CN102410962B - 便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供的便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪，包括制样剪切盒和剪切试验装置，其中：制样剪切盒主要由剪切盒外壳、拆模片和装在固定螺杆端部的夹持片组成，拆模片由旋钮与剪切盒外壳固定，固定螺杆装在拆模片上；剪切试验装置主要由剪切试验装置外框、竖向承压板、水平向承压装置、传感器和千斤顶组成，竖向承压板装在剪切试验装置外框的上部且位于传感器和千斤顶之间，水平向承压装置装在剪切试验装置中的滚动轴组上。本发明用于现场或室内的岩体结构面直剪试验，能够节省制样时间，适于快速进行结构面直剪试验，可以提高结构面直剪试验的准确性、便捷性，并且具有结构简单、易于制作、操作方便和成本较低等优点。

Description

便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪

技术领域

本发明涉及岩石力学试验领域，具体涉及在岩石力学试验中用于获取结构面抗剪强度参数及变形参数的一种新型便携式结构面直剪仪。

背景技术

传统便携式结构面直剪试验仪有以下缺点：

（1）浇注时，在半个样模内加少量的水泥砂浆，将试样居中放入，使受剪面高出样模边框4-5mm，并使之水平；同时保持剪切方向与模具框长边方向一致，随后注入水泥砂浆填满捣实。在完成以上操作步骤时，由于人眼的视觉误差，结构面很难保证水平。通过对大量浇注制备好的结构面样的测量数据统计工作，发现制备好的结构面样品普遍存在误差角（结构面与水平面的夹角），约在5°左右，不能精确的使结构面与水平面平行。试验时，由于误差角的影响，竖向和水平向加载系统施加的垂直向压力与水平向压力会在结构面处产生应力分解实际作用到结构面上的应力与测得的应力值存在差异，最后经过试验数据分析得到的结构面抗剪强度参数必然会存在误差。

（2）由于模具本身的问题，拆模后，试样与结构面直剪试验仪剪切装置大小的不一致，往往需要将试样打磨后才能做剪切试验，这样甚至会造成结构面在剪切前发生错动，造成样品的报废。

（3）结构面直剪试验仪在施加水平力的作用会引起上部结构的运动，使千斤顶也发生相对滑动，因此会有额外的力矩产生，会造成对试验结果的影响。

（4）结构面直剪试验仪在水平力作用下可以没有限制的移动，如果试验时产生过大的剪切位移不仅无意义，还会干扰正确读数。

（5）结构面取样后，会由于人为因素（如搬运等）造成的结构面样品的扰动，对结构面的强度测试结果会产生较大的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪，以解决上述传统结构面直剪仪存在的问题。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪，包括制样剪切盒和剪切试验装置，其中：制样剪切盒主要由剪切盒外壳、拆模片和装在固定螺杆端部的夹持片组成，剪切盒外壳由旋钮与拆模片固定，固定螺杆装在拆模片上；剪切试验装置主要由剪切试验装置外框、竖向承压板、水平向承压装置、传感器和千斤顶组成，竖向承压板装在剪切试验装置外框的上部且位于传感器和千斤顶之间，水平向承压装置装在剪切试验装置中的滚动轴组上。

所述剪切盒外壳可由上、下两部分组成，它们通过连杆和多个螺栓固定在一起。

所述的夹持片可由两片橡胶片制成，其一侧与固定螺杆端部相连，另一侧用于夹持结构面样品。

所述剪切试验装置外框为金属外壳，呈规则长方体状，长方体5个面为金属表面；另一个1个表面为空心状，该表面设置透明玻璃门板。

所述手动油压千斤顶有两个，分别是水平向手动油压千斤顶、竖直向手动油压千斤顶，它们均由千斤顶卡具用螺栓分别固定在剪切试验装置外框的外侧中部。

所述传感器包括竖直向荷载传感器、水平向荷载传感器、竖直向位移传感器和水平向位移传感器，其中：竖直向荷载传感器装在竖直向手动油压千斤顶和千斤顶卡具之间的凹槽中，水平向荷载传感器装在水平向手动油压千斤顶与千斤顶卡具之间的凹槽内，竖直向位移传感器装在竖向承压板下方剪切试验装置外框向内突出部分的中心处，水平向位移传感器装在剪切试验装置外框下半部分内侧与水平向承压装置之间。

所述水平向承压装置右端与水平向手动油压千斤顶接触，水平荷载正是通过该水平向承压装置传递到结构面样品上；水平向承压装置的最右端可插入剪切试验装置外框中，在进行每次试验前起到使水平向承压装置复位的作用。

