CN107024396A - 一种岩石原位抗剪强度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种岩石原位抗剪强度测试装置及方法，适用于对岩石检测领域使用。包括剪切测头，剪切测头，剪切测头尾端设有剪应力加载拉杆，剪切测头通过油路连接有设在台阶状钻孔外的伺服油泵，剪应力加载拉杆尾端顺序设有钻孔孔口挡板、剪应力加载千斤顶和，将剪应力加载千斤顶和钻孔孔口挡板挤压固定在钻孔口的岩石上，剪应力加载拉杆尾端和钻孔孔口挡板之间设有剪切位移测试装置，伺服油泵和剪切位移测试装置通过线路连接有应力‑位移数据采集及显示系统，利用剪切测头对钻孔施加剪切力，利用摩尔库伦强度准则回归拟合得到测试对象的内聚力和内摩擦角。其结构简单，测试准确，可以全程监测拉拔过程的位移值。

Description

一种岩石原位抗剪强度测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种强度测量装置及方法，尤其适用于针对岩石剪切强度研究中使用的岩石原位抗剪强度测量装置及方法。

背景技术

岩石原位抗剪强度是进行岩土工程设计的重要基础参数。岩石原位抗剪强度测试是进行工程岩体稳定性评估，实现岩土工程开挖、支护设计的必要先决条件。

目前，岩石原位抗剪强度的测试方法主要为原位剪切试验法，原位剪切试验法主要存在以下缺点：

①测试对象尺寸大，现场测试前需要人工挖、凿出待测立方体试样，准备过程复杂；

②测试对象虽为现场岩体，但经过人工挖、凿后已经与周围岩体孤立，失去了原位的应力状态，且由于卸荷作用，测试对象内部会产生大量损伤，造成测试对象强度测试不准确；

③测试周期长、价格昂贵，由于原位直剪试验在现场调用仪器包括千斤顶、液压缸、刚性支柱、位移计等，有的位置不满足反力条件要另外准备堆载载荷，因此该方法准备过程复杂，涉及仪器多且零散，人员多，时间长，造价昂贵。

近年来出现了在钻孔内测试岩石原位抗剪强度的装置及方法，比较著名的是美国爱荷华大学研制的岩石钻孔剪切试验(RBST/rock borehole shear test)装置及方法，该装置具有结构紧凑、便于携带、操作简单等优点，在岩土工程中有了较为广泛的应用。但该装置主要具有以下缺点：

①该装置与方法施加剪切力和法向力的构件集中在一块压头上，测试时施加法向力将压头上1mm高度的凸起部分压入岩石内并继续施加法向力直至设计值，然后通过张拉钻孔外与钻孔内剪切头拉杆相连接的千斤顶施加剪切力，压头向钻孔外移动,压头上的凸起剪切岩石完成剪切，而此时向钻孔外方向(即剪切方向)上与受到剪切的岩石毗邻的岩石此时会产生阻挡作用，从而导致剪切力测试结果偏大；

②该装置与方法的压头上施加剪切力的凸起仅有1mm高，若遇到钻孔孔壁岩石破碎或者变形时，无法有效插入岩石中，极易导致测试结果不准确；

③该装置与方法是基于摩尔库伦准则的，即抗剪强度与法向力之间的关系为线性，但该装置和方法测试时并未对法向力的施加范围进行规定。如果实际施加的法向力过高，将导致法向力与剪应力之间的关系出现非线性，从而导致测试获得的内聚力和内摩擦角出现误差；

