CN105319130B - 一种测试节理岩体压剪性能的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测试节理岩体压剪性能的试验方法，包括以下步骤：制备具有一斜面的被测试件，将所述被测试件置于试件固定座上，对被测试件施加法向荷载，当法向应力达到预定值后，对被测试件施加垂直于斜面的斜向荷载；逐渐增加斜向荷载，同时减少法向荷载的加载值，使加载过程中法向应力不变，剪力不断增大，直至被测试件破坏；斜向荷载与法向荷载在被测试件的预定剪切面内相交，从而避免加载过程中产生弯矩。本发明整体简便易行，本发明与现有技术相比，能够避免力的加载过程中产生弯矩，减少测试误差，测试结果的准确性容易保证，适合各种土木工程建设场合使用，并且具有结构简单，易于制作，操作方便等突出的实质性特点和显著的进步。

Description

一种测试节理岩体压剪性能的试验方法

技术领域

本发明属于岩石类试验领域，具体涉及一种测试节理岩体压剪性能的试验方法。

背景技术

岩土工程领域，岩石的破坏通常是剪切破坏。建筑物地基的承载能力，挡土墙、地下结构的土压力，各类边坡的稳定性等均由岩体的抗剪强度控制，能否正确获取岩体的抗剪强度，往往是工程成败的关键。

多数学者认为，岩体中裂隙的产生和扩展是由于裂隙位置的应力状态达到临界值引起的，该应力可以是垂直于裂隙面的拉应力，也可以是平行于裂隙面的剪应力，裂隙产生和扩展的机理可以从断裂力学的角度进行解释。含裂隙岩体属于非连续介质，其破坏描述和准则应基于非连续介质建立。在断裂力学中，裂隙扩展按其受力状态可分为三种基本类型，即：张开型(或拉伸型)、滑开型(或剪切型)和撕开型(扭剪型)。在岩体断裂破坏中，主要考虑拉伸型和剪切型两种。

试验研究岩体的断裂性状，一直是岩体断裂力学的主要研究内容。目前，用于研究岩体I型断裂破坏性状的主要试验方法是三点弯曲断裂试验和紧凑拉伸试验，以及对这两种方法的改进试验方法；研究岩体II型断裂破坏性状的试验方法主要是非对称四点弯曲试验；尚未见有关研究岩体III型断裂破坏性状研究方法的报道。

由于岩体的自身特性，在应用于实际的土工结构物中，岩体的断裂往往不是由单一的拉、压应力或纯剪切应力引起，而是在复杂的应力状态下由压应力与剪切应力的共同作用引起的压剪复合型断裂破坏。

对于岩体在压剪状态下的应力变化及开裂状态的试验研究方法，其原理在于施加于岩体试样的压剪应力与岩体应变及临界应力的关系结合一定规律，便可以研究岩体在不同压剪应力状态下的断裂破坏问题。根据以上原理，在试验操作中可以利用剪应力与压应力对试样的不同作用位置与数值组合形成对试样有着不同的作用方向的合力，即压剪合力。

目前国内外的压剪实验通过同时分别施加压应力与剪应力以间接得到的压剪合力，这种试验方法存在以下问题：

一、对于剪力的施加通常采用直剪方式，借助于固定剪切盒进行剪力的施加，由于岩体试件在切割过程中的尺寸和节理位置不易控制，且在试验加载过程中试件容易受力不均，导致试件的剪切破坏先从试件边缘开始，不符合岩体在自然条件下实际的破坏过程，而使得到的岩石力学参数与实际有偏差。

二、传统的剪切试验在加载过程中存在弯矩，同样导致试验测定数据不准确，并且随着试件尺寸的增大所带来的尺寸效应，使这一缺点更加明显。

发明内容

为解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种测试节理岩体压剪性能的试验方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种测试节理岩体压剪性能的试验方法，包括以下步骤：

