CN108444816A - 一种岩体结构面循环剪切试验仪及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种岩体结构面循环剪切试验仪，包括基础支撑系统，循环荷载系统，法向荷载系统和剪切试验系统，循环荷载系统，法向荷载系统和剪切试验系统均安装于基础支撑系统内，循环荷载系统为试验提供连续的循环剪切荷载，法向荷载系统为试验提供稳定的法向荷载，剪切试验系统为岩体结构面试样提供保护，并用以开展循环剪切试验。本发明还提供一种利用上述试验仪的试验方法，包括试样安装、应力施加、调幅调频、循环剪切、动剪应力计算和数据分析。本发明克服了传统方法的非连续性缺陷，实现了试验振幅和频率的可调可控，有效提高了试验的效率和精度。

Description

一种岩体结构面循环剪切试验仪及试验方法

技术领域

本发明涉及岩体力学试验技术领域，具体属于一种岩体结构面的循环剪切试验装置及试验方法，主要用于测试处于震动荷载作用下岩体结构面的力学参数。

背景技术

工程岩体的变形破坏，主要受控于岩体结构面的强度特性。在大型岩体工程的建设及运营期间，常受到爆破荷载和地震荷载的作用，爆破荷载和地震荷载既是震动荷载又是循环荷载。大量岩体力学试验研究表明，在循环荷载作用下，岩体结构面的起伏角逐渐退化，粗糙度逐渐降低，最终表现为岩体结构面强度特性的逐渐劣化，从而影响工程岩体的稳定性和安全性。

岩体结构面强度特性在震动荷载作用下的劣化规律，是岩土工程和地震工程领域的新兴研究课题。目前，已有部分学者采用岩体结构面或人工结构面开展循环剪切试验，研究了循环剪切前后结构面表面的磨损特征，分析了循环剪切次数及法向应力对岩体结构面力学特性的影响。上述研究对于揭示工程岩体在震动荷载作用下的变形破坏机理具有重要的理论和实际意义。然而现有的研究均采用传统的岩体结构面直接试验方法，通过多次往复直剪来实现循环剪切试验，存在如下缺点：1、通过多次往复直剪实现循环剪切，试验过程分段进行，不具有连贯性，与实际震动荷载的作用过程不相符；2、试验过程无法考虑震动荷载的循环频率对试验结果的影响；3、试验过程难以精确控制循环剪切的振幅。同时通过检索，目前尚未有试验仪器可用于开展连续的岩体结构面循环剪切试验。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种岩体结构面循环剪切试验仪，用以开展循环荷载作用下岩体结构面的抗剪强度测试。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种岩体结构面循环剪切试验仪，其特征在于：包括基础支撑系统，循环荷载系统，法向荷载系统和剪切试验系统，所述基础支撑系统一侧为无顶平板，用以安装所述循环荷载系统，所述基础支撑系统另一侧为具有顶板和底板的中空立体框架，用以安装所述法向荷载系统和所述剪切试验系统。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

所述循环荷载系统包括交流伺服电机、电动机底板、电动机转轴、电动机转盘、转盘活动节、连杆和连杆活动节，所述交流伺服电机固连于所述电动机底板上，所述交流伺服电机为仪器提供转动动能，所述电动机转盘固连于电动机转轴上，所述连杆配合所述电动机转盘、所述转盘活动节和所述连杆活动节，将所述交流伺服电机提供的转动动能转换为平动动能，为所述剪切试验系统提供连续的循环剪切荷载。

所述电动机转盘上的偏心位置在不同半径处设有一列活动节螺栓孔，通过所述转盘活动节将所述连杆连接于不同的所述活动节螺栓孔上，从而实现循环剪切试验的振幅可调。

所述电动机转盘上沿所述活动节螺栓孔设有振幅刻度表，可通过振幅刻度表直接查出不同活动节螺栓孔对应的剪切试验振幅；所述电动机转盘转速的倒数，即为循环剪切试验的频率，通过调整所述交流伺服电机的转速，即可实现循环剪切试验的频率可调。

