CN109342230A - 基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法 - Google Patents

基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109342230A
CN109342230A CN201810982350.0A CN201810982350A CN109342230A CN 109342230 A CN109342230 A CN 109342230A CN 201810982350 A CN201810982350 A CN 201810982350A CN 109342230 A CN109342230 A CN 109342230A
Authority
CN
China
Prior art keywords
shear
rock
pressure
shear box
sound wave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810982350.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109342230B (zh
Inventor
杨忠年
张亮
时伟
李克先
王勇
凌贤长
管晓明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qingdao University of Technology
Original Assignee
Qingdao University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qingdao University of Technology filed Critical Qingdao University of Technology
Priority to CN201810982350.0A priority Critical patent/CN109342230B/zh
Publication of CN109342230A publication Critical patent/CN109342230A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109342230B publication Critical patent/CN109342230B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/32—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces
    • G01N3/38—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces generated by electromagnetic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0014—Type of force applied
    • G01N2203/0025—Shearing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/003—Generation of the force
    • G01N2203/005—Electromagnetic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0075—Strain-stress relations or elastic constants
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/022—Environment of the test
    • G01N2203/0236—Other environments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/0658—Indicating or recording means; Sensing means using acoustic or ultrasonic detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
    • G01N2203/0676—Force, weight, load, energy, speed or acceleration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
