CN109269915B - 岩石结构面恒定法向刚度剪切试验仪及其试验方法 - Google Patents

岩石结构面恒定法向刚度剪切试验仪及其试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种岩石结构面恒定法向刚度剪切试验仪及其试验方法，涉及岩石力学技术。本试验仪包括顶部横梁、立柱、底座横梁、左水平反力钢梁、右水平反力钢梁、台座、锚固螺栓、垫片、加劲肋、试样、剪切盒、水平滚排、竖向滚排、竖向加荷系统、水平加荷系统和控制管路。本方法是：①制样；②组装；③试验。本试验仪可以模拟岩石结构面在恒定法向刚度条件下的剪切特性，获得剪应力、法向应力、剪涨随剪切位移的变化规律。本试验方法制样简单，可实现大批量的试样制备，获得单一变量对岩石结构面剪切强度的影响规律。本试验装置标准统一，可实现多次工业复制，适用于各类岩石结构面在恒定法向刚度条件下的剪切试验。

Description

岩石结构面恒定法向刚度剪切试验仪及其试验方法
技术领域
本发明涉及岩石力学技术，尤其涉及一种岩石结构面恒定法向刚度剪切试验仪及其试验方法。
背景技术
由于成岩作用、构造运动作用、外力（如风化、卸荷、爆破等）作用等，工程岩体中形成了各种类型的结构面。岩体的稳定性特征、强度特征和变形特征等力学性质与其内部存在的结构面几何和力学性质密切相关。实际工程中，常见由于结构面存在而造成的灾害事故，如硐室失稳、边坡滑移、结构面型岩爆等。近年来，国内外众多学者对结构面剪切力学特性和破坏特征等开展了大量研究，结果表明，结构面粗糙度对剪切强度特性、剪胀特征、结构面表面破坏机制等的变化规律起着决定性作用。因此，开展岩石结构面表面形貌特征和剪切力学特性的研究，对工程稳定性设计和灾害的防控具有一定的指导意义。
在确定岩石结构面剪切强度时，通常采用室内剪切试验的方法，在以往的试验中，常采用恒定法向应力剪切试验确定岩石结构面的剪切强度。该方法适用于模拟恒定法向应力条件下结构面的剪切特性，但无法准确获得结构面在恒定法向刚度条件下的剪切强度特性，如地震荷载作用下的岩石结构面剪切特性、地下硐室围岩结构面剪切特性等。
发明内容
本发明的目的就是克服传统岩石结构面剪切试验仪只能施加恒定法向应力的缺陷，设计一种恒定法向刚度条件下的岩石结构面剪切试验仪及其试验方法，准确获得岩石结构面在恒定法向刚度条件下的剪切强度特性。
本发明的目的是这样实现的：
一、岩石结构面恒定法向刚度剪切试验仪（简称试验仪）
本试验仪包括顶部横梁、立柱、底座横梁、左水平反力钢梁、右水平反力钢梁、台座、锚固螺栓、垫片、加劲肋、试样、剪切盒、水平滚排、竖向滚排、竖向加荷系统、水平加荷系统和控制管路；
所述的试样为边长150mm的立方体，置于剪切盒内，由岩样、结构面、水泥砂浆、和剪切缝组成；以岩样为中心，在岩样的结构面上、下、中分别设置有水泥砂浆和剪切缝；
所述的剪切盒由上剪切盒和下剪切盒组成，呈盒状，底面为正方形，正方形边长为153mm，盒深70mm；
各构件的位置和连接关系是：
顶部横梁、立柱和底座横梁依次连接锚固组成外部反力框架；
在框架内部，从左至右，左水平反力钢梁、水平加荷系统、剪切盒、竖向滚排、右水平反力钢梁组成内部水平作用系统，从上至下，竖向加荷系统、剪切盒、水平滚排、台座依次连接组成内部竖向作用系统；
左水平反力钢梁、右水平反力钢梁分别锚固在左右立柱上，为水平加荷系统提供水平反力支撑；