④该装置与方法监测法向力及剪切力的压力仪表为机械式，最小分辨率为0.5MPa，另外测试时人工通过手摇油泵施加法向力和剪切力，两个方面导致人工读数时误差较大；

⑤该装置与方法仅能测试剪切应力，无法测试剪切位移，因此无法得到剪应力-剪应变曲线。

发明内容

技术问题：针对现有技术的不足之处，提供一种结构简单，使用方便，有效避免了现有岩石原位强度钻孔剪切测试法的缺点，能够适应破碎岩石，并可以取得测试全过程剪应力-剪应变曲线的岩石原位抗剪强度测量装置及方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的岩石原位抗剪强度测量装置，包括设置在被测岩石上台阶状钻孔孔底的剪切测头，剪切测头上设有法向力和剪切力加载装置，剪切测头尾端设有剪应力加载拉杆，剪切测头通过油路连接有设在台阶状钻孔外的伺服油泵，剪应力加载拉杆尾端顺序设有钻孔孔口挡板、剪应力加载千斤顶和剪应力加载千斤顶锁定螺母，通过剪应力加载千斤顶锁定螺母将剪应力加载千斤顶和钻孔孔口挡板挤压固定在钻孔口的岩石上，剪应力加载千斤顶上设有剪应力加载千斤顶加压油管和剪应力加载千斤顶卸压油管，剪应力加载拉杆尾端和钻孔孔口挡板之间设有剪切位移测试装置，伺服油泵和剪切位移测试装置通过线路连接有应力-位移数据采集及显示系统，所述应力-位移数据采集及显示系统为PC电脑。

所述法向力和剪切力加载装置包括设置在剪切测头内设有多个径向设置的油缸，油缸包括对称设置的剪应力加载板油缸和法向力加载板油缸，剪应力加载板油缸和法向力加载板油缸连接有剪切测头油路，剪应力加载板油缸上设有剪应力加载板，法向力加载板油缸上设有法向力加载板；所述剪应力加载板为丁字形结构，法向力加载板长方体结构，顶部与钻孔接触的一面为与钻孔曲率相同的曲面；剪切测头上设有剪切测头限位挡板，剪切测头通过剪切测头限位挡板将剪切测头上的剪应力加载板和法向力加载板固定在台阶状钻孔底部的阶梯钻孔中。

所述剪切测头油路通过油管穿过钻孔孔口挡板上的通孔延伸出台阶状钻孔与伺服油泵相连接，油管包括剪应力加载板加压油管、剪应力加载板卸压油管、法向力加载板加压油管、法向力加载板卸压油管，其中剪应力加载板加压油管和剪应力加载板卸压油管分别与剪应力加载板油缸相连接，控制剪应力加载板油缸膨胀收缩；法向力加载板加压油管和法向力加载板卸压油管分别与法向力加载板油缸相连接，控制法向力加载板油缸膨胀收缩。

剪应力加载拉杆包括多个剪应力加载拉杆连接头，两个剪应力加载拉杆连接头之间通过剪应力加载拉杆锁止螺母连接紧固。

所述剪切位移测试装置包括剪切位移测试支架，剪切位移测试支架上设有多个剪切位移测试支架姿态调整阀门，剪切位移测试支架与钻孔孔口挡板之间设有位移计。

一种岩石原位抗剪强度测量方法，其步骤如下：

a.利用钻机和台阶状钻头在被测岩石上施工台阶状钻孔，从而在大钻孔顶端同心处形成小钻孔；

b.利用应力-位移数据采集及显示系统控制伺服油泵通过剪应力加载板卸压油管和法向力加载板卸压油管将剪切测头上的剪应力加载板和法向力加载板收缩起来，利用剪应力加载拉杆将剪切测头送入台阶状钻孔底部的小钻孔中，并在剪应力加载拉杆顺序安装钻孔孔口挡板和剪应力加载千斤顶，并通过剪应力加载千斤顶锁定螺母挤压钻孔孔口挡板固定在钻孔口的岩石上，在应力加载拉杆上安装切位移测试支架，并在切位移测试支架与钻孔孔口挡板之间安装位移计；

c.利用应力-位移数据采集及显示系统控制伺服油泵根据实验要求输出预设的压力，伺服油泵通过剪应力加载板加压油管和法向力加载板加压油管控制剪应力加载板油缸和法向力加载板油缸将剪应力加载板和法向力加载板膨胀伸出从而顶住台阶状钻孔的小钻孔侧壁，将伺服油泵根据实验要求输出的压力转换为向小钻孔侧壁施加的法向力和剪切力；

