主体设置在三轴压力室的三轴压力腔中，可在三轴压力腔中注入试验油对安装固定在两个试样固定头之间的岩石试样施加三轴围压进行测试；并且，在三轴压力腔中设置有加热元件，通过在加热元件可对试验油及岩石试样加热以施加温度场进行测试。

可见，该剪切试验系统能够将轴向压力转化为扭剪力，并且能够通过压力轴对岩石试样施加轴向压力，还能够对岩石试样施加三轴围压和温度场，因此其能够在仅具有轴向力的试验条件下实现对岩石试样进行同时受轴向压力和扭剪力作用的测试，无需设置专门提供扭剪力的动力机构，与具有同样功能的现有岩石试验装置相比结构更简单、制作成本更低，并利于减少占用的实验室空间，且便于对岩石试样进行三轴围压-温度-轴压-扭剪耦合试验测试。

2）由于该剪切试验系统能够与可提供轴向压力的设备配合使用，因此该剪切试验系统整体可被视作被测试试件，在已有试验机上进行试验，拓展了现有试验机的测试功能。

3）该剪切试验系统通过轴齿轮同时啮合齿圈和齿条的传动机构，实现将动力输入件的直线运动转换为扭矩输出件的旋转运动的传动，这使得动力可以在更短的传动距离内实现两端输入输出，能够使得装置整体的结构简洁紧凑，利于减小体积，且不需要生产新的试验机，可节约大量的费用和场地。

4）该剪切试验系统通过轴齿轮同时啮合齿圈和齿条的传动机构，可使得扭剪过程中力臂恒定，确保了扭转荷载可以按线性地施加。

5）该剪切试验系统通过上、下渗流通道便于与渗流场模块的渗流液进出口连通，进而形成渗流回路，因此便于对岩石试样进行渗流条件下的试验测试，例如：三轴围压-渗流-扭剪试验测试、三轴围压-轴压-渗流-扭剪耦合试验测试等等。

6）该剪切试验系统还便于岩石试样在测试过程中进行应变法和声发射同步测试。

7）该剪切试验系统可以直接借用现有试验机的外围设施以进行其他耦合测试，如温度场模块、围压场模块、渗流场模块等，不需要重新设计和生产，利于进一步降低成本。

8）控制压力腔中加压介质的量实现压力的恒定或规律变化，可以实现对岩石试样施加的轴向压力的恒定或可控变化，以便进行恒定压力下的扭剪试验，或是进行变动压力下的扭剪试验。

附图说明

图1是本发明中深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统的实施结构示意图；

图2是沿图1中A-A线的剖视图；

图3是装置主体的三维结构示意图；

图4是动力输入件的三维结构示意图；

图5是环形卡箍的实施结构示意图；

图6是扭矩传感器的安装结构示意图；

图7是角度传感器的安装结构示意图；

图8是密封接头的半剖结构示意图；

图9是注水接头的实施结构示意图；

图10是实心圆柱体结构形式的岩石试样；

图11是空心圆柱体结构形式的岩石试样；

图12是实心方形柱结构形式的岩石试样；

图13是空心方形柱结构形式的岩石试样；

图中标记为：装置主体100、工作腔110、装置底座120、支架杆130、伸缩杆筒131、伸缩杆体132、环形卡箍136、第二锁紧件137、弹性内环138、装置上盖140、试样固定机构200、试样上固定头210、试样下固定头220、密封接头230、密封接头主体231、密封连接端头232、端头密封圈233、注水接头240、注水接头主体241、锥形端头242、接头挡肩243、接头连接套244、动力转换组件300、扭矩输出件310、动力输入件320、动力输入端321、复位板322、复位弹簧323、传动机构330、齿圈331、齿条332、轴齿轮333、轴压机构340、压力轴341、活塞342、压力腔343、加压介质进入管344、加压介质排出管345、卡台346、试验台400、充油管410、回油管420、岩石试样500、密封膜510、密封圈520、三轴压力室600、三轴压力腔610、压杆过孔620、压杆710、扭矩传感器安装座810、扭矩传感器820、角度传感器安装座830、角度传感器840、角度传感器主体841、角度传感器上端指针842、角度传感器下端指针843。

实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；“主要由……组成或构成”的表达方式，其解释为还可以含有该句中没有述及的结构组成部分；“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如：A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

结合图1、图2和图3所示，深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统，包括装置主体100、试样固定机构200和三轴压力室600；

