CN103344510B - 基于多台直剪试验仪的结构面抗剪强度尺寸效应测试方法 - Google Patents

基于多台直剪试验仪的结构面抗剪强度尺寸效应测试方法 Download PDF

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Abstract

一种基于多台直剪试验仪的结构面抗剪强度尺寸效应测试方法，包括以下步骤：第一步、结合单台直剪试验仪的整体系统精度和测控范围，提出了最佳试验装置台数确定方法和每台直剪试验仪的荷载范围；第二步、模型结构面尺寸为l11～l12，在第一台直剪试验仪上完成直剪试验；模型结构面尺寸为l21～l22，在第二台直剪试验仪上完成直剪试验；以此类推，模型结构面尺寸为li1～li2，在第i台直剪试验仪上完成直剪试验，i的取值为i＝1～n，li1的取值为li1＝100～100×m，li2的取值为li2＝100～100×m，得到模型试样尺寸为100～100×m(mm)的抗剪强度值，最后，统计出模型试样尺寸为100～100×m(mm)的结构面抗剪强度尺寸效应规律。本发明能够确定直剪仪最佳台数、降低成本、减少占用空间和可操作性良好。

Description

基于多台直剪试验仪的结构面抗剪强度尺寸效应测试方法
技术领域
本发明涉及一种工程测试领域，尤其是一种基于多台直剪试验仪的结构面抗剪强度尺寸效应测试方法。
背景技术
直剪试验是获得岩体结构面抗剪强度等力学参数的重要手段，由于岩体结构面抗剪强度具有尺寸效应的特性，为了研究结构面抗剪强度尺寸效应规律，就需要对从小到大的系列尺度结构面进行抗剪强度直剪试验，即取m个离散试样尺寸的结构面试样进行直剪试验。
根据《水利水电工程岩石试验规程(DL/T5368—2007)》要求，每个试样尺寸分别要求有5级加载，如表1所示，每个尺度试样的每一个载荷级别中都对应一定的载荷值。
表1：试样尺寸与对应的载荷关系表
在进行多尺度试样的测试中，希望用一台试验仪器来实现全部多尺度试样在一定精度范围内测试。但是在载荷范围或试样尺度范围较大时无法用一台试验仪来满足，为此需要一定数量的试验仪实现多尺度试样的测试。而试验仪台数的确定需要从载荷范围和试样尺寸范围进行分析。
载荷范围的影响因素：1.测力系统的范围。测力系统的测量精度和稳定性在量程范围内低于某一个测量值时，相对误差和稳定性会变得很差。2.控制系统的范围。控制系统由于受到力分辨率、环境干扰因素等影响无法对低于某一载荷值的有效控制。3.液压系统的范围。主要涉及液压泵的最小压力稳定性、控制阀的精度和液压缸的启动压力等因素。
试样尺寸范围的影响因素：1.框架结构的影响。框架安装有加载机构和约束机构，它的垂直度和平行度影响加载系统的安装精度和约束机构的轨迹精度，特别对小试样时影响较大。2.试样安装平台的影响。试样安装平台影响多尺度试样的定位精度，它的平面度影响试样加载面的角度。3.加载机构的影响。加载机构在运动过程中的中心线位置的变动影响加载方向，对小试样影响较大。4.导向机构的影响。试样剪切时导向机构的摩擦力阻碍着试样运动。
综上所述，采用同一台直剪试验仪难以满足多尺度试样范围和大跨度载荷范围的情况，需要多台系列直剪试验仪方能满足试验要求。但是直剪试验仪台数过多会造成试验成本高，占用空间大，可操作性差等问题。因此，确定能够满足系列尺寸及其测试精度要求的系列直剪试验仪最佳台数，以及每台直剪试验仪能测试的结构面试样尺寸范围成为关键问题。
发明内容
为了克服已有结构面抗剪强度尺寸效应的测试技术无法确定直剪试验仪最佳台数导致的不能兼顾准确性和成本、可操作性的不足,本发明提供了一种能够确定直剪试验仪最佳台数、降低成本、减少占用空间和可操作性良好的结构面抗剪强度尺寸效应的测试方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于多台直剪试验仪的结构面抗剪强度尺寸效应测试方法，试样尺寸为m个离散试样尺寸的试验装置至少由n台直剪试验仪组成，试验装置的参数如下：(1)结构面试样尺寸范围为：100～100×m(mm)，尺寸跨度为m倍，其他试样的尺寸为lk＝100+100k，其中k＝1,2,…,m-1；(2)根据结构面抗剪强度试验要求，对不同尺寸的试样要求保持同样法向应力的测试要求确定每个试样尺寸相对应的5级法向荷载级别分别为Pk-1、Pk-2、Pk-3、Pk-4、Pk-5，且Pk-1、Pk-2、Pk-3、Pk-4、Pk-5，按由小到大递增，由试样尺寸与对应的载荷关系表得到最小试样尺寸l1的最小加载量为P1-1，最大试样尺寸lm的最大加载量为Pm-5；荷载范围：P1-1～Pm-5(KN)，荷载跨度为：(3)一台直剪试验仪的测控系统在有效范围内的系统误差为μ，有效范围为：A～100(％)，满足测试精度的有效跨度比为：(4)满足试验精度要求的试验机台数为：n；