d.将伺服油泵输出的压力数据生成压力曲线，利用压力曲线确定岩石单轴抗压强度，将岩石单轴抗压强度的一半确定为后续剪切试验法向力最大加载范围，锁定剪应力加载板加压油管供应给剪应力加载板油缸的压力；

e.将剪切试验法向力最大加载压力范围平均分为4个等级，以此作为后续剪切试验法向力施加等级；

f.利用应力-位移数据采集及显示系统通过伺服油泵控制法向力加载板向岩石岩壁施加第一级法向力，同时应力-位移数据采集及显示系统实时采集法向力加载板上的压力信息，待达到第一级法向力且稳定后，控制伺服油泵锁定法向力加载板加压油管压力；

g.应力-位移数据采集及显示系统通过伺服油泵张拉剪应力加载千斤顶，通过剪应力加载千斤顶拖动剪应力加载拉杆拖拽剪切测头，同时应力-位移数据采集及显示系统利用位移计采集和显示剪切测头的剪应力及剪切位移数据，直至剪切测头被拽出台阶状钻孔的小孔后停止剪切，存储测试数据；

h.应力-位移数据采集及显示系统通过伺服油泵分别控制剪应力加载千斤顶进行卸压复位，同时控制法向力加载板和剪应力加载板进行卸压复位；

i.调整剪切测头在台阶状钻孔中的位置，继续控制法向力加载板向小钻孔岩壁施加剩余的三个等级的法向力条件下剪应力值，并存储测试数据；

j.将以上测试得到的四组测试数据放在以法向力为横轴、以剪应力为纵轴的图中进行线性拟合，拟合直线的截矩即为测试岩石的内聚力，拟合直线与横轴的夹角即为测试岩石的内摩擦角。

检测法向力加载板向小钻孔岩壁施加剩余的三个等级的法向力条件下剪应力值的方法为：将剪切测头塞入小钻孔中，并在小钻孔孔内沿顺时针方向旋转45°，重复步骤c、f、g、h完成第二等级法向力条件下的剪切试验，重复本步骤完成第三和第四等级法向力条件下的剪切试验。

检测法向力加载板向小钻孔岩壁施加剩余的三个等级的法向力条件下剪应力值的方法为：将台阶状钻孔内所有设备移出，沿原钻孔向深部继续钻进形成新的台阶钻孔后，重复步骤b、c、f、g、h完成第二等级法向力条件下的剪切试验，重复以上步骤完成第三和第四等级法向力条件下的剪切试验。

伺服油泵通过控制剪应力加载板加压油管控制剪应力加载板匀速施加压力直至剪应力加载板刺入岩石内的深度为L1，期间其余油管均为闭合状态，同时利用应力-位移数据采集及显示系统实时采集剪应力加载板压力数据曲线。

有益效果：

①利用台阶状钻孔检测被测岩石上的剪切力，有效避免受剪岩石毗邻岩石的阻挡作用导致的剪应力测试结果偏大；

②利用剪应力加载板刺入被测岩石，有效测试被测岩石的单轴抗压强度，从而确定被测岩石的法向力加载等级；

③利用伺服油泵控制剪应力加载板和法向力加载板向钻孔壁均匀准确施加法向力、剪应力，避免了人工通过手摇油泵施加法向力和剪切力造成的应力不稳定。

④利用应力-位移数据采集及显示系统采集存储试验数据，避免人为读取机械表数据时产生的误差；

⑤在孔口设置位移计，可以全程监测拉拔过程的位移值，结合应力-位移数据采集及显示系统采集的剪应力数据，生成测试全过程剪应力-剪应变曲线。

其方法操作简单，环境适应性强，成本低，可有效避免目前岩石钻孔剪切法剪切测试岩石毗邻岩石的阻挡导致剪切应力测试结果偏大、法向力范围无法确定、剪切凸起高度低无法适应破碎岩石以及无法取得测试全过程剪应力-剪应变曲线等问题。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2(a)是本发明的剪应力加载板结构的正视图；