所述法向荷载系统包括处在中空立体框架上部、作用方向向下的数控扁千斤顶及处在其下方的刚性活动垫板。

所述剪切试验系统包括应力传感器、循环剪切盒、固定剪切盒、限位结构和助滑机构，固定剪切盒受限位结构限位只能在上下方向上位移，所述应力传感器处在循环荷载系统与循环剪切盒之间，用于监测记录循环剪切过程中作用于所述循环剪切盒上的循环剪切荷载，所述循环剪切盒和所述固定剪切盒配套使用，内部构成腔体而用于填装保持岩体结构面试样，所述固定剪切盒设置于所述循环剪切盒上方，所述助滑机构设于放置循环剪切盒的位置以及循环剪切盒的移动路径上，所述循环剪切盒底部放置于助滑机构上。

所述限位结构采用固定于顶板上的限位板。

所述循环荷载系统包括交流伺服电机、电动机底板、电动机转轴、电动机转盘、转盘活动节、连杆和连杆活动节，所述交流伺服电机固连于所述电动机底板上，所述交流伺服电机为仪器提供转动动能，所述电动机转盘固连于电动机转轴上，所述连杆配合所述电动机转盘、所述转盘活动节和所述连杆活动节，将所述交流伺服电机提供的转动动能转换为平动动能，为所述剪切试验系统提供连续的循环剪切荷载；所述应力传感器设置于所述连杆活动节与所述循环剪切盒之间。

所述助滑机构采用滚动钢球或转动轴与循环剪切方向垂直的滚轮组。

本发明再一个目的是提供一种岩体结构面循环剪切试验方法，对岩体结构面试样进行循环荷载作用下的抗剪强度测试。为此，本发明采用以下技术方案：

一种岩体结构面循环剪切试验方法，其特征在于：

所述方法采用的岩体结构面循环剪切试验仪包括基础支撑系统，循环荷载系统，法向荷载系统和剪切试验系统，所述基础支撑系统一侧为无顶平板，用以安装所述循环荷载系统，所述基础支撑系统另一侧为具有顶板和底板的中空立体框架，用以安装所述法向荷载系统和所述剪切试验系统：

所述循环荷载系统包括交流伺服电机、电动机底板、电动机转轴、电动机转盘、转盘活动节、连杆和连杆活动节，所述交流伺服电机固连于所述电动机底板上，所述交流伺服电机为仪器提供转动动能，所述电动机转盘固连于电动机转轴上，所述连杆配合所述电动机转盘、所述转盘活动节和所述连杆活动节，将所述交流伺服电机提供的转动动能转换为平动动能，为所述剪切试验系统提供连续的循环剪切荷载；所述电动机转盘上的偏心位置在不同半径处设有一列活动节螺栓孔及其振幅刻度表；所述法向荷载系统包括处在中空立体框架上部、作用方向向下的数控扁千斤顶及处在其下方的刚性活动垫板；所述剪切试验系统包括应力传感器、循环剪切盒、固定剪切盒、限位结构和助滑机构，固定剪切盒受限位结构限位只能在上下方向上位移，所述应力传感器处在循环荷载系统与循环剪切盒之间，用于监测记录循环剪切过程中作用于所述循环剪切盒上的循环剪切荷载，所述循环剪切盒和所述固定剪切盒配套使用，内部构成腔体用于填装保持岩体结构面试样，所述固定剪切盒设置于所述循环剪切盒上方，所述助滑机构设于放置循环剪切盒的位置以及循环剪切盒的移动路径上，所述循环剪切盒底部放置于助滑机构上；所述应力传感器设置于所述连杆活动节与所述循环剪切盒之间；

所述方法包括以下步骤：

(1)试样安装：将制备完成的岩体结构面试样装入循环剪切盒和固定剪切盒之间构成的腔体内，再将循环剪切盒、固定剪切盒和结构面试样作为整体推入试验仪器内，置于数控扁千斤顶之下；

(2)应力施加：将刚性垫板放置于数控扁千斤顶和固定剪切盒之间，根据岩体结构面试样取样点所处的实际地应力条件确定法向应力值，采用数控扁千斤顶逐步施加法向应力至设定值；