制备具有一斜面的被测试件，将所述被测试件置于试件固定座上，对所述被测试件施加法向荷载，当法向应力达到预定值后，对所述被测试件施加垂直于所述斜面的斜向荷载；在逐渐增加所述斜向荷载的同时，减少法向荷载的加载值，使加载过程中所述法向应力不变，剪力不断增大，直至所述被测试件破坏；

所述斜向荷载与所述法向荷载在所述被测试件的预定剪切面内相交，从而避免加载过程中产生弯矩。

利用加载系统施加的斜向荷载，与法向加载系统施加的法向荷载，在预剪面内相交，从而消除了施加的水平剪切力在试件上产生的额外外力，避免了力在加载过程中产生的弯矩，因此不会产生随试件尺寸增大导致弯矩增大的弊端。保持预剪面上法向应力不变，也最大程度上保证了剪切面上的受力均匀。减少测试误差，测试结果的准确性容易保证，适合各种土木工程建设场合使用。

传统的剪切试验，试件的剪切破坏先从边缘开始。利用斜向剪切加载装置和法向加载装置对被测试件施加荷载的结构，在加载过程中预置裂隙在迎推力方向产生翼裂纹，随后另一方向产生翼裂纹，岩桥形成菱形小方块，最终完全贯通破坏，模拟的剪切过程更加符合实际情况。

所述被测试件被制成长方体，并沿所述长方体的一条棱边切割形成所述斜面，所述斜面与所述棱边平行。

被测试件切有与一条棱边平行的斜面，使斜向加载系统与法向加载系统的轴线处于同一平面内，确保所述斜向加载系统对所述岩体试件施加的垂直于斜面的斜向荷载，与法向加载装置对被测试件施加的垂直于所述预剪切面的法向荷载相交，所述交点位于所述预剪切面内。

所述斜面与竖直方向的夹角为12゜-17゜。

采用12°-17°加载消除了弯矩影响，因此不会产生随试件尺寸增大导致弯矩增大的弊端。

所述被测试件是现场岩样试件，或是根据被研究岩体的岩性通过相似材料配比而成的实验模型。

对于模拟的试件，在不同的所述被测试件中，预置不同角度、不同组合的多种排列的预置裂缝；所述裂缝包括贯穿试件前后表面的二维裂隙和/或内置于所述被测试件内部的三维裂隙。

不同角度、不同组合的预置节理会产生不同的裂纹扩展形式，同时必然会影响到节理岩体的抗剪强度。该设计解决了被测试件的节理定位问题，能够快速准确得到岩体试件内部节理分布对结构面剪切强度的影响。节理在法向及斜向加载机构共同作用下产生裂纹扩展并最终贯通破坏的全过程，能够模拟现实中的岩体受力情况，试验数据有较强的实用性，为正确评价节理岩体稳定性起到关键作用。

所述二维裂隙可通过在浇铸试件时预埋前后贯通的聚乙烯片，待初凝后抽出并自然凝固后形成。

所述三维裂隙可通过在浇铸试件过程中将两片形状相同的云母片叠放，对边缘进行粘接密封形成中空腔体，并用棉线固定于模具两端。

在被测试件内部设有预制裂隙，更真实的模拟岩石的自然状态和压剪的破坏过程，使试件的破坏先从裂隙处开始，模拟的剪切过程更加符合实际情况。

通过控制系统控制所述法向荷载和所述斜向荷载的施加，所述控制系统根据所述斜向荷载与所述法向荷载的倾角，算出所述斜向荷载的竖直分量，进而使所述法向荷载的减少值等于所述斜向荷载的竖直分量的增加值。

利用这种方式控制合力的竖向分量，原理简单明确，易于实现。

保持预剪面上法向应力不变，也最大程度上保证了剪切面上的受力均匀。减少测试误差，测试结果的准确性容易保证，适合各种土木工程建设场合使用。

在加载试验过程中，利用监测系统对所述被测试件进行监测，获取所述被测试件在压剪试验过程中的相关参数和信息。

利用监测系统对被测试件进行监测，可以多方位对被测试件进行全面观测。

在所述加载过程中，实时监测所述被测试件的外部裂隙扩展及破坏过程。

在所述被测试件一侧设有CCD摄像机，在所述加载过程中，通过所述CCD摄像机对裂隙扩展及破坏过程进行监测。利用CCD摄像机可以直接观察岩体试件在压剪试验过程中外部形态的变化过程，并以视频的形式保存下来，便于后期的分析研究。

