本发明涉及土木工程，尤其涉及一种多功能剪切设备。
背景技术：
1、伴随着我国经济的快速发展，地下资源和空间的开发向地球深部开始进军。深部岩体工程赋存环境复杂，尤其是结构面的切割对岩体的稳定性产生重要影响，在深部高地应力情况下，洞室开挖后结构面积聚的能量产生大范围的释放，容易造成严重的动力灾害，极大的危及地下工程的建设和运营。
2、剪切试验装置是实验室研究岩石结构面剪切力学特征、揭示结构面损伤破坏机制和失稳滑移的关键技术装备，但是目前现有的直剪设备存在着两个重要的问题没有解决，一是剪切力与剪切面不共轴造成剪切面局部应力集中问题，从而导致对于岩石剪切力学性能的分析出现大范围偏差，二是剪切过程中剪切面的突然滑移，造成法向和切向加载端头脱离的问题，与实际工程中结构面滑移时压力基本保持不变的现象相背离，也对试验结果也产生不利影响。
3、因此，如何提供一种多功能剪切设备，使其能够达到消除弯矩和端头脱离效应的技术效果，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、有鉴于现有技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种多功能剪切设备，通过消除弯矩和端头脱离效应，解决剪切力不共轴和加载端头脱离的问题，从而使剪切试验结果更加准确，为解决现场问题提供更可靠的依据。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种多功能剪切设备，所述多功能剪切设备包括：操作台，所述操作台呈立方体结构，所述操作台位于水平地面上；一体化反力架，所述一体化反力架罩设在所述操作台的外围，所述一体化反力架通过螺栓固定在所述水平地面上；试样装载系统，所述试样装载系统包括剪切盒和滑动导轨，所述剪切盒呈立方体结构，所述剪切盒位于所述滑动导轨的顶部并与所述滑动导轨的顶部相接触，所述滑动导轨位于所述操作台上，所述滑动导轨的底部与所述操作台相接触；所述剪切盒用于放置试样，并将所述试样划分为位于所述剪切盒的内部的下测试部和位于所述剪切盒的外部的上测试部；三个法向加载系统，三个所述法向加载系统依次排列固定于所述一体化反力架的顶部，三个所述法向加载系统由左至右依次排列；三个所述法向加载系统的位置均与所述试样的位置相对应；第一切向加载系统，所述第一切向加载系统设置在所述一体化反力架的一侧，所述第一切向加载系统的加载方向与所述法向加载系统的加载方向相垂直，所述第一切向加载系统的位置与所述下测试部的位置相对应；第二切向加载系统，所述第二切向加载系统设置在所述一体化反力架的另一侧，所述第二切向加载系统的加载方向与所述法向加载系统的加载方向相垂直，所述第二切向加载系统的位置与所述上测试部的位置相对应。
3、在第一方面中，所述多功能剪切设备还包括控制系统，三个所述法向加载系统、所述第一切向加载系统和所述第二切向加载系统分别与所述控制系统连接。
4、在第一方面中，所述滑动导轨包括：导轨平台，所述剪切盒位于所述导轨平台的顶部并与所述导轨平台的顶部相接触；两组轮毂排，每一组所述轮毂排包括若干个呈直线状均匀排列的轮毂，两组所述轮毂排平行布设在所述导轨平台的底部；任意一个所述轮毂与所述导轨平台固定连接，每一个所述轮毂与所述操作台相接触。
5、在第一方面中，所述法向加载系统包括：法向加载油缸，所述法向加载油缸固定于所述一体化反力架的顶部；法向加载位移和力传感器，所述法向加载位移和力传感器固定于所述法向加载油缸的上端部，并与所述法向加载油缸的加载端固定连接；法向液压加载单元，所述法向液压加载单元的一端与所述法向加载油缸的下端部固定连接，所述法向液压加载单元的另一端与所述试样的位置相对应；其中，所述法向加载油缸、所述法向加载位移和力传感器和所述法向液压加载单元分别与所述控制系统连接。
