CN108444813A - 多尺度土石混合体-基岩界面剪切特性测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多尺度土石混合体‑基岩界面剪切力学性质测试装置，包括试件系统、平衡控制系统、加载系统、伺服控制系统和数据采集系统；所述伺服控制系统用于控制加载系统工作；所述数据采集系统用于采集剪切、垂直加载力和位移以及剪切全过程中土石混合体‑基岩界面的图像信息；所述试件系统包括用于填装土石混合体试样的上矩形钢化玻璃剪切盒、用于填装岩石试样的下矩形钢制剪切盒和加载板。不仅能实现多尺寸及复杂界面性质的土石混合体‑基岩界面剪切力学特性研究，满足不同垂直应力、不同含石量和不同含水率条件下考虑基岩界面形态的直剪试验要求，同时还可考虑水在此界面的侵蚀、软化等效应。

Description

多尺度土石混合体-基岩界面剪切特性测试装置和方法

技术领域

本发明涉及岩土工程及地质工程测试技术领域，特别涉及一种土石混合体-基岩界面剪切特性测试装置和方法。

背景技术

堆积体斜边坡一直都是露天矿业工程、水电工程等中遇到的一个重大难题。1942～1953年间，美国大古力水库引发大约500处岸坡失稳；1965～1969年在奥地利Cepatsch坝蓄水及水库运行初期，紧邻大坝的上游几处滑坡发生10多米的变形。《三峡库区三期地质灾害防治规划》统计指出，截至2003年底，库区内发生的地质灾害有4706起，其中滑坡就占4663起。循环的水位升降(145m～175m)加之降雨入渗影响，改变了库岸原有岩土体应力状态，恶化了库区地质条件，滑坡灾害的大量发生特别是大规模古滑坡的复活现象使得库区滑坡灾害问题日益突出。大量的古滑坡现场实地勘察和研究表明库区古滑坡结构一般是由上覆堆积体和下覆基岩组成，其上覆堆积体和下覆基岩的交界面称为基岩界面。古滑坡的破坏大都均沿基岩界面整体下滑，因此基岩界面的力学性质对古滑坡的稳定性起着非常重要的控制作用。

基岩界面的剪切特性受其产状、形态、上覆土石体的含石量、尺寸大小以及侵蚀条件等因素的影响，采用传统的试验仪器获取基岩界面剪切力学参数效果不佳。现有所出现的涉及界面抗剪强度特性的仪器大部分具有操作步骤繁琐、试验精度不够等缺陷。如申请号为201510836695.1《一种大型土体界面剪切试验模型及试验方法》，申请号为201510359489.6《一种滑坡基覆面反复直剪强度试验方法》，申请号为201510190190.2《一种岩石结构面剪切试验方式及方法》等，上述专利所涉及的装置和方法或具有剪切过程中剪切或没有考虑含石量和含水率等因素对剪切特性的影响或无法观测界面块石的运动情况等缺陷，此外上述专利均未考虑水的侵蚀，软化作用对基岩界面力学性质的影响，特别的，针对土石混合体-基岩界面剪切试验过程中块石的运动情况、尺寸效应上述专利均未涉及。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种土石混合体-基岩界面剪切特性测试装置和方法，该装置和方法不仅能实现多尺寸及复杂界面性质(不同基岩面粗糙度及堆积体级配)的土石混合体-基岩界面剪切力学特性研究，满足不同垂直应力、不同含石量和不同含水率条件下考虑基岩界面形态的直剪试验要求，同时还可考虑水在此界面的侵蚀、软化等效应。

为解决上述技术难题，本发明采用的技术方案如下：

一种多尺度土石混合体-基岩界面剪切力学性质测试装置，包括试件系统、平衡控制系统、加载系统、伺服控制系统和数据采集系统；所述伺服控制系统用于控制加载系统工作；其特征在于：所述数据采集系统用于采集剪切、垂直加载力和位移以及剪切全过程中土石混合体-基岩界面的图像信息；

所述试件系统包括用于填装土石混合体试样的上矩形钢化玻璃剪切盒、用于填装岩石试样的下矩形钢制剪切盒和加载板；所述上矩形钢化玻璃剪切盒是由前、后、左、右四块透明钢化玻璃板通过螺栓固定连接组成的空心剪切盒，前、后两块透明钢化玻璃板的两侧均布置有多排连接孔，每排按照上下位置包括多个连接孔，通过改变上矩形钢化玻璃剪切盒中螺栓的位置能变更上矩形钢化玻璃剪切盒的长宽比；所述下矩形钢制剪切盒是由前、后、左、右和底部五块钢制铁板通过螺栓固定连接组成的空心剪切盒，前、后两块钢制铁板的两侧均布置多排连接孔，每排按照上下位置包括多个连接孔，通过改变下矩形钢制剪切盒上螺栓的位置能变更下矩形钢制剪切盒的长宽比，且使下矩形钢制剪切盒的长宽比与上矩形钢化玻璃剪切盒的长宽比相对应；所述下矩形钢制剪切盒顶部端口的左右两侧均往外侧延伸；所述下矩形钢制剪切盒底部钢制铁板的下表面对称设有多个插销孔；在下矩形钢制剪切盒和上矩形钢化玻璃剪切盒交界位置附近的反力架上安装用于采集基岩界面图像信息的图像采集仪；