装置主体100为该剪切试验系统的主体部件，其内设有工作腔110；工作腔110为装放岩石试样500，并进行测试的空间；

试样固定机构200主要用于安装固定待测试的岩石试样500，以对其进行测试；待测试的岩石试样500可以为多种，例如：图10所示的实心圆柱体结构形式的岩石试样500、图11所示的空心圆柱体结构形式的岩石试样500、图12所示的实心方形柱结构形式的岩石试样500、图13所示的空心方形柱结构形式的岩石试样500等等；试样固定机构200包括两个相对设置在工作腔110中的试样固定头，两个试样固定头彼此相对应的部位处均设有试样固定部；试样固定部可以为多种结构，只要便于将岩石试样500的端部固定住即可，优选为横截面呈正多边形结构的试样固定槽，通常在岩石试样500的端部上粘黏与试样固定槽相匹配的固定接头，或是将岩石试样500的端部加工为与试样固定槽相匹配的结构与之配合固定；例如：图3实施方式所示的试样固定部即为正六边形的试样固定槽，通常在岩石试样500的端部上粘黏上六角接头与之配合固定；又例如：图12实施方式所示的试样固定部为正四边形的试样固定槽，其能够与实心方形柱结构形式的岩石试样500的端部直接配合固定；对于空心的岩石试样500，通常可在试样固定槽或固定接头的连接槽中设置凸起，以便与岩石试样500内腔的端部配合来增大胶粘的面积；例如：图11实施方式所示的固定接头的连接槽中设置有凸起；又例如：图13实施方式所示的试样固定部为正四边形的试样固定槽，试样固定槽的中央设有凸起；

装置主体100上与两个试样固定头相对应的部位分别为第一安装位和第二安装位；装置主体100的第一安装位和/或第二安装位处设置有动力转换组件300，动力转换组件300包括扭矩输出件310、动力输入件320、传动机构330和轴压机构340；

扭矩输出件310可转动地设置在装置主体100上，并与所对应的试样固定头固定连接，且可带动与之相连的试样固定头相对于另一个试样固定头转动；扭矩输出件310主要用于给待测试的岩石试样500施加扭转力矩；扭矩输出件310在装置主体100上可转动设置的方式可以有多种，例如：通过转轴与装置主体100转动配合，又例如：通过推力球轴承将扭矩输出件310支撑在装置主体100上使之可转动，再例如：在装置主体100上设置环形槽，将外周为圆形的扭矩输出件310可转动地设置在环形槽中；

当仅有一个试样固定头与扭矩输出件310相连时，另一个试样固定头通常与相对于扭矩输出件310静止的零部件固定连接，优选与装置主体100固定连接；当两个试样固定头分别与两个扭矩输出件310连接时，只需要使得两个扭矩输出件310存在回转差，即可使得两个试样固定头存在相对转动；例如：在装置主体100的第一安装位和第二安装位处均设置动力转换组件300、且两个动力转换组件300的动力输入件320各自的运动轨迹中心线相互平行时，使两个动力转换组件300的传动机构330各自的传动比不同，即可使得两个扭矩输出件310存在回转差；

动力输入件320活动设置，并可沿直线运动；动力输入件320主要用于与可提供轴向压力的设备的压杆轴向配合，利用该设备所提供的轴向压力作为动力；动力输入件320可活动地设置在其安装支架或装置主体100上，且在其安装支架或装置主体100上通常设有对动力输入件320进行限位的结构，以确保其能够沿直线运动；通常将动力输入件320竖向居中布置，并使动力输入件320的周向轮廓尺寸小于装置主体100的上盖或底座、扭矩输出件310等各自中心开孔的尺寸，以便通过传动机构330进行啮合、螺纹等传动的同时，确保动力输入件320能够自由且稳定地做上下运动；

传动机构330分别与扭矩输出件310和动力输入件320传动连接，并能够将动力输入件320的直线运动转换为扭矩输出件310的旋转运动；传动机构330可以为多种，例如：齿轮齿条机构、滚珠丝杆机构、凸轮机构、曲柄连杆机构、杠杆机构等等；

