CN105181482B - 岩石多功能剪切试验测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种岩石多功能剪切试验测试装置。该装置在框架的顶部安装有垂直千斤顶，将水平千斤顶和垂直支撑滑座分别设置在框架的两个相对的侧壁上；底座的内部中央依次设置有水平支撑滑座和水平导向滑轨；水平支撑滑座上方依次安装下粘接盒和上粘接盒；上、下粘接盒之间为标准岩样；水平千斤顶的水平活塞杆水平设置和下粘接盒等高；垂直千斤顶的垂直活塞杆的底部固定在垂直连接件的顶面；水平千斤顶、垂直千斤顶和上、下粘接盒均连接伺服控制系统。使用该测试装置能够更加快捷有效的获得更为精确、完善的岩石本构模型、建立相应的强度准则，具有重要意义，本发明还公开了这种试验测试装置的测试方法。

Description

岩石多功能剪切试验测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术中的岩土检测领域，涉及一种岩石多功能剪切试验测试装置，本发明还涉及这种测试装置的测试方法。

背景技术

在压缩条件下岩石的剪切试验，是获得在不同法向压力下岩石的峰值抗剪强度和残余强度的基本方法，也是获取岩石的抗剪强度参数的一种重要手段。因此，在岩土工程中获得了广泛的应用，并开发了不同的压剪试验设备。常见的设备有应用于室内试验的大型直剪仪和应用于现场原位试验的小型便携式直剪仪。

而对于拉伸条件下的岩石的剪切试验，在国内外文献中均鲜有报道，也很少见到能进行岩石拉伸——剪切试验的仪器设备。因为一方面，岩石的拉剪破坏没有引起人们的足够重视。另一方面是进行拉剪试验的设备较为复杂，其中包括岩石试件的粘接、法向拉力的加载方式、粘接可能对侧向变形的限制、偏心对岩石拉伸强度的影响等各种需要考虑的地方。与应用广泛的RMT单轴压缩实验、压剪实验和MTS常规三轴实验相比，岩石的拉伸——剪切实验操作起来困难许多。

在深埋、高应力地下岩石工程中，隧洞边墙部位，由于开挖卸荷作用法向应力为0，切向应力集中达最大，部分围岩在竖直切应力作用下会产生法向的拉应力。当围岩底部有一定空间时，岩体会在竖向的切应力和法向的拉应力作用下发生拉剪破坏。

对于传统的莫尔库伦强度准则，为方便应用一般会简化为线性表达式，即岩石的抗剪强度是法向压应力的线性函数，而法向应力变为拉应力(即应力位于横轴的负半轴)时，通常做法是将正半轴上拟合的直线延伸交与负半轴，作为岩石在拉应力下的强度准则，而这一点是缺乏实验数据支撑的。并且，实验证明在不同的法向压力下，岩石的抗剪强度包络线并不完全是线性的，包络线上每个实验点对应的切线斜率逐渐减小，而对于负半轴上在不同拉应力作用下的强度包络线到底是怎样的也没有统一的说法，主要原因就是缺乏实验数据的支撑。

因此，急需开发一种能进行不同法向拉、压力作用下的岩石剪切试验装置，为完善岩石本构模型、建立相应强度准则提供试验数据。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种岩石多功能剪切试验测试装置，第二目的是利用该测试装置来检测岩石试件在垂直和水平方向上同时受力时的情况。

为实现上述第一目的，本发明所设计的岩石多功能剪切试验测试装置，由底部的底座、上部的框架构成，所述的框架的顶部安装有垂直千斤顶；框架一个侧壁上安装有水平千斤顶；框架的另一个侧边侧壁内部依次设置有垂直支撑滑座和垂直导向滑轨；水平千斤顶和垂直支撑滑座分别设置在框架的两个相对的侧壁上；

底座的内部中央依次设置有水平支撑滑座和水平导向滑轨；水平支撑滑座上方依次安装下粘接盒和上粘接盒；上、下粘接盒之间为标准岩样；

水平千斤顶的水平活塞杆水平设置和下粘接盒等高；垂直千斤顶的垂直活塞杆的底部固定在垂直连接件的顶面；

下粘接盒的上方和上粘接盒的下方均有中空凹陷；标准岩样安装在下粘接盒和上粘接盒之间的中空凹陷处时，标准岩样竖直方向的中轴线和垂直千斤顶的垂直活塞杆的中轴线重合，标准岩样的水平方向的中轴线位于上、下粘接盒之间的剪切缝中心平面上；