所述加载板置于土石混合体试样的顶部，所述加载板为矩形板；在上矩形钢化玻璃剪切盒的内侧面上均均匀涂有减摩润滑剂；加载板的上方正对加载系统的垂直应力加载单元，

所述加载系统包括垂直应力加载单元、剪切应力加载单元、反力架和位移计；所述垂直应力加载单元包括第一加载机、第一伸缩器、第一压头、第一压力传感器，所述垂直应力加载单元通过螺栓固定于反力架的顶端内侧；所述剪切应力加载单元包括第二加载机、第二伸缩器、第二压头、第二压力传感器，所述剪切应力加载单元通过螺栓固定于反力架的右端内侧；所述垂直应力加载单元通过加载板施加垂直应力，所述位移计包括用于采集加载板的垂直位移的垂直位移计和用于采集铁箱的水平位移的水平位移计；

所述平衡控制系统包括用于固定上矩形钢化玻璃剪切盒且使试件系统的中心线与垂直应力加载单元的中心线重合的水平控制杆组、用于将铁箱和下矩形钢制剪切盒固定在一起的三角控制杆组、插销和铁箱；所述铁箱通过插销、插销孔将下矩形钢制剪切盒固定在铁箱内部；

所述伺服控制系统包括用于控制试验过程中垂直应力大小的第一伺服电机和用于控制试验过程中剪切应力大小的第二伺服电机。

一种多尺度土石混合体-基岩界面剪切特性测试方法，该方法采用上述的测试装置，包括以下步骤：

S1.加工出具有基岩界面粗糙度的岩石试样；

S2.通过螺栓将前、后、左、右和底部五块钢制铁板连接起来形成下矩形钢制剪切盒，并保证下矩形钢制剪切盒的长宽比与岩石试样的长宽比一致，随后将岩石试样装入下矩形钢制剪切盒；

S3.将装有岩石试样的下矩形钢制剪切盒整体放入铁箱中，并通过插销使得三者的中心线重合，随后通过三角控制杆组将下矩形钢制剪切盒、岩石试样以及铁箱连接固定形成整体；

S4.利用螺栓将前、后、左、右四块透明钢化玻璃板连接形成上矩形钢化玻璃剪切盒，且保证上矩形钢化玻璃剪切盒的长宽比与岩石试样相对应；

S5.将减磨润滑剂均匀涂抹于上矩形钢化玻璃剪切盒内侧，并将上矩形钢化玻璃剪切盒置于下矩形钢制剪切盒上，手动调节两个剪切盒的位置保证其中心线相互重合；

S6.按照含水率、含石量与质量的要求称取相应质量的土体、碎石和水，随后将三者均匀混合，采用分层压实的方法将三者装入上矩形钢化玻璃剪切盒内压制成具有密实的土石混合体试样，随后在土石混合体试样顶部盖上加载板；

S7.将水平控制杆组固定于反力架内侧；

S8.上述所有步骤完成后将试验试件与剪切盒整体置于压辊组上，调节水平控制杆组，使得垂直应力加载单元、上矩形钢化玻璃剪切盒和下矩形钢制剪切盒三者的中心线重合；

S9.启动数据采集系统，并将所有位移数据和应力数据清零，开启第一伺服电机，使第一压头接触加载板的顶端，按要求施加垂直应力σ，待垂直位移计的位移值保持不变时记下此刻该值大小并保持垂直应力σ₁不变；

S10.启动图像采集仪，记录试验全过程中基岩界面周围石块的运动情况；

S11.启动第二伺服电机，使第二压头接触铁箱，采用应变控制方式施加剪切应力，同时采用水平位移计测量水平位移S；当水平位移S增大到80mm时停止试验，此时的剪切应力值τ₁即为土石混合体-基岩界面的抗剪强度，得出一组应力值(σ_1，τ₁)；

S12.通过控制第一伺服电机使垂直应力卸载，通过控制第二伺服电机使剪切应力卸载，卸载全部试样；

S13.按照上述步骤制作与上述岩石试样及土石混合体试样相同的试件，然后改变垂直应力σ的大小，获得另一组应力值(σ_2，τ₂)，将上述两组应力值代入式即可计算出基岩界面的抗剪强度参数c和

S14.改变岩石试样长宽比及其尺寸，重复S1～S13即可进行基岩界面剪切力学性质尺寸效应试验研究；

S15.改变基岩界面起伏度，重复S1～S13即可进行不同起伏度基岩界面剪切力学特性试验研究。

上述多尺度土石混合体-基岩界面剪切特性测试方法，在步骤S10和步骤S11之间增加一个步骤，即：往铁箱循环注水和抽水，通过改变水位的波动范围和速度，重复S1～S13即可进行水的侵蚀、软化作用下基岩界面剪切强度变化规律试验研究。