在所述加载过程中，实时获取所述被测试件内部损伤产生的声发射信号。

在所述被测试件的外表面设有声发射传感器，将声发射传感器贴在安置好的试件外表面上，并利用凡士林做耦合剂，使接触良好；使声发射传感器接收试件内部损伤产生的声发射信号，对接收的试件内部损伤产生的声发射信号进行参数提取，得到各信号的能量、振铃计数、持续时间、幅值等特征参数，用于分析试件破坏过程和裂纹扩展形态。

在所述加载过程中，实时获取所述被测试件内部裂隙的相对位移变化。

将光栅多点位移计埋设在试件内部，当位移传感器所在的测量位置发生相对位移时，通过光栅解调仪分析得到光栅中心波长的位移值，计算出试件内部的位移变化。

在所述加载过程中，获取所述被测试件内部产生破裂及裂纹扩展形态的立体图，以观测所述被测试件内部的破裂形态及裂纹发育发展过程。

在所述被测试件上设有CT扫描装置，所述CT扫描装置包括对应设置于所述被测试件两侧的X射线发射板和X射线接收板，且两者相对设置，X射线发射板发出的射线，穿过待测试件后，被X射线接收板接收，计算机将采集到的射线能量值转化为数值信号，再根据数值信号进行三维图像重构，最终显示待测试件立体图形。CT扫描可以显示试件内部产生破裂及裂纹扩展形态的立体图，使用本装置不仅仅局限于测定剪切强度，还可观测岩体内部的破裂形态及裂纹发育发展的过程，为进一步研究试件的剪切破坏原理提供直观的全方位支持。

本发明具有以下有益效果：

整体简便易行，本发明与现有技术相比，能够避免力的加载过程中产生弯矩，减少测试误差，测试结果的准确性容易保证，适合各种土木工程建设场合使用，并且具有结构简单，易于制作，操作方便等突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

图1为本发明采用的多功能裂隙岩体压剪试验装置立体图；

图2为本发明采用的斜向剪切加载装置示意图；

图3为本发明试验加载过程中试件的破坏规律图；

其中，1.底座，2.支撑杆，3.斜向加载支座，4.主体架，5.升降支架，6.试件固定座，7.斜向液压千斤顶，8.刚性试验机，9.减摩装置，10.反力座,11.限位压板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

为进一步详细介绍试验方法，现通过一具体的试验装置对本试验方法进行描述。值得一提的是，本实施例仅为应用本方法的一个具体例子，由于加载装置的具体形式有很多，任何利用斜向剪切加载装置施加的斜向荷载与法向加载装置施加的法向荷载在被测试件的预定剪切面内相交，从而避免加载过程中产生弯矩，并使用相应的控制系统对加载装置进行控制的方法，都在本申请的保护范围内。

装置为一种多功能裂隙岩体压剪试验装置，如图1、图2所示：

包括主体架4，主体架4下方设有用于固定被测试件底部的试件固定座6，试件固定座6的正上方，设有与主体架4顶部连接的法向加载装置；主体架4的一侧，设有用于对被测试件施加斜向荷载的斜向剪切加载装置，斜向剪切加载装置通过斜向加载支座3与反力架连接，斜向剪切加载装置的下部设有用于支撑斜向剪切加载装置的升降支架5；被测试件的上下表面与法向加载装置垂直，并设有与斜向剪切加载装置垂直的斜面；法向加载装置和斜向剪切加载装置由控制系统控制，分别对被测试件施加法向荷载和斜向荷载，法向荷载和斜向荷载在被测试件的预定剪切面内相交，预定剪切面内设有预置裂隙；