轴压机构340主要用于对安装固定在两个试样固定头之间的岩石试样500施加轴向压力；轴压机构340包括可滑动地设置在动力输入件320内的压力轴341，压力轴341的内端依次穿过动力输入件320的内端、扭矩输出件310及与扭矩输出件310相连的试样固定头并伸至试样固定部处，压力轴341的外端开设有滑槽；通常在动力输入件320内沿其运动轨迹开设供压力轴341滑动的导槽，将压力轴341可滑动地设置在该导槽中；压力轴341的内端主要用于与岩石试样500的端部抵接；在压力轴341的外端开设滑槽，目的在于预留出调节压力轴341行程的空间，以避免压力轴341与动力输入件320存在行程差时，轴压机构340和动力输入件320不能够以同一轴向力作为动力；

轴压机构340还包括可滑动地设置在压力轴341的滑槽中并与该滑槽围成压力腔343的活塞342，压力腔343中设有加压介质；加压介质产生的压力能够使得活塞342的外端面与动力输入件320的外端面齐平；该剪切试验系统对岩石试样500同时施加轴向压力和扭剪力过程中，压力轴341的行程往往小于动力输入件320的行程，通过在压力腔343中设置加压介质，一方面能够通过加压介质的压力将活塞342受到的轴向压力传递给压力轴341，以通过压力轴341对安装固定在两个试样固定头之间的岩石试样500施加轴向压力，另一方面通过排出或压缩加压介质能够消除压力轴341与动力输入件320的行程差，具体表现为：活塞342的行程与动力输入件320的行程相同，压力轴341的行程较小时，通过压力轴341与活塞342挤压加压介质，使得加压介质部分被排出或是被压缩为更小的体积实现行程的消除，再一方面操作人员还可以通过控制压力腔343中加压介质的量来控制压力轴341对岩石试样500施加轴向压力的大小；

三轴压力室600的内腔为三轴压力腔610，三轴压力室600上开设有可供压杆710穿入三轴压力腔610的压杆过孔620，三轴压力腔610中设置有加热元件；装置主体100设置在三轴压力腔610中，且至少有一个动力输入件320与压杆过孔620相对应；三轴压力室600主要用于在三轴压力腔610中注入试验油对安装固定在两个试样固定头之间的岩石试样500施加三轴围压；三轴压力室600上通常开设有分别与三轴压力腔610连通的加压口和泄压口，加压口上通常连接有充油管410、泄压口上通常连接有回油管420，以便注入和排出试验油；加热元件主要用于加热试验油和岩石试样500，以施加温度场；加热元件可以为多种，例如：电热丝、加热棒、加热管等等。

该剪切试验系统能够模拟深地复杂条件，并至少可以进行纯扭剪试验、恒定压力下的扭剪试验、变动压力下的扭剪试验、三轴围压-轴压-扭剪耦合试验、以及三轴围压-温度-轴压-扭剪耦合试验。

具体的，再结合图1、图2和图3所示，装置主体100的一种实施方式为：包括装置底座120、设置在装置底座120上的支架杆130、以及设置在支架杆130顶端的装置上盖140；工作腔110为装置底座120与装置上盖140之间的空间位置。该装置主体100结构简单，制作方便；通过支架杆130对装置上盖140进行支撑，使得工作腔110的侧部可形成多个敞口，便于操作人员拆装岩石试样500，通常只需一个操作人员即可开展试验。

为了提高装置主体100的整体结构强度以及支架杆130支撑装置上盖140的稳固性，再如图3所示，装置主体100的另一种实施方式为：在上述基础上，使得设置的支架杆130至少为三根，并呈环形阵列分布。

两个试样固定头在工作腔110中可以沿空间范围内各个方向进行布置，为了方便固定岩石试样500并提高测试的精准度，优选使两个试样固定头沿竖直方向或水平方向布置，即使得两个试样固定头同轴且轴向沿竖直或水平方向。例如：图1～图3所示的实施方式中，两个试样固定头沿竖直方向布置。

为了便于对多种长度尺寸的岩石试样500进行测试，再如图1、图2和图3所示，优选使支架杆130为长度可调的伸缩支撑杆；并优选使两个试样固定头分别为上下设置的试样上固定头210和试样下固定头220。通过调节支架杆130的长度即可调节装置主体100的第一安装位与第二安装位的相对距离，由于第一安装位和/或第二安装位处设置有动力转换组件300，动力转换组件300的扭矩输出件310又与所对应的试样上固定头210或试样下固定头220固定连接，因此可实现对试样上固定头210与试样下固定头220相对距离的调节，从而可在试样上固定头210与试样下固定头220之间安装不同长度尺寸的岩石试样500进行测试，非常方便。