本发明还设置了位移限制及复位机构，其中：位移限制机构用于防止结构面样品下盘发生过大的水平位移，该机构通过设置剪切试验装置外框与水平向承载装置间的左端空隙最大移动距离为1.5cm，以保证结构面剪切时，不产生过大位移。复位机构主要方便在试验结束后将水平向承压装置回复原位，该机构通过剪切试验装置外框留有凹槽与水平向承压装置前端突起相配套，通过每次试验前推动水平承载装置至最右端，即将其右端部与完全插入外框凹槽内，实现复位。

本发明提供的上述便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪，适用于现场或室内的岩体结构面直剪试验。

本发明可以采用包括以下步骤的方法对岩体结构面进行直剪试验：

（1）制样：

利用制样剪切盒上的夹持片调整结构面误差角：

制样时，首先调整样品的结构面边线，使其与夹持片上边缘相平行，然后扭紧固定螺杆使夹持片夹紧样品，之后再浇筑胶凝材料，胶凝材料不可没过加持片下边线；若试验不在野外进行，利用制样剪切盒将试验尺寸相仿并具有代表性的岩体结构面夹持，右侧夹持片指向与岩体结构面滑动方向一致，然后对岩体结构面进行包扎一并进行运输，使其具有良好的密封性能，保证其天然状态；

（2）利用剪切试验装置进行剪切：

将制好的结构面样品放入剪切试验装置中，利用竖直向手动油压千斤顶对结构面样品施加一定的正应力，保持正应力不变，利用水平向手动油压千斤顶对结构面样品逐级施加剪应力，直至结构面样品破坏；

（3）分析：将获得的不同正应力作用下结构面所能承受的峰值剪应力绘制成σ-τ曲线，并由此得出结构面抗剪强度指标。可根据需要，通过竖直向、水平向位移传感器和应力传感器记录的数据研究结构面的本构关系，并可获得法向刚度、切向刚度等变形参数；

经过上述步骤，实现对现场或室内的岩体样品的结构面快速直剪试验。

本发明与以往技术相比，具有以下优点及突出性进步：

1.为解决传统便携式结构面试验仪存在的缺点，提供了一种简洁、快速、方便、准确获得结构面强度参数的途径。试验装置主要由两部分组成：制样剪切盒（起固定、矫正结构面的作用），剪切试验装置（起施加竖向及水平向压力的作用）。两部分联合配套使用，从制样及试验过程再到外观设计都有技术方面的创新。

2.制样时，利用剪切盒上夹持样品的夹持片，调整结构面误差角，保证结构面与剪力施加方向是平行的，从而消除了误差角，严格保证了水平向和竖直向应力的施加。最大位移量的限制，提高了结构面抗剪强度测定的准确性。

3.利用制样剪切盒可在浇筑胶凝材料前将样品固定，避免了因样品运输过程中结构面上下两部分反复碰撞或挤压，原状性遭到极大破坏的现象。在制样过程中，保证试件上下块固定，消除了结构面人为错动，也保证了在胶凝材料凝固前结构面不会因重力作用而发生下陷，防止剪切过程中因上下盘的砂浆相互接触对结构面剪切强度测定的影响。

4.传统方法制样过程会造成上下剪切盒有较小的错动，影响了试样和仪器的吻合度，必然造成结构面发生相对错动，直接妨碍结构面强度测量。本发明剪切制样盒与剪切试验装置完全紧密接触，避免了结构面因试样和仪器不吻合造成的相对错动。

5.本发明设置了位移限制及复位结构，即每次试验前，将试验复位后进行剪切，当剪切位移过大时，能将其阻拦，使下制样剪切盒的位移限制在1.5cm。避免了没有意义的过大位移对结构面直剪试验造成的干扰。

6.本发明制样剪切盒可以重复使用，制样剪切盒上设置了拆模片，拆样方便。

7.通过在直剪试验盒中设置位移、应力传感器装置，实现了法向力、水平力、法向位移、水平位移的实时同步测量，便于数据采集及结构面破坏的判断。

8.由于其成本较低，应用市场广大，具有巨大的潜在商业价值，同时由于其操作简单，对减轻地质工作者的工作负担，提高试验精度与工作效率，还具有及其重要的现实意义。

9.原有制样方法采用水泥砂浆作为固定结构面上下盘及传递作用的胶凝材料，水泥砂浆不仅配置过程繁琐，且凝固时间长，需要较高的养护条件，制样周期长。本仪器推荐采用高强度                                                型石膏作为胶凝材料，不仅强度可以达到要求，且制样时间大为缩短，无需长期养护。

总之，本发明与现有技术相比，能够节省制样时间，适合于快速进行结构面直剪试验，可以提高结构面直剪试验的准确性、便捷性，并且具有结构简单、易于制作、操作方便和成本较低等突出的实质性特点和显著的进步。