台座锚固在底座横梁，为竖向加荷系统提供竖向反力支撑；
水平滚排、竖向滚排分别设置在台座上部、右水平反力钢梁左侧，试样放于剪切盒内，剪切盒置于水平滚排之上，并使上剪切盒紧贴竖向滚排，可确保剪切试样产生水平剪切位移和竖向剪涨。
二、岩石结构面恒定法向刚度剪切试验方法（简称方法）
本方法包括下列步骤：
①制样
岩样的结构面置于预留剪切缝的中心，结构面与剪切缝保持平行，后利用水泥砂浆将岩样浇筑固定在模具中，待水泥砂浆养护至龄期强度后，拆模完成制样；
②组装
在水平工作面上，利用锚固螺栓下至上依次将底座横梁、立柱、顶部横梁锚固连接，构成外部反力框架，并在立柱与底座横梁锚固处的外侧利用加劲肋加固；
反力框架内部，左水平反力钢梁、右水平反力钢梁、台座分别锚固在左侧立柱、右侧立柱、底座横梁；
水平加荷系统、竖向加荷系统分别固定在左水平反力钢梁和顶部横梁，水平加荷系统、竖向加荷系统的荷载分别作用在下剪切盒的左侧和上剪切盒的顶部；
水平滚排、竖向滚排分别设置在台座上部和右水平反力钢梁左侧；
试样放置在剪切盒内，置于水平滚排至上，上剪切盒右侧紧贴竖向滚排；
③试验
对竖向加荷系统和水平加荷系统设置预置竖向荷载目标值；
竖向加荷系统向下施加预置竖向荷载，消除组装中的竖向空隙，在竖直方向上，使得剪切盒与试样、水平滚排紧密连接，而后，水平加荷系统施加预置水平荷载，消除组装中的水平空隙，在水平方向上，使得剪切盒与试样、竖向滚排紧密连接；
对竖向加荷系统设置剪切刚度和剪切初始法向应力，对水平加荷系统设置位移控制的剪切速率、最大剪切位移；
启动剪切试验，竖向加荷系统施加竖向荷载至剪切试样的初始法向应力目标值，而后水平加荷系统施加水平剪切荷载开始岩石结构面剪切试验；
试验中，上剪切盒与下剪切盒产生水平错动，试样产生剪切位移，同时，试样产生剪涨，使上剪切盒产生竖向位移；
竖向加荷系统和水平加荷系统通过内部设置的位移采集系统，可实时采集竖向剪涨和水平剪切位移；
竖向加荷系统依据竖向剪涨量的大小，根据恒定法向刚度的预设值，实时调整法向应力大小。
本发明具有下列优点和积极效果：
①顶部横梁、立柱、底座横梁均为型钢焊接成的腹板结构，刚度和强度大，并经锚固螺栓锚固组成外部反力框架，反力框架可为试验提供足够刚度的反力支撑；
②竖向加荷系统可实时测得竖向剪涨，并依据设定的刚度值，改变施加的法向应力，可模拟岩石结构面在恒定法向刚度条件下的法向应力变化；
③水平加荷系统提供剪切试验的剪切应力，并可实时测得剪切位移；
④水平滚排、竖向滚排分别设置在下剪切盒的下部和上剪切盒的右侧，可保证剪切试验中水平剪切位移和竖向剪涨的顺利产生，获得剪涨随剪切位移的变化规律；
⑤试样在模具中预先制备完成，使制样与试验分离，保证剪切试验的效率。
总之，本试验仪可以模拟岩石结构面在恒定法向刚度条件下的剪切特性，获得剪应力、法向应力、剪涨随剪切位移的变化规律。本试验方法制样简单，可实现大批量的试样制备，获得单一变量对岩石结构面剪切强度的影响规律。本试验装置标准统一，可实现多次工业复制，适用于各类岩石结构面在恒定法向刚度条件下的剪切试验。
附图说明
图1是本试验仪的结构示意图；
图2是剪切盒及试样的剖切示意图。
图中：
1—顶部横梁；
2—立柱；
3—底座横梁，
4—左水平反力钢梁；
5—右水平反力钢梁；
6—台座；
7—锚固螺栓，
8—垫片；
9—加劲肋；
10—试样，
10-1—岩样，10-2—结构面，10-3—水泥砂浆，10-4—剪切缝；