    • G01N2203/0682—Spatial dimension, e.g. length, area, angle

Abstract

本发明公开一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及方法，所述测试装置包括剪切单元、渗透压力控制单元、岩石结构面损伤监测单元、结构面位移监测单元以及应力应变监测单元。通过设计特定的岩石结构面试件，可以实现在岩石节理上模拟不同渗透压力的渗流情况；在渗流存在的条件下对岩石进行剪切，可研究岩石结构面在不同法向应力，不同渗透应力以及不同的结构面粗糙度的情况下剪切变形及抗剪强度变化情况，为研究岩石结构面在渗流的影响下结构面本身抗剪强度参数变化与岩体结构变化特性研究提供一种新型、有效的测试手段。

Description

基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法
技术领域
本发明涉及土工试验技术领域，具体涉及一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法，通过室内试验测试岩石结构面在渗流情况下的抗剪强度。
背景技术
岩体是由结构面和岩块组成，结构面的存在造成了岩体介质的不连续性和各向异性，结构面的物理力学性质在一定程度上控制着岩体的力学性质，决定着岩体失稳破坏的规模和类型；同时结构面的存在也为水的渗流提供良好的通道。结构面的力学特性已成为岩体力学一个极为重要的理论研究课题。
岩石结构面的法向变形主要包括结构面面闭合和结构面剪胀，两者共同改变和影响着结构面的渗透特性。剪胀是结构面沿着粗糙和起伏表面做切向滑动时产生的法向膨胀，它与结构面岩体的渗透特性关系紧密，因此，要对结构面的剪切-渗流耦合特性进行研究，而进行结构面岩石试件的室内剪切-渗流耦合试验，是一种有效的技术手段。
岩石节理剪切渗流耦合试验中的关键技术是试验边界条件的实现，即位移、荷载边界条件和渗流边界条件。在岩石节理的剪切过程中，当上、下节理面在剪切力作用下产生相对位移时，通过在剪切盒进水口和出水口之间设定一定的水压差，即渗透水压力，来实现岩石结构面内的水沿指定路径流动，同时保证剪切盒在垂直水流方向边界上不发生水流渗透，因此必须对剪切盒做良好的密封。
由于试验条件的限制，特别是渗透密封手段，目前关于岩石节理剪切-渗流耦合试验的试验设备还比较缺乏，已有设备的剪切盒所能承受的渗透压力也往往比较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术存在的上述缺陷，提出一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法，为研究岩石结构面在渗流的影响下结构面本身抗剪强度参数变化与岩体结构变化特性研究提供一种新型、有效的测试手段。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，包括剪切单元、渗透压力控制单元、岩石结构面损伤监测单元、结构面位移监测单元以及应力应变监测单元；
所述剪切单元包括底座、剪切盒和钢制框架，剪切盒和钢制框架均设置在底座上，钢制框架的顶部设置有一轴压加载板，轴压加载板通过轴压螺栓与钢制框架相连，剪切盒的顶端通过一弹簧组件与轴压加载板相连，通过调节轴压螺栓，实现弹簧组件提供法向恒刚度加载，所述剪切盒内设置有标准试件，所述标准试件是由将岩石依据设计结构面尺寸与粗糙度进行切割打磨获得，标准试件包括上部岩石结构面试件和下部岩石结构面试件，标准试件通过固定螺栓固定在剪切盒内；所述剪切盒为圆柱形，包括上剪切盒和下剪切盒，分别上剪切盒的侧面设置有刚性触手，刚性触手与钢制框架固定连接，下剪切盒与一变频电机相连，实现往返剪切运动，在剪切过程中，上剪切盒固定，变频电机通过齿轮与下剪切盒连接，并带动下剪切盒进行不同速率的往返剪切运动；
所述渗透压力控制单元包括进水管、出水管以及水压力泵，所述下部岩石结构面试件内部设置有竖向透水孔，所述透水孔通过进水管与水压力泵相连，在试验过程中，可以保证岩石结构面进水压力恒定。沿上部岩石结构面试件和下部岩石结构面试件的接触面处的圆周方向设置有一渗流出水口，所述渗流出水口与水压力泵相连，可以实时对岩石结构面的渗流量与出水端压力进行测定；
所述岩石结构面损伤监测单元包括声波发射探头、声波接收探头以及声波解调仪，所述声波发射探头设置在上部岩石结构面试件的顶端，所述声波接收探头设置在下部岩石结构面试件的底端，声波发射探头和声波接收探头均与声波解调仪相连，试验开始时，声波发射探头发射高压脉冲，同时声波接收探头接收声波信号，在发射高压脉冲的同时，声波解调仪将输出同步信号，对岩石内部各类型裂隙进行无损检测；