下面用一些试验数据对上述优点作进一步说明。

1）制样时间大为缩短的数据证明与对比：

传统结构面直剪试验过程中制备结构面试件的胶凝材料是水泥，通过加水搅拌成浆体后能在空气或水中硬化，用以将砂、石等散粒材料胶结成混凝土，起到固定结构面样品的作用。

试验规程规定，试样浇注前，在半个样模内加少量的水泥砂浆，将式样居中放入，随后注入水泥砂浆填满捣实，待水泥砂浆凝固（约12h）后，在另一半空样模内先加适量砂浆，将已凝固的那一半样模倒转，盖在另一半样模上对齐，然后从开缝中向空模注入砂浆，填满捣实，24h，拆去取出试样，进行养护，一般试样养护时间为3~4周。整个试样制备过程时间主要消耗在如下4个方面：上半部分制备（12h），下半部分制备（12h），拆模，养护。

如果采用α-型高强度石膏，可以大大减少制样时间。目前，α-型高强度石膏在市场上较为常见。其主要的物理力学性质指标是：

细度：240目≤1%；

标准稠度：28±%；

2h抗折强度：7.2MPa；干抗折强度：16MPa；

2h抗压强度：26MPa；干抗压强度：56MPa；

凝结膨胀率：＜0.75%；

吸水率：20%。

从以数据可以看出该高强度石膏，在2h时抗压强度达到了26MPa，这明显大于试验时作用在试件上的抗压强度，满足试验要求。整个试样制备过程时间主要消耗在如下2个方面：上半部分制备（＜2h），下半部分制备（＜2h）。由此可见试验试样的制备最多只需要不到4小时即可完成，大大缩短了结构面直剪试验的时间消耗。

2）制样误差角调整前后试验结果对比

使用室内便携式结构面直剪试验仪进行试验时，由于制样误差角的影响，竖向和水平向加载系统施加的垂直向压力与水平向压力会在结构面处产生应力分解，实际作用到结构面上的应力值与测得结果存在差异，那么经过试验数据分析得到的结构面抗剪强度参数必然存在误差。结构面制样误差角对结构面抗剪强度的影响非常大的，特别是控制因素倾角

不可忽略。经统计发现结构面制样误差角服从正态分布特征，制样误差角

主要集中在0±5°的区间内。

以抗剪强度参数为

=0.075MPa，

=30°为例，对存在误差角情况下的试验数据进行分析。用制样误差角分别为及

两种情况进行对比分析，其中，

的空间位置如图10所示。结构面正、剪应力值与修正后的数据对比见表1，表1中： A表示误差角修正前α=10°，β=0°的条件；B表示误差角修正前α=10°，β=10°的条件；C表示误差角修正后的条件。

不同误差角所对应线性回归方程对比图如图11所示。

由图11可知： 如果存在制样误差，

=10°，=0°时，

=44.4°，

=0.1066MPa， 那么

=14.4°，

=0.0316MPa； 当误差为

=10°，

=10°时，

=45.8°，

=0.1048MPa，那么

=15.8°，

=0.0298MPa。

由上述两组数据对比分析可知：倾角

对抗剪强度参数影响较大，

为10°时，

增加了15°左右，

增加了约0.03MPa；偏角

对抗剪强度参数影响较小，偏角

为10°时，产生的误差与偏角

不存在时误差几乎相等。

由上面的例子可以看出，结构面直剪试验中，制样误差角对结构面抗剪强度有着重要影响，特别是控制因素倾角

对试验结果影响较大，所以试验前必须对结构面进行调平。

附图说明

图1为制样剪切盒的结构示意图。

图2为图1的左视图。

图3为图1的俯视图。

图4为图3的A-A剖视图。

图5为剪切试验装置的结构示意图。

图6为图5的俯视图。

图7为图5的左视图。

图8为千斤顶套具的结构示意图。

图9为图8的左视图。

图10为结构面与制样误差角空间位置关系图。

图11为不同误差角所对应回归方程对比图。

图中：1.剪切盒外壳； 2.螺栓； 3.连杆； 4.固定螺杆； 5.旋钮； 6.拆模片； 7.夹持片；8.竖直向荷载传感器； 9.剪切试验装置外框； 10.竖向承压板； 11.水平向手动油压千斤顶；12.水平向荷载传感器； 13.千斤顶卡具； 14.螺栓； 15.竖直向手动油压千斤顶； 16.竖直向位移传感器；  17.水平向位移传感器； 18.水平向承压装置；19.水平向滚动轴组。