图2(b)是本发明的剪应力加载板结构的侧视图；

图2(c)是本发明的剪应力加载板结构的俯视图；

图3(a)是本发明的法向力加载板结构正视图；

图3(b)是本发明的法向力加载板结构侧视图；

图3(c)是本发明的法向力加载板结构俯视图。

图中：1-岩石；2-台阶状钻孔；3-剪切测头；31-剪应力加载板；32-剪应力加载板油缸；33-法向力加载板；34-法向力加载板油缸；35-剪切测头油路；41-剪应力加载板加压油管；42-剪应力加载板卸压油管；43-法向力加载板加压油管；44-法向力加载板卸压油管；5-剪应力加载拉杆；51-剪应力加载拉杆连接头；52-剪应力加载拉杆锁止螺母；6-剪应力加载千斤顶；61-剪应力加载千斤顶加压油管；62-剪应力加载千斤顶卸压油管；7-剪切位移测试支架；71-剪切位移测试支架姿态调整阀门；72-位移计；73-位移计信号线；8-钻孔孔口挡板；9-伺服油泵；91-法向力信号传输线；92-剪应力信号传输线；93-剪应力加载板压入信号传输线；10-应力-位移数据采集及显示系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的说明：

如图1所示，岩石原位抗剪强度测量装置，包括设置在被测岩石1上台阶状钻孔2孔底的剪切测头3，剪切测头3上设有法向力和剪切力加载装置，所述法向力和剪切力加载装置包括设置在剪切测头3内设有多个径向设置的油缸，油缸包括对称设置的剪应力加载板油缸32和法向力加载板油缸34，剪应力加载板油缸32和法向力加载板油缸34连接有剪切测头油路35，剪应力加载板油缸32上设有剪应力加载板31，法向力加载板油缸34上设有法向力加载板33；所述剪应力加载板31为丁字形结构，法向力加载板33长方体结构，顶部与钻孔接触的一面为与钻孔曲率相同的曲面；；剪切测头3上设有剪切测头限位挡板36，剪切测头3通过剪切测头限位挡板36将剪切测头3上的剪应力加载板31和法向力加载板33固定在台阶状钻孔2底部的阶梯钻孔中；所述剪切测头油路35通过油管穿过钻孔孔口挡板8上的通孔延伸出台阶状钻孔2与伺服油泵9相连接，油管包括剪应力加载板加压油管41、剪应力加载板卸压油管42、法向力加载板加压油管43、法向力加载板卸压油管44，其中剪应力加载板加压油管41和剪应力加载板卸压油管42分别与剪应力加载板油缸32相连接，控制剪应力加载板油缸32膨胀收缩；法向力加载板加压油管43和法向力加载板卸压油管44分别与法向力加载板油缸34相连接，控制法向力加载板油缸34膨胀收缩。

剪切测头3尾端设有剪应力加载拉杆5，剪切测头3通过油路连接有设在台阶状钻孔2外的伺服油泵9，剪应力加载拉杆5尾端顺序设有钻孔孔口挡板8、剪应力加载千斤顶6和剪应力加载千斤顶锁定螺母53，通过剪应力加载千斤顶锁定螺母53将剪应力加载千斤顶6和钻孔孔口挡板8挤压固定在钻孔口的岩石1上，剪应力加载千斤顶6上设有剪应力加载千斤顶加压油管61和剪应力加载千斤顶卸压油管62，剪应力加载拉杆5尾端和钻孔孔口挡板8之间设有剪切位移测试装置，剪应力加载拉杆5包括多个剪应力加载拉杆连接头51，两个剪应力加载拉杆连接头51之间通过剪应力加载拉杆锁止螺母52连接紧固，伺服油泵9和剪切位移测试装置通过线路连接有应力-位移数据采集及显示系统10，所述应力-位移数据采集及显示系统10为PC电脑，所述剪切位移测试装置包括剪切位移测试支架7，剪切位移测试支架7上设有多个剪切位移测试支架姿态调整阀门71，剪切位移测试支架7与钻孔孔口挡板8之间设有位移计72。