所述结构面位移监测单元包括相机，上剪切盒和下剪切盒之间的剪切面处还设置有透明窗口，透明窗口采用亚克力材质，相机设置在上剪切盒外部的亚克力窗口外侧，以保证与上剪切盒的相对静止，对剪切面进行拍摄，记录剪切时剪切面的变化，通过后续数据处理分析剪切面宏细观变化情况；
所述应力应变监测单元包括第一压力传感器、第二压力传感器以及压力数显装置，第一压力传感器设置在弹簧组件与剪切盒之间，第二压力传感器设置在刚性触手和钢制框架之间，第一压力传感器和第二压力传感器均与压力数显装置相连，在剪切过程中，在变频电机作用下，下剪切盒产生转动位移，会带动上剪切盒一同转动，而上剪切盒的刚性触手在刚制框架的止挡左右下，限制了上剪切盒的位移变形，第二压力传感器可将识别的信号实时传递至压力数显装置进行数据的观测与记录。
进一步的，所述变频电机与一电机数控显示系统相连，变频电机的输出轴与一齿轮相连，沿下剪切盒的侧壁圆周方向设置有齿纹圈，所述齿纹圈与齿轮啮合，通过变频电机带动下剪切盒进行不同速率的往返剪切运动。
进一步的，所述下剪切盒的底部设置有滚珠，以减少变频电机驱动下剪切和转动时的摩擦力，增加剪切效果。
进一步的，所述轴压加载板的下表面上还设置有位移传感器，所述位移传感器采用激光位移传感器，以实时检测轴向位移。
本发明另外还提出一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置的测试方法，包括以下步骤：
(1)将岩石按设计结构面尺寸与粗糙度进行切割打磨，制成标准试件，一组标准试件由上部岩石结构面试件和下部岩石结构面试件组成，通过固定螺栓将标准试件固定在剪切盒内；
(2)旋紧轴压螺栓，观察第一压力传感器的测试数值，当第一压力传感器的读数达到设定轴向压力时停止，确保整个测试过程均在常法向刚度下完成；
(3)在上部岩石结构面试件顶部设计有声波发射探头，在下部岩石结构面试件底部设计有声波接收探头，试验开始时，声波发射探头发射高压脉冲，同时声波接收探头接收声波信号；在发射高压脉冲的同时，声波解调仪将输出同步信号，对岩石内部各类型裂隙进行无损检测；
(4)设定进水端水压力，待结构面边渗流出水口处有水渗出时，打开水压力泵，实时监测出水量和出水端压力；待出水端压力稳定后，通过设定变频电机的转动频率、转动幅度和转动周期来对标准试件施加剪切力，标准试件受到的剪切力T的大小由第二压力传感器测得，则试件受到的剪应力为：τ＝T÷πr2；
(5)试件在剪切过程中轴向力变化由第一压力传感器测得，轴向位移由位移传感器测得，结合剪切过程中剪切位移、剪应力绘制之间的剪切位移曲线，测得试样的粘聚力与阻尼比，得到试样在循环剪切下的滞回曲线，进而计算试样的动模量与阻尼比；
而且，试件在剪切过程中，通过亚克力窗口观察剪切面宏观变化情况，并将相机安装于上剪切盒外部，以保证与上盒的相对静止，对剪切面进行拍摄，并对所得图像进行处理；通过拍摄获取目标物变形过程中的连续散斑图像，在灰度匹配算法的基础上，采用相关性指标来衡量参考子区和目标子区的相似程度，从而求得被测目标的位移和变形。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明所提出的方案采用圆形剪切盒设计，渗流采用辐射流的形式，可以实现高渗透压力下剪切盒的密封性，避免剪切过程中由于剪切盒的相对位移造成漏水问题；而且，采用圆形剪切盒设计，可以实现对试样的循环剪切，通过设定剪切频率与幅值，可得到与之对应的动剪切模量与阻尼比，极大的方便了对土体动剪切特性的研究，并成功解决了传动剪切设备在剪切过程中剪切面积与渗流路径随剪切变形而发生改变的缺陷；
采用竖向弹簧组件提供法向恒刚度加载，可实现常刚度下循环剪切试验；通过设计水压力泵实时测得结构面渗流进水压力与出水压力，进而得出有效渗透压力，并运用高压脉冲声波，对试验过程中岩石内部各类裂隙进行无损检测，实时反应出岩石结构面在渗透压力存在状态下的裂隙生成情况；结合观测窗的设计，可以记录剪切时剪切面的变化，通过后续数据处理分析剪切面宏细观变化情况。
附图说明
图1为本发明实施例1所述测试装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1所述上剪切盒横截面结构示意图；
图3为本发明实施例1所述下剪切盒横截面结构示意图；