本发明的优点和效果在于：

本发明突出的实质性特点是：

本发明测试装置中上矩形钢化玻璃剪切盒采用四块可拆卸的、透明的钢化玻璃组成，上矩形钢化玻璃剪切盒与图像采集仪的联合使用实现了对土石混合体-基岩界面的块石在试验全过程中的运动情况的捕捉，且保证剪切过程的剪切面面积不变。上矩形钢化玻璃剪切盒和下矩形钢制剪切盒(简称下盒)的尺寸(长宽比)具有可调节性能，实现了多尺度甚至大尺度的土石混合体-基岩界面剪切力学特性的试验研究。铁箱的使用实现了考虑水的侵蚀，软化作用对基岩界面力学性质的影响。该装置可进行不同垂直应力、不同含石量和不同含水率条件下考虑基岩界面形态的直剪试验研究。

首先选材上：上矩形钢化玻璃剪切盒(简称上盒)是四块透明、钢化玻璃组成，下矩形钢制剪切盒是五块钢材组成；然后结构上：上、下两个剪切盒均可通过改变长宽比来实现多尺度甚至大尺度的剪切试验，此外该装置在结构上满足不同垂直应力、不同含石量和不同含水率条件下考虑基岩界面形态的直剪试验要求，其次设计情况上：规避了以往试验主要是岩石力学试验存在的上盒与上试样一起运动的缺点，通过固定上盒，采用加载板实现垂直应力的加载；最后组合情况上：将上盒、下盒、岩石试验和土石体试验整体放入铁箱中(铁箱中有水即满足考虑水的侵蚀和软化等影响，若不加则不考虑水的影响)，通过施加水平应力给铁箱进行剪切试验。

该装置不仅能实现多尺寸及复杂界面性质(不同基岩面粗糙度及堆积体级配)的土石混合体-基岩界面剪切力学特性研究，满足不同垂直应力、不同含石量和不同含水率条件下考虑基岩界面形态的直剪试验要求，同时还可考虑水在此界面的侵蚀、软化等效应。

本发明的显著进步是：

1该方法采用的测试装置简单、测量精度高以及操作方便等优点，同时也满足了不同垂直应力、不同含石量和不同含水率条件下考虑基岩界面形态的直剪试验要求；

2采用该装置和方法可进行基岩界面力学性质尺寸效应的试验研究；

3采用该装置和方法，通过改变水位波动范围和速度，可进行水的侵蚀、软化等作用下基岩界面剪切强度变化规律试验研究。

附图说明

图1为本发明一种多尺度土石混合体-基岩界面剪切力学性质测试装置的结构示意图；

图2为上矩形钢化玻璃剪切盒9前后钢化玻璃的连接孔的位置示意图；

图中：1、第一伺服电机，2、反力架，3、第一加载机，4、螺栓，5、第一伸缩器，6、第一压头，7、垂直位移计，8、第一压力传感器，9、上矩形钢化玻璃剪切盒，10、减磨润滑剂，11、土石混合体试样，12、第二滚珠丝轮，13、第一滚珠丝轮，14第一滚珠丝轴，15、第二滚珠丝轴，16、第一旋转螺母，17、水位，18、下矩形钢制剪切盒，19、岩石试样，20、第一三脚架，21、第二旋转螺母，22、插销，23、图像采集仪，24、水平位移计，25、铁箱，26、第二加载机，27、第二伸缩器，28、第二压头，29、第二压力传感器，30、第二伺服电机，31、压辊组，32、底座，33、基岩界面，34、加载板，35、第二三脚架。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明多尺度土石混合体-基岩界面剪切力学性质测试装置(简称装置，参见图1)包括试件系统、平衡控制系统、加载系统、伺服控制系统和数据采集系统；所述数据采集系统用于采集剪切及垂直加载力和位移；伺服控制系统用于控制加载系统工作；

所述试件系统包括用于填装土石混合体试样的上矩形钢化玻璃剪切盒9、用于填装岩石试样的下矩形钢制剪切盒18和加载板34；所述上矩形钢化玻璃剪切盒9是由前、后、左、右四块透明钢化玻璃板通过螺栓固定连接组成的空心剪切盒，前、后两块透明钢化玻璃板的两侧均布置有多排连接孔(参见图2)，每排按照上下位置包括多个连接孔，根据实际要求可以改变连接孔的排数和每排所设连接孔的个数，本实施例中两侧均布置两排连接孔，每排4个，通过改变上矩形钢化玻璃剪切盒9中螺栓的位置可变更上矩形钢化玻璃剪切盒9的长宽比；所述下矩形钢制剪切盒18是由前、后、左、右和底部五块钢制铁板通过螺栓固定连接组成的空心剪切盒，前、后两块钢制铁板的两侧均布置多排连接孔，每排按照上下位置包括多个连接孔，本实施例中两侧均布置两排连接孔，每排4个，通过改变下矩形钢制剪切盒18上螺栓的位置可变更下矩形钢制剪切盒18的长宽比，且使下矩形钢制剪切盒18的长宽比与上矩形钢化玻璃剪切盒9的长宽比相对应；所述下矩形钢制剪切盒18顶部端口的左右两侧均往外侧延伸8～15cm，延伸太短会使得试验过程中土石混合体发生散落，延伸太长会浪费材料；所述下矩形钢制剪切盒18底部钢制铁板的下表面对称设有多个插销孔，保证下矩形钢制剪切盒18与铁箱的垂直中心线重合且固定；在下矩形钢制剪切盒18和上矩形钢化玻璃剪切盒9交界位置附近的反力架上安装用于采集基岩界面图像信息的图像采集仪23；