水平千斤顶、垂直千斤顶和上、下粘接盒均连接伺服控制系统。

上述技术方案中，水平导向滑轨的底部固定安装在底座上，水平支撑滑座安装在水平导向滑轨上；水平支撑滑座的上方固定有水平滑座连接板，水平滑座连接板的顶部和下粘接盒的底部相互固定。

上述技术方案中，垂直导向滑轨的底部固定安装在框架侧壁上；垂直支撑滑座配合安装在垂直导向滑轨上；垂直滑座连接体底端固定在连接垂直支撑滑座顶部，垂直滑座连接体的顶端固定在垂直连接件的侧面；法兰盘固定安装在垂直活塞杆和垂直连接件顶面之间，垂直连接件连接垂直滑座连接体。

上述技术方案中，铅垂方向上，水平活塞杆的顶端位于下粘接盒侧面底端以上、且位于上粘接盒侧面的下方；下粘接盒不接触垂直连接件。

上述技术方案中，当标准岩样安装在上、下粘接盒之间时，标准岩样的上、各/部分分别位于上粘接盒和下粘接盒内。

上述技术方案中，伺服控制系统的高精度剪切伺服控制器控制水平千斤顶，高精度轴向伺服控制器控制垂直千斤顶，LVDT位移传感器分别连接上、下粘接盒。

本发明的第二目的就是要提供一种岩石多功能剪切试验测试装置，检测岩石试件在垂直和水平方向上同时受力时的情况，通过以下步骤：

步骤一：将标准岩样粘在上粘接盒中

将上粘接盒的中空凹陷的内壁涂抹胶水，然后将标准岩样放入上粘接盒内，调整标准岩样位置，保证标准岩样和上粘接盒中轴线重合，同时保证标准岩样各个侧面分别与上粘接盒内壁间的缝隙充满胶水；完成后静置分钟，等待胶水凝固；

步骤二：将标准岩样粘在下粘接盒中

将下粘接盒的中空凹陷的内壁涂抹胶水，然后将已经粘有上粘接盒的标准岩样扣在下粘接盒的中空凹陷处，调整标准岩样位置，保证标准岩样各个侧面分别与下粘接盒内壁间的缝隙充满胶水，保证标准岩样和上、下粘接盒的中轴线在一条铅垂线上，保证标准岩样的水平中轴线在上、下粘接盒之间的剪切缝中心平面上；完成后静置小时，等待胶水完全凝固。

步骤三：安装标准岩样

将上、下粘接盒连同标准岩样一起安装在水平滑座连接板上；通过水平支撑滑座在水平导向滑轨上移动，调整上、下粘接盒和水平滑座连接板，保证垂直活塞杆、上粘接盒、标准岩样、和下粘接盒的中轴线在一条铅垂线上；上粘接盒推入垂直连接件内部；

步骤四：加载测试

拉伸/压缩剪切试验时，开启伺服控制系统，先通过垂直加载系统控制垂直千斤顶，向下施加法向拉/压力P，记录法向拉/压力P的加载速率和时间t_P，稳定至目标P₀后，再通过水平加载系统按照一定速率施加水平推力T，直至标准岩样破坏，同时记录该过程中的水平推力T、加载速率、经过的时间t_T和标准岩样14的水平位移量L_水平和垂直位移量L_垂直；