岩体试件的上表面设有减摩装置9；试验过程中，利用监测系统对被测试件进行监测，获取被测试件在压剪试验过程中的相关参数和信息；

试验时，由控制系统控制，先启动法向加载装置，施加法向荷载，当法向应力达到预定值后，启动斜向剪切加载装置，逐渐增加斜向荷载，同时相应减少法向荷载的加载值，使法向应力不变、始终等于预定值，剪力不断增大，直至被测试件破坏。

反力架包括设于试件固定座6两侧的两个反力座10，和连接两个反力座10的若干个支撑杆2，支撑杆2与反力座10通过调节螺栓固定连接；反力座10固定连接于底座1上。反力座10上设有与斜向加载支座3配合的多位卡槽，通过更换不同倾角的斜向加载支座3和移动斜向加载支座3在卡槽上的位置，改变斜向加载支座3的高度，和与竖直方向的夹角。

斜向剪切加载装置包括：斜向液压千斤顶7和斜向压头，斜向液压千斤顶7与斜向加载支座3固定连接；斜向压头通过柔性金属板与被测试件的斜面接触，并对被测试件施加斜向荷载，荷载方向与斜面垂直且通过预剪面中心点；升降支架5辅助固定斜向千斤顶，确保加载过程中加载方向的准确性；法向加载装置包括刚性试验机8和法向压头，法向压头通过柔性金属板与被测试件的上表面接触；控制系统控制刚性试验机8，利用压头直接向被测试件施加预定的法向荷载。

主体架4的下侧设有放置试件固定座6的试验台；试件固定座6固持于试验台上；试件固定座6包括固定于被测试件底部的试件基座，试件基座上设有防止被测试件下部滑移的限位压板11。

减摩装置9包括减摩板及嵌在其表面的减摩钢球；减摩钢球的直径大于减摩板的高度，减摩钢球直接与竖向加载装置的压头接触。

斜向剪切加载装置通过斜向加载支座3与反力座10连接；反力架为斜向加载支座3提供反力，整体结构简单，便于操作。

利用不同倾角的斜向加载支座3与可升降支架5，可灵活调整斜向剪切加载装置的加载角度，确保荷载方向与斜面垂直。利用这种结构，对于岩体试件的斜面具有不同倾角的情况，均能满足试验要求。扩大了压剪试验的研究范围。

升降支架5用于支撑斜向液压千斤顶7，并配合斜向加载支座3改变斜向液压千斤顶7的位置，增加了结构的稳定性。

法向加载装置包括刚性试验机8、垂直压轴和压头，在被测试件的上表面放置与被测试件上表面相匹配的减摩板，压头通过减摩板向被测试件施加法向荷载；减摩板与被测试件之间置有柔性金属板。

在岩体试件上表面设置减摩装置9，其作用为当斜向千斤顶加载时，减小法向加载装置在试件上表面产生的摩擦力，降低外力对试验结果造成的影响，从而可以更加有效的模拟裂隙岩体的压剪性能。

在压头与试件表面之间预置柔性金属板，避免试件表面应力集中发生破坏。

检测系统包括微型压力盒、位移传感器、压力传感器、和光栅多点位移计，微型压力盒间隔一定距离埋设在试件内部；位移传感器分别安置在斜向液压千斤顶7压头处，和岩体试件的前后表面处；压力传感器分别安置在斜向液压千斤顶7的压头处，和刚性试验机8的压头处；光栅多点位移计埋设在试件内部。

检测系统包括利用声发射检测岩体试件内部裂隙的声发射传感器，声发射传感器利用凡士林粘贴至岩体试件的外表面，用以接收试件内部损伤产生的声发射信号。

检测系统包括CT扫描装置的X射线发射板和X射线接收板；X射线发射板和X射线接收板对应置于岩体试件的两侧，并与主机连接。

检测系统包括CCD摄像机，CCD摄像机安装在三维移动显微观测架上，三维移动显微观测架放置在透明视窗正前方，CCD摄像机通过视频采集卡与计算机连接。

以下为使用上述多功能裂隙岩体压剪试验装置的新型试验方法,用于在预剪面处于不同法向应力下，随着剪应力不断增大直至岩体发生破坏，裂隙岩体在压剪作用下的破坏过程及预置闭合裂隙的扩展形态。该方法也包括添加锚杆，研究压剪作用下的止裂效果的方法。可直接制作带有锚杆的试件进行压剪实验，通过实验结果数据分析压剪作用下的止裂效果。