所述加载板34置于土石混合体试样11的顶部，且加载板与土石混合体试样接触的平面上的四个角为半径为30～50mm的圆角设计，有助于减少摩擦，所述加载板为矩形板；在上矩形钢化玻璃剪切盒9的内侧面上均均匀涂有减摩润滑剂10，用来减少上矩形钢化玻璃剪切盒9与加载板34和土石混合体试样11的摩擦，所述土石混合体试样11可以是不同级配、不同含水率和不同长宽比的试样；加载板的上方正对加载系统的垂直应力加载单元，

所述加载系统包括垂直应力加载单元、剪切应力加载单元、反力架和位移计；所述垂直应力加载单元包括第一加载机3、第一伸缩器5、第一压头6、第一压力传感器8，所述垂直应力加载单元通过螺栓4固定于反力架2的顶端内侧；所述剪切应力加载单元包括第二加载机26、第二伸缩器27、第二压头28、第二压力传感器29，所述剪切应力加载单元通过螺栓4固定于反力架2的右端内侧；所述垂直应力加载单元通过加载板34施加垂直应力，所述位移计包括垂直位移计7和水平位移计24；垂直位移计7用于采集加载板的垂直位移，水平位移计用于采集铁箱的水平位移；

所述平衡控制系统包括用于固定上矩形钢化玻璃剪切盒9的水平控制杆组、用于将铁箱和下矩形钢制剪切盒18固定在一起的三角控制杆组、插销22和铁箱25；所述铁箱25通过插销、插销孔将下矩形钢制剪切盒18固定在铁箱内部；所述水平控制杆组包括第一滚珠丝轮13、第一滚珠丝轴14、第二滚珠丝轮12、第二滚珠丝轴15，第一滚珠丝轴14上设有第一滚珠丝轮，第一滚珠丝轴一端通过第一旋转螺母16固定在反力架上，另一端固定在上矩形钢化玻璃剪切盒9；第二滚珠丝轴15与第一滚珠丝轴对称连接上矩形钢化玻璃剪切盒9和反力架，第二滚珠丝轮设置在第二滚珠丝轴上；所述水平控制杆组呈水平将上矩形钢化玻璃剪切盒9固定在垂直应力加载单元的正下方；所述三角控制杆组包括第一三脚架20、第二三脚架35；所述第一三脚架的一端与下矩形钢制剪切盒18固定，另一端通过第二旋转螺母21固定，所述第二三脚架与第一三脚架对称连接下矩形钢制剪切盒18和铁箱，所述三角控制杆组呈水平将下矩形钢制剪切盒18与铁箱固定在一起；所述铁箱25底部铁板内表面设有插销孔，插销孔的位置、数目和大小与下矩形钢制剪切盒18底部钢板上插销孔相对应；通过转动第一滚珠丝轮13和第二滚珠丝轮12调节第一滚珠丝轴14、和第二滚珠丝轴15的长度使得试件系统的中心线与垂直应力加载单元的中心线重合并在试验过程中控制上矩形钢化玻璃剪切盒9位置不变。

所述伺服控制系统包括第一伺服电机1和第二伺服电机30，通过第一伺服电机1控制试验过程中垂直应力大小，通过第二伺服电机30控制试验过程中剪切应力大小。

所述土石混合体试样11与岩石试样19相接触的界面即为模拟自然界堆积体与岩石所形成的基岩界面33；所述基岩界面33的粗糙程度可通过加工与土石混合体试样11接触的岩石试样19某一面的粗糙起伏特性确定。

本发明还保护一种多尺度土石混合体-基岩界面剪切特性测试方法，该方法采用上述的测试装置，包括以下步骤：

S1.加工出具有基岩界面33粗糙度的岩石试样19；

S2.通过螺栓将前、后、左、右和底部五块钢制铁板连接起来形成下矩形钢制剪切盒18，并保证下矩形钢制剪切盒18的长宽比与岩石试样19的长宽比一致，随后将岩石试样装入下矩形钢制剪切盒18；

S3.将装有岩石试样19的下矩形钢制剪切盒18整体放入铁箱25中，并通过插销22使得三者的中心线重合，随后通过三角控制杆组和第二旋转螺母21将下矩形钢制剪切盒18、岩石试样19以及铁箱25连接固定形成整体；