所述基于多台直剪试验仪的结构面抗剪强度尺寸效应测试方法包括以下步骤：
第一步，确定直剪试验仪的台数以及每台直剪试验仪能测试的结构面试样尺寸范围，包含以下步骤：
(1.1)直剪试验仪台数确定公式：
已知每台直剪试验仪的有效跨度比均为L，且n台直剪试验仪的载荷范围是从小到大的连续跨度，即每台直剪试验仪的荷载范围分别为：第一台直剪试验仪的荷载跨度：N～N×L；第二台直剪试验仪的荷载跨度：N×L～N×L2，以此类推，第i台直剪试验仪的荷载跨度：N×Li-1～N×Li，第n台直剪试验仪的荷载跨度：N×Ln-1～N×Ln，i的取值为i＝1～n；
得：K＝Ln，
那么直剪试验仪台数为：其中n值向上取整数；
(1.2)每台直剪试验仪的尺寸跨度划分：
由步骤(1.1)中每台直剪试验仪的荷载范围：N×Li-1～N×Li，确定每台直剪试验仪所能测试的对应尺寸跨度：li1～li2，其中：li1的取值为li1＝100～100×m，li2的取值为li2＝100～100×m，li2＞li1；下标中的i代表第i台试验仪，i的取值为i＝1～n；下标中的1代表第i台试验仪中能测试的最小尺寸试样，下标中的2代表第i台试验仪中能测试的最大尺寸试样；
第二步、测试过程如下：
结构面模型试样尺寸为：100～100×m(mm)，结构面抗剪强度尺寸效应试验装置由n台直剪试验仪组成，不同大小尺寸的模型试样分别在对应尺寸的直剪试验仪上完成抗剪强度直剪试验。其中模型结构面尺寸为l11～l12，在第一台直剪试验仪上完成直剪试验；模型结构面尺寸为l21～l22，在第二台直剪试验仪上完成直剪试验；以此类推，模型结构面尺寸为li1～li2，在第i台直剪试验仪上完成直剪试验，i的取值为i＝1～n，li1的取值为li1＝100～100×m，li2的取值为li2＝100～100×m，得到模型试样尺寸为100～100×m(mm)的抗剪强度值，最后，统计出模型试样尺寸为100～100×m(mm)的结构面抗剪强度尺寸效应规律。
本发明的技术构思为：为了解决尺寸比及荷载比过大的问题，需要采用一定数量的直剪试验仪对系列尺度范围进行直剪试验。从原理上讲，直剪试验仪的台数越多，测量的尺寸范围就越大，测量精度就越高。而采用不同直剪试验仪进行结构面抗剪强度试验会产生系统误差，直剪试验仪的台数越多，系列尺寸结构面试样抗剪强度试验产生的系统误差越大。直剪试验仪的台数多，还会造成试验设备成本高、所占用的试验空间大、实验室场地的利用率低、可操作差等问题。因此，合理确定直剪试验仪的台数及测试的试样尺寸范围是提高结构面抗剪强度尺寸效应试验可靠性的前提。
本发明的有益效果主要表现在：1、能够确定直剪试验仪最佳台数、降低成本、减少占用空间和可操作性良好；2、结合单台直剪试验仪的的整体系统精度和测控范围，提出了最佳试验装置台数确定方法和每台直剪试验仪的荷载范围，方法简单，原理明确，成本低，具有较大的实施价值和社会经济效益。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。
一种结构面抗剪强度尺寸效应的测试方法，通过分析单台直剪试验仪的框架结构、加载系统及液压系统能测试的结构面试样范围及相应量测系统的精度要求，能测试m个离散尺寸的结构面抗剪强度尺寸效应试验装置至少由n台直剪试验仪组成，试验装置的特征在于：(1)结构面试样尺寸范围为：100～100×m(mm)，尺寸跨度为m倍，其他试样的尺寸为lk＝100+100k，其中k＝1,2,…,m-1；(2)根据结构面抗剪强度试验要求，对不同尺寸的试样要求保持同样法向应力的测试要求确定每个试样尺寸相对应的5级法向荷载级别分别为Pk-1、Pk-2、Pk-3、Pk-4、Pk-5，且Pk-1、Pk-2、Pk-3、Pk-4、Pk-5，按由小到大递增，试样尺寸与对应的载荷关系表如表1所示，