伸缩支撑杆形式的支架杆130通常包括嵌套配合在一起的伸缩杆筒131和伸缩杆体132，其实现伸缩的方式可以为多种，例如：通过螺旋的方式来实现支架杆130的伸缩，但这种形式的支架杆130至少一个端部需要进行可转动地连接；再例如：通过气压系统或液压系统来实现支架杆130的伸缩；又例如：通过直线电机来实现支架杆130的伸缩；还例如：通过手动操作来实现支架杆130的伸缩。

为了便于调节支架杆130的长度并将其锁紧固定，再结合图1、图2和图3所示，支架杆130的一种实施方式为：包括设置在装置底座120上的伸缩杆筒131，以及与伸缩杆筒131嵌套配合并可沿其轴向运动的伸缩杆体132；伸缩杆筒131和/或伸缩杆体132上设有限制伸缩杆体132运动的锁紧结构；伸缩杆体132的顶端即为支架杆130的顶端。

上述的锁紧结构用于在调节好支架杆130的长度后对其锁紧固定，使其保持在该长度，进而便于对相应长度的岩石试样500进行测试；锁紧结构实现锁紧的方式可以为多种，例如：通过螺纹的扭转来实现锁紧、通过卡簧实现轴向锁紧、通过销钉或螺钉进行锁紧等等。

再结合图1、图2、图3和图5所示，作为锁紧结构的一种优选实施方式，其包括开设在伸缩杆筒131上端的豁口、套设在伸缩杆筒131上端的环形卡箍136、以及分别与环形卡箍136的两端相连的第二锁紧件137。该锁紧结构具有以下优点：①稳固性强，锁紧时可以旋拧第二锁紧件137使环形卡箍136更加牢固将伸缩杆筒131的上端和伸缩杆体132箍紧，使其不易发生松动和脱落；②方便性高，不仅可以非常方便地安装和拆卸，而且可以在连续的长度范围内进行调节，更加灵活易用，能够测试岩石试样500的尺寸更多；③可靠性好，基本可以确保支架杆130在使用过程中不会出现断裂、变形等安全问题。

再如图2所示，作为本发明的一种优选方案，轴压机构340还包括分别与压力腔343连通的加压介质进入管344和加压介质排出管345，以及设置在压力轴341的滑槽中用于对活塞342进行限位的卡台346。加压介质进入管344和加压介质排出管345分别用于压力腔343内加压介质的注入和排出，以控制压力腔343内的压力，进而方便操作人员控制压力轴341对岩石试样500施加轴向压力的大小；卡台346主要用于限位和支撑活塞342，避免未工作时活塞342进入滑槽过深。

作为本发明的再一种优选方案，该剪切试验系统还包括压力轴加压模块、围压场模块和温度场模块；压力轴加压模块的加压介质出口与加压介质进入管344连接，其加压介质进口与加压介质排出管345连接；围压场模块的围压介质出口与三轴压力室600的加压口连通，其围压介质进口与三轴压力室600的泄压口连通；温度场模块包括温度场控制器、温度场传感器和电源；温度场传感器设置在三轴压力腔中，加热元件、温度场传感器和电源均与温度场控制器电性连接。

上述的压力轴加压模块主要由装有加压介质的容器、加压泵、流量计、控制阀门等组成，它可以向压力腔343中注入和/或排出加压介质以控制压力轴341对岩石试样500施加轴向压力的大小，便于研究轴压-扭剪耦合作用于岩石试样500时其力学行为，获得岩石的力学参数，为岩石工程勘察和设计提供试验依据和数据支持。加压介质可以为多种，例如：气体、水、液压油等等。

基于上述压力轴加压模块，使该剪切试验系统进行恒定轴向压力下的扭剪试验的过程和原理为：在完成岩石制样并将安装好之后，先调节试验台400，使得压力试验机的压杆710与活塞342的外端面刚好接触，压力试验机的轴向压力传感器显示数据大于零即可；之后，通过加压介质进入管344向压力腔343中注入液压油，使其压力达到试验预期的岩石试样500受到的轴向压力大小即可；再之后，液压油会向四周传递压力，活塞342会有朝外滑动的趋势，并将压力传递给压杆710；压力轴341会有朝内移动的趋势，并将轴向压力直接传递到岩石试样500的端部；至此，对岩石试样500预施加恒定轴向压力的操作结束；在进行后续的扭剪操作时，通过溢流阀控制加压介质排出管345的排油情况，压力试验机的压杆710轴向移动施加压力过程中，活塞342及动力输入件320同步轴向移动，导致液压油产生的压力大于预先设置的轴向压力时，会达到加压介质排出管345的排油阈值，液压油通过加压介质排出管345排入油箱，以使得液压油向四周传递的压力保持恒定，从而使得压力轴341对岩石试样500施加的轴向压力维持恒定。