(3)调幅调频：根据研究需要，确定循环剪切试验的振幅和频率，根据确定的试验振幅调整转盘活动节与电动机转盘的连接位置；根据试验频率设定交流伺服电机的转速；

(4)循环剪切：维持数控扁千斤顶的法向应力恒定，启动交流伺服电机开展循环剪切试验，电动机转盘完成1周转动即为1次循环剪切，同时采用应力传感器全程监测记录试验过程中的循环剪切荷载，直至完成规定次数的循环剪切试验；

(5)动剪应力计算：通过式1计算经历不同次数循环剪切后岩体结构面试样的动剪应力值；

其中，τ_n为经历n次循环剪切后岩体结构面试样的动剪应力值；P_n为经历n次循环剪切时应力传感器记录的循环剪切荷载；f₀为仪器的总摩阻力；A为岩体结构面试样的面积；

(6)数据分析：在直角坐标系中，以循环剪切次数为横坐标，以动剪应力值为纵坐标，绘制对应循环剪切次数时动剪应力值的试验点，采用式2拟合循环剪切次数与动剪应力值之间的关系，从而获得岩体结构面试样动剪应力值的计算公式：

Y(τ_n)＝τ₀×[a+(1-a)×e^-bn] 式2

其中，Y(τ_n)为岩体结构面试样动剪应力的计算值；τ₀为岩体结构面初始动剪应力值；n为循环剪切次数；a和b为待定系数，由试验结果拟合获得。

本发明的有益效果是：

1、提供一种岩体结构面的循环剪切试验仪，通过连杆原理将转动动能转化为平动动能，实现自动连贯的循环剪切过程，克服了传统方法非连续性缺陷，较大程度地减少试验过程中的人为扰动；

2、沿电动机转盘半径方向开设一列活动节螺栓孔，通过转盘活动节将连杆连接于不同的活动节螺栓孔上，根据连杆原理，转盘活动节与电动机转盘圆心的间距即为循环剪切过程的最大行程，通过调整转盘活动节的连接位置即可调整循环剪切试验的最大行程，即实现了循环剪切试验的振幅可调可控；

3、电动机转盘转速的倒数，即为循环剪切试验的频率，通过调整交流伺服电机的转速即可实现循环剪切试验的频率可调可控；

4、采用应力传感器动态监测循环荷载系统传递给剪切试验系统的循环剪切应力，实现循环剪切试验过程中剪应力的自动监测和全程记录。

附图说明

图1是一种岩体结构面循环剪切试验仪的正视图。

图2是一种岩体结构面循环剪切试验仪的侧视图。

图3是一种岩体结构面循环剪切试验仪的俯视图

图4是图3的A-A’剖面图。

图5是一种岩体结构面循环剪切试验仪的立体图。

图中标号：1：仪器顶板；2：顶板固定螺栓；3：交流伺服电机；4：电动机底板；5：底板固定螺栓；6：电动机转轴；7：电动机转盘；8：活动节螺栓孔；9：振幅刻度表；10：转盘活动节；11：连杆；12：连杆活动节；13：应力传感器；14：数控扁千斤顶；15：千斤顶进油嘴；16：刚性垫板；17：固定剪切盒；18：限位板；19：循环剪切盒；20：框架柱；21：滚动钢珠；22：仪器底板。

具体实施方式

参照附图。本发明提供的一种岩体结构面循环剪切试验仪，包括基础支撑系统，循环荷载系统，法向荷载系统和剪切试验系统，所述循环荷载系统，所述法向荷载系统和所述剪切试验系统均安装于所述基础支撑系统内，所述循环荷载系统通过交流伺服电机3的动能为试验提供循环剪切荷载，所述法向荷载系统通过数控扁千斤顶14为试验提供稳定的法向荷载，所述剪切试验系统通过循环剪切盒19和固定剪切盒17保护岩体结构面试样100并开展循环剪切试验，固定剪切盒17处在上部，循环剪切盒19处在固定剪切盒17的下方，固定剪切盒17和循环剪切盒19面向对方的部位设置面向对方敞开的岩体结构面试样保持腔。