其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：制备被测试件，被测试件为被切去一角的立方体岩体，包括顶面、底面、四个侧面、斜切面。立方体土块的顶面和底面平行于水平面；

步骤二：在被测试件中预置不同角度、不同组合的多种排列预置裂隙，该裂隙可包括贯穿试件前后表面的二维裂隙以及内置于试件内部的三维裂隙。

步骤三：固定被测试件：将被测试件放在试件固定座6上，调节限位压板11，使被测试件固定；

步骤四：安装斜向剪切加载装置：通过更换不同倾角的斜向加载支座3和移动斜向加载支座3在卡槽上的位置，改变斜向加载支座3和竖直方向的夹角，使斜向剪切加载装置的轴线与被测试件的斜面垂直；连接斜向千斤顶与斜向加载支座3，通过调整支撑斜向千斤顶的升降台的高度，配合斜向加载支座3改变斜向液压千斤顶7的位置，使斜向剪切加载装置的施力中心对准预定剪切面的中心，并施加接触压力使斜向剪切加载装置与被测试件紧密接触。

安装斜向千斤顶时，必须严格定位。斜向力作用方向与剪切面的夹角一般为12-17°，为确保加载方向通过预剪面中心点，且尽量减小斜向荷载产生的竖直分量，一般选用15°。使千斤顶的轴线穿过剪切面中心，力争剪切面受力均匀。

步骤五：安装法向加载装置。竖向加载装置包括刚性试验机8、垂直压轴和压头，配置成直接向试件施加预定的垂直试件上表面的载荷，同样与预定剪切面垂直。

步骤六：启动加载装置。启动液压千斤顶、万能材料试验机、及外联计算机控制软件，保持预剪面法向应力不变，剪力不断增大。液压千斤顶压头作用方向通过预剪面中心点，刚性试验机8压头作用在试件上表面减摩机构上。控制软件可控制先在竖直方向上施加荷载，达预定值后停止竖向加压，随后斜面方向开始加压(加载方向通过预剪面中心)，根据倾角算出该力产生的竖直分量，同时竖直方向上减少同等数值的荷载，该过程由计算机按照预先设定的程序自动精确控制。

步骤七：CCD摄像机监测系统实时监测试件裂隙扩展及破坏过程。声发射监测系统接收试件内部损伤产生的声发射信号，分析试件破坏过程和裂纹扩展形态。光栅多点位移计监测系统计算出试件内部裂隙的相对位移变化、CT扫描装置根据数值信号进行三维图像重构，最终显示待测试件立体图形。试验完毕后剖开观察试件内部破坏情况。

CCD摄像机监测系统具体应用方法为：将CCD摄像机安装在三维移动显微观测架上，三维移动显微观测架放置在透明视窗正前方，CCD摄像机通过视频采集卡与计算机连接。

声发射监测试件内部裂隙的监测装置的具体应用方法为：将声发射传感器贴在安置好的试件外表面上，并利用凡士林做耦合剂，使接触良好；使声发射传感器接收试件内部损伤产生的声发射信号，对接收的试件内部损伤产生的声发射信号进行参数提取，得到各信号的能量、振铃计数、持续时间、幅值等特征参数，用于分析试件破坏过程和裂纹扩展形态。

光栅多点位移计监测系统的具体应用方法为：将位移传感器埋设在试件内部，当位移传感器所在的测量位置发生相对位移时，通过光栅解调仪分析得到光栅中心波长的位移值，计算出试件内部的位移变化。