所述线路包括连接剪切位移测试支架姿态调整阀门72和PC电脑的位移计信号线71、以及分别连接PC电脑和伺服油泵的法向力信号传输线91、剪应力信号传输线92和剪应力加载板压入信号传输线93

一种岩石原位抗剪强度测量方法，其步骤如下：

a.利用钻机和台阶状钻头在被测岩石1上施工台阶状钻孔2，从而在大钻孔顶端同心处形成小钻孔；

b.利用应力-位移数据采集及显示系统10控制伺服油泵9通过剪应力加载板卸压油管42和法向力加载板卸压油管44将剪切测头3上的剪应力加载板31和法向力加载板33收缩起来，利用剪应力加载拉杆5将剪切测头3送入台阶状钻孔2底部的小钻孔中，并在剪应力加载拉杆5顺序安装钻孔孔口挡板8和剪应力加载千斤顶6，并通过剪应力加载千斤顶锁定螺母53挤压钻孔孔口挡板8固定在钻孔口的岩石1上，在应力加载拉杆5上安装切位移测试支架7，并在切位移测试支架7与钻孔孔口挡板8之间安装位移计72；

c.利用应力-位移数据采集及显示系统10控制伺服油泵9根据实验要求输出预设的压力，伺服油泵9通过剪应力加载板加压油管41和法向力加载板加压油管43控制剪应力加载板油缸32和法向力加载板油缸34将剪应力加载板31和法向力加载板33膨胀伸出从而顶住台阶状钻孔2的小钻孔侧壁，将伺服油泵9根据实验要求输出的压力转换为向小钻孔侧壁施加的法向力和剪切力；

d.将伺服油泵9输出的压力数据生成压力曲线，利用多次试验获取伺服油泵9输出的压力与岩石单轴抗压强度的关系，之后利用压力曲线确定岩石单轴抗压强度，将岩石单轴抗压强度的一半确定为后续剪切试验法向力最大加载范围，锁定剪应力加载板加压油管41供应给剪应力加载板油缸32的压力；

e.将剪切试验法向力最大加载压力范围平均分为4个等级，以此作为后续剪切试验法向力施加等级；

f.利用应力-位移数据采集及显示系统10通过伺服油泵9控制法向力加载板33向岩石1岩壁施加第一级法向力，同时应力-位移数据采集及显示系统实时采集法向力加载板33上的压力信息，待达到第一级法向力且稳定后，控制伺服油泵9锁定法向力加载板加压油管43压力；

g.应力-位移数据采集及显示系统10通过伺服油泵9张拉剪应力加载千斤顶6，通过剪应力加载千斤顶6拖动剪应力加载拉杆5拖拽剪切测头3，同时应力-位移数据采集及显示系统10利用位移计72采集和显示剪切测头3的剪应力及剪切位移数据，直至剪切测头3被拽出台阶状钻孔2的小孔后停止剪切，存储测试数据；

h.应力-位移数据采集及显示系统10通过伺服油泵9分别控制剪应力加载千斤顶6进行卸压复位，同时控制法向力加载板33和剪应力加载板31进行卸压复位；

i.调整剪切测头3在台阶状钻孔2中的位置，继续控制法向力加载板33向小钻孔岩壁施加剩余的三个等级的法向力条件下剪应力值，并存储测试数据；

其具体方法为：将剪切测头3塞入小钻孔中，并在小钻孔孔内沿顺时针方向旋转45°，或者将台阶状钻孔2内所有设备移出，沿原钻孔向深部继续钻进形成新的台阶钻孔2后，重复步骤c、f、g、h完成第二等级法向力条件下的剪切试验，重复本步骤完成第三和第四等级法向力条件下的剪切试验；

j.将以上测试得到的四组测试数据放在以法向力为横轴、以剪应力为纵轴的图中进行线性拟合，拟合直线的截矩即为测试岩石1的内聚力，拟合直线与横轴的夹角即为测试岩石1的内摩擦角。

