CN106442169B - 一种考虑水岩作用的岩土体剪切仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑水岩作用的岩土体剪切仪，在上剪切盒和下剪切盒中设置多孔板，上剪切盒和下剪切盒的内腔均通过多孔板分隔为作用腔和剪切腔，其中作用腔为封闭腔、靠近盒底，剪切腔为敞口腔、靠近盒口；干湿循环系统包括水槽、水泵、进水管、回流管、流量计、进水阀门、调压阀和两组带绝缘套的电热丝，进水管连通于上剪切盒的作用腔、回流管连通于下剪切盒的作用腔，进水管、上剪切盒、下剪切盒、回流管和水槽构成水循环回路，两组带绝缘套的电热丝分别安装于上剪切盒和下剪切盒的作用腔中；本发明对上、下剪切盒进行了改造，可对安装后的岩样进行不同条件的前期处理，避免岩样反复拆卸造成的干扰，便于在试验过程中对岩样进行影响因素分析。

Description

一种考虑水岩作用的岩土体剪切仪

技术领域

本发明涉及一种岩土体剪切仪，具体涉及一种考虑水作为影响因素下的岩土体剪切强度测量仪器，属于岩土工程技术领域。

背景技术

直剪试验是研究岩土体强度特性的常规力学试验之一，是研究岩土体抗剪特性和变形规律的重要手段，抗剪强度参数等试验结果是边坡稳定性分析、矿山开采、隧道、水库等常见地质工程建设设计和施工的重要依据。

岩土体力学试验主要分室内试验和室外试验两种，室内试验简单易行、易于数据的记录与处理因此被广泛应用。但是由于其试验条件过于理想，不能充分反映岩土体现场实际地质环境，往往与岩体实际力学参数往往存在差距。而室外现场试验往往存在成本巨大、操作困难等不利因素。因此，如何在室内试验的基础上更加真实的模拟岩土体所处的实际环境，也成为室内试验仪器发展的方向之一。

土体直剪试验分为大型剪切试验和直剪试验以及环剪试验等。其基本步骤及流程类似：(1)将野外采集的土体样本加工成标准试样，置于特定的剪切盒中并完成固结；(2)对剪切盒施加不同的的轴向应力；(3)以一定加载速率施加剪应力于剪切盒上，并读取岩样的变形值，直至岩样在某一级剪应力下发生破坏，记录这一过程中岩体变形与应力的关系。

水是自然界最活跃的因素，水岩作用对岩土体强度参数的影响不可忽略。水对岩土体的作用方式多种多样，如软化、化学腐蚀、冲刷等。另外，大多数边坡的失稳破坏往往发生的暴雨过程中。对于矿山高边坡、公路铁路边坡岩土体而言，降雨之后在边坡内部沿滑带形成渗流通道，由于多数软弱层的渗透系数较低，使得滑带在原有地应力的影响下，又受到渗透力的影响；对于水库库岸边坡来讲，库水位的改变影响了水库周边环境的地下水位，也同样改变了原岩层的受力状态。因此开发考虑干湿损伤或渗透压作用下的岩土体直剪仪，对于研究水岩作用对岩土体力学性质的影响规律、渗流应力耦合作用规律以及水岩作用下岩土体的物理性能弱化规律都显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种机械结构新颖、变形测量精度高的小型岩土体剪切仪，适用于土及软岩，便于在试验过程中对岩样进行影响因素分析。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种考虑水岩作用的岩土体剪切仪，至少包括反力支架、法向载荷加载部件、剪切载荷加载部件、干湿循环系统以及上下叠放的上剪切盒和下剪切盒，所述上剪切盒和下剪切盒中均设有多孔板，多孔板平行于盒底并且与盒壁固连，上剪切盒和下剪切盒的内腔均通过多孔板分隔为作用腔和剪切腔，其中作用腔为封闭腔、靠近盒底，剪切腔为敞口腔、靠近盒口，所述多孔板为10mm～50mm厚的金属板，多孔板的孔系分布面积小于岩样的端面面积；所述干湿循环系统包括水槽、水泵、进水管、回流管、流量计、进水阀门、调压阀和两组带绝缘套的电热丝，水泵、流量计、进水阀门和调压阀均安装于进水管上，进水管连通于上剪切盒的作用腔、回流管连通于下剪切盒的作用腔，进水管、上剪切盒、下剪切盒、回流管和水槽构成水循环回路，两组带绝缘套的电热丝分别安装于上剪切盒和下剪切盒的作用腔中，电热丝通过外部套设的绝缘套进行隔水密封，上剪切盒和下剪切盒上均设有与作用腔连通的排水排汽孔。