具体实施方式

下面结合实例及附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪（简称直剪试验仪），其在设计思路上与现有便携式直剪仪大不一样。该直剪试验仪的结构如图1至图9所示：包括制样剪切盒和剪切试验装置。其中制样剪切盒，结构简单，操作方便，将结构面制样与剪切过程合二为一，使试验过程优化，保证了试验的准确性，消除了结构面制样误差角，最大程度的减小了人为因素对结构面的干扰。剪切装置的设计消除了传统结构面直剪仪会产生额外力偶、法向应力失真的问题，此外还考虑了位移限制设计及复位装置，消除无效剪切位移对试验数据采集的影响，大大减小了试验数据误判的可能性。配套有纵横向油压千斤顶及位移、应力传感器，实现了野外便捷操作及数据同步、实时采集。

一.制样剪切盒：

为了解决传统便携式结构面直剪仪器的问题，对结构面制样剪切盒进行了设计。它能解决的关键问题主要以下几个方面：

利用制样剪切盒上的夹持片调整结构面误差角。制样时，首先调整样品的结构面边线，使其与夹持片上边缘相平行，然后扭紧固定螺杆使夹持片夹紧样品，之后再浇筑胶凝材料（胶凝材料不可没过加持片下边线）。这样可以保证结构面与剪力施加方向基本平行，从而消除了误差角。

消除样品运输及结构面制样过程的扰动。剪切盒的夹持片可以在浇筑胶凝材料前将样品固定，避免了如下问题：样品运输过程，结构面上下两部分反复碰撞或挤压，原状性遭到极大的破坏；在制模过程中，因试件上下块制作不同步，导致结构面人为错动；样品在砂浆凝固前未固定，在重力作用下发生下陷导致剪切过程中上下盘的砂浆相互接触，影响了结构面剪切强度的准确测定。

此外，传统制样方法往往会造成上下剪切盒有较小的错动甚至分离，在试验前需要将结构面样放入传统便携式结构面制样仪器中，为了保证试样和仪器的吻合度，会造成结构面发生相对错动，直接妨碍结构面强度测量。而本发明可以解决试样与仪器的吻合问题。

若试验不在野外进行，利用制样剪切盒将试验尺寸相仿并具有代表性的岩体结构面夹持，右侧夹持片指向与结构面滑动方向一致，然后对结构面进行包扎，使其具有良好的密封性能，保证其天然状态。这样可以避免结构面样在运输过程中由于人为扰动造成对结构面抗剪强度的影响。

本发明提供的制样剪切盒，其结构如图1至图4所示，主要由剪切盒外壳1、拆模片6和夹持片7组成，其中：

所述剪切盒外壳1由上、下两部分组成，它们通过连杆3和多个螺栓2（例如8个螺栓）固定在一起，这样能保证上、下两部分剪切盒外壳在试验前不会发生错动。试验前需卸除螺栓和连杆，以保证结构面样品在水平向荷载的作用下产生剪切运动。

所述拆模片6由坚硬金属片弯折形成，其外形整体呈扁平状，故称之为拆模片，是一种能起到便于试样拆除、与模具分离的构件，由旋钮5与剪切盒外壳1固定。该旋钮的结构是类似于一螺丝通过拆模片上的螺纹连接，旋紧固定抵住剪切盒外壳，起到基本固定的作用。

制样剪切盒和传统结构面直剪仪配套使用共同完成结构面样品的直剪试验过程。目的是消除传统结构面直剪仪因先制样、后拆模、再试验而引起的试样与仪器不能完全配套、上下结构面错动对试验结果造成影响。与传统结构面直剪试验仪形状不同，本发明采用规则长方体形状，保证了直剪仪与制样剪切盒紧密接触。

与传统结构面直剪试验相比，使用本发明进行试验时，采用的是先试验后拆模的步骤，这有助于消除人为因素的干扰，保证了结构面直剪试验的准确度。具体原因是因为传统结构面直剪试验制样结束后，首先要进行拆模，该过程中有两个方面因素影响试验：

1．由于结构面试样需通过高强度胶凝材料固结而成，胶凝材料属性必然影响了拆模，虽然有“浇注前，在样模内壁涂上一层薄黄油层，并复上一张牛皮纸，以使浇注好的试样易与样模脱离”的措施，但此法效果并不理想，而且无疑增加制样的复杂性及试验成本。为了使结构面试样和制样盒能完全脱离，往往需要对盒进行敲击，人为干扰极大的影响了对结构面的固有物理力学性质。