所述基础支撑系统包括仪器底板22、框架柱20和仪器顶板1，所述仪器底板22为“L”形，所述仪器顶板1的面积与所述仪器底板22的右侧面积一致，所述框架柱20的底部固连于仪器底板22上，所述框架柱20顶部通过顶板固定螺栓2可拆卸地连接在仪器顶板1四角，所述仪器底板22，所述框架柱20和所述仪器顶板1构成了整个仪器的支撑结构，为所述循环荷载系统，所述法向荷载系统和所述剪切试验系统提供了安装和操作空间。

所述循环荷载系统包括交流伺服电机3、电动机底板4、电动机转轴6、电动机转盘7、转盘活动节10、连杆11和连杆活动节12，所述交流伺服电机3固连于所述电动机底板4上，所述交流伺服电机3为试验提供转动动能，所述电动机底板4通过底板固定螺栓5可拆卸地连接在所述仪器底板22左侧，所述电动机转轴6从交流伺服电机3一端伸出，所述电动机转盘7固连于电动机转轴6上，所述电动机转盘7的偏心位设有一列活动节螺栓孔8和振幅刻度表9，所述转盘活动节10通过所述活动节螺栓孔8可拆卸地连接在所述电动机转盘7上，所述连杆11两端分别可旋转地连接于所述转盘活动节10和所述连杆活动节12上，连杆活动节12可拆卸地与循环剪切盒连接，所述连杆11配合所述电动机转盘7、转盘活动节10和连杆活动节12，将所述交流伺服电机3提供的转动动能转换为平动动能，为所述剪切试验系统提供循环剪切荷载。

所述法向荷载系统包括数控扁千斤顶14、千斤顶进油嘴15和刚性垫板16，所述数控扁千斤顶14设置于所述仪器顶板1下侧，所述千斤顶进油嘴15通过右侧限位板18向外伸出，所述刚性垫板16设置于所述扁千斤顶14与固定剪切盒17之间，用于稳定和均布法向荷载，所述数控扁千斤顶14和所述刚性垫板16配合使用，为所述剪切试验系统提供稳定的法向荷载。

所述剪切试验系统包括应力传感器13、循环剪切盒19、固定剪切盒17、限位板18和滚动钢珠21，所述应力传感器13设置于所述连杆活动节12与所述循环剪切盒19之间，用于监测记录循环剪切过程中作用于所述循环剪切盒19上的循环剪切荷载，所述循环剪切盒19和所述固定剪切盒17配套使用，固定剪切盒17和循环剪切盒19的岩体结构面试样保持腔构成长方腔体200用于填装岩体结构面试样，所述固定剪切盒17设置于所述循环剪切盒19上方，所述固定剪切盒17两侧被所述限位板18限制并被垂直导向，所述滚动钢珠21成列开设于仪器底板22的右侧部分，所述循环剪切盒19底部与所述滚动钢珠21接触，便于所述循环剪切盒可在循环荷载作用下发生剪切位移，提高测试的准确度。

采用本发明开展岩体结构面循环剪切试验的具体步骤如下：

(1)试样安装：将制备完成的岩体结构面试样100装入循环剪切盒19和固定剪切盒17之间的长方腔体200内，再将循环剪切盒19、固定剪切盒17和结构面试样100作为整体推入试验仪器内；

(2)应力施加：将刚性垫板16放置于数控扁千斤顶14和固定剪切盒17之间，根据岩体结构面试样取样点所处的实际地应力条件确定法向应力值，采用数控扁千斤顶逐步施加法向应力至设定值；

(3)调幅调频：根据研究需要，确定循环剪切试验的振幅和频率，根据确定的试验振幅调整转盘活动节与电动机转盘的连接位置；根据试验频率设定交流伺服电机的转速；

(4)循环剪切：维持数控扁千斤顶的法向应力恒定，启动交流伺服电机开展循环剪切试验，电动机转盘完成1周转动即为1次循环剪切，同时采用应力传感器全程监测记录试验过程中的循环剪切荷载，直至完成规定次数的循环剪切试验；

(5)动剪应力计算：通过式1计算经历不同次数循环剪切后岩体结构面试样的动剪应力值。

其中，τ_n为经历n次循环剪切后岩体结构面试样的动剪应力值；P_n为经历n次循环剪切时应力传感器记录的循环剪切荷载；f₀为仪器的总摩阻力；A为岩体结构面试样的面积。