S4.利用螺栓将前、后、左、右四块透明钢化玻璃板连接形成上矩形钢化玻璃剪切盒9，且保证上矩形钢化玻璃剪切盒9的长宽比与岩石试样19相对应；

S5.将减磨润滑剂10均匀涂抹于上矩形钢化玻璃剪切盒9内侧，并将上矩形钢化玻璃剪切盒9置于下矩形钢制剪切盒18上，手动调节两个剪切盒的位置保证其中心线相互重合；

S6.按照一定含水率、含石量与质量的要求称取相应质量的土体、碎石和水，随后将三者均匀混合，采用分层压实的方法将三者装入上矩形钢化玻璃剪切盒9内压制成具有一定密实度的土石混合体试样11，随后在土石混合体试样11顶部盖上加载板34；

S7.通过第一旋转螺母16将水平控制杆组固定于反力架2内侧；

S8.上述所有步骤完成后将试验试件与剪切盒整体置于压辊组31上，连接上矩形钢化玻璃剪切盒9的第一滚珠丝轴14和第二滚珠丝轴15分别通过第一滚珠丝轮13和第二滚珠丝轮12调节长度，使得垂直应力加载单元、上矩形钢化玻璃剪切盒9和下矩形钢制剪切盒18三者的中心线重合；

S9.启动数据采集系统，并将所有位移数据和应力数据清零，开启第一伺服电机1，使第一压头6接触加载板34的顶端，按要求施加垂直应力σ，待垂直位移计7的位移值保持不变时记下此刻该值大小并保持垂直应力σ₁不变；

S10.启动图像采集仪23，记录试验全过程中基岩界面33周围石块的运动情况；

S11.启动第二伺服电机30，使第二压头28接触铁箱25，采用应变控制方式施加剪切应力，同时采用水平位移计18测量水平位移S；当水平位移S增大到80mm时停止试验，此时的剪切应力值τ₁即为土石混合体-基岩界面的抗剪强度，得出一组应力值(σ_1，τ₁)；

S12.通过控制第一伺服电机1使垂直应力卸载，通过控制第二伺服电机30使剪切应力卸载，卸载全部试样；

S13.按照上述步骤制作与上述岩石试样及土石混合体试样11相同的试件，然后改变垂直应力σ的大小，获得另一组应力值(σ_2，τ₂)，将上述两组应力值代入式即可计算出基岩界面的抗剪强度参数c和

S14.改变岩石试样长宽比及其尺寸，重复S1～S13即可进行基岩界面33剪切力学性质尺寸效应试验研究；

S15.改变基岩界面33起伏度，重复S1～S13即可进行不同起伏度基岩界面33剪切力学特性试验研究；

S16.若要进行水的侵蚀、软化等作用下基岩界面剪切强度变化规律试验研究，可在S10和S11之间增加一个步骤，即：往铁箱25循环注水和抽水，保持水位17在基岩界面33处上下20cm范围内波动，通过改变水位17的波动范围和速度，重复S1～S13即可进行水的侵蚀、软化等作用下基岩界面剪切强度变化规律试验研究。

所述数据采集系统采集的数据有：水平位移、垂直位移、水平应力、垂直应力以及剪切全过程中土石混合体-基岩界面的图像信息。

本发明中所述基岩界面33是通过水力切割的方法得到，也可以通过模具加工方式得到，水力切割的方法方便、且效果很好，但是费用稍贵。本申请中位移计量程要能保证其满足试验要求，即150mm以上，精度是1mm。

本发明中所述试件为岩石试样与土石混合体试样构成的具有基岩界面的试件。

实施例1

本实施例多尺度土石混合体-基岩界面剪切特性测试装置包括试件系统、加载系统、平衡控制系统、伺服控制系统和数据采集系统，所述试件系统包括上矩形钢化玻璃剪切盒9、下矩形钢制剪切盒18、土石混合体试样11、岩石试样19、减磨润滑剂10、基岩界面33、加载板34，所述上矩形钢化玻璃剪切盒9由四块透明钢化玻璃板和螺栓组成，通过改变螺栓的位置可变更上矩形钢化玻璃剪切盒9的长宽比(1:1、1.5：1和2:1)，所述下矩形钢制剪切盒18由五块钢板和螺栓组成，通过改变螺栓的位置可下矩形钢制剪切盒18的长宽比与上矩形钢化玻璃剪切盒9的长宽比相对应(即二者长宽比相同)，所述下矩形钢制剪切盒18左右俩侧钢板顶部往外延伸15cm，所述下矩形钢制剪切盒18底部钢板下表面对称设有2排插销孔，每排2个孔，所述土石混合体试样11与岩石试样19相接触的界面为基岩界面33，所述基岩界面33是通过水力切割的方法加工而成且具有一定粗造度，所述加载板34置于土石混合体试样11顶部且其内壁四个角为半径为40mm的圆角设计，所述减磨润滑剂10被均匀涂抹于上矩形钢化玻璃剪切盒9的内侧，