2．传统的结构面制样盒，两侧是通过螺丝固定，经常由于两侧螺丝固定松紧不一，造成结构面试样的大小不一，虽然尺寸大小的差距不大，但偏差即便是毫米级，也影响了结构面试样与传统结构面直剪试验仪的匹配，很可能需要对试样进行打磨加工，从而又增加了人为因素的干扰，而且即便是打磨后的结构面试样，安装时结构面上下盘仍可能产生相对错动，影响了结构面直剪试验的效果。而使用本发明进行试验时，拆模是试验的最后一个步骤。为了保证试样与制样剪切盒能完全脱离，设置了拆模片这样的部件。在试验完成后，将固定拆模片的旋钮松开，只要用力或借助工具将拆模片的两边夹住，用力提起即可实现试样与剪切盒的脱离，将拆模片、石膏和样品一并取出，然后倒出石膏，再将拆模片按回制样剪切盒，制样剪切盒即可用于下次试验了。这样即使对制样剪切盒施予再大的扰动，对试验结果也没有影响。

所述夹持片7主要由高摩擦性质的橡胶片构成，用于夹持结构面试样，故称之为夹持片。该夹持片装在固定螺杆4的端部，能提供较大的咬合力和摩擦力，其主要作用是咬合并固定结构面边缘。固定螺杆4起固定夹持片的作用。

制样时，调节固定螺杆4使结构面样品得以调平。具体做法：首先调整结构面样品的空间姿态，使其与两侧的固定螺杆端部夹持片7的上边沿相平行。然后扭紧固定螺杆4，使夹持片与结构面样品的外边缘咬合固定。之后再浇筑胶凝材料，胶凝材料的浇筑不得没过加持片底边线。这样保证了结构面样品所在平面与剪力施加方向基本平行，从而基本消除了制样误差角。固定螺杆4的方向指示结构面样品的滑动方向，使结构面样品与直剪试验剪切方向保持一致。

上述固定螺杆4装在拆模片上端（见图2）。

本发明提供的制样剪切盒具有结构简单和操作方便优点，使用时将结构面制样与剪切过程合二为一，使试验过程更为优化，保证了试验的准确性，最大程度的减小了人为因素对结构面的干扰。为展现制样剪切盒的形状，可取该制样剪切盒的下半部分，绘制俯视图、剖视图，如图3，4所示。

二.剪切试验装置

本发明提供的便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪属于室内常应力剪切试验仪器，即试验时采用恒定法向应力，与常规试验基本原理相同，都是通过水平向手动油压千斤顶分级施加剪应力至破坏，测得破坏时的极限剪应力，若分别用多个试样，在不同正应力下，求取其破坏极限剪应力，便可根据库仑定律来确定剪切面的抗剪强度参数。

本发明直剪试验仪与传统的结构面直剪试验仪一样，仍采用手动油压泵为结构面剪切试验提供法向和水平向荷载，其原因是为了最大程度上使试验装置满足便于携带、进行野外操作的要求。

本发明直剪试验仪能解决的关键问题主要有下面几个方面：

本发明剪切试验装置的竖向承压板10和水平向承压装置18都是被限制在一个规则的呈长方体状的剪切试验装置外框9中，在剪切过程中不会发生额外的侧向位移，从而保证了不至于产生额外的力偶。传统结构面直剪仪对结构面样品进行剪切的过程中，连接竖直向手动油压千斤顶15和剪切盒的钢丝绳将会因为上部剪切盒的水平移动，产生偏移倾斜，这样传递到结构面样品上的法向应力也会发生改变。但本剪切装置却采用下部滑动面滚轴滑动的方法，不会出现正应力发生改变的问题。

结构面样品剪切破坏的标准包括：剪切荷载加不上或无法达到稳定；剪切位移明显变大，剪应力与剪切位移关系曲线出现突变段；剪切位移增大，在剪应力与剪切位移曲线未出现明显的突变段，但总剪切位移达到了试件边长的10%。由此可见，结构面样品剪切过程中产生过大的剪切位移不仅没有多大的意义，反而还会对结构面样品峰值剪应力读数造成干扰。所以本剪切装置设置了限制位移设计，即在剪切装置内设置阻拦装置，使下剪切盒的位移限制在1.5cm，视总剪切位移达到试件的10%为破坏标准。因为本剪切试验装置仪器轻便，性状规则，拆装方便，便于携带，非常适合于在取样现场进行快速的结构面剪切试验，试样无需进行长途运输，减少了试样的扰动，且大大节省了试验成本。

本发明提供的剪切试验装置，其结构如图5~图9所示：主要由剪切试验装置外框9、竖向承压板10、水平向承压装置18、传感器和手动油压千斤顶组成。

所述剪切试验装置外框9为金属外壳，呈规则长方体状，长方体5个面为金属表面；另一个1个表面为空心状，该表面可设置透明玻璃门板，方便观察结构面样品剪切破坏过程，辅助判断结构面样品是否达到峰值剪切强度。该金属外壳整体呈空心框架，结构轻便、美观大方，为了适应野外试验要求，可以考虑在金属外壳底部安装滚轮，方便推行。

