本发明涉及岩土体力学试验，具体涉及一种三向循环剪切试验装置及其试验方法。
背景技术：
1、边坡岩体作为一种天然结构，通常存在大量的结构面，而边坡岩体的稳定性很大程度上受这些结构面的控制，因此，研究岩体结构面在地震荷载作用下的剪切特性是进行岩质边坡动力稳定性分析的重要前提。在实际工程中，岩体强度对工程安全至关重要，特别是在我国强震频发的西南山区，岩体受到地震等外部力作用产生累计损失，成为岩体结构失稳的重要诱因之一。
2、地震作为一种动荷载，其加速度的量值和方向在不断变化，对于结构面而言，地震荷载既具有动态特性，又呈现出明显的循环性质。岩体结构面的剪切特性一方面会受动荷载幅值及加载速率的影响，另一方面也受动荷载形成的循环剪切或循环加载卸载的影响。具体体现在受循环剪切荷载作用下，岩体结构面的粗糙起伏会遭受周期性的磨损与钝化，造成其抗剪强度参数的劣化，进而造成边坡岩体沿结构面发生错动和滑移，最终造成边坡岩体的失稳。剪切试验装置是探索岩体剪切力学特性、破坏机制和失稳滑移机制的关键设备。然而，早期的剪切试验装置由于受限于生产技术水平和对岩体力学行为认识的局限，主要用于进行恒定法向荷载边界条件下的岩石结构面准静态剪切试验。然而在地下深处，垂直于剪切方向的力或应力不一定是恒定的。节理可能会在凹凸体上滑动，导致膨胀，从而对抗周围岩体的正常刚度。同时，近场强震具有显著的三向动力特性，即靠近震源区域，除了受水平地震力影响，还受显著竖向地震力影响。由于地下工程岩体和锚固条件下岩体均处于恒定法向刚度边界条件下，传统的循环剪切试验机大多只能实现恒定法向荷载，不能考虑复杂围压条件的影响，更不能模拟三向动力特性。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种三向循环剪切试验装置及其试验方法，可实现裂隙岩体试样在恒定法向荷载、动法向荷载和恒定法向刚度条件下的双向循环剪切试验，可以研究地震动多向性对岩石的动力特性的影响，有利于揭示边坡动力失稳机理。
2、本发明的目的通过以下技术方案来实现：
3、一种三向循环剪切试验装置，包括框架、上循环剪切盒、下循环剪切盒、x向油缸、y向油缸、z向油缸、试样传送装置、x向反力组件和y向反力组件，上循环剪切盒、下循环剪切盒、x向反力组件和y向反力组件均设于框架内，y向反力组件设于框架底部，下循环剪切盒设于y向反力组件上，上循环剪切盒设于下循环剪切盒上，上循环剪切盒顶部沿y向油缸的工作方向滚动设有多个y向减摩滚针，x向油缸和y向油缸设于框架侧壁并分别水平作用于下循环剪切盒和上循环剪切盒，z向油缸竖立设于框架顶部并通过法向压头作用于y向减摩滚针，x向反力组件设于法向压头两侧并作用于法向压头，框架一侧设开口，试样传送装置设于开口处；伺服控制系统，伺服控制系统用于对x向油缸、y向油缸、z向油缸的加载过程进行控制；液压油系统，液压油系统用于向x向油缸、y向油缸和z向油缸提供液压油；数据采集系统，数据采集系统用于对x向油缸、y向油缸、z向油缸的加载参数进行测量和采集；计算机控制系统，伺服控制系统、液压油系统、数据采集系统均电性接于计算机控制系统。
4、进一步地，y向反力组件上设有剪切盒底座，下循环剪切盒设于剪切盒底座上，上循环剪切盒通过间隔滚珠支撑于下循环剪切盒上。
5、进一步地，y向反力组件包括x向减摩滚针、y向反力座、x向减摩滚珠和挡块，y向反力座顶部沿x向油缸的工作方向开设有放置槽，放置槽底部滚动设有多个沿放置槽长度方向并排的x向减摩滚针，剪切盒底座设于放置槽内并支撑于x向减摩滚针上，放置槽的两侧侧壁沿放置槽的长度方向开设有容纳槽，容纳槽内设有多个与剪切盒底座滚动接触的x向减摩滚珠，y向反力座上位于容纳槽两端设有挡块，y向反力座顶面开设有安装孔。