所述反力支架呈框型，由主支架、顶板和底板构成，底板与主支架的下端固连，顶板通过一直线位移机构可滑动地安装于主支架的上端。

主支架上安装有剪切盒支撑臂。

所述剪切载荷加载部件包括剪切千斤顶和滑动机构，滑动机构安装于下剪切盒盒底并且通过滚轮与底板接触，剪切千斤顶上安装有压力表和位移传感器。

所述法向载荷加载部件为法向千斤顶，法向千斤顶作用于上剪切盒的盒底，法向千斤顶上安装有压力表和位移传感器。

还包括控制器，位移传感器连接控制器的输入端，电热丝和水泵均连接控制器的输出端。

所述流量计为电子流量计，回流管上同样安装有电子流量计，两个电子流量计均连接控制器的输入端。

所述调压阀为电动调压阀，电动调压阀与控制器电性连接。

所述水槽的位置低于下剪切盒。

上剪切盒与法向载荷加载部件之间设有盖板。

由上述技术方案可知，本发明提供的考虑水岩作用下的岩土体剪切仪，主体包括两个功能部分，1、剪切单元，对岩样进行剪切试验，包括反力支架、法向载荷加载部件、剪切载荷加载部件、上剪切盒和下剪切盒，本发明中剪切单元采用垂直布置，上剪切盒和下剪切盒上下叠放并且开口相对，分别用于放置岩样上盘和岩样下盘，法向载荷加载部件即法向千斤顶沿竖直方向安装于反力支架上并且与上剪切盒连接，用于施加法向载荷，法向载荷的方向沿竖直方向，剪切载荷加载部件包括剪切千斤顶和滑动机构，剪切千斤顶沿水平方向安装并且与下剪切盒连接，用于施加剪切载荷，剪切载荷的方向沿水平方向，反力支架为法向载荷和剪切载荷加载提供反力，滑动机构安装于下剪切盒底部并且与反力支架接触，滑动机构在剪切方向上无约束，因此滑动机构沿水平方向的位移即为岩样剪切的变形量；2、干湿循环系统，用于对岩样进行干湿循环以及剪切过程中渗透力的施加，包括水槽、水泵、进水管、回流管、流量计、进水阀门、调压阀和两组带绝缘套的电热丝，不同于现有外置式干湿循环系统，本发明通过对剪切盒的结构进行改进，构成内置式干湿循环系统，上剪切盒和下剪切盒中均设置多孔板，通过多孔板将上剪切盒和下剪切盒的内腔均分隔为作用腔和剪切腔，其中作用腔为封闭腔、靠近盒底，用于渗透饱和和烘干处理，剪切腔为敞口腔、靠近盒口，用于放置岩样，多孔板采用10mm～50mm厚的金属板，具有较高的强度，抗变形能力较强，能够将法向载荷传递给岩样，多孔板的孔系分布面积小于岩样的端面面积，试验时岩样端面与多孔板紧密接触，自动密封作用腔，避免上剪切盒作用腔中的液体流出，确保下剪切盒作用腔中的液体均为岩样的渗透液，进水管连通于上剪切盒的作用腔、回流管连通于下剪切盒的作用腔，进水管、上剪切盒、下剪切盒、回流管和水槽构成水循环回路，模拟地下水对岩样的渗透，通过调节调压阀可以设置所需渗透压力，通过流量计可以读出渗流量的大小，两组带绝缘套的电热丝分别安装于上剪切盒和下剪切盒的作用腔中，由于多孔板为金属板，导热性能好，通过金属板加热岩样进而烘干岩样，上剪切盒和下剪切盒上设置与作用腔连通的排水排汽孔，用于烘干时排出残余液体并且排出热蒸汽。

反力支架呈框型，由主支架、顶板和底板构成，底板与主支架的下端固连，顶板通过一直线位移机构可滑动地安装于主支架的上端，以适应不同高度的岩样；主支架上安装剪切盒支撑臂，辅助固定上剪切盒；通过控制器采集各电气元件的信息并智能控制水泵和电热丝电路通断，以实现自动运行和自动记录数据；由于上剪切盒靠近盒底的空间为空腔，为保证法向载荷加载时上剪切盒不被破坏，本发明在上剪切盒与法向载荷加载部件之间设置盖板，通过盖板均匀传递法向载荷，保护上剪切盒。