CT扫描装置的具体应用方法为：将CT扫描装置的X射线发射板和X射线接收板分别位于试件的一侧，且两者相对设置，X射线发射板发出的射线，穿过待测试件后，被X射线接收板接收，计算机将采集到的射线能量值转化为数值信号，再根据数值信号进行三维图像重构，最终显示待测试件立体图形。

试验完毕后剖开试件观察试件内部破坏情况具体方法为：剖开破坏后的试件，观察其内部破坏形态，确认其中不同深度裂隙长度、宽度、延伸等参数，进而记录试件内部破坏情况。

图3为试验加载过程中试件的破坏规律图，从图中可以看出，被测试件具有预制裂缝，如(a)所示。加载过程中，首先在预置裂隙迎推力方向产生翼裂纹，如(b)所示，随后在另一方向产生翼裂纹，岩桥形成菱形小方块，如(c)所示，并最终完全贯通破坏。可见模拟的剪切过程更加符合实际情况。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种测试节理岩体压剪性能的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备具有一斜面的被测试件，将所述被测试件置于试件固定座上，对所述被测试件施加法向荷载，当法向应力达到预定值后，对所述被测试件施加垂直于所述斜面的斜向荷载，在逐渐增加所述斜向荷载的同时，减少法向荷载的加载值，使加载过程中所述法向应力不变，剪力不断增大，直至所述被测试件破坏；

所述斜向荷载与所述法向荷载在所述被测试件的预定剪切面内相交，从而避免加载过程中产生弯矩。

2.根据权利要求1所述的一种测试节理岩体压剪性能的试验方法，其特征在于：所述被测试件被制成长方体，并沿所述长方体的一条棱边切割形成所述斜面，所述斜面与所述棱边平行；

所述斜面与竖直方向的夹角为12゜-17゜。

3.根据权利要求2所述的一种测试节理岩体压剪性能的试验方法，其特征在于：所述被测试件是现场岩样试件，或是根据被研究岩体的岩性通过相似材料配比而成的实验模型；

对于模拟的试件，在不同的所述被测试件中，预置不同角度、不同组合的多种排列的预置裂缝；所述裂缝包括贯穿试件前后表面的二维裂隙和/或内置于所述被测试件内部的三维裂隙。

4.根据权利要求3所述的一种测试节理岩体压剪性能的试验方法，其特征在于：所述二维裂隙通过在浇铸试件时预埋前后贯通的聚乙烯片，待初凝后抽出并自然凝固后形成；

所述三维裂隙通过在浇铸试件过程中将两片形状相同的云母片叠放，对边缘进行粘接密封形成中空腔体，并用棉线固定于模具两端。

5.根据权利要求1所述的一种测试节理岩体压剪性能的试验方法，其特征在于：通过控制系统控制所述法向荷载和所述斜向荷载的施加，所述控制系统根据所述斜向荷载与所述法向荷载的倾角，算出所述斜向荷载的竖直分量，进而使所述法向荷载的减少值等于所述斜向荷载的竖直分量的增加值。

6.根据权利要求1所述的一种测试节理岩体压剪性能的试验方法，其特征在于：在加载试验过程中，利用监测系统对所述被测试件进行监测，获取所述被测试件在压剪试验过程中的相关参数和信息。

7.根据权利要求6所述的一种测试节理岩体压剪性能的试验方法，其特征在于：在所述加载过程中，实时监测所述被测试件的外部裂隙扩展及破坏过程。

8.根据权利要求6所述的一种测试节理岩体压剪性能的试验方法，其特征在于：在所述加载过程中，实时获取所述被测试件内部损伤产生的声发射信号。

9.根据权利要求6所述的一种测试节理岩体压剪性能的试验方法，其特征在于：在所述加载过程中，实时获取所述被测试件内部裂隙的相对位移变化。

10.根据权利要求6所述的一种测试节理岩体压剪性能的试验方法，其特征在于：在所述加载过程中，获取所述被测试件内部产生破裂及裂纹扩展形态的立体图，以观测所述被测试件内部的破裂形态及裂纹发育发展过程。