6、进一步地，x向反力组件包括油压缓冲器、顶板、z向限位座、反力法兰、反力柱、挡柱和z向减摩滚针，反力法兰设于框架内壁上，z向限位座通过反力柱竖立设于反力法兰上，z向限位座上端和下端分别设有顶板和挡柱，顶板和挡柱之间的z向限位座上滚动设有多个沿竖直方向并排的z向减摩滚针，z向减摩滚针与法向压头滚动接触，油压缓冲器设于顶板上并作用于z向减摩滚针。
7、进一步地，上循环剪切盒侧壁和下循环剪切盒侧壁分别设有y向受力垫板和x向受力垫板，y向受力垫板和x向受力垫板上均开设有多个紧固孔，x向受力垫板上设有x向反力备帽，x向油缸作用于x向反力备帽，y向受力垫板上设有y向反力备帽，y向反力备帽通过连接备帽接于y向受力垫板，连接备帽和y向受力垫板之间设有连接紧块，y向油缸作用于y向反力备帽。
8、进一步地，数据采集系统包括控制器、数据采集卡、试验力传感器和位移传感器，x向油缸、y向油缸和z向油缸的加载端均设有试验力传感器，x向油缸、y向油缸和z向油缸的端面均设有位移传感器，数据采集卡、控制器、和计算机控制系统依次电性连接，试验力传感器和位移传感器均电性接于数据采集卡。
9、进一步地，基于上述三向循环剪切试验装置，本发明还提供了一种三向循环剪切试验方法，包括以下步骤：
10、s1、开机并检查各设备仪器是否正常；
11、s2、根据试样大小选择相应尺寸的循环剪切盒，将剪切盒底座放置于y向反力组件上，将试样下部放入下循环剪切盒并将下循环剪切盒放置于剪切盒底座上，然后将上循环剪切盒放置于下循环剪切盒上，调整上循环剪切盒的方位使上循环剪切盒罩住试样上部并与试样对齐，完成装样；
12、s3：装样完成后通过试样传送装置将循环剪切盒运输至z向油缸正下方，通过z向油缸向试样施加初始法向压力，然后将x向反力备帽和y向反力备帽分别与下循环剪切盒和上循环剪切盒紧固连接；
13、s4、开启伺服控制系统，对试样进行三向循环剪切试验，直至试样到达设计的循环剪切次数；
14、s5、当油缸的剪切位移达到设定行程或次数后自动停机并保存试验数据，计算机控制系统对数据采集系统采集的数据进行处理和分析。
15、进一步地，步骤s4中，在恒定法向荷载下对试样进行三向循环剪切试验，按照预先输入的恒定法向荷载值，通过x向油缸和y向油缸对试件施加循环剪切力，直至试样到达设计的循环剪切次数。
16、进一步地，步骤s4中，在动法向荷载下对试样进行三向循环剪切试验，按照预先输入的地震波变换设定z向油缸的频率和幅值，然后通过x向油缸和y向油缸对试件施加循环剪切力，直至试样到达设计的循环剪切次数。
17、进一步地，步骤s4中，在常法向刚度下对试样进行三向循环剪切试验，启动软件内置的常法向刚度试验功能，输入的初始法向应力σ0和常法向刚度系数kn，然后通过x向油缸和y向油缸对试件施加循环剪切力，直至试样到达设计的循环剪切次数。
18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
19、本发明能够实现裂隙岩体试样在恒定法向荷载、动法向荷载和恒定法向刚度条件下的双向循环剪切试验，能实现两向水平和垂直方向的多向动态加载剪切伺服动力加载，还能实现地震荷载(包括脉冲荷载)作用下应变率和多频率段加载，利用本发明的装置可以研究地震动多向性对岩石的动力特性的影响，有利于揭示边坡动力失稳机理，对裂隙岩体的理论研究和工程设计具有重要意义。
1.一种三向循环剪切试验装置，包括框架(6)，其特征在于，还包括：