(6)数据分析：在直角坐标系中，以循环剪切次数为横坐标，以动剪应力值为纵坐标，绘制对应循环剪切次数时动剪应力值的试验点，采用式2拟合循环剪切次数与动剪应力值之间的关系，从而获得岩体结构面试样动剪应力值的计算公式：

Y(τ_n)＝τ₀×[a+(1-a)×e^-bn] 式2

其中，Y(τ_n)为岩体结构面试样动剪应力的计算值；τ₀为岩体结构面初始动剪应力值；n为循环剪切次数；a和b为待定系数，由试验结果拟合获得。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种岩体结构面循环剪切试验仪，其特征在于：包括基础支撑系统，循环荷载系统，法向荷载系统和剪切试验系统，所述基础支撑系统一侧为无顶平板，用以安装所述循环荷载系统，所述基础支撑系统另一侧为具有顶板和底板的中空立体框架，用以安装所述法向荷载系统和所述剪切试验系统。

2.如权利要求1所述的一种岩体结构面循环剪切试验仪，其特征在于：所述循环荷载系统包括交流伺服电机、电动机底板、电动机转轴、电动机转盘、转盘活动节、连杆和连杆活动节，所述交流伺服电机固连于所述电动机底板上，所述交流伺服电机为仪器提供转动动能，所述电动机转盘固连于电动机转轴上，所述连杆配合所述电动机转盘、所述转盘活动节和所述连杆活动节，将所述交流伺服电机提供的转动动能转换为平动动能，为所述剪切试验系统提供连续的循环剪切荷载。

3.如权利要求2所述的一种岩体结构面循环剪切试验仪，其特征在于：所述电动机转盘上的偏心位置在不同半径处设有一列活动节螺栓孔，通过所述转盘活动节将所述连杆连接于不同的所述活动节螺栓孔上，从而实现循环剪切试验的振幅可调。

4.如权利要求3所述的一种岩体结构面循环剪切试验仪，其特征在于：所述电动机转盘上沿所述活动节螺栓孔设有振幅刻度表，可通过振幅刻度表直接查出不同活动节螺栓孔对应的剪切试验振幅；所述电动机转盘转速的倒数，即为循环剪切试验的频率，通过调整所述交流伺服电机的转速，即可实现循环剪切试验的频率可调。

5.如权利要求1所述的一种岩体结构面循环剪切试验仪，其特征在于：所述法向荷载系统包括处在中空立体框架上部、作用方向向下的数控扁千斤顶及处在其下方的刚性活动垫板。

6.如权利要求1所述的一种岩体结构面循环剪切试验仪，其特征在于：所述剪切试验系统包括应力传感器、循环剪切盒、固定剪切盒、限位结构和助滑机构，固定剪切盒受限位结构限位只能在上下方向上位移，所述应力传感器处在循环荷载系统与循环剪切盒之间，用于监测记录循环剪切过程中作用于所述循环剪切盒上的循环剪切荷载，所述循环剪切盒和所述固定剪切盒配套使用，内部构成腔体而用于填装保持岩体结构面试样，所述固定剪切盒设置于所述循环剪切盒上方，所述助滑机构设于放置循环剪切盒的位置以及循环剪切盒的移动路径上，所述循环剪切盒底部放置于助滑机构上。

7.如权利要求6所述的一种岩体结构面循环剪切试验仪，其特征在于：所述限位结构采用固定于顶板上的限位板。

8.如权利要求6所述的一种岩体结构面循环剪切试验仪，其特征在于：所述循环荷载系统包括交流伺服电机、电动机底板、电动机转轴、电动机转盘、转盘活动节、连杆和连杆活动节，所述交流伺服电机固连于所述电动机底板上，所述交流伺服电机为仪器提供转动动能，所述电动机转盘固连于电动机转轴上，所述连杆配合所述电动机转盘、所述转盘活动节和所述连杆活动节，将所述交流伺服电机提供的转动动能转换为平动动能，为所述剪切试验系统提供连续的循环剪切荷载；