步骤五：清洁上、下粘接盒

试验完成后，取出上、下粘接盒并加热，待胶水熔化变软后，将标准岩样从上、下粘接盒中分离后，清理上、下粘接盒内剩余的胶水；

步骤六：依据试验结果进行数据分析。

本发明所设计的岩石多功能剪切试验测试装置具有以下优点：

1、通过两个上、下粘接盒镶嵌安装标准岩样14，保证施力传递给标准岩样14时能够达到预期效果。

2、水平千斤顶3配合水平支撑滑座8和水平导向滑轨9确保了对标准岩样14的水平定位。

3、垂直千斤顶5配合垂直支撑滑座16和垂直导向滑轨17确保了对标准岩样14的垂直定位。

4、具体的，水平支撑滑座8和垂直支撑滑座16采用了导向滑轨配合方式，有效的减少了试样中水平/垂直施力加载过程中产生的摩擦力，降低了对试验结果的误差影响。

5、本实验系统可以进行多种力学试验，包括拉伸剪切试验、压缩剪切试验、直接拉伸试验、直接剪切试验。

本发明设计的岩石多功能剪切试验测试装置及其测试方法能够更加快捷有效的获得更为精确、完善的岩石本构模型、建立相应的强度准则，具有重要意义。

附图说明

图1为本发明岩石多功能剪切试验测试装置的整体结构示意图。

图2为本发明岩石多功能剪切试验测试装置的俯视结构示意图。

图3为图2中A-A处的剖面结构示意图。

图中：底座1、框架2、水平千斤顶3、水平活塞杆4、垂直千斤顶5、垂直活塞杆6、法兰盘7、水平支撑滑座8、水平导向滑轨9、水平滑座连接板10、垂直连接件11、上粘接盒12、下粘接盒13、标准岩样14、垂直滑座连接体15、垂直支撑滑座16、垂直导向滑轨17。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一套能进行岩石拉伸/压缩剪切试验的装置，为建立更为精确、完善的岩石力学模型、建立相应的强度准则，提供试验数据。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

如图1～3所示，该试验装置的外部由底部的底座1和上部的框架2构成。

在框架2的顶部安装有垂直千斤顶5；框架2的外部侧壁安装有水平千斤顶3。在底座1的内部中央设置有相互配合的水平支撑滑座8和水平导向滑轨9。框架2的内部一侧的侧壁设置有相互配合的垂直支撑滑座16和垂直导向滑轨17。

所述的水平支撑滑座8上方依次安装水平滑座连接板10、下粘接盒13和上粘接盒12；上、下粘接盒12、13之间为标准岩样14。垂直支撑滑座16和垂直连接件11由垂直滑座连接体15连接。

水平千斤顶3的水平活塞杆4可自由伸缩，垂直千斤顶5的垂直活塞杆6的底部位于垂直连接件11的顶面并用法兰盘7固定连接，带动垂直连接件11上下移动，保证垂直千斤顶5施加的力能通过上、下粘接盒12、13有效传递，施加给标准岩样14。

具体的，所述的法兰盘7安装在垂直活塞杆6和垂直连接件11顶面之间，垂直连接件11侧面通过螺丝连接垂直滑座连接体15。上粘接盒12不接触水平活塞杆4，下粘接盒13不接触垂直连接件11。

垂直活塞杆6在法向上施力——无论是向下的压力或者向上的拉力——均可以通过法兰盘7和垂直连接件11施加给上粘接盒12。

取得的标准岩样14安装在上、下粘接盒12、13之间。下粘接盒13的上方和上粘接盒12的下方均有中空凹陷。标准岩样14安装在下粘接盒13和上粘接盒12之间的中空凹陷处时，标准岩样14竖直方向的中轴线和垂直千斤顶5的垂直活塞杆6的中轴线重合，标准岩样14的水平方向的中轴线位于上、下粘接盒12、13之间的剪切缝中心平面上。

为了能够完成试验测试，将水平千斤顶3、垂直千斤顶5和上、下粘接盒12、13连接伺服控制系统。所述的伺服控制系统的高精度剪切伺服控制器控制水平千斤顶3，高精度轴向伺服控制器控制垂直千斤顶5，两个LVDT位移传感器分别连接上、下粘接盒12、13。依此，分别控制水平、垂直千斤顶3、5的施力及加载速率，给标准岩样14上加载不同的法向拉/压力P和水平推力T。上、下粘接盒12、13分别连接LVDT位移传感器，分别测得标准岩样14剪切破坏试验的变形，即标准岩样14的水平位移量L_水平和垂直位移量L_垂直。