其中，1-轴压螺栓；2-位移传感器；3-弹簧组件；4-声波发射探头；5-上部岩石结构面试件；6-岩石结构面渗流出水口；7-出水管；8-下部岩石结构面试件；9-声波接收探头；10-声波解调仪；11-水压力泵；12-钢制框架；13-第一压力传感器；14-固定螺栓；15-刚性触手；16-相机；17-进水管；18-压力数显装置；19-变频电机；20-电机数显控制装置；21-底座；22-轴压加载板；23-剪切盒；24-滚珠。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1，一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，包括剪切单元、渗透压力控制单元、岩石结构面损伤监测单元、结构面位移监测单元以及应力应变监测单元，具体的，如图1-3所示；
所述剪切单元包括底座21、剪切盒23和钢制框架12，剪切盒23和钢制框架12均设置在底座21上，钢制框架12的顶部设置有一轴压加载板22，轴压加载板22通过轴压螺栓1与钢制框架12相连，剪切盒23的顶端通过一弹簧组件3与轴压加载板22相连，通过调节轴压螺栓1，实现弹簧组件3提供法向恒刚度加载，劲度系数k＝50kPa/mm；所述剪切盒23内设置有标准试件，所述标准试件是由将岩石依据设计结构面尺寸与粗糙度进行切割打磨获得，标准试件包括上部岩石结构面试件5和下部岩石结构面试件8，标准试件通过固定螺栓14固定在剪切盒23内；所述剪切盒23为圆柱形，如图2和图3所示，包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒的侧面设置有刚性触手15，刚性触手15与钢制框架12固定连接，下剪切盒与一变频电机相连，所述变频电机19与一电机数控显示系统20相连，变频电机19的输出轴与一齿轮相连，沿下剪切盒的侧壁圆周方向设置有齿纹圈，所述齿纹圈与齿轮啮合，通过变频电机19带动下剪切盒实现往返剪切运动，在剪切过程中，上剪切盒固定，变频电机19通过齿轮与下剪切盒连接，并带动下剪切盒进行不同速率的往返剪切运动(速率范围为0.15mm/min～15mm/min)，为减少变频电机19驱动下剪切和转动时的摩擦力，增加剪切效果所述下剪切盒的底部设置有滚珠24。
继续参考图1，所述渗透压力控制单元包括进水管17、出水管7以及水压力泵11，所述下部岩石结构面试件8内部设置有竖向透水孔，所述透水孔通过进水管17与水压力泵11相连，在试验过程中，可以保证岩石结构面进水压力恒定沿上部岩石结构面试件5和下部岩石结构面试件8的接触面处的圆周方向设置有一渗流出水口6，所述渗流出水口6与水压力泵11相连，可以实时对岩石结构面的渗流量与出水端压力进行测定；
所述岩石结构面损伤监测单元包括声波发射探头4、声波接收探头9以及声波解调仪10，所述声波发射探头4设置在上部岩石结构面试件5的顶端，所述声波接收探头9设置在下部岩石结构面试件8的底端，声波发射探头4和声波接收探头9均与声波解调仪10相连，试验开始时，声波发射探头4发射高压脉冲，同时声波接收探头9接收声波信号，在发射高压脉冲的同时，声波解调仪10将输出同步信号，对岩石内部各类型裂隙进行无损检测；
所述结构面位移监测单元包括相机16，上剪切盒和下剪切盒之间的剪切面处还设置有透明窗口，透明窗口采用亚克力材质，相机16设置在上剪切盒外部的亚克力窗口外侧，以保证与上剪切盒的相对静止，对剪切面进行拍摄，记录剪切时剪切面的变化，通过后续数据处理分析剪切面宏细观变化情况；
所述应力应变监测单元包括第一压力传感器13、第二压力传感器以及压力数显装置18，第一压力传感器13设置在弹簧组件3与剪切盒23之间，第二压力传感器设置在刚性触手15和钢制框架12之间，第一压力传感器13和第二压力传感器均与压力数显装置18相连，在剪切过程中，在变频电机作用下，下剪切盒产生转动位移，会带动上剪切盒一同转动，而上剪切盒的刚性触手在刚制框架12的止挡左右下，限制了上剪切盒的位移变形，第二压力传感器可将识别的信号实时传递至压力数显装置进行数据的观测与记录。
另外，早所述轴压加载板22的下表面上还设置有位移传感器2，所述位移传感器2采用激光位移传感器，以实时检测轴向位移。
本实施例所提出的应用于模拟岩石结构面在渗流条件下抗剪强度测试的试验装置，通过设计特定的岩石结构面试件，可以实现在岩石节理上模拟不同渗透压力的渗流情况。在渗流存在的条件下对岩石进行剪切，可研究岩石结构面在不同法向应力，不同渗透应力以及不同的结构面粗糙度的情况下剪切变形及抗剪强度变化情况。
实施例2，基于实施例1所述的测试装置，本实施例提出一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试方法，具体包括以下步骤：
(1)将岩石按设计结构面尺寸与粗糙度进行切割打磨，制成标准试件，一组标准试件由上部岩石结构面试件5和下部岩石结构面试件8组成，通过固定螺栓14将标准试件固定在剪切盒内；
(2)旋紧轴压螺栓1，观察第一压力传感器13的测试数值，当第一压力传感器13的读数达到设定轴向压力时停止，确保整个测试过程均在常法向刚度下完成；