11—剪切盒，
11-1—上剪切盒，11-2—下剪切盒；
12—水平滚排；
13—竖向滚排；
14—竖向加荷系统；
15—水平加荷系统；
16—控制管路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、试验仪
1、总体
如图1、2，本试验仪包括顶部横梁1、立柱2、底座横梁3、左水平反力钢梁4、右水平反力钢梁5、台座6、锚固螺栓7、垫片8、加劲肋9、试样10、剪切盒11、水平滚排12、竖向滚排13、竖向加荷系统14、水平加荷系统15和控制管路16；
所述的试样10为边长150mm的立方体，置于剪切盒11内，由岩样10-1、结构面10-2、水泥砂浆10-3、和剪切缝10-4组成；以岩样10-1为中心，在岩样10-1的结构面10-2上、下、中分别设置有水泥砂浆10-3和剪切缝10-4；
所述的剪切盒11由上剪切盒11-1和下剪切盒11-2组成，呈盒状，底面为正方形，正方形边长为153mm，盒深70mm；
各构件的位置和连接关系是：
顶部横梁1、立柱2和底座横梁3依次连接锚固组成外部反力框架；
在框架内部，从左至右，左水平反力钢梁4、水平加荷系统15、剪切盒11、竖向滚排13、右水平反力钢梁5组成内部水平作用系统，从上至下，竖向加荷系统14、剪切盒11、水平滚排12、台座6依次连接组成内部竖向作用系统；
左水平反力钢梁4、右水平反力钢梁5分别锚固在左右立柱2上，为水平加荷系统15提供水平反力支撑；
台座6锚固在底座横梁3，为竖向加荷系统14提供竖向反力支撑；
水平滚排12、竖向滚排13分别设置在台座6上部、右水平反力钢梁5左侧，试样10放于剪切盒11内，剪切盒11置于水平滚排12之上，并使上剪切盒11-1紧贴竖向滚排13，可确保剪切试样10产生水平剪切位移和竖向剪涨。
2、功能部件
01）顶部横梁1
顶部横梁1是一种由型钢焊接而成的腹板结构，在与立柱2、竖向加荷系统14的连接处设置锚固螺栓7，与之锚固连接。
02）立柱2
立柱2是一种由型钢焊接而成的腹板结构，在与顶部横梁1、底座横梁3的连接处设置锚固螺栓7，与之锚固连接，立柱2与底座横梁3连接处同时设置加劲肋9加固。
03）底座横梁3
底座横梁3是一种由型钢焊接而成的腹板结构，在与立柱2的连接处设置锚固螺栓7，与之锚固连接；
04）左水平反力钢梁4
左水平反力钢梁4是一种由型钢焊接而成的腹板结构，左侧和下部通过锚固螺栓7分别锚固在立柱2和底座横梁3上，右侧有水平加荷系统15与之锚固连接，可为水平加荷系统15提供反力支撑。
05）右水平反力钢梁5
右水平反力钢梁5是一种由型钢焊接而成的腹板结构，右侧通过锚固螺栓7锚固在立柱2上，右水平反力钢梁5的左侧设置有竖向滚排13。
06）台座6
台座6通过锚固螺栓7锚固在底座横梁3上，其上部设置有水平滚排12。
07）锚固螺栓7
锚固螺栓7为市售标准件，用于将各构件锚固成为整体。
08）垫片8
垫片8为钢制构件，设置于立柱2顶部，与锚固螺栓7配合使用，可强化立柱2与顶部横梁1的锚固效果。
09）加劲肋9
加劲肋9设置在立柱2与底座横梁3的连接处，通过锚固螺栓7与立柱2、底座横梁3连接。
10）试样10
如图2，试样10为边长150mm的立方体，置于剪切盒11内，由岩样10-1、结构面10-2、水泥砂浆10-3、和剪切缝10-4组成；以岩样10-1为中心，在岩样10-1的结构面10-2上、下、中分别设置有水泥砂浆10-3和剪切缝10-4。