如果仅仅直接将上、下粘接盒12、13放置在水平支撑滑座8和垂直连接件11之间，另外两侧分别由水平活塞杆4和垂直活塞杆6施力；在实验过程中，相应的在水平支撑滑座8和底座1之间以及垂直支撑滑座16和框架2之间相对产出滑动摩擦力。水平、垂直支撑滑座8、16底部的滑动摩擦力直接通过上、下粘接盒12、13作用在标准岩样14上，导致标准岩样14的真实受力和水平、垂直活塞杆4、6的施力不同。如果这两处的滑动摩擦力相对较大，导致最终检测结果不可信。

为了减少水平、垂直支撑滑座8、16底部的滑动摩擦力至可以忽略不计，分别在水平、垂直支撑滑座8、16底部设置相互配合的导向滑轨。

具体的，水平导向滑轨9的底部固定安装在底座1上。水平支撑滑座8配合安装在水平导向滑轨9上。水平支撑滑座8的上方通过螺栓安装水平滑座连接板10。水平滑座连接板10的顶部和下粘接盒13的底部相互固定。水平活塞杆4的顶端全部贴近下粘接盒13的侧面。

垂直导向滑轨17的底部固定安装在框架2侧壁上；垂直支撑滑座16配合安装在垂直导向滑轨17上。垂直滑座连接体15底端固定在连接垂直支撑滑座16顶部，垂直滑座连接体15的顶端固定在垂直连接件11的侧面；法兰盘7固定安装在垂直活塞杆6和垂直连接件11顶面之间，垂直连接件11连接垂直滑座连接体15。

铅垂方向上，水平活塞杆4的顶端位于下粘接盒13侧面底端以上、且位于上粘接盒12侧面的下方；下粘接盒13不接触垂直连接件11。

当标准岩样14安装在上、下粘接盒12、13之间时，标准岩样14的上、各1/2部分分别位于上粘接盒12和下粘接盒13内。

试验前先将标准岩样14粘贴在上粘接盒12中，将标准岩样14底面的全部、侧面高度的1/2与上粘接盒12的底面和四个侧面粘接；再将标准岩样14的整个上面及侧面高度的1/2与下粘接盒13的底面和四个侧面粘接。然后将下粘接盒13置于水平连接板11上用螺丝固定。这种粘接方式既可避免只在标准岩样14上下两面粘贴容易从粘贴面处拉断这一现象，又可最大限度降低标准岩样14侧面与粘接盒粘贴对拉伸变形的限制作用。粘接完成后，将水平支撑滑座8、水平滑座连接板10、上、下粘接盒12、13及标准岩样14沿着水平导向滑轨9一起推至垂直活塞杆6的正下方。同时调整垂直连接件11的位置，保证上粘接盒12能正好推入垂直连接件11的内部。此时，垂直活塞杆6、上粘接盒12、下粘接盒13、标准岩样14的形心在一条铅垂线上。

由于采用了以上技术方案，本发明可进行岩石试样在不同法向拉/压力作用下的剪切试验，上粘接盒12和下粘接盒13组装式的设计可以方便地对标准岩样14进行拆卸。水平支撑滑座8的底部设置有水平导向滑轨9，除了方便标准岩样14的装填和取出以外，还保证标准岩样14在水平推力下水平方向的自由变形，垂直活塞杆6端部设置的法兰盘7可以方便地紧密连接垂直连接件11，将作用力传递给上粘接盒12，保证垂直千斤顶5加载时的稳定性，上述设计可以保证标准岩样14在垂直方向的自由变形。

针对目前只能对岩石试样仅仅采用压剪的试验方式研究岩石的强度准则的现状，本发明提供岩石在不同法向拉/压力作用下的强度参数，测得岩石样品受到的加载力、加载时间和位移等各项参数，对改进和完善岩石在拉/压剪切力作用下的岩石本构关系和强度准则，具有重要的理论意义和实际意义

所述的岩石多功能剪切试验测试装置的试验方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将标准岩样14粘在上粘接盒12中

将上粘接盒12的中空凹陷的内壁涂抹胶水，然后将标准岩样14放入上粘接盒12内，轻微调整标准岩样14位置，保证标准岩样14和上粘接盒12中轴线重合，同时保证标准岩样14各个侧面分别与上粘接盒12内壁间的缝隙充满胶水；完成后静置30分钟，等待胶水凝固。