所述应力传感器设置于所述连杆活动节与所述循环剪切盒之间。

9.如权利要求6所述的一种岩体结构面循环剪切试验仪，其特征在于：所述助滑机构采用滚动钢球或转动轴与循环剪切方向垂直的滚轮组。

10.一种岩体结构面循环剪切试验方法，其特征在于：

所述方法采用的岩体结构面循环剪切试验仪包括基础支撑系统，循环荷载系统，法向荷载系统和剪切试验系统，所述基础支撑系统一侧为无顶平板，用以安装所述循环荷载系统，所述基础支撑系统另一侧为具有顶板和底板的中空立体框架，用以安装所述法向荷载系统和所述剪切试验系统：

所述循环荷载系统包括交流伺服电机、电动机底板、电动机转轴、电动机转盘、转盘活动节、连杆和连杆活动节，所述交流伺服电机固连于所述电动机底板上，所述交流伺服电机为仪器提供转动动能，所述电动机转盘固连于电动机转轴上，所述连杆配合所述电动机转盘、所述转盘活动节和所述连杆活动节，将所述交流伺服电机提供的转动动能转换为平动动能，为所述剪切试验系统提供连续的循环剪切荷载；所述电动机转盘上的偏心位置在不同半径处设有一列活动节螺栓孔及其振幅刻度表；所述法向荷载系统包括处在中空立体框架上部、作用方向向下的数控扁千斤顶及处在其下方的刚性活动垫板；所述剪切试验系统包括应力传感器、循环剪切盒、固定剪切盒、限位结构和助滑机构，固定剪切盒受限位结构限位只能在上下方向上位移，所述应力传感器处在循环荷载系统与循环剪切盒之间，用于监测记录循环剪切过程中作用于所述循环剪切盒上的循环剪切荷载，所述循环剪切盒和所述固定剪切盒配套使用，内部构成腔体用于填装保持岩体结构面试样，所述固定剪切盒设置于所述循环剪切盒上方，所述助滑机构设于放置循环剪切盒的位置以及循环剪切盒的移动路径上，所述循环剪切盒底部放置于助滑机构上；所述应力传感器设置于所述连杆活动节与所述循环剪切盒之间；

所述方法包括以下步骤：

(1)试样安装：将制备完成的岩体结构面试样装入循环剪切盒和固定剪切盒之间构成的腔体内，再将循环剪切盒、固定剪切盒和结构面试样作为整体推入试验仪器内，置于数控扁千斤顶之下；

(2)应力施加：将刚性垫板放置于数控扁千斤顶和固定剪切盒之间，根据岩体结构面试样取样点所处的实际地应力条件确定法向应力值，采用数控扁千斤顶逐步施加法向应力至设定值；

(3)调幅调频：根据研究需要，确定循环剪切试验的振幅和频率，根据确定的试验振幅调整转盘活动节与电动机转盘的连接位置；根据试验频率设定交流伺服电机的转速；

(4)循环剪切：维持数控扁千斤顶的法向应力恒定，启动交流伺服电机开展循环剪切试验，电动机转盘完成1周转动即为1次循环剪切，同时采用应力传感器全程监测记录试验过程中的循环剪切荷载，直至完成规定次数的循环剪切试验；

(5)动剪应力计算：通过式1计算经历不同次数循环剪切后岩体结构面试样的动剪应力值；

其中，τ_n为经历n次循环剪切后岩体结构面试样的动剪应力值；P_n为经历n次循环剪切时应力传感器记录的循环剪切荷载；f₀为仪器的总摩阻力；A为岩体结构面试样的面积；

(6)数据分析：在直角坐标系中，以循环剪切次数为横坐标，以动剪应力值为纵坐标，绘制对应循环剪切次数时动剪应力值的试验点，采用式2拟合循环剪切次数与动剪应力值之间的关系，从而获得岩体结构面试样动剪应力值的计算公式：

Y(τ_n)＝τ₀×[a+(1-a)×e^-bn] 式2

其中，Y(τ_n)为岩体结构面试样动剪应力的计算值；τ₀为岩体结构面初始动剪应力值；n为循环剪切次数；a和b为待定系数，由试验结果拟合获得。