与现有技术相比，本发明提供的考虑水岩作用的岩土体剪切仪的优点如下：

(1)本发明提供的考虑水岩作用的岩土体剪切仪对上、下剪切盒进行了改造，形成内置式干湿循环系统，可对安装后的岩样进行不同条件的前期处理，避免了岩样的反复拆卸造成的干扰；

(2)本发明提供的岩土体剪切仪机械结构简单、易于调节，利用干湿循环系统，可以进行不同条件的下的岩土体剪切试验；

(3)本发明提供的岩土体剪切仪具有造价低廉、结构紧凑的特点，操作方便，适用于岩土工程类学生开展软岩、土、结构面等岩土材料的室内直剪试验。

附图说明

图1为本发明提供的考虑水岩作用的岩土体剪切仪的结构示意图。

其中，1-顶板，2-主支架，3-盖板，4-多孔板，5-剪切盒支撑臂6-上剪切盒，7-剪切千斤顶，8-下剪切盒，9-滑动机构，10-法向千斤顶，11-进水管，12-流量计，13-调压阀，14-进水阀门，15-水泵，16-水槽，17-回流管，18-带绝缘套的电热丝，19-底板，20-排水排汽孔，21-直线位移机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

本发明提供的考虑水岩作用的岩土体剪切仪，其结构如图1所示，包括反力支架、法向载荷加载部件、剪切载荷加载部件、干湿循环系统、控制器以及上下叠放的上剪切盒6和下剪切盒8，所述反力支架呈框型，由主支架2、顶板1和底板19构成，底板与主支架的下端固连，顶板通过一直线位移机构21可滑动地安装于主支架的上端，直线位移机构21可采用直线滑道和限位装置，主支架上安装有剪切盒支撑臂5；

所述剪切载荷加载部件包括剪切千斤顶7和滑动机构9，滑动机构9安装于下剪切盒8盒底并且通过滚轮与底板19接触，剪切千斤顶上安装有压力表和位移传感器；所述法向载荷加载部件为法向千斤顶10，上剪切盒6与法向载荷加载部件之间设有盖板3，法向千斤顶通过盖板3作用于上剪切盒6的盒底，法向千斤顶上同样安装有压力表和位移传感器，两个位移传感器均连接控制器的输入端；

所述上剪切盒6和下剪切盒8中均设有多孔板4，多孔板平行于盒底并且与盒壁固连，上剪切盒6和下剪切盒8的内腔均通过多孔板4分隔为作用腔和剪切腔，其中作用腔为封闭腔、靠近盒底，剪切腔为敞口腔、靠近盒口，所述多孔板4为10mm～50mm厚的金属板，多孔板的孔系分布面积小于岩样的端面面积；

所述干湿循环系统包括水槽16、水泵15、进水管11、回流管17、流量计12、进水阀门14、调压阀13和两组带绝缘套的电热丝18，流量计12设有两个、分别安装于进水管11和回流管17上，用于检测渗流量的大小，两个流量计12均为电子流量计并且均连接控制器的输入端，调压阀为电动调压阀、与控制器电性连接，水泵、进水阀门和调压阀均安装于进水管上，进水管连通于上剪切盒6的作用腔、回流管连通于下剪切盒8的作用腔，进水管11、上剪切盒6、下剪切盒8、回流管17和水槽16构成水循环回路，水槽16的位置低于下剪切盒8，便于渗流水直接回流入水槽中；

两组带绝缘套的电热丝18分别安装于上剪切盒6和下剪切盒8的作用腔中，电热丝通过外部套设的绝缘套进行隔水密封，电热丝和水泵均连接控制器的输出端，上剪切盒6和下剪切盒8上均设有与作用腔连通的排水排汽孔20，排水排汽孔20均位于作用腔的底部，便于直接排出作用腔中残余液体。

使用该岩土体剪切流变仪进行直剪试验的操作方法如下：

1、渗透压作用下的直剪试验：

将岩样置于剪切盒之后，首先将进水阀门打开，通过水泵抽水将上剪切盒上部作用腔充满，然后通过调节调压阀使得渗透压力维持在设定水平；通过法向千斤顶施加预定竖直方向轴向应力，待压力表数值稳定时，然后在下剪切盒的左方，通过剪切千斤顶慢慢施加剪切应力，其剪切应力大小应逐渐增大，最后直至试样破坏，试验过程结束，全过程记录施加的轴向应力、剪切应力以及试样相对位移的大小。