所述竖向承压板10，其装在剪切试验装置的上半部分，在竖直向手动油压油压千斤顶15与竖直向位移传感器16之间。该竖向承压板有两方面的作用：一是传递竖直向荷载，并均匀的加载到上部制样剪切盒外表面上。二是起固定制样剪切盒的作用，使之不产生水平向位移。试验前，应先将竖向承压板往上拨，将制样剪切盒放入后，再加载竖直向荷载。

所述手动油压千斤顶有两个，分别是水平向手动油压千斤顶11、竖直向手动油压千斤顶15，其中：水平向手动油压千斤顶11的最大出力为300KN（30t），最大行程60mm，分辨率达500N（50kg）。竖直向手动油压千斤顶15的最大出力为500KN（50t），最大行程60mm，分辨率达600N（60kg）。

上述水平向手动油压千斤顶11、竖直向手动油压千斤顶15，均由千斤顶卡具13用螺栓14分别固定在剪切试验装置外框9的外侧中部。所述油压千斤顶正是通过千斤顶卡具的反作用力才将荷载作用到制样剪切盒上。千斤顶卡具13与剪切试验装置外框9相连，形成两个类似把手的结构，在野外方便手持搬运。

所述传感器包括竖直向荷载传感器8、水平向荷载传感器12、竖直向位移传感器16和水平向位移传感器17。

上述竖直向荷载传感器8装在竖直向手动油压千斤顶15和千斤顶卡具13之间的凹槽中，其特点是可以避开传统结构面直剪仪的一些问题，即：传统结构面直剪仪竖直向荷载一般通过连接在手动油压泵上的仪表盘进行人工读数。但受到仪表盘精度、人为读数误差限制，实际测量时，无法实时跟踪竖向荷载应力的变化，读数记录工作繁杂，关键是无法实现竖直向荷载、水平向荷载、竖直向位移、水平向位移同步记录，后期数据处理不方便。

上述水平向荷载传感器12装在水平向手动油压千斤顶11与千斤顶卡具13之间的凹槽内，其作用是：水平向荷载通过该传感器实现竖直向荷载、水平向荷载、竖直向位移、水平向位移同步自动记录，便于后期数据处理。

上述竖直向位移传感器16装在竖向承压板10下方剪切试验装置外框9向内突出部分的中心，其作用是：测量结构面样品的竖直向位移。竖直向荷载通过该传感器实现竖直向荷载、水平向荷载、竖直向位移、水平向位移同步自动记录，便于后期数据处理。

传统结构面直剪仪对竖直向位移往往通过位移测量表进行测量，除了仪表精度不够，人为读数存在误差外，在实际测量时，无法实时跟踪竖向位移的变化，读数记录工作繁杂，无法实现竖直向荷载、水平向荷载、竖直向位移、水平向位移同步记录，后期数据处理不方便。在每次剪切过程结束后，必须重新安装竖直向位移测量表，从而增加了试验的复杂程度。本发明利用竖直向位移传感器16，可以解决上述不足。

上述水平向位移传感器17装在结构面剪切装置外框下半部分外框内部与水平向承压装置之间，其作用是：测量结构面样品的水平向位移。该水平向位移传感器与竖直向位移传感器16类似，能克服传统位移测量仪表精度不够，人为读数误差、实际测量时无法实时跟踪、读数记录工作繁杂、后期数据处理不方便等缺点。不需要在每个结构面样品试验结束后，重新安装竖直向位移测量表，降低了试验的复杂程度。

所述水平向承压装置18，其右端与水平向手动油压千斤顶11接触，水平荷载正是通过该水平向承压装置传递到结构面样品上。水平向承压装置18的最右端可插入剪切试验装置外框9中，在进行每次试验前可起到使水平向承压装置复位的作用。复位后，水平向承压装置18的左端与剪切装置外框距离约1.5cm左右，能起到限制剪切位移的作用。水平向承压装置18设有卡槽，该卡槽是用来固定结构面下部制样剪切盒表面的，卡槽的下部与水平向滚动轴组19接触，在水平荷载作用下带动制样剪切盒发生水平向剪切位移。