6、在第一方面中，所述法向液压加载单元包括：法向加载固定架，所述法向加载固定架呈圆筒结构，所述法向加载固定架的一端固定于所述法向加载油缸的下端部，并罩设在所述法向加载油缸的受压出口外围，所述法向加载固定架的另一端开设有法向压缩开口；法向限位器固定架，所述法向限位器固定架呈圆筒结构，所述法向限位器固定架的一端与所述法向加载固定架的另一端固定连接，所述法向限位器固定架罩设在所述法向压缩开口的外围；法向加载液压杆，所述法向加载液压杆呈圆柱结构，所述法向加载液压杆的一端穿过所述法向加载油缸的受压出口进入所述法向加载油缸内与所述法向加载油缸可推动连接，所述法向加载液压杆的外径与所述法向加载固定架的内径相同，所述法向加载液压杆的长度小于所述法向加载固定架的长度；法向压缩杆，所述法向压缩杆呈圆柱结构，所述法向压缩杆的外径与所述法向压缩开口的直径相适配，所述法向压缩杆的一端穿过所述法向压缩开口进入所述法向加载固定架内部，所述法向压缩杆与所述法向加载固定架、所述法向加载液压杆合围构成法向压缩腔；法向弹簧端头，所述法向弹簧端头包括法向弹簧框架和法向弹簧，所述法向弹簧框架呈圆筒结构，所述法向弹簧位于所述法向弹簧框架内，所述法向弹簧的一端与所述法向压缩杆的另一端固定连接；若干个法向限位器，若干个所述法向限位器的一端绕着所述法向弹簧框架的中心轴均匀布设在所述法向弹簧框架的外侧壁上，每一个所述法向限位器的一端的内侧与所述法向弹簧框架的外侧壁固定连接，每一个所述法向限位器的另一端的内侧与所述法向压缩杆的另一端的外侧壁固定连接，每一个所述法向限位器的另一端的外侧与所述法向限位器固定架的内侧滑动连接，所述法向限位器固定架的另一端设置有与若干个所述法向限位器相对应的法向限位块，所述法向限位块与所述法向加载固定架之间具有一滑动空间；法向刚性端头，所述法向刚性端头包括法向端头和法向加载板，所述法向端头呈圆柱结构，所述法向端头的一端与所述法向弹簧的另一端固定连接，所述法向端头的另一端呈螺纹状；所述法向加载板呈立方结构，所述法向加载板的上端面的中心开设有与所述法向端头相适配的螺纹连接孔，所述法向端头的另一端与所述法向加载板的上端面固定连接；其中，所述法向加载液压杆的另一端固定有一法向压力传感器，所述法向弹簧的另一端固定有一法向弹簧位移传感器；所述法向压力传感器和所述法向弹簧位移传感器分别与所述控制系统连接。
7、在第一方面中，所述第一切向加载系统包括：切向垫块，所述切向垫块位于所述操作台上；切向加载油缸，所述切向加载油缸的一端固定于所述一体化反力架的一侧，所述切向加载油缸的另一端位于所述切向垫块上；切向加载位移和力传感器，所述切向加载位移和力传感器固定于所述切向加载油缸的一端的端部；第一切向液压加载单元，所述第一切向液压加载单元的一端与所述切向加载油缸的另一端的端部固定连接，所述第一切向液压加载单元的另一端与所述下测试部的位置相对应；其中，所述切向加载油缸、所述切向加载位移和力传感器和所述第一切向液压加载单元分别与所述控制系统连接。
8、在第一方面中，所述第一切向液压加载单元包括：第一切向加载固定架，所述第一切向加载固定架呈圆筒结构，所述第一切向加载固定架的一端固定于所述切向加载油缸的另一端，并罩设在所述切向加载油缸的受压出口外围，所述第一切向加载固定架的另一端开设有第一切向压缩开口；第一切向限位器固定架，所述第一切向限位器固定架呈圆筒结构，所述第一切向限位器固定架的一端与所述第一切向加载固定架的另一端固定连接，所述第一切向限位器固定架罩设在所述第一切向压缩开口的外围；第一切向加载液压杆，所述第一切向加载液压杆呈圆柱结构，所述第一切向加载液压杆的一端穿过所述切向加载油缸的受压出口进入所述切向加载油缸内与所述切向加载油缸可推动连接，所述第一切向加载液压杆的外径与所述第一切向加载固定架的内径相同，所述第一切向加载液压杆的长度小于所述第一切向加载固定架的长度；第一切向压缩杆，所述第一切向压缩杆呈圆柱结构，所述第一切向压缩杆的外径与所述第一切向压缩开口的直径相适配，所述第一切向压缩杆的一端穿过所述第一切向压缩开口进入所述第一切向加载固定架内部，所述第一切向压缩杆与所述第一切向加载固定架、所述第一切向加载液压杆合围构成第一切向压缩腔；第一切向弹簧端头，所述第一切向弹簧端头包括第一切向弹簧框架和第一切向弹簧，所述第一切向弹簧框架呈圆筒结构，所述第一切向弹簧位于所述第一切向弹簧框架内，所述第一切向弹簧的一端与所述第一切向压缩杆的另一端固定连接；若干个第一切向限位器，若干个所述第一切向限位器的一端绕着所述第一切向弹簧框架的中心轴均匀布设在所述第一切向弹簧框架的外侧壁上，每一个所述第一切向限位器的一端的内侧与所述第一切向弹簧框架的外侧壁固定连接，每一个所述第一切向限位器的另一端的内侧与所述第一切向压缩杆的另