所述加载系统包括垂直应力加载单元、剪切应力加载单元、反力架和位移计，所述垂直应力加载单元包括第一加载机3、第一伸缩器5、第一压头6、第一压力传感器8，所述垂直应力加载单元通过螺栓4固定于反力架2的顶端内侧，所述剪切应力加载单元包括第二加载机26、第二伸缩器27、第二压头28、第二压力传感器29，所述剪切应力加载单元通过螺栓4固定于反力架2的右端内侧，所述垂直应力加载单元通过加载板34施加垂直应力，所述位移计包括垂直位移计7和水平位移计24，所述位移计的量程均为170mm，精度为1mm，所述垂直应力加载单元与剪切应力加载单元的量程均为10MPa，精度为0.01Pa，

所述平衡控制系统包括水平控制杆组、三角控制杆组、插销22和铁箱25，所述水平控制杆组包括第一滚珠丝轮13、第一滚珠丝轴14、第二滚珠丝轮12、第二滚珠丝轴15，所述水平控制杆组通过第一旋转螺母16固定于反力架2的内侧，所述三角控制杆组包括第一三脚架20、第二三脚架35，所述三角控制杆组通过第二旋转螺母21固定于铁箱25内侧，所述铁箱25底部铁板内侧设有插销孔，插销孔的位置、数目和大小与下矩形钢制剪切盒18底部钢板外侧相对应；通过转动第一滚珠丝轮13和第二滚珠丝轮12调节第一滚珠丝轴14和第二滚珠丝轴15的长度使得试件系统的中心线与垂直应力加载单元的中心线重合并在试验过程中控制上矩形钢化玻璃剪切盒9位置不变，

所述伺服控制系统包括第一伺服电机1和第二伺服电机30，通过第一伺服电机1控制试验过程中垂直应力大小，通过第二伺服电机30控制试验过程中剪切应力大小。

实施例2

考虑基岩界面形态。本实例的基岩界面粗糙度系数分别为J1＝11.2和J2＝15.4。

1)采用水里切割的方法加工出具有一定基岩界面粗糙度的岩石试样，岩石试样的尺寸为200mm×200mm×400mm，界面粗糙系数为15.4，在此界面粗糙系数下制作两个相同尺寸的岩石试样；

2)用螺栓将前、后、左、右和底部五块钢制铁板连接起来形成下矩形钢制剪切盒，并保证下矩形钢制剪切盒的长宽比与岩石试样的长宽比一致，随后将其装入下矩形钢制剪切盒；

3)将下矩形钢制剪切盒和岩石试验整体放入铁箱中，并通过插销使得三者的中心线重合，随后通过三角控制杆组和第二旋转螺母将下矩形钢制剪切盒、岩石试样以及铁箱连接固定形成整体；

4)利用螺栓将前、后、左、右四块透明钢化玻璃板连接形成上矩形钢化玻璃剪切盒，且保证上矩形钢化玻璃剪切盒的长宽比与岩石试验相对应；

5)将减磨润滑剂均匀涂抹于上矩形钢化玻璃剪切盒内侧并将其置于下矩形钢制剪切盒上，手动调节俩个剪切盒的位置保证其中心线相互重合；

6)按照含水率为10％、含石量25％、质量为4kg的要求称取相应质量的土体、碎石和水，随后将三者均匀混合，采用分层压实的方法将三者装入上矩形钢化玻璃剪切盒内，压制的土石混合体试样密实度N＝23，随后在土石混合体试样顶部盖上加载板；

7)通过第一旋转螺母将水平控制杆组固定于反力架内侧；

8)上述所有步骤完成后将试验试件与剪切盒整体置于压辊组上，通过调节第一滚珠丝轴和第二滚珠丝轴上的第一滚珠丝轮和第二滚珠丝轮，进而调节第一滚珠丝轴和第二滚珠丝轴的长度，使得垂直应力加载单元、上矩形钢化玻璃剪切盒和下矩形钢制剪切盒三者的中心线重合；

9)启动数据采集系统，并将所有位移数据和应力数据清零，开启第一伺服电机，使第一压头接触加载板的顶端，按要求施加垂直应力σ₁＝45.1kPa，并保持不变；

10)启动图像采集仪，记录试验全过程中基岩界面周围石块的运动情况；

11)第二伺服电机，使压头接触侧板，采用应变控制方式施加剪切应力，同时采用水平位移计测量水平位移S；当水平位移S增大到80mm时停止试验，此时的剪切应力值τ₁＝28.4kPa即为土石混合体-基岩界面的抗剪强度，得出一组应力值(45.1kPa，28.4kPa)；