(3)在上部岩石结构面试件5顶部设计有声波发射探头4，在下部岩石结构面试件8底部设计有声波接收探头9，试验开始时，声波发射探头4发射高压脉冲，同时声波接收探头9接收声波信号；在发射高压脉冲的同时，声波解调仪10将输出同步信号，对岩石内部各类型裂隙进行无损检测；
(4)设定进水端水压力，待结构面边渗流出水口6处有水渗出时，打开水压力泵11，实时监测出水量和出水端压力；待出水端压力稳定后，通过设定变频电机19的转动频率、转动幅度和转动周期来对标准试件施加剪切力，标准试件受到的剪切力T的大小由第二压力传感器测得，则试件受到的剪应力为：τ＝T÷πr2；
(5)试件在剪切过程中轴向力变化由第一压力传感器13测得，轴向位移由位移传感器2测得，结合剪切过程中剪切位移、剪应力绘制之间的剪切位移曲线，测得试样的粘聚力与阻尼比(测出不同轴向应力对应的最大剪应力，三个点连成一条直线，斜率即为内摩擦角，截距为粘聚力)，得到试样在循环剪切下的滞回曲线，进而计算试样的动模量与阻尼比(应变可以控制，大应变(塑形变形)时得到抗剪强度，小应变(弹性变形)时的到动力特性参数(阻尼比与动剪切模量))；
而且，试件在剪切过程中，通过亚克力窗口观察剪切面宏观变化情况，并将相机16安装于上剪切盒外部，以保证与上盒的相对静止，对剪切面进行拍摄，并对所得图像进行处理；通过拍摄获取目标物变形过程中的连续散斑图像，在灰度匹配算法的基础上，采用相关性指标来衡量参考子区和目标子区的相似程度，从而求得被测目标的位移和变形。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，其特征在于，包括剪切单元、渗透压力控制单元、岩石结构面损伤监测单元、结构面位移监测单元以及应力应变监测单元；
所述剪切单元包括底座(21)、剪切盒(23)和钢制框架(12)，剪切盒(23)和钢制框架(12)均设置在底座(21)上，钢制框架(12)的顶部设置有一轴压加载板(22)，轴压加载板(22)通过轴压螺栓(1)与钢制框架(12)相连，剪切盒(23)的顶端通过一弹簧组件(3)与轴压加载板(22)相连；所述剪切盒(23)内设置有标准试件，所述标准试件是由将岩石依据设计结构面尺寸与粗糙度进行切割打磨获得，标准试件包括上部岩石结构面试件(5)和下部岩石结构面试件(8)，标准试件通过固定螺栓(14)固定在剪切盒(23)内；所述剪切盒(23)为圆柱形，包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒的侧面设置有刚性触手(15)，刚性触手(15)与钢制框架(12)固定连接，下剪切盒与一变频电机相连，实现往返剪切运动；
所述渗透压力控制单元包括进水管(17)、出水管(7)以及水压力泵(11)，所述下部岩石结构面试件(8)内部设置有竖向透水孔，所述透水孔通过进水管(17)与水压力泵(11)相连，沿上部岩石结构面试件(5)和下部岩石结构面试件(8)的接触面处的圆周方向设置有一渗流出水口(6)，所述渗流出水口(6)与水压力泵(11)相连；
所述岩石结构面损伤监测单元包括声波发射探头(4)、声波接收探头(9)以及声波解调仪(10)，所述声波发射探头(4)设置在上部岩石结构面试件(5)的顶端，所述声波接收探头(9)设置在下部岩石结构面试件(8)的底端，声波发射探头(4)和声波接收探头(9)均与声波解调仪(10)相连；
所述结构面位移监测单元包括相机(16)，上剪切盒和下剪切盒之间的剪切面处还设置有透明窗口，透明窗口采用亚克力材质，相机(16)设置在上剪切盒外部的亚克力窗口外侧；
所述应力应变监测单元包括第一压力传感器(13)、第二压力传感器以及压力数显装置(18)，第一压力传感器(13)设置在弹簧组件(3)与剪切盒(23)之间，第二压力传感器设置在刚性触手(15)和钢制框架(12)之间，第一压力传感器(13)和第二压力传感器均与压力数显装置(18)相连。
2.根据权利要求1所述的基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，其特征在于：所述变频电机(19)与一电机数控显示系统(20)相连，变频电机(19)的输出轴与一齿轮相连，沿下剪切盒的侧壁圆周方向设置有齿纹圈，所述齿纹圈与齿轮啮合，通过变频电机(19)带动下剪切盒进行不同速率的往返剪切运动。
3.根据权利要求1所述的基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，其特征在于：所述下剪切盒的底部设置有滚珠(24)。
4.根据权利要求1所述的基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，其特征在于：所述轴压加载板(22)的下表面上还设置有位移传感器(2)，所述位移传感器(2)采用激光位移传感器，以实时检测轴向位移。