表1：试样尺寸与对应的载荷关系表
因此，可得到最小试样尺寸l1的最小加载量为P1-1，最大试样尺寸lm的最大加载量为Pm-5，荷载跨度为：设一台直剪试验仪的测控系统在有效范围内的系统误差为μ，有效范围为：A～100(％)，满足测试精度的有效跨度比为：满足试验精度要求的试验机台数为：n。
所述结构面抗剪强度尺寸效应的测试方法包括以下步骤：
第一步，结构面抗剪强度尺寸效应直剪试验仪的台数以及每台直剪试验仪能测试的结构面试样尺寸范围确定方法，包含以下步骤：
(1.1)直剪试验仪台数确定公式：
已知每台试验仪的有效跨度比均为L，且n台试验仪的载荷范围是从小到大的连续跨度，即每台直剪试验仪的荷载范围分别为：N～N×L(第一台试验仪的荷载跨度)；N×L～N×L2(第二台试验仪的荷载跨度)，以此类推，N×Li-1～N×Li(第i台试验仪的荷载跨度)，N×Ln-1～N×Ln(第n台试验仪的荷载跨度)，i的取值为i＝1～n。
可得：K＝Ln，
那么直剪试验仪台数为：其中n值向上取整数。
(1.2)每台直剪试验仪的尺寸跨度划分：
由步骤(1.1)中每台直剪试验仪的荷载范围：N×Li-1～N×Li，确定每台直剪试验仪所能测试的对应尺寸跨度：li1～li2，其中：li1的取值为li1＝100～100×m，li2的取值为li2＝100～100×m，li2＞li1；下标中的i代表第i台试验仪，i的取值为i＝1～n；下标中的1代表第i台试验仪中能测试的最小尺寸试样，下标中的2代表第i台试验仪中能测试的最大尺寸试样。
第二步、测试过程如下：
结构面模型试样尺寸为：100～100×m(mm)，结构面抗剪强度尺寸效应试验装置由n台直剪试验仪组成，不同大小尺寸的模型试样分别在对应尺寸的直剪试验仪上完成抗剪强度直剪试验。其中模型结构面尺寸为l11～l12，在第一台直剪试验仪上完成直剪试验；模型结构面尺寸为l21～l22，在第二台直剪试验仪上完成直剪试验；以此类推，模型结构面尺寸为li1～li2，在第i台直剪试验仪上完成直剪试验，i的取值为i＝1～n，li1的取值为li1＝100～100×m，li2的取值为li2＝100～100×m。得到模型试样尺寸为100～100×m(mm)的抗剪强度值，最后，统计出模型试样尺寸为100～100×m(mm)的结构面抗剪强度尺寸效应规律。
实例：
(1)为了得到工程岩体结构面抗剪强度的尺寸效应规律及稳定阈值需要测试的结构面试样的尺寸范围为100-1000mm，法向加载分级为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0MPa共5个级别，10组结构面需要测试的尺度试样的载荷范围为：2KN～1000KN(P1-1＝2KN，Pm-5＝1000KN，K＝500)，测控系统的有效范围为：4～100％(A＝4，L＝25)。
(2)确定系列试样尺寸的荷载范围。在相同法向应力条件下，由试样的面积及法向加载应力的乘积可得到不同试样尺寸的加载力。如表2所示。
表2不同试样尺寸与对应的荷载关系表
(3)试验机台数n的确定：得：n＝2。第一台试验仪的荷载跨度为：2KN～50KN；第二台试验仪的荷载跨度为：50KN～1000KN。
(4)每台直剪试验仪的尺寸跨度划分为：第一台的直剪试验仪尺寸跨度为：100～400mm，第二台的直剪试验仪尺寸跨度为：300～1000。
(5)不同尺寸模型结构面的抗剪强度测试
试样尺寸为100mm和200mm，在第一台直剪试验仪上完成五级荷载的直剪试验；试样尺寸为300mm，在第一台直剪试验仪上完成前二级荷载的直剪试验；试样尺寸为400mm，在第一台直剪试验仪上完成第一级荷载的直剪试验。
试样尺寸为300mm，在第二台直剪试验仪上完成后三级荷载的直剪试验；试样尺寸为400mm，在第二台直剪试验仪上完成后四级荷载的直剪试验；试样尺寸为500mm和1000mm，在第二台直剪试验仪上完成五级荷载的直剪试验。
得到模型试样尺寸100mm～1000mm五级加载的抗剪强度值，最后，统计出模型试样尺寸为100～1000(mm)的结构面抗剪强度尺寸效应规律。
本实施例的方案适用于水利、交通、采矿、地质、核废物处置、石油等相关工程中采用直剪试验仪进行结构面抗剪强度尺寸效应规律及稳定阈值等工程设计参数的试验确定。