如图2a、图2b、图2c所示，剪应力加载板31高度为L1，宽度为L2，厚度为L4。

如图3a、图3b、图3c所示，法向力加载板33高度为L1，宽度为L2，厚度为L3。

伺服油泵9通过控制剪应力加载板加压油管41控制剪应力加载板31匀速施加压力直至剪应力加载31板刺入岩石内的深度为L1，期间其余油管均为闭合状态，同时利用应力-位移数据采集及显示系统10实时采集剪应力加载板31压力数据曲线。

工作流程：

(1)使用安装有台阶状钻头的钻机在岩石1内部施工台阶状钻孔2；

(2)台阶状钻孔2施工完毕后，测试系统按照图1所示组装；

(3)通过伺服油泵9、剪应力加载板加压油管41、剪切测头油路35、剪应力加载板油缸32向剪应力加载板31匀速施加压力直至剪应力加载板31刺入岩石内深度为L1，期间其余油管均为闭合状态，同时利用应力、位移数据采集及显示系统10实时采集剪应力加载板31压力数据曲线；

(4)根据步骤(3)中得到的压力数据曲线与岩石单轴抗压强度的关系确定岩石单轴抗压强度，并以此确定后续剪切试验法向力最大加载范围为岩石单轴抗压强度的一半，锁定剪应力加载板加压油管41压力；

(5)将剪切试验法向力最大加载范围平均分为4个等级，以此作为后续剪切试验法向力施加等级；

(6)关闭剪应力加载板加压油管41，通过伺服油泵9、法向力加载板加压油管43、剪切测头油路35、法向力加载板油缸34以及法向力加载板33向岩石施加第一级法向力，同时利用应力、位移数据采集及显示系统10实时采集法向力加载板33压力，待达到第一级法向力且稳定后，锁定法向力加载板加压油管43压力；

(7)通过伺服油泵9、剪应力加载千斤顶加压油管61张拉剪应力加载千斤顶6，同时利用位移计72以及应力、位移数据采集及显示系统10实时采集和显示剪应力及剪切位移数据。当剪切位移达到L3时或剪应力降低至峰值强度的20％以下时停止剪切，存储测试数据；

(8)通过伺服油泵9以及剪应力加载千斤顶卸压油管62对剪应力加载千斤顶6进行卸压复位，通过伺服油泵9以及法向力加载板卸压油管44对法向力加载板油缸34和法向力加载板33进行卸压复位，通过伺服油泵9以及剪应力加载板卸压油管42对剪应力加载板油缸32和剪应力加载板31进行卸压复位；

(9)有2种方法测试剩余的3个等级的法向力条件下剪应力值。第一种方法是：将剪切测头3在孔内沿顺时针方向旋转45°，重复步骤(3)、步骤(6)、步骤(7)、步骤(8)完成第二等级法向力条件下的剪切试验，重复以上步骤完成第三和第四等级法向力条件下的剪切试验；第二种方法是：将钻孔内所有设备移出，沿原钻孔向深部继续钻进L3+L4+L5的长度，重复步骤(2)、步骤(3)、步骤(6)、步骤(7)、步骤(8)完成第二等级法向力条件下的剪切试验，重复以上步骤完成第三和第四等级法向力条件下的剪切试验；

(10)将以上测试得到的4组测试数据放在以法向力为横轴、以剪应力为纵轴的图中进行线性拟合，拟合直线的截矩即为测试岩石的内聚力，拟合直线与横轴的夹角即为测试岩石的内摩擦角。

Claims (9)