步骤二：将标准岩样14粘在下粘接盒13中

将下粘接盒13的中空凹陷的内壁涂抹胶水，然后将已经粘有上粘接盒12的标准岩样14扣在下粘接盒13的中空凹陷处，调整标准岩样14位置，保证标准岩样14各个侧面分别与下粘接盒13内壁间的缝隙充满胶水，保证标准岩样14和上、下粘接盒12、13的中轴线在一条铅垂线上，保证标准岩样14的水平中轴线在上、下粘接盒12、13之间的剪切缝中心平面上；完成后静置24小时，等待胶水完全凝固。

步骤三：安装标准岩样14

将上、下粘接盒12、13连同标准岩样14一起安装在水平滑座连接板10上；通过水平支撑滑座8在水平导向滑轨9上移动，调整上、下粘接盒12、13和水平滑座连接板10，保证垂直活塞杆6、上粘接盒12、标准岩样14、和下粘接盒13的中轴线在一条铅垂线上。

小幅调整垂直活塞杆6，保证上粘接盒12能正好推入垂直连接件11内部；具体的，垂直活塞杆6通过法兰盘7和垂直导向滑轨17带动垂直连接件11、垂直滑座连接体15和垂直支撑滑座16整体上下移动。

步骤四：加载测试

拉伸/压缩剪切试验时，开启伺服控制系统，先通过垂直加载系统控制垂直千斤顶5，按照一定速率向下施加法向拉/压力P，记录法向拉/压力P的加载速率和时间t_P，稳定至P₀后，再通过水平加载系统按照一定速率施加水平推力T，直至标准岩样14破坏，同时记录该过程中的水平推力T、加载速率、经过的时间t_T和标准岩样14的水平位移量L_水平和垂直位移量L_垂直。

步骤五：清洁上、下粘接盒12、13

试验完成后，取出上、下粘接盒12、13并加热，待胶水熔化变软后，将标准岩样14从上、下粘接盒12、13中分离后，清理上、下粘接盒12、13内剩余的胶水。

步骤六：依据试验结果进行数据分析。

拉伸剪切试验时，先通过垂直千斤顶5施加一定法向拉力P，待稳定后通过水平千斤顶3按照一定速率施加水平推力T，直至标准岩样14破坏，得到标准岩样14破坏峰值前的整个应力变形曲线。

压缩剪切试验时先通过垂直千斤顶5施加一定法向压力P，待P稳定后通过水平千斤顶3按照一定速率施加水平推力T，直至标准岩样14破坏，得到标准岩样14破坏峰值前的整个应力变形曲线。

在上述实验过程中，标准岩样14被剪断的瞬间，上粘接盒12就会被提起，试验自动停止。该过程中，标准岩样14被剪断前/后的水平位移非常小，计算及实际测量可得不足2mm。而标准岩样14的尺寸通常选取为至少为50mm的立方块。因此，针对垂直千斤顶5法向施力的作用点和方向保持不变可能导致的偏心影响可忽略不计。

Claims (2)

1.一种岩石多功能剪切试验测试装置，由底部的底座(1)、上部的框架(2)构成，其特征在于：

所述的框架(2)的顶部安装有垂直千斤顶(5)；框架(2)一个侧壁上安装有水平千斤顶(3)；框架(2)的另一个侧边侧壁内部依次设置有垂直支撑滑座(16)和垂直导向滑轨(17)；水平千斤顶(3)和垂直支撑滑座(16)分别设置在框架(2)的两个相对的侧壁上；

底座(1)的内部中央依次设置有水平支撑滑座(8)和水平导向滑轨(9)；水平支撑滑座(8)上方依次安装下粘接盒(13)和上粘接盒(12)；上、下粘接盒(12)、(13)之间为标准岩样(14)；

水平千斤顶(3)的水平活塞杆(4)水平设置和下粘接盒(13)等高；垂直千斤顶(5)的垂直活塞杆(6)的底部固定在垂直连接件(11)的顶面；

下粘接盒(13)的上方和上粘接盒(12)的下方均有中空凹陷；标准岩样(14)安装在下粘接盒(13)和上粘接盒(12)之间的中空凹陷处时，标准岩样(14)竖直方向的中轴线和垂直千斤顶(5)的垂直活塞杆(6)的中轴线重合，标准岩样(14)的水平方向的中轴线位于上、下粘接盒(12)、(13)之间的剪切缝中心平面上；