上述的围压场模块主要由高压容器、压力控制系统、压力传感器等组成，它可以产生不同的围压作用于岩石试样500，以研究岩石的力学行为，获得岩石的力学参数，或是与扭剪作用耦合，亦或是与轴压-扭剪作用耦合，以进一步研究岩石在复杂环境下的性能，并获得相应参数，为岩石工程勘察和设计提供试验依据和数据支持。

上述的温度场模块通过温度场控制器便于进行温度调控，以产生不同温度的温度场作用于岩石试样500，研究岩石的力学行为，获得岩石的力学参数，或是与围压、轴压、渗流、扭剪等作用耦合，用于研究岩石在复杂环境下的性能，并获得相应参数，为岩石工程勘察和设计提供试验依据和数据支持。

再如图2所示，作为本发明的又一种优选方案，试样上固定头210和/或压力轴341内设有上渗流通道，上渗流通道具有处于压力轴341下端的第一上渗流液进出口，以及处于压力轴341侧壁面或试样上固定头210侧壁面上的第二上渗流液进出口；试样下固定头220内设有下渗流通道，下渗流通道具有处于试样下固定头220的试样固定部处的第一下渗流液进出口以及处于其侧壁面上的第二下渗流液进出口。第一上渗流液进出口和第一下渗流液进出口能够分别与岩石试样500的两个端部连通形成渗流进出点，第二上渗流液进出口和第二下渗流液进出口能够分别与渗流场模块的渗流液进出口连通，以便形成渗流回路；通常在第一上渗流液进出口和第一下渗流液进出口处设置密封接头230与岩石试样500的端部连通，如图8所示，密封接头230一般包括密封接头主体231，密封接头主体231的两端均设有密封连接端头232，密封连接端头232上设有端头密封圈233；密封接头主体231通常由柔性或弹性材料制成，优选由柔性橡胶制成，以保证出现扭转差时不被破坏；通常在第二上渗流液进出口和第二下渗流液进出口处设置带注水接头240的水管与渗流场模块的渗流液进出口连通，如图9所示，注水接头240一般包括注水接头主体241，注水接头主体241上由前至后依次设有锥形端头242、接头挡肩243和接头连接套244，接头连接套244与注水接头主体241嵌套配合并能够与第二渗流液进出口螺纹连接。

上述的深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统通过上、下渗流通道便于与渗流场模块的渗流液进出口连通，进而形成渗流回路，因此便于对岩石试样500进行渗流条件下的试验测试。渗流场模块主要由水槽、水泵、水管、孔口板、调节阀、流量计等组成，它可以模拟地下水流场，用于研究岩石的渗流性能，获得岩石渗流参数；或是，与扭剪作用耦合用于研究岩石在复杂环境下的渗流-扭剪性能，并获得相应参数；亦或是，与三轴围压及扭剪作用耦合用于研究岩石在复杂环境下的三轴围压-渗流-扭剪性能，并获得相应参数；亦或是，与三轴围压、轴压和扭剪作用耦合用于实现三轴围压-轴压-渗流-扭剪耦合试验测试，为岩石工程勘察和设计提供试验依据和数据支持。

作为本发明的一种优选实施方式，再结合图1、图2和图3所示，装置主体100的第一安装位与试样上固定头210相对应，且仅在第一安装位处设置有动力转换组件300；扭矩输出件310呈环形；动力输入件320与扭矩输出件310同轴设置；传动机构330包括设置在扭矩输出件310顶面上并将动力输入件320环绕的齿圈331、设置在动力输入件320上并沿其运动轨迹中心线分布的齿条332、以及可转动地设置在装置主体100上并分别与齿圈331和齿条332相啮合的轴齿轮333，轴齿轮333一般通过轴承、轴套或轴孔配合等方式与装置主体100可转动地连接。该剪切试验系统结构简单且较为对称，不仅加工制作方便，而且稳定性较好。当动力输入件320受到轴向压力向下运动时，其上的齿条332可驱动轴齿轮333转动，进而由轴齿轮333驱动扭矩输出件310转动，以对岩石试样500施加扭转力矩。动力输入件320的下端可从扭矩输出件310的内孔中穿过，且为了便于动力输入件320能够继续向下，通常还在试样上固定头210的上部开设与动力输入件320相对应的让位空间，如图2所示。