1.一种岩石原位抗剪强度测量装置，其特征在于：它包括设置在被测岩石(1)上台阶状钻孔(2)孔底的剪切测头(3)，剪切测头(3)上设有法向力和剪切力加载装置，剪切测头(3)尾端设有剪应力加载拉杆(5)，剪切测头(3)通过油路连接有设在台阶状钻孔(2)外的伺服油泵(9)，剪应力加载拉杆(5)尾端顺序设有钻孔孔口挡板(8)、剪应力加载千斤顶(6)和剪应力加载千斤顶锁定螺母(53)，通过剪应力加载千斤顶锁定螺母(53)将剪应力加载千斤顶(6)和钻孔孔口挡板(8)挤压固定在钻孔口的岩石(1)上，剪应力加载千斤顶(6)上设有剪应力加载千斤顶加压油管(61)和剪应力加载千斤顶卸压油管(62)，剪应力加载拉杆(5)尾端和钻孔孔口挡板(8)之间设有剪切位移测试装置，伺服油泵(9)和剪切位移测试装置通过线路连接有应力-位移数据采集及显示系统(10),所述应力-位移数据采集及显示系统(10)为PC电脑。

2.根据权利要求1所述的岩石原位抗剪强度测量装置，其特征在于：所述法向力和剪切力加载装置包括设置在剪切测头(3)内设有多个径向设置的油缸，油缸包括对称设置的剪应力加载板油缸(32)和法向力加载板油缸(34)，剪应力加载板油缸(32)和法向力加载板油缸(34)连接有剪切测头油路(35)，剪应力加载板油缸(32)上设有剪应力加载板(31)，法向力加载板油缸(34)上设有法向力加载板(33)；所述剪应力加载板(31)为丁字形结构，法向力加载板(33)长方体结构，顶部与钻孔接触的一面为与钻孔曲率相同的曲面；；剪切测头(3)上设有剪切测头限位挡板(36)，剪切测头(3)通过剪切测头限位挡板(36)将剪切测头(3)上的剪应力加载板(31)和法向力加载板(33)固定在台阶状钻孔(2)底部的阶梯钻孔中。

3.根据权利要求2所述的岩石原位抗剪强度测量装置，其特征在于：所述剪切测头油路(35)通过油管穿过钻孔孔口挡板(8)上的通孔延伸出台阶状钻孔(2)与伺服油泵(9)相连接，油管包括剪应力加载板加压油管(41)、剪应力加载板卸压油管(42)、法向力加载板加压油管(43)、法向力加载板卸压油管(44)，其中剪应力加载板加压油管(41)和剪应力加载板卸压油管(42)分别与剪应力加载板油缸(32)相连接，控制剪应力加载板油缸(32)膨胀收缩；法向力加载板加压油管(43)和法向力加载板卸压油管(44)分别与法向力加载板油缸(34)相连接，控制法向力加载板油缸(34)膨胀收缩。

4.根据权利要求1所述的岩石原位抗剪强度测量装置，其特征在于：剪应力加载拉杆(5)包括多个剪应力加载拉杆连接头(51)，两个剪应力加载拉杆连接头(51)之间通过剪应力加载拉杆锁止螺母(52)连接紧固。

5.根据权利要求1所述的岩石原位抗剪强度测量装置，其特征在于：所述剪切位移测试装置包括剪切位移测试支架(7)，剪切位移测试支架(7)上设有多个剪切位移测试支架姿态调整阀门(71)，剪切位移测试支架(7)与钻孔孔口挡板(8)之间设有位移计(72)。

6.一种使用权利要求书1所述装置的岩石原位抗剪强度测量方法，其特征在于步骤如下：

a.利用钻机和台阶状钻头在被测岩石(1)上施工台阶状钻孔(2)，从而在大钻孔顶端同心处形成小钻孔；

b.利用应力-位移数据采集及显示系统(10)控制伺服油泵(9)通过剪应力加载板卸压油管(42)和法向力加载板卸压油管(44)将剪切测头(3)上的剪应力加载板(31)和法向力加载板(33)收缩起来，利用剪应力加载拉杆(5)将剪切测头(3)送入台阶状钻孔(2)底部的小钻孔中，并在剪应力加载拉杆(5)顺序安装钻孔孔口挡板(8)和剪应力加载千斤顶(6)，并通过剪应力加载千斤顶锁定螺母(53)挤压钻孔孔口挡板(8)固定在钻孔口的岩石(1)上，在应力加载拉杆(5)上安装切位移测试支架(7)，并在切位移测试支架(7)与钻孔孔口挡板(8)之间安装位移计(72)；