12)通过第一伺服电机使垂直应力卸载，通过第二伺服电机使剪切应力卸载，卸载全部试样；

13)选择另一个岩石试样，改变垂直应力σ的大小，重复步骤2)～12)，获得另一组应力值(60.5kPa，34.1kPa)，将上述俩组应力值代入式可得；

解得：c＝12kPa

故此种条件下土石混合体-基岩界面的剪切力学参数为：内聚力c是12kPa，内摩擦角为20°；

试样基岩界面粗糙度系数为J1＝11.2，重复进行1)～13)的步骤可知，当基岩界面粗糙度系数为J1＝11.2时，内聚力是11kPa，内摩擦角为15°

实施例3

考虑基岩界面尺寸效应。本实例的基岩界面长宽比分别为l:d＝1:1和l:d＝1:1.5。

重复步骤1)～13)，当l:d＝1:1时，基岩界面的内聚力是16kPa，内摩擦角为21°，当l:d＝1:1.5时，基岩界面的内聚力是21kPa，内摩擦角为28°

实施例4

考虑水波动范围和速度。在步骤1)～11)之间增加一个步骤，即：往铁箱25循环注水和抽水，保持水位17在基岩界面33处上下20cm范围内波动，通过改变水位17波动范围和速度，重复步骤1)～13)即可进行水的侵蚀、软化等作用下基岩界面剪切强度变化规律试验研究。本实例的水波动范围为基岩界面上下5cm，波动速度0.2mm/h和基岩界面上下2cm，波动速度0.1mm/h。

重复步骤1)～13)，当水波动范围为基岩界面上下5cm，波动速度0.2mm/h，基岩界面的内聚力是10kPa，内摩擦角为14°，当基岩界面上下2cm，波动速度0.1mm/h，基岩界面的内聚力是13kPa，内摩擦角为15°

上述实施例说明了采用该装置和方法可以实现：多尺寸(实施例3)及复杂界面性质(实施例2)的土石混合体-基岩界面剪切力学特性研究，满足不同垂直应力、不同含石量和不同含水率条件下考虑基岩界面形态的直剪试验要求(改变在实施例2的步骤6)的土石体混合试样的参数设置即可实现)，同时还可考虑水在此界面的侵蚀、软化等效应(实施例4)。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种多尺度土石混合体-基岩界面剪切力学性质测试装置，包括试件系统、平衡控制系统、加载系统、伺服控制系统和数据采集系统；所述伺服控制系统用于控制加载系统工作；其特征在于：所述数据采集系统用于采集剪切、垂直加载力和位移以及剪切全过程中土石混合体-基岩界面的图像信息；

所述试件系统包括用于填装土石混合体试样的上矩形钢化玻璃剪切盒、用于填装岩石试样的下矩形钢制剪切盒和加载板；所述上矩形钢化玻璃剪切盒是由前、后、左、右四块透明钢化玻璃板通过螺栓固定连接组成的空心剪切盒，前、后两块透明钢化玻璃板的两侧均布置有多排连接孔，每排按照上下位置包括多个连接孔，通过改变上矩形钢化玻璃剪切盒中螺栓的位置能变更上矩形钢化玻璃剪切盒的长宽比；所述下矩形钢制剪切盒是由前、后、左、右和底部五块钢制铁板通过螺栓固定连接组成的空心剪切盒，前、后两块钢制铁板的两侧均布置多排连接孔，每排按照上下位置包括多个连接孔，通过改变下矩形钢制剪切盒上螺栓的位置能变更下矩形钢制剪切盒的长宽比，且使下矩形钢制剪切盒的长宽比与上矩形钢化玻璃剪切盒的长宽比相对应；所述下矩形钢制剪切盒顶部端口的左右两侧均往外侧延伸；所述下矩形钢制剪切盒底部钢制铁板的下表面对称设有多个插销孔；在下矩形钢制剪切盒和上矩形钢化玻璃剪切盒交界位置附近的反力架上安装用于采集基岩界面图像信息的图像采集仪；

所述加载板置于土石混合体试样的顶部，所述加载板为矩形板；在上矩形钢化玻璃剪切盒的内侧面上均均匀涂有减摩润滑剂；加载板的上方正对加载系统的垂直应力加载单元，

所述加载系统包括垂直应力加载单元、剪切应力加载单元、反力架和位移计；所述垂直应力加载单元包括第一加载机、第一伸缩器、第一压头、第一压力传感器，所述垂直应力加载单元通过螺栓固定于反力架的顶端内侧；所述剪切应力加载单元包括第二加载机、第二伸缩器、第二压头、第二压力传感器，所述剪切应力加载单元通过螺栓固定于反力架的右端内侧；所述垂直应力加载单元通过加载板施加垂直应力，所述位移计包括用于采集加载板的垂直位移的垂直位移计和用于采集铁箱的水平位移的水平位移计；

所述平衡控制系统包括用于固定上矩形钢化玻璃剪切盒且使试件系统的中心线与垂直应力加载单元的中心线重合的水平控制杆组、用于将铁箱和下矩形钢制剪切盒固定在一起的三角控制杆组、插销和铁箱；所述铁箱通过插销、插销孔将下矩形钢制剪切盒固定在铁箱内部；