上述结构面样品为固定在制样剪切盒中的结构面样。

所述水平向滚动轴组19，其与水平向承压装置18之间的摩擦力非常小，可忽略不计，使结构面样品的剪切过程无水平向约束。

所述制样剪切盒，其外形尺寸为：150mm×150mm×70mm。

所述剪切试验装置，其外形尺寸为：320mm×230mm×280mm。

本发明直剪试验仪整体机身重约：45kg。

本发明提供的直剪试验仪用于应力、位移测量：微机采集，载荷指示精度0.01KN，位移测量精度0.01mm。

对本发明直剪试验仪的数据结果进行处理和结果分析的过程，将在微机上完成。高级的测试系统即计算机辅助测试系统集数据采集、数据处理和测试控制于一体，可以克服传统人工测读数据独立不利于综合分析的缺点，适用于新型便携式现场和室内两用岩体结构面直剪试验仪的直剪试验系统。

本发明提供的直剪试验仪可以确定岩体结构面的剪切强度和结构面的变形本构关系，所述岩体结构面包括节理面、层面、片理面、劈理面等。其中结构面的变形特性常由应力-应变曲线的特性来描述，结构面的本构关系通过法向应力和剪切应力与法向位移和剪切位移之间的相互关系确定。最终可确定结构面的内摩擦角、粘聚力、法向刚度、剪切刚度、膨胀角等。它具有结构紧凑，加工精细，便于搬运，使用简便，试验快捷，体积小，重量轻，可拆卸装箱，现场易安装的特点，广泛适用于工程地质勘察队、测试队和大专院校、科研单位。

本发明提供的上述便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪，适用于现场或室内的岩体结构面直剪试验。

本发明可以采用包括以下步骤的方法对岩体结构面进行直剪试验： 

1.制样过程：

所采集的结构面样品尺寸应以能放入剪切盒为宜，建议采用不大于10×10×10cm的规格。

（1）制作前需在上下剪切盒内侧涂油。结构面剪切之前始终保持结构面两盘不分离。调整结构面的边线使其与下剪切盒的夹持片上缘相平，并使结构面高出夹持片上缘约5mm。之后夹紧夹持片使结构面样品固定。

（2）向下剪切盒加注石膏至加满，等待半小时后，石膏凝固。此时再将上剪切盒用连杆与下剪切盒连接起来，并旋紧上剪切盒的固定螺杆，使上剪切盒的夹持片夹紧结构面上盘，这样便可保证在向上剪切盒加注石膏时结构面不致产生脱离。

（3）将剪切盒上下翻转，向上剪切盒加注石膏至剪切盒满。两小时后石膏达到强度，这时再将剪切盒的一侧连杆卸除，另一侧朝外推入剪切装置，推入剪切装置后将剩余的连杆卸除，并剪断（或锯断）捆扎试样的铁丝，注意勿伤及试样，然后关闭剪切装置的玻璃门即可进行试验。

2.安装试样：

试验时，首先打开试验仪玻璃门，接着上托竖直向承压板，上抬过程中将形成较大的垂直空间，为便捷放入剪切盒提供条件。将水平向承压装置推入复位点。将油泵与千斤顶连接，稍加垂直和水平荷载，最后，安装各传感器，调零，并打开检测设备准备数据采集。

3.加正应力：

用垂直向油压千斤顶加预定的正应力，预定的正应力按下式换算成压力表读数：

式中：I _δ 为垂直压力表读数（MPa）；σˊ为预定的正应力（MPa）；A _j ˊ为预估结构面受剪切面面积（mm²）；G为上剪切盒，垂直千斤顶和上半试样的总质量（N）；

为垂直千斤顶活塞面积（mm ²）。

加剪应力：

将正应力保持恒定，逐级施加剪应力，每30s加一级，直至试样剪断，剪断标志：水平压力表指针不再上升，甚至下降，或者水平向承载装置与剪切试验装置左侧内壁接触。

剪切面积量测与描述：

取出结构面试样，利用三维激光扫面仪测量剪切面积，通过与试验前测得的原始面积对比，精确确定结构面剪切面积。

拆模：

试验结束后，取出剪切盒，使上下盒分开。对下盒，松开固定拆模片的旋钮，用力将拆模片连同石膏、样品一同取出，然后倒掉石膏和样品，将拆模片按回剪切盒，旋紧固定旋钮，等待下次使用。对上剪切盒需重复上述操作即可。

重复试验：

改变不同的正应力，重复上述步骤，对其余试样进行试验。

计算及资料整理：

（1）按下式计算正应力和剪应力

式中：

为正应力（MPa）；τ为剪应力（MPa）；A _j 为剪切面实测面积（mm²）；I _τ 为横向压力表读数（MPa）；A _h 为横向千斤顶活塞面积（mm²）；其余符号意义同前。

（2）以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标绘制剪应力（τ）-剪切位移（L _h ）关系曲线。同时，选取曲线上的峰值或稳定值作为抗剪强度（τ _max ）值。