另外，上述的传动机构330采用轴齿轮333分别与齿圈331和齿条332相啮合的方式进行传动，具有以下优点：①传动比灵活；通过设计轴齿轮333、齿圈331和齿条332的齿数比，可以实现不同的速比传动；这使得传动的速比更易于调整与优化。②传动精度高；轴齿轮333与齿圈331及齿条332的齿面接触连续，可以有效减少运动时的跳动与振动，实现平稳的运动传递，确保精度。③承载能力强；轴齿轮333与齿圈331及齿条332多齿面接触，可以有效分散载荷，增大承载面积，具有较高的承载能力；使得这种结构可以传递较大的动力和扭矩，进一步利于与提供轴向压力的设备配合使用。④易于加工与装配；齿面加工技术成熟并易于获得，装配也比较简单直接，这降低了零部件的制造难度和成本。⑤结构紧凑；轴齿轮333同时啮合齿圈331和齿条332，这使得动力可以在更短的传动距离内实现两端输入输出，具有结构简洁紧凑的特点。

为了便于动力输入件320与可提供轴向压力的设备配合使用，再如图1、图2和图4所示，使得动力输入件320具有处于装置主体100外侧的动力输入端321，动力输入端321主要用于与可提供轴向压力的设备的压杆的端部抵接或配合连接。动力输入端321的表面即为动力输入件320的外端面。

优选的，再结合图1和图2所示，动力转换组件300的一种优选实施方式为：在动力输入件320上设置有复位板322，复位板322处于装置上盖140的上侧，且复位板322与装置上盖140之间设置有复位弹簧323。通过设置复位板322和复位弹簧323，能够在撤去轴向压力后，使得动力转换组件300的动力输入件320在复位弹簧323的弹力作用下，自动复位至初始位置，以便于更换新的岩石试样500进行下一组试验。

为了确保动力转换组件300能够准确复位，并提高动力转换组件300的稳定性和复位机构的使用寿命，再如图1所示，动力转换组件300的另一种优选实施方式为：在上述基础上，使得设置的复位弹簧322至少为三根，并围绕动力输入件320均匀分布。

为了进一步提高该剪切试验系统的稳定性以及承载能力，结合图1、图2、图3和图4所示，动力转换组件300的再一种优选实施方式为：使得动力输入件320呈长方体形，其四个侧面上均设置齿条332；同时，使得设置的轴齿轮333为四根，并分别与动力输入件320四个侧面上的齿条332相啮合。该动力转换组件300结构的对称性好，并且进一步增多了传动机构接触的齿面，大大提高了该剪切试验系统的承载能力和传动精度。

为了便于该剪切试验系统在工作位上的安装设置，再如图1、图2和图3所示，三轴压力室600的底板为试验台400；将装置主体100固定设置在试验台400上。一般通过多根底座螺栓将装置主体100的装置底座120与试验台400固定连接在一起。三轴压力室600一般还包括通过密封螺栓密封安装在试验台400上的压力室主体。加热元件在三轴压力腔610中设置的方式可以为多种，为了保证施加温度场的均匀性来提高试验效果，优选将加热元件呈螺旋形设置在三轴压力腔610的腔壁上。

本发明还提供了一种深地多场与复杂应力耦合剪切试验方法，该方法采用剪切试验系统进行岩石试验，该剪切试验系统为上述的深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统；该方法对岩石试样500进行试验测试的过程如下：

试验前准备：在试验开始之前，先进行岩石的制样与安装。待测试岩石试样500的直径及长度具有规定的标准测试尺寸，需要在岩石加工时就制作达标；然后，通过胶粘的方式在岩石试样500的端部粘黏上固定接头，例如：六角接头；岩石试样500需要施加轴向压力的一端的固定接头上可预留供压力轴341穿入的通孔，也可不预留；接着，在固定接头上套上密封圈520，并用热缩膜将岩石试样500包裹，再用热风吹扫热缩膜使其紧缩形成密封膜510，密封膜510的两端通过两个固定接头上的密封圈520分别扎紧密封；最后，将两端均粘黏了固定接头的岩石试样500固定在剪切试验系统的两个试样固定头之间，使固定接头与试样固定部定位配合；至此，岩石试样500固定完毕。