5.一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将岩石按设计结构面尺寸与粗糙度进行切割打磨，制成标准试件，一组标准试件由上部岩石结构面试件(5)和下部岩石结构面试件(8)组成，通过固定螺栓(14)将标准试件固定在剪切盒内；
(2)旋紧轴压螺栓(1)，观察第一压力传感器(13)的测试数值，当第一压力传感器(13)的读数达到设定轴向压力时停止，确保整个测试过程均在常法向刚度下完成；
(3)在上部岩石结构面试件(5)顶部设计有声波发射探头(4)，在下部岩石结构面试件(8)底部设计有声波接收探头(9)，试验开始时，声波发射探头(4)发射高压脉冲，同时声波接收探头(9)接收声波信号；在发射高压脉冲的同时，声波解调仪(10)将输出同步信号，对岩石内部各类型裂隙进行无损检测；
(4)设定进水端水压力，待结构面边渗流出水口(6)处有水渗出时，打开水压力泵(11)，实时监测出水量和出水端压力；待出水端压力稳定后，通过设定变频电机(19)的转动频率、转动幅度和转动周期来对标准试件施加剪切力，标准试件受到的剪切力T的大小由第二压力传感器测得，则试件受到的剪应力为：τ＝T÷πr2；
(5)试件在剪切过程中轴向力变化由第一压力传感器(13)测得，轴向位移由位移传感器(2)测得，结合剪切过程中剪切位移、剪应力绘制之间的剪切位移曲线，测得试样的粘聚力与阻尼比，得到试样在循环剪切下的滞回曲线，进而计算试样的动模量与阻尼比；
而且，试件在剪切过程中，通过亚克力窗口观察剪切面宏观变化情况，并将相机(16)安装于上剪切盒外部，对剪切面进行拍摄，并对所得图像进行处理；通过拍摄获取目标物变形过程中的连续散斑图像，在灰度匹配算法的基础上，采用相关性指标来衡量参考子区和目标子区的相似程度，从而求得被测目标的位移和变形。
CN201810982350.0A 2018-08-27 2018-08-27 基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法 Active CN109342230B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810982350.0A CN109342230B (zh) 2018-08-27 2018-08-27 基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810982350.0A CN109342230B (zh) 2018-08-27 2018-08-27 基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109342230A true CN109342230A (zh) 2019-02-15
CN109342230B CN109342230B (zh) 2021-05-11

Family

ID=65291602

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810982350.0A Active CN109342230B (zh) 2018-08-27 2018-08-27 基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109342230B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110543854A (zh) * 2019-09-05 2019-12-06 广东水电二局股份有限公司 一种基于图像处理的岩土结构检测方法
CN110687272A (zh) * 2019-11-04 2020-01-14 中山大学 基于地热开采的岩石节理面剪切渗流试验装置及试验方法
CN111220484A (zh) * 2020-03-09 2020-06-02 重庆地质矿产研究院 一种往复式岩石裂缝摩擦-渗流特性测试装置及测试方法
CN112067470A (zh) * 2020-08-28 2020-12-11 东北大学 一种双粗糙度结构面剪切渗流试验密封机构及其使用方法
CN112284931A (zh) * 2020-09-30 2021-01-29 中国科学院武汉岩土力学研究所 多方向岩石往复剪切-温度耦合及声学测试方法
CN112284928A (zh) * 2020-09-30 2021-01-29 中国科学院武汉岩土力学研究所 具备声学测试的多方向岩石剪切-渗流耦合试验系统