一端的外侧壁固定连接，每一个所述第一切向限位器的另一端的外侧与所述第一切向限位器固定架的内侧滑动连接，所述第一切向限位器固定架的另一端设置有与若干个所述第一切向限位器相对应的第一切向限位块，所述第一切向限位块与所述第一切向加载固定架之间具有一滑动空间；第一切向刚性端头，所述第一切向刚性端头呈圆柱结构，所述第一切向刚性端头的一端与所述第一切向弹簧的另一端固定连接；其中，所述剪切盒的一侧固定有加载块，所述第一切向刚性端头的另一端与所述加载块的位置相对应；所述第一切向加载液压杆的另一端固定有一个第一切向压力传感器，所述第一切向弹簧的另一端固定有一个第一切向弹簧位移传感器；所述第一切向压力传感器和所述第一切向弹簧位移传感器分别与所述控制系统连接
9、在第一方面中，所述第二切向加载系统包括：固定块，所述固定块的一端固定于所述一体化反力架的另一侧；第二切向加载液压杆，所述第二切向加载液压杆的一端与所述固定块的另一端固定连接；第二切向加载固定架，所述第二切向加载固定架呈圆筒结构，所述第二切向加载固定架的一端固定于所述固定块的另一端，并罩设在所述第二切向加载液压杆的外围，所述第二切向加载固定架的另一端开设有第二切向压缩开口，所述第二切向加载固定架的长度大于所述第二切向加载液压杆的长度；第二切向限位器固定架，所述第二切向限位器固定架呈圆筒结构，所述第二切向限位器固定架的一端与所述第二切向加载固定架的另一端固定连接，所述第二切向限位器固定架罩设在所述第二切向压缩开口的外围；第二切向压缩杆，所述第二切向压缩杆呈圆柱结构，所述第二切向压缩杆的一端穿过所述第二切向压缩开口进入所述第二切向加载固定架内部，所述第二切向压缩杆与所述第二切向加载固定架、所述第二切向加载液压杆合围构成第二切向压缩腔；第二切向弹簧端头，所述第二切向弹簧端头包括第二切向弹簧框架和第二切向弹簧，所述第二切向弹簧框架呈圆筒结构，所述第二切向弹簧位于所述第二切向弹簧框架内，所述第二切向弹簧的一端与所述第二切向压缩杆的另一端固定连接；若干个第二切向限位器，若干个所述第二切向限位器的一端绕着所述第二切向弹簧框架的中心轴均匀布设在所述第二切向弹簧框架的外侧壁上，每一个所述第二切向限位器的一端的内侧与所述第二切向弹簧框架的外侧壁固定连接，每一个所述第二切向限位器的另一端的内侧与所述第二切向压缩杆的另一端的外侧壁固定连接，每一个所述第二切向限位器的另一端的外侧与所述第二切向限位器固定架的内侧滑动连接，所述第二切向限位器固定架的另一端设置有与若干个所述第二切向限位器相对应的第二切向限位块，所述第二切向限位块与所述第二切向加载固定架之间具有一滑动空间；第二切向刚性端头，所述第二切向刚性端头包括第二切向端头和第二切向加载板，所述第二切向端头呈圆柱结构，所述第二切向端头的一端与所述第二切向弹簧的另一端固定连接，所述第二切向端头的另一端呈螺纹状；所述第二切向加载板呈立方结构，所述第二切向加载板的一端面的中心开设有与所述第二切向端头的另一端的螺纹相适配的螺纹连接孔，所述第二切向端头的另一端与所述第二切向加载板的另一端面固定连接；其中，所述第二切向加载板的另一端面与所述上测试部的位置相对应；所述第二切向加载液压杆的另一端固定有一第二切向压力传感器，所述第二切向弹簧的另一端固定有一第二切向弹簧位移传感器；所述第二切向压力传感器和所述第二切向弹簧位移传感器分别与所述控制系统连接。
10、本发明还提供了一种多功能剪切设备的使用方法，用于上述的多功能剪切设备的使用，所述多功能剪切设备的使用方法包括：将滑动导轨放置在操作台上，然后长度为l1的试样放置在剪切盒中，将所述剪切盒对准所述滑动导轨的轴线放置在所述滑动导轨上，检查所述滑动导轨是否可以自由移动；接着选择合适尺寸的法向加载板和第二切向加载板并安装，所述第二切向加载板的长为l，将所述剪切盒移动到所述第二切向加载板的一侧并推动所述剪切盒挤压所述第二切向加载板，测试第二切向弹簧位移传感器和第二切向压力传感器能否正常工作，然后滑动所述滑动导轨至第一切向加载系统和第二切向加载系统之间，使所述滑动导轨的两端与相对应的一体化反力架一侧的距离均大于100mm；在控制系统中输入三个法向加载系统的法向预加载力0.5kn，通过所述控制系统控制三个所述法向加载系统同时向下对试样进行加载工作，三个所述法向加载板同时接触试样的