具体制备方法是：由水泥砂浆10-3将岩样10-1浇筑成形，浇筑中留有10mm厚的剪切缝10-4，浇筑中保证岩样10-1中的结构面10-2置于剪切缝10-4的中心，并与之平行，待水泥砂浆10-3养护至龄期强度后，拆模完成制样。
11）剪切盒11
剪切盒11由上剪切盒11-1和下剪切盒11-2组成，上剪切盒11-1与下剪切盒11-2均为钢制构件，呈盒状，底面为正方形，正方形边长为153mm，盒深70mm，可适应试样10的放置要求。
12)水平滚排12
水平滚排12是一种通用部件，设置在台座6之上，下剪切盒11-2之下，可保证剪切位移顺利产生。
13）竖向滚排13
竖向滚排13是一种通用部件，设置在右水平反力钢梁5的左侧，上剪切盒11-1的右侧，可保证剪涨顺利产生。
14）竖向加荷系统14
竖向加荷系统14是一种通用部件，锚固在顶部横梁1上，通过控制管路16与控制系统连接，可实时测得剪涨大小，并可依据剪涨量施加恒定法向刚度条件下的法向应力。
15）水平加荷系统15
水平加荷系统15是一种通用部件，锚固在顶部横梁1上，通过控制管路16与控制系统连接，可提供剪切应力，并可实时测得剪切位移大小；
16）控制管路16
控制管路16由油源控制管路和信号控制管路组成，竖向加荷系统14和水平加荷系统15均通过控制管路16与控制系统连接，竖向加荷系统14和水平加荷系统15通过控制管路16与外部油源控制系统和数据采集系统连接，可保证试验按照预设模块进行，并实时采集应力和位移数据。
3、本试验仪的工作机理
本试验仪由多个功能部件组装锚固而成，外部反力框架由顶部横梁1、立柱2和底座横梁3锚固组成，左水平反力钢梁4和右水平反力钢梁5组成内部水平反力支撑，顶部横梁1、台座6和底座横梁3组成内部竖向反力支撑；水平加荷系统15和竖向加荷系统14可分别提供剪应力和法向应力，并可实时测得剪切位移和剪涨量。
本试验仪可模拟岩石结构面在恒定法向刚度条件下，在不同初始法向应力、不同剪切速率时的剪切强度和剪涨规律，得到岩石结构面在恒定法向刚度下的剪切强度规律。

Claims (2)

1.一种岩石结构面恒定法向刚度剪切试验仪，其特征在于：
本试验仪包括顶部横梁（1）、立柱（2）、底座横梁（3）、左水平反力钢梁（4）、右水平反力钢梁（5）、台座（6）、锚固螺栓（7）、垫片（8）、加劲肋（9）、试样（10）、剪切盒（11）、水平滚排（12）、竖向滚排（13）、竖向加荷系统（14）、水平加荷系统（15和控制管路（16）；
所述的试样（10）为边长150mm的立方体，置于剪切盒（11）内，由岩样（10-1）、结构面（10-2）、水泥砂浆（10-3）、和剪切缝（10-4）组成；以岩样（10-1）为中心，在岩样（10-1）的结构面（10-2）上、下、中分别设置有水泥砂浆10-3和剪切缝（10-4）；
所述的剪切盒（11）由上剪切盒（11-1）和下剪切盒（11-2）组成，呈盒状，底面为正方形，正方形边长为153mm，盒深70mm；
各构件的位置和连接关系是：
顶部横梁（1）、立柱（2）和底座横梁（3）依次连接锚固组成外部反力框架；
在框架内部，从左至右，左水平反力钢梁（4）、水平加荷系统（15）、剪切盒（11）、竖向滚排（13）、右水平反力钢梁（5）组成内部水平作用系统，从上至下，竖向加荷系统（14）、剪切盒（11）、水平滚排（12）、台座（6）依次连接组成内部竖向作用系统；