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5817946A (en) * 1996-10-28 1998-10-06 Test Quip, Inc. Gyratory compaction apparatus for creating compression and shear forces in a sample material
CN2510853Y (zh) * 2001-12-19 2002-09-11 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩石裂隙渗流试验的渗压和剪应力加载装置
JP2003294601A (ja) * 2002-04-01 2003-10-15 Tosetsu Doboku Consultant:Kk 脆弱岩盤用室内せん断試験機
CN101387598A (zh) * 2008-10-08 2009-03-18 中国科学院武汉岩土力学研究所 化学渗透与蠕变耦合作用下岩石孔隙度实时测试装置
US20110132099A1 (en) * 2008-07-07 2011-06-09 Jean Secq Triaxial cell for the testing of geomaterials in compression and in shear
CN202522479U (zh) * 2012-03-05 2012-11-07 山东科技大学 新型岩石剪切渗流耦合真三轴试验系统
CN105973724A (zh) * 2016-07-26 2016-09-28 山东科技大学 岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒
CN205974137U (zh) * 2016-08-25 2017-02-22 滕志坤 一种循环正渗透的水处理系统
CN206479416U (zh) * 2017-01-23 2017-09-08 中国海洋大学 剪切面积不变的圆柱形直剪仪
CN107782628A (zh) * 2017-09-19 2018-03-09 太原理工大学 一种静水压力条件下单裂隙岩石试件直剪‑渗流试验装置与试验方法
US20180120283A1 (en) * 2017-03-07 2018-05-03 Ramesh Chandra Gupta Expandable Jacket for Triaxial, Unconfined and Uniaxial Compression Tests and Test Device for Three-Dimensional Consolidation and Settlement Tests
CN108020472A (zh) * 2017-12-07 2018-05-11 武汉大学 软岩填料劣化试验设备及试验方法
CN108333060A (zh) * 2018-03-27 2018-07-27 武汉市政工程设计研究院有限责任公司 采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机
CN108362579A (zh) * 2018-05-25 2018-08-03 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 便携式岩体直接剪切测试装置
US20180231444A1 (en) * 2017-02-10 2018-08-16 Varel International Ind., L.P. Load controlled testing of shear cutters

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5817946A (en) * 1996-10-28 1998-10-06 Test Quip, Inc. Gyratory compaction apparatus for creating compression and shear forces in a sample material
CN2510853Y (zh) * 2001-12-19 2002-09-11 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩石裂隙渗流试验的渗压和剪应力加载装置
JP2003294601A (ja) * 2002-04-01 2003-10-15 Tosetsu Doboku Consultant:Kk 脆弱岩盤用室内せん断試験機
US20110132099A1 (en) * 2008-07-07 2011-