水平千斤顶(3)、垂直千斤顶(5)和上、下粘接盒(12)、(13)均连接伺服控制系统；

水平导向滑轨(9)的底部固定安装在底座(1)上，水平支撑滑座(8)安装在水平导向滑轨(9)上；水平支撑滑座(8)的上方固定有水平滑座连接板(10)，水平滑座连接板(10)的顶部和下粘接盒(13)的底部相互固定；

垂直导向滑轨(17)的底部固定安装在框架(2)侧壁上；垂直支撑滑座(16)配合安装在垂直导向滑轨(17)上；垂直滑座连接体(15)底端固定在连接垂直支撑滑座(16)顶部，垂直滑座连接体(15)的顶端固定在垂直连接件(11)的侧面；法兰盘(7)固定安装在垂直活塞杆(6)和垂直连接件(11)顶面之间，垂直连接件(11)连接垂直滑座连接体(15)；

铅垂方向上，水平活塞杆(4)的顶端位于下粘接盒(13)侧面底端以上、且位于上粘接盒(12)侧面的下方；下粘接盒(13)不接触垂直连接件(11)；

当标准岩样(14)安装在上、下粘接盒(12)、(13)之间时，标准岩样(14)的上、下各1/2部分分别位于上粘接盒(12)和下粘接盒(13)内；

伺服控制系统的高精度剪切伺服控制器控制水平千斤顶(3)，高精度轴向伺服控制器控制垂直千斤顶(5)，LVDT位移传感器分别连接上、下粘接盒(12)、(13)。

2.如权利要求1所述的岩石多功能剪切试验测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将标准岩样(14)粘在上粘接盒(12)中

将上粘接盒(12)的中空凹陷的内壁涂抹胶水，然后将标准岩样(14)放入上粘接盒(12)内，调整标准岩样(14)位置，保证标准岩样(14)和上粘接盒(12)中轴线重合，同时保证标准岩样(14)各个侧面分别与上粘接盒(12)内壁间的缝隙充满胶水；完成后静置30分钟，等待胶水凝固；

步骤二：将标准岩样(14)粘在下粘接盒(13)中

将下粘接盒(13)的中空凹陷的内壁涂抹胶水，然后将已经粘有上粘接盒(12)的标准岩样(14)扣在下粘接盒(13)的中空凹陷处，调整标准岩样(14)位置，保证标准岩样(14)各个侧面分别与下粘接盒(13)内壁间的缝隙充满胶水，保证标准岩样(14)和上、下粘接盒(12)、(13)的中轴线在一条铅垂线上，保证标准岩样(14)的水平中轴线在上、下粘接盒(12)、(13)之间的剪切缝中心平面上；完成后静置24小时，等待胶水完全凝固；

步骤三：安装标准岩样(14)

将上、下粘接盒(12)、(13)连同标准岩样(14)一起安装在水平滑座连接板(10)上；通过水平支撑滑座(8)在水平导向滑轨(9)上移动，调整上、下粘接盒(12)、(13)和水平滑座连接板(10)，保证垂直活塞杆(6)、上粘接盒(12)、标准岩样(14)、和下粘接盒(13)的中轴线在一条铅垂线上；上粘接盒(12)推入垂直连接件(11)内部；

步骤四：加载测试

拉伸/压缩剪切试验时，开启伺服控制系统，先通过垂直加载系统控制垂直千斤顶(5)，向下施加法向拉/压力P，记录法向拉/压力P的加载速率和时间tP，稳定至目标P(0)后，再通过水平加载系统按照一定速率施加水平推力T，直至标准岩样(14)破坏，同时记录该过程中的水平推力T、加载速率、经过的时间tT和标准岩样(14)的水平位移量L水平和垂直位移量L垂直；

步骤五：清洁上、下粘接盒(12)、(13)

试验完成后，取出上、下粘接盒(12)、(13)并加热，待胶水熔化变软后，将标准岩样(14)从上、下粘接盒(12)、(13)中分离后，清理上、下粘接盒(12)、(13)内剩余的胶水；

步骤六：依据试验结果进行数据分析。