左水平反力钢梁（4）、右水平反力钢梁（5）分别锚固在左右立柱（2）上，
为水平加荷系统（15）提供水平反力支撑；
台座（6）锚固在底座横梁（3），为竖向加荷系统（14）提供竖向反力支撑；
水平滚排（12）、竖向滚排（13）分别设置在台座（6）上部、右水平反力钢梁（5）左侧，试样（10）放于剪切盒（11）内，剪切盒（11）置于水平滚排（12）之上，并使上剪切盒（11-1）紧贴竖向滚排（13），可确保剪切试样（10）产生水平剪切位移和竖向剪涨；
所述控制管路（16）由油源控制管路和信号控制管路组成，竖向加荷系统（14）和水平加荷系统（15）均通过控制管路（16）与控制系统连接，竖向加荷系统（14）和水平加荷系统（15）通过控制管路（16）与外部油源控制系统和数据采集系统连接，可保证试验按照预设模块进行，并实时采集应力和位移数据。
2.采用权利要求1所述的岩石结构面恒定法向刚度剪切试验仪的试验方法，包括以下步骤：
①制样
将岩样（10-1）的结构面（10-2）置于预留剪切缝（10-4）的中心，结构面（10-2）与剪切缝（10-4）保持平行，后利用水泥砂浆（10-3）将岩样（10-1）浇筑固定在模具中，待水泥砂浆（10-3）养护至龄期强度后，拆模完成制样；
②组装
在水平工作面上，利用锚固螺栓（7）由下至上依次将底座横梁（3）、立柱（2）、顶部横梁（1）锚固连接，构成外部反力框架，并在立柱（2）与底座横梁（3）锚固处的外侧利用加劲肋（9）加固；
反力框架内部，左水平反力钢梁（4）、右水平反力钢梁（5）、台座（6）分别锚固在左侧立柱（2）、右侧立柱（2）、底座横梁（3）；
水平加荷系统（15）、竖向加荷系统（14）分别固定在左水平反力钢梁（4）和顶部横梁（1），水平加荷系统（15）和竖向加荷系统（14）的荷载分别作用在下剪切盒（11-2）的左侧、上剪切盒（11-1）的顶部；
水平滚排（12）、竖向滚排（13）分别设置在台座（6）上部和右水平反力钢梁（5）左侧；
试样（10）放置在剪切盒（11）内，置于水平滚排（12）之上，上剪切盒（11-1）右侧紧贴竖向滚排（13）；
③试验
对竖向加荷系统（14）和水平加荷系统（15）设置预置竖向荷载目标值；
竖向加荷系统（14）向下施加预置竖向荷载，消除组装中的竖向空隙，在竖直方向上，使得剪切盒（11）与试样（10）、水平滚排（12）紧密连接，而后，水平加荷系统（15）施加预置水平荷载，消除组装中的水平空隙，在水平方向上，使得剪切盒（11）与试样（10）、竖向滚排（13）紧密连接；
对竖向加荷系统（14）设置剪切刚度和剪切初始法向应力，对水平加荷系统（15）设置位移控制的剪切速率、最大剪切位移；
启动剪切试验，竖向加荷系统（14）施加竖向荷载至剪切试样（10）的初始法向应力目标值，而后水平加荷系统（15）施加水平剪切荷载开始岩石结构面剪切试验；
试验中，上剪切盒（11-1）与下剪切盒（11-2）产生水平错动，试样（10）产生剪切位移，同时，试样（10）产生剪涨，使上剪切盒（11-1）产生竖向位移；
竖向加荷系统（14）和水平加荷系统（15）通过内部设置的位移采集系统，可实时采集竖向剪涨和水平剪切位移；
竖向加荷系统（14）依据竖向剪涨量的大小，根据恒定法向刚度的预设值，实时调整法向应力大小。
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