2.根据权利要求1所述的一种三向循环剪切试验装置，其特征在于：y向反力组件上设有剪切盒底座(15)，下循环剪切盒(21)设于剪切盒底座(15)上，上循环剪切盒(18)通过间隔滚珠(22)支撑于下循环剪切盒(21)上。
3.根据权利要求2所述的一种三向循环剪切试验装置，其特征在于：y向反力组件包括x向减摩滚针(31)、y向反力座(32)、x向减摩滚珠(34)和挡块(35)，y向反力座(32)顶部沿x向油缸(2)的工作方向开设有放置槽，放置槽底部滚动设有多个沿放置槽长度方向并排的x向减摩滚针(31)，剪切盒底座(15)设于放置槽内并支撑于x向减摩滚针(31)上，放置槽的两侧侧壁沿放置槽的长度方向开设有容纳槽，容纳槽内设有多个与剪切盒底座(15)滚动接触的x向减摩滚珠(34)，y向反力座(32)上位于容纳槽两端设有挡块(35)，y向反力座(32)顶面开设有安装孔(33)。
4.根据权利要求1所述的一种三向循环剪切试验装置，其特征在于：x向反力组件包括油压缓冲器(24)、顶板(25)、z向限位座(26)、反力法兰(27)、反力柱(28)、挡柱(29)和z向减摩滚针(30)，反力法兰(27)设于框架(6)内壁上，z向限位座(26)通过反力柱(28)竖立设于反力法兰(27)上，z向限位座(26)上端和下端分别设有顶板(25)和挡柱(29)，顶板(25)和挡柱(29)之间的z向限位座(26)上滚动设有多个沿竖直方向并排的z向减摩滚针(30)，z向减摩滚针(30)与法向压头(9)滚动接触，油压缓冲器(24)设于顶板(25)上并作用于z向减摩滚针(30)。
5.根据权利要求2所述的一种三向循环剪切试验装置，其特征在于：上循环剪切盒(18)侧壁和下循环剪切盒(21)侧壁分别设有y向受力垫板(11)和x向受力垫板(19)，y向受力垫板(11)和x向受力垫板(19)上均开设有多个紧固孔(20)，x向受力垫板(19)上设有x向反力备帽(14))，x向油缸(2)作用于x向反力备帽(14))，y向受力垫板(11)上设有y向反力备帽(10)，y向反力备帽(10)通过连接备帽(16)接于y向受力垫板(11)，连接备帽(16)和y向受力垫板(11)之间设有连接紧块(17)，y向油缸(3)作用于y向反力备帽(10)。
6.根据权利要求1所述的一种三向循环剪切试验装置，其特征在于：数据采集系统包括控制器、数据采集卡、试验力传感器和位移传感器(7)，x向油缸(2)、y向油缸(3)和z向油缸(1)的加载端均设有试验力传感器，x向油缸(2)、y向油缸(3)和z向油缸(1)的端面均设有位移传感器(7)，数据采集卡、控制器、和计算机控制系统依次电性连接，试验力传感器和位移传感器(7)均电性接于数据采集卡。
7.一种三向循环剪切试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的三向循环剪切试验方法，其特征在于：步骤s4中，在恒定法向荷载下对试样进行三向循环剪切试验，按照预先输入的恒定法向荷载值，通过x向油缸(2)和y向油缸(3)对试件施加循环剪切力，直至试样到达设计的循环剪切次数。
9.根据权利要求7所述的三向循环剪切试验方法，其特征在于：步骤s4中，在动法向荷载下对试样进行三向循环剪切试验，按照预先输入的地震波变换设定z向油缸(1)的频率和幅值，然后通过x向油缸(2)和y向油缸(3)对试件施加循环剪切力，直至试样到达设计的循环剪切次数。
10.根据权利要求7所述的三向循环剪切试验方法，其特征在于：步骤s4中，在常法向刚度下对试样进行三向循环剪切试验，启动软件内置的常法向刚度试验功能，输入的初始法向应力σ0和常法向刚度系数kn，然后通过x向油缸(2)和y向油缸(3)对试件施加循环剪切力，直至试样到达设计的循环剪切次数。