Claims (1)

1.一种基于多台直剪试验仪的结构面抗剪强度尺寸效应测试方法，其特征在于：试样尺寸为m个离散试样尺寸的试验装置至少由n台直剪试验仪组成，试验装置的参数如下：(1)结构面试样尺寸范围为：100～100×m(mm)，尺寸跨度为m倍，其他试样的尺寸为lk＝100+100k，其中k＝1,2,…,m-1；(2)根据结构面抗剪强度试验要求，对不同尺寸的试样要求保持同样法向应力的测试要求确定每个试样尺寸相对应的5级法向荷载级别分别为Pk-1、Pk-2、Pk-3、Pk-4、Pk-5，且Pk-1、Pk-2、Pk-3、Pk-4、Pk-5，按由小到大递增，由试样尺寸与对应的载荷关系表得到最小试样尺寸l1的最小加载量为P1-1，最大试样尺寸lm的最大加载量为Pm-5；荷载范围：P1-1～Pm-5(KN)，荷载跨度为：(3)一台直剪试验仪的测控系统在有效范围内的系统误差为μ，有效范围为：A～100(％)，满足测试精度的有效跨度比为：(4)满足试验精度要求的试验机台数为：n；
所述结构面抗剪强度尺寸效应的测试方法包括以下步骤：
第一步，确定直剪试验仪的台数以及每台直剪试验仪能测试的结构面试样尺寸范围，包含以下步骤：
(1.1)直剪试验仪台数确定公式：
已知每台直剪试验仪的有效跨度比均为L，且n台直剪试验仪的载荷范围是从小到大的连续跨度，即每台直剪试验仪的荷载范围分别为：第一台直剪试验仪的荷载跨度：N～N×L；第二台直剪试验仪的荷载跨度：N×L～N×L2，以此类推，第i台直剪试验仪的荷载跨度：N×Li-1～N×Li，第n台直剪试验仪的荷载跨度：N×Ln-1～N×Ln，i的取值为i＝1～n；
得：K＝Ln，
那么直剪试验仪台数为：其中n值向上取整数；
(1.2)每台直剪试验仪的尺寸跨度划分：
由步骤(1.1)中每台直剪试验仪的荷载范围：N×Li-1～N×Li，确定每台直剪试验仪所能测试的对应尺寸跨度：li1～li2，其中：li1的取值为li1＝100～100×m，li2的取值为li2＝100～100×m，li2＞li1；下标中的i代表第i台试验仪，i的取值为i＝1～n；下标中的1代表第i台试验仪中能测试的最小尺寸试样，下标中的2代表第i台试验仪中能测试的最大尺寸试样；
第二步、测试过程如下：
结构面模型试样尺寸为：100～100×m(mm)，结构面抗剪强度尺寸效应试验装置由n台直剪试验仪组成，不同大小尺寸的模型试样分别在对应尺寸的直剪试验仪上完成抗剪强度直剪试验，其中模型结构面尺寸为l11～l12，在第一台直剪试验仪上完成直剪试验；模型结构面尺寸为l21～l22，在第二台直剪试验仪上完成直剪试验；以此类推，模型结构面尺寸为li1～li2，在第i台直剪试验仪上完成直剪试验，i的取值为i＝1～n，li1的取值为li1＝100～100×m，li2的取值为li2＝100～100×m，得到模型试样尺寸为100～100×m(mm)的抗剪强度值，最后，统计出模型试样尺寸为100～100×m(mm)的结构面抗剪强度尺寸效应规律。
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Application publication date: 20131009

Assignee: Beijing mining and metallurgy science and Technology Group Co., Ltd.

Assignor: Shaoxing University

Contract record no.: 2018330000013

Denomination of invention: Method for testing shearing strength size effect of structural surface based on multiple direct shear testers

Granted publication date: 20151028

License type: Common License

Record date: 20180211

Application publication date: 20131009

Assignee: Zhejiang mountain and Sichuan Geological Environment Consulting Co., Ltd.

Assignor: Shaoxing University

Contract record no.: 2018330000010

Denomination of invention: Method for testing shearing strength size effect of structural surface based on multiple direct shear testers

Granted publication date: 20151028

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Record date: 20180211

Application publication date: 20131009

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Assignor: Shaoxing University

Contract record no.: 2018330000012

Denomination of invention: Method for testing shearing strength size effect of structural surface based on multiple direct shear testers

Granted publication date: 20151028

License type: Common License

Record date: 20180211

Application publication date: 20131009

Assignee: Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co., Ltd.

Assignor: Shaoxing University

Contract record no.: 2018330000011

Denomination of invention: Method for testing shearing strength size effect of structural surface based on multiple direct shear testers

Granted publication date: 20151028

License type: Common License

Record date: 20180211