上端面，当三个法向弹簧位移传感器法测试受压达到0.5kn时，三个所述法向加载系统停止对试样进行加载；然后在所述控制系统中输入切向预加载力0.5kn，通过所述控制系统控制所述第一切向加载系统对试样进行加载工作，第一切向刚性端头接触加载块，推动所述滑动导轨向所述第二切向加载板移动并压缩第二切向弹簧，当所述第二切向弹簧传感器测试受压达到0.5kn时，所述第一切向加载系统停止对试样进行加载，记录所述第二切向加载板下端部距离所述剪切盒底部的距离l0；在所述控制系统中输入三个所述法向加载系统的法向加载力fn，同时输入切向加载速率0.05mm/min，在加载的过程中，通过实时监测所述第二切向压力传感器的压力值f压和所述第二切向弹簧传感器的压力值f弹，得到试样的切向应力f，切向应力f＝f压+f弹，然后根据式(1)计算得到偏向弯矩m；
11、
12、设定第二个所述法向加载系统的法向加载力f2和第二个所述法向加载系统的法向加载力f3之间的关系为f3＝2f2，根据式(2)计算得到f2和f3的值，保持第
13、
14、一个所述法向加载系统的法向加载力fn不变，在所述控制系统中输入第二个所述法向加载系统的法向加载力f2和第三个所述法向加载系统的法向加载力f3进行弯矩补偿，然后通过三个所述法向加载系统进行静力加载或动力加载，并继续通过所述第一切向加载系统和所述第二切向加载系统完成剪切试验；试验完成后，先卸载所述第一切向加载系统和所述第二切向加载系统，然后再卸载三个所述法向加载系统，接着卸载所述第二切向加载板和三个所述法向加载板，最后关闭所述控制系统。
15、在第二方面中，所述通过三个所述法向加载系统进行动力加载具体包括：保持位于左边的所述法向加载系统和位于右边的所述法向加载系统的加载方式不变，将位于中间的所述法向加载系统的加载方式变为动载形式，所述动载形式包括正弦波和冲击波中的任意一种。
16、有益效果：
17、在本发明的多功能剪切设备中，操作台放置在水平地面上，操作台上放置有滑动导轨，在滑动导轨的上平面上放置有剪切盒，剪切盒与滑动导轨相对静止，使剪切盒受到推力的时候，滑动导轨向着力的方向移动；一体式反力架罩设在操作台外围，一体式反力架与水平地面构成了一个四边形；三个法向加载系统依次排列固定在一体式反力架的顶部，三个法向加载系统相互独立，使可以在剪切过程中进行弯矩补偿；第一切向加载系统固定在一体式反力架的一侧，第一切向加载系统固定的一侧靠近第一个所述法向加载系统，第一切向加载系统的位置与试样的下测试部的位置相对应，第二切向加载系统固定在一体式反力架的另一侧，第一切向加载系统的位置与试样的下测试部的位置相对应，且第一切向加载系统的加载方向和第二切向加载系统的受力方向与三个法向加载系统的加载方向垂直，便于三个法向加载系统控制试样时，第一切向加载系统与第二切向加载系统共同作用对试样进行剪切。
1.一种多功能剪切设备，其特征在于，所述多功能剪切设备包括：
2.如权利要求1所述的一种多功能剪切设备，其特征在于：所述多功能剪切设备还包括控制系统(7)，三个所述法向加载系统(4)、所述第一切向加载系统(5)和所述第二切向加载系统(6)分别与所述控制系统(7)连接。
3.如权利要求2所述的一种多功能剪切设备，其特征在于，所述滑动导轨(32)包括：
4.如权利要求3所述的一种多功能剪切设备，其特征在于，所述法向加载系统(4)包括：
5.如权利要求4所述的一种多功能剪切设备，其特征在于，所述法向液压加载单元(43)包括：
6.如权利要求5所述的一种多功能剪切设备，其特征在于，所述第一切向加载系统(5)包括：
7.如权利要求6所述的一种多功能剪切设备，其特征在于，所述第一切向液压加载单元(54)包括：
8.如权利要求7所述的一种多功能剪切设备，其特征在于，所述第二切向加载系统(6)包括：
9.一种多功能剪切设备的使用方法，用于任一项如权利要求1～8所述的一种多功能剪切设备的使用，其特征在于，所述多功能剪切设备的使用方法包括：
10.如权利要求9所述的一种多功能剪切设备的使用方法，其特征在于，所述通过三个所述法向加载系统进行动力加载具体包括：保持位于左边的所述法向加载系统和位于右边的所述法向加载系统的加载方式不变，将位于中间的所述法向加载系统的加载方式变为动载形式，所述动载形式包括正弦波和冲击波中的任意一种。