（3）以抗剪强度为纵坐标，正应力为横坐标绘制抗剪强度（τ _max ）-正应力（σ）关系曲线，然后拟合最佳直线，并求取其结构面的内摩擦角（φ）和内聚力（C）。

附表

表1  不同误差角所对应的正、剪应力对比数据

	正应力（MPa）	剪应力（MPa）
			A	0.124	0.232
A	0.433	0.527
			A	0.739	0.829
A	1.045	1.130
			A	1.351	1.432
B	0.125	0.233
			B	0.429	0.546
B	0.733	0.858
			B	1.037	1.170
B	1.341	1.483
			C	0.200	0.190
C	0.600	0.421
			C	1.000	0.652
C	1.400	0.883
			C	1.800	1.114

Claims (9)

1.便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪，其特征是该试验仪包括制样剪切盒和剪切试验装置，其中：制样剪切盒主要由剪切盒外壳、拆模片和装在固定螺杆端部的夹持片组成，剪切盒外壳由旋钮与拆模片固定，固定螺杆装在拆模片上；剪切试验装置主要由剪切试验装置外框、竖向承压板、水平向承压装置、传感器和千斤顶组成，竖向承压板装在剪切试验装置外框的上部且位于传感器和千斤顶之间，水平向承压装置装在剪切试验装置中的滚动轴组上；所述传感器包括竖直向荷载传感器、水平向荷载传感器、竖直向位移传感器和水平向位移传感器，其中竖直向荷载传感器装在竖直向手动油压千斤顶和千斤顶卡具之间的凹槽中，水平向荷载传感器装在水平向手动油压千斤顶与千斤顶卡具之间的凹槽内，竖直向位移传感器装在竖向承压板下方剪切试验装置外框向内突出部分的中心处，水平向位移传感器装在剪切试验装置外框下半部分外框内部与水平向承压装置之间。

2.根据权利要求1所述的便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪，其特征在于：所述剪切盒外壳由上、下两部分组成，它们通过连杆和多个螺栓固定在一起。

3.根据权利要求1所述的便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪，其特征在于：夹持片由两片橡胶片制成，其一侧与固定螺杆端部相连，另一侧用于夹持结构面样品。

4.根据权利要求1所述的便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪，其特征在于：所述剪切试验装置外框为金属外壳，呈规则长方体状，长方体5个面为金属表面；另一个 表面为空心状，该表面设置透明玻璃门板。

5.根据权利要求1所述的便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪，其特征在于：所述千斤顶有两个，分别是水平向手动油压千斤顶、竖直向手动油压千斤顶，它们均由千斤顶卡具用螺栓分别固定在剪切试验装置外框的外侧中部。

6.根据权利要求1所述的便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪，其特征在于所述水平向承压装置右端与水平向手动油压千斤顶接触，水平荷载正是通过该水平向承压装置传递到结构面样品上；水平向承压装置的最右端可插入剪切试验装置外框中，在进行每次试验前起到使水平向承压装置复位的作用。

7.根据权利要求6所述的便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪，其特征在于该试验仪设置了位移限制及复位机构，其中：位移限制机构用于防止结构面样品下盘发生过大的水平位移，复位机构主要方便在试验结束后将水平向承压装置回复原位。

8.权利要求1至7中任一权利要求所述便携式现场室内两用岩体结构面直剪试验仪的用途，其特征在于该试验仪用于现场或室内的岩体结构面直剪试验。

9.根据权利要求8所述的用途，其特征是采用包括以下步骤的方法对岩体结构面进行直剪试验：

（1）制样：

利用制样剪切盒上的夹持片调整结构面误差角：

制样时，首先调整样品的结构面边线，使其与夹持片上边缘相平行，然后扭紧固定螺杆使夹持片夹紧样品，之后再浇筑胶凝材料，胶凝材料不可没过加持片下边线；若试验不在野外进行，利用制样剪切盒将试验尺寸相仿并具有代表性的岩体结构面夹持，夹持片右侧与岩体结构面滑动方向一致，然后对岩体结构面进行包扎一并进行运输，使其具有良好的密封性能，保证其天然状态；

（2）利用剪切试验装置进行剪切：

将制好的结构面样品放入剪切试验装置中，利用竖直向手动油压千斤顶对结构面样品施加一定的正应力，保持正应力不变，利用水平向手动油压千斤顶对结构面样品逐级施加剪应力，直至结构面样品破坏；

（3）分析：将获得的不同正应力作用下结构面所能承受的峰值剪应力绘制成σ-τ曲线，并由此得出结构面抗剪强度指标；并且根据需要，通过竖直向、水平向位移传感器和应力传感器记录的数据研究结构面的本构关系，并可获得法向刚度、切向刚度等变形参数；

经过上述步骤，实现对现场或室内的岩体样品的结构面快速直剪试验。

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