所述伺服控制系统包括用于控制试验过程中垂直应力大小的第一伺服电机和用于控制试验过程中剪切应力大小的第二伺服电机。

2.根据权利要求1所述的多尺度土石混合体-基岩界面剪切力学性质测试装置，其特征在于所述水平控制杆组包括第一滚珠丝轮、第一滚珠丝轴、第二滚珠丝轮、第二滚珠丝轴，第一滚珠丝轴上设有第一滚珠丝轮，第一滚珠丝轴一端通过第一旋转螺母固定在反力架上，另一端固定在上矩形钢化玻璃剪切盒；第二滚珠丝轴与第一滚珠丝轴对称连接上矩形钢化玻璃剪切盒和反力架，第二滚珠丝轮设置在第二滚珠丝轴上；所述水平控制杆组呈水平将上矩形钢化玻璃剪切盒固定在垂直应力加载单元的正下方；所述三角控制杆组包括第一三脚架、第二三脚架；所述第一三脚架的一端与下矩形钢制剪切盒固定，另一端通过第二旋转螺母固定，所述第二三脚架与第一三脚架对称连接下矩形钢制剪切盒和铁箱，所述三角控制杆组呈水平将下矩形钢制剪切盒与铁箱固定在一起；通过转动第一滚珠丝轮和第二滚珠丝轮调节第一滚珠丝轴和第二滚珠丝轴的长度使得试件系统的中心线与垂直应力加载单元的中心线重合并在试验过程中控制上矩形钢化玻璃剪切盒位置不变。

3.根据权利要求1所述的多尺度土石混合体-基岩界面剪切力学性质测试装置，其特征在于所述加载板与土石混合体试样接触的平面上的四个角为半径为30～50mm的圆角。

4.根据权利要求1所述的多尺度土石混合体-基岩界面剪切力学性质测试装置，其特征在于所述下矩形钢制剪切盒顶部端口的左右两侧均往外侧延伸8～15cm。

5.一种多尺度土石混合体-基岩界面剪切特性测试方法，该方法采用权利要求1-4任一所述的测试装置，包括以下步骤：

S1.加工出具有基岩界面粗糙度的岩石试样；

S2.通过螺栓将前、后、左、右和底部五块钢制铁板连接起来形成下矩形钢制剪切盒，并保证下矩形钢制剪切盒的长宽比与岩石试样的长宽比一致，随后将岩石试样装入下矩形钢制剪切盒；

S3.将装有岩石试样的下矩形钢制剪切盒整体放入铁箱中，并通过插销使得三者的中心线重合，随后通过三角控制杆组将下矩形钢制剪切盒、岩石试样以及铁箱连接固定形成整体；

S4.利用螺栓将前、后、左、右四块透明钢化玻璃板连接形成上矩形钢化玻璃剪切盒，且保证上矩形钢化玻璃剪切盒的长宽比与岩石试样相对应；

S5.将减磨润滑剂均匀涂抹于上矩形钢化玻璃剪切盒内侧，并将上矩形钢化玻璃剪切盒置于下矩形钢制剪切盒上，手动调节两个剪切盒的位置保证其中心线相互重合；

S6.按照含水率、含石量与质量的要求称取相应质量的土体、碎石和水，随后将三者均匀混合，采用分层压实的方法将三者装入上矩形钢化玻璃剪切盒内压制成具有密实的土石混合体试样，随后在土石混合体试样顶部盖上加载板；

S7.将水平控制杆组固定于反力架内侧；

S8.上述所有步骤完成后将试验试件与剪切盒整体置于压辊组上，调节水平控制杆组，使得垂直应力加载单元、上矩形钢化玻璃剪切盒和下矩形钢制剪切盒三者的中心线重合；

S9.启动数据采集系统，并将所有位移数据和应力数据清零，开启第一伺服电机，使第一压头接触加载板的顶端，按要求施加垂直应力σ，待垂直位移计的位移值保持不变时记下此刻该值大小并保持垂直应力σ₁不变；

S10.启动图像采集仪，记录试验全过程中基岩界面周围石块的运动情况；

S11.启动第二伺服电机，使第二压头接触铁箱，采用应变控制方式施加剪切应力，同时采用水平位移计测量水平位移S；当水平位移S增大到80mm时停止试验，此时的剪切应力值τ₁即为土石混合体-基岩界面的抗剪强度，得出一组应力值(σ₁，τ₁)；

S12.通过控制第一伺服电机使垂直应力卸载，通过控制第二伺服电机使剪切应力卸载，卸载全部试样；

S13.按照上述步骤制作与上述岩石试样及土石混合体试样相同的试件，然后改变垂直应力σ的大小，获得另一组应力值(σ₂，τ₂)，将上述两组应力值代入式即可计算出基岩界面的抗剪强度参数c和

S14.改变岩石试样长宽比及其尺寸，重复S1～S13即可进行基岩界面剪切力学性质尺寸效应试验研究；

S15.改变基岩界面起伏度，重复S1～S13即可进行不同起伏度基岩界面剪切力学特性试验研究。

6.根据权利要求5所述的多尺度土石混合体-基岩界面剪切特性测试方法，其特征在于，在步骤S10和步骤S11之间增加一个步骤，即：往铁箱循环注水和抽水，通过改变水位的波动范围和速度，重复S1～S13即可进行水的侵蚀、软化作用下基岩界面剪切强度变化规律试验研究。