装置调试：将固定有岩石试样500的剪切试验系统安装到实验室中能够提供轴向压力的设备上（例如：MTS），并将装置底座120与试验台400连接固定；并将压力腔343与压力轴加压模块循环连通，将三轴压力腔610与围压场模块循环连通，将加热元件与温度场模块电性连接；然后，使得提供轴向压力的设备的压杆710与活塞342的外端面刚好接触，轴向压力传感器显示数据大于零即可；之后，控制压力腔343中注入加压介质的量，使其压力达到试验预期的岩石试样500受到的轴向压力大小即可；再之后，加压介质会向四周传递压力，活塞342有朝外滑动的趋势，并将压力传递给压杆710；压力轴341会有朝内移动的趋势，并将轴向压力直接传递到岩石试样500的端部；至此，对岩石试样500预施加恒定轴向压力的操作结束；

开始测试：利用压杆710的轴向压力作为动力输入件320和活塞342做直线运动的动力，进而通过传动机构330将动力输入件320的直线运动转换为扭矩输出件310的旋转运动，并能够使扭矩输出件310带动与之固定连接的试样固定头相对于另一个试样固定头转动，从而可对安装固定在两个试样固定头之间的岩石试样500施加扭转力矩；在此过程中，活塞342与动力输入件320同步轴向移动，当加压介质产生的压力大于预先设置的轴向压力时，会达到加压介质排出的阈值，通过外排加压介质以使其向四周传递的压力保持恒定，从而使得对岩石试样500施加的轴向压力维持恒定，或是通过注入和/或外排加压介质，以使得对岩石试样500施加的轴向压力满足测试预期的规律变化；同时，通过围压场模块向三轴压力腔610中注入试验油对安装固定在两个试样固定头之间的岩石试样500施加三轴围压；并且，通过温度场模块控制加热元件对试验油及岩石试样500进行加热，施加温度场；和/或，通过渗流场模块使渗流液循环流动，对岩石试样500进行单轴渗流；以对岩石试样500进行三轴围压-温度-轴压-扭剪耦合试验测试，或是三轴围压-轴压-渗流-扭剪耦合试验测试，或是三轴围压-温度-轴压-渗流-扭剪耦合试验测试；最后，测量岩石试样500在试验过程中的变形和破坏情况，并采集岩石试样500应力应变、轴向压力、扭转角、扭转力矩、三轴压力、温度、渗流等信息进行数据分析。

以上试验测试，需要按照岩石测试的相关操作进行三轴压力室600的下缸、密封、充试验油等操作，以及加热的操作；其中，采集应力应变、三轴压力、轴向压力、扭转角和/或扭矩等参数的仪器，其布置的位置和方式均为现有技术；通常可将采集应力应变或扭转角的仪器安装在试样固定头与岩石试样500之间；为了便于检测试验加载的扭矩，通常可设置与扭矩输出件310相对应，或是与扭矩输出件310相连的试样固定头相对应的扭矩传感器820进行检测。对于空心的岩石试样500，通常使第一上渗流液进出口和第一下渗流液进出口分别与岩石试样500的内腔连通，如图13所示；若粘黏有固定接头，通常在固定接头内开设过流通道使第一上渗流液进出口和第一下渗流液进出口分别与岩石试样500的内腔连通，如图11所示；如此，不仅能够对岩石试样500渗流，而且其内腔中的渗流液还可以部分或全部抵消岩石试样500受到的围压。

例如图6所示，扭矩传感器820的一种优选布置方式为：设置与扭矩输出件310，或是与扭矩输出件310相连的试样固定头同轴的环形结构的扭矩传感器安装座810，并将扭矩传感器820设置在扭矩传感器安装座810上，并使扭矩传感器820的探头与扭矩输出件310或试样固定头抵接；为了提高检测扭矩的准确度，优选在扭矩传感器安装座810上设置多个均匀分布的扭矩传感器820。

例如图7所示，角度传感器840的一种优选布置方式为：在空心结构的岩石试样500内设置角度传感器安装座830，并在角度传感器安装座830上设置角度传感器840；角度传感器840一般包括竖直设置在角度传感器安装座830中央位置的角度传感器主体841，以及设置在角度传感器主体841上端的角度传感器上端指针842以及设置在角度传感器上端指针842下端的角度传感器下端指针843。