c.利用应力-位移数据采集及显示系统(10)控制伺服油泵(9)根据实验要求输出预设的压力，伺服油泵(9)通过剪应力加载板加压油管(41)和法向力加载板加压油管(43)控制剪应力加载板油缸(32)和法向力加载板油缸(34)将剪应力加载板(31)和法向力加载板(33)膨胀伸出从而顶住台阶状钻孔(2)的小钻孔侧壁，将伺服油泵(9)根据实验要求输出的压力转换为向小钻孔侧壁施加的法向力和剪切力；

d.将伺服油泵(9)输出的压力数据生成压力曲线，利用压力曲线确定岩石单轴抗压强度，将岩石单轴抗压强度的一半确定为后续剪切试验法向力最大加载范围，锁定剪应力加载板加压油管(41)供应给剪应力加载板油缸(32)的压力；

e.将剪切试验法向力最大加载压力范围平均分为4个等级，以此作为后续剪切试验法向力施加等级；

f.利用应力-位移数据采集及显示系统(10)通过伺服油泵(9)控制法向力加载板(33)向岩石(1)岩壁施加第一级法向力，同时应力-位移数据采集及显示系统实时采集法向力加载板(33)上的压力信息，待达到第一级法向力且稳定后，控制伺服油泵(9)锁定法向力加载板加压油管(43)压力；

g.应力-位移数据采集及显示系统(10)通过伺服油泵(9)张拉剪应力加载千斤顶(6)，通过剪应力加载千斤顶(6)拖动剪应力加载拉杆(5)拖拽剪切测头(3)，同时应力-位移数据采集及显示系统(10)利用位移计(72)采集和显示剪切测头(3)的剪应力及剪切位移数据，直至剪切测头(3)被拽出台阶状钻孔(2)的小孔后停止剪切，存储测试数据；

h.应力-位移数据采集及显示系统(10)通过伺服油泵(9)分别控制剪应力加载千斤顶(6)进行卸压复位，同时控制法向力加载板(33)和剪应力加载板(31)进行卸压复位；

i.调整剪切测头(3)在台阶状钻孔(2)中的位置，继续控制法向力加载板(33)向小钻孔岩壁施加剩余的三个等级的法向力条件下剪应力值，并存储测试数据；

j.将以上测试得到的四组测试数据放在以法向力为横轴、以剪应力为纵轴的图中进行线性拟合，拟合直线的截矩即为测试岩石(1)的内聚力，拟合直线与横轴的夹角即为测试岩石(1)的内摩擦角。

7.根据权利要求6所述岩石原位抗剪强度测量方法，其特征在于，检测法向力加载板(33)向小钻孔岩壁施加剩余的三个等级的法向力条件下剪应力值的方法为：将剪切测头(3)塞入小钻孔中，并在小钻孔孔内沿顺时针方向旋转45°，重复步骤c、f、g、h完成第二等级法向力条件下的剪切试验，重复本步骤完成第三和第四等级法向力条件下的剪切试验。

8.根据权利要求6所述岩石原位抗剪强度测量方法，其特征在于：检测法向力加载板(33)向小钻孔岩壁施加剩余的三个等级的法向力条件下剪应力值的方法为：将台阶状钻孔(2)内所有设备移出，沿原钻孔向深部继续钻进形成新的台阶钻孔(2)后，重复步骤b、c、f、g、h完成第二等级法向力条件下的剪切试验，重复以上步骤完成第三和第四等级法向力条件下的剪切试验。

9.根据权利要求6所述岩石原位抗剪强度测量方法，其特征在于：伺服油泵(9)通过控制剪应力加载板加压油管(41)控制剪应力加载板(31)匀速施加压力直至剪应力加载(31)板刺入岩石内的深度为L1，期间其余油管均为闭合状态，同时利用应力-位移数据采集及显示系统(10)实时采集剪应力加载板(31)压力数据曲线。