通过设定不同的渗透压力，重复上述工作，可得到干湿循环作用下对岩土体物理性质的劣化规律。

2.剪切过程中渗透性的测量：

岩土体在变形过程中渗透性的影响是渗流应力耦合研究的重要内容，这一方面的研究往往集中在理论方面，相应的试验仪器较少。本发明可将试验样品安装好后，在剪切过程中，记录渗透压下渗流量的大小，根据具体样本尺寸，可反算出剪切变形过程中渗透系数的变化情况。

3.岩样干湿循环试验：

岩土体在经历不同次数的干湿循环之后，自身的强度特性必然会受到影响。在安装好试样之后，对其进行饱和渗透，将作用腔中的水排出后通过两组带绝缘套的电热丝进行烘干处理，达到预定的干湿循环次数之后，直接对岩样进行剪切试验。由于干湿循环在岩样安装好之后进行，避免了反复拆装对岩样的扰动，提高试验的可靠性。

Claims (10)

1.一种考虑水岩作用的岩土体剪切仪，至少包括反力支架、法向载荷加载部件、剪切载荷加载部件、干湿循环系统以及上下叠放的上剪切盒和下剪切盒，其特征在于：所述上剪切盒和下剪切盒中均设有多孔板，多孔板平行于盒底并且与盒壁固连，上剪切盒和下剪切盒的内腔均通过多孔板分隔为作用腔和剪切腔，其中作用腔为封闭腔、靠近盒底，剪切腔为敞口腔、靠近盒口，所述多孔板为10mm～50mm厚的金属板，多孔板的孔系分布面积小于岩样的端面面积；所述干湿循环系统包括水槽、水泵、进水管、回流管、流量计、进水阀门、调压阀和两组带绝缘套的电热丝，水泵、流量计、进水阀门和调压阀均安装于进水管上，进水管连通于上剪切盒的作用腔、回流管连通于下剪切盒的作用腔，进水管、上剪切盒、下剪切盒、回流管和水槽构成水循环回路，两组带绝缘套的电热丝分别安装于上剪切盒和下剪切盒的作用腔中，电热丝通过外部套设的绝缘套进行隔水密封，上剪切盒和下剪切盒上均设有与作用腔连通的排水排汽孔。

2.根据权利要求1所述的考虑水岩作用的岩土体剪切仪，其特征在于：所述反力支架呈框型，由主支架、顶板和底板构成，底板与主支架的下端固连，顶板通过一直线位移机构可滑动地安装于主支架的上端。

3.根据权利要求2所述的考虑水岩作用的岩土体剪切仪，其特征在于：主支架上安装有剪切盒支撑臂。

4.根据权利要求2所述的考虑水岩作用的岩土体剪切仪，其特征在于：所述剪切载荷加载部件包括剪切千斤顶和滑动机构，滑动机构安装于下剪切盒盒底并且通过滚轮与底板接触，剪切千斤顶上安装有压力表和位移传感器。

5.根据权利要求1所述的考虑水岩作用的岩土体剪切仪，其特征在于：所述法向载荷加载部件为法向千斤顶，法向千斤顶作用于上剪切盒的盒底，法向千斤顶上安装有压力表和位移传感器。

6.根据权利要求4或5所述的考虑水岩作用的岩土体剪切仪，其特征在于：还包括控制器，位移传感器连接控制器的输入端，电热丝和水泵均连接控制器的输出端。

7.根据权利要求6所述的考虑水岩作用的岩土体剪切仪，其特征在于：所述流量计为电子流量计，回流管上同样安装有电子流量计，两个电子流量计均连接控制器的输入端。

8.根据权利要求6所述的考虑水岩作用的岩土体剪切仪，其特征在于：所述调压阀为电动调压阀，电动调压阀与控制器电性连接。

9.根据权利要求1所述的考虑水岩作用的岩土体剪切仪，其特征在于：所述水槽的位置低于下剪切盒。

10.根据权利要求1所述的考虑水岩作用的岩土体剪切仪，其特征在于：上剪切盒与法向载荷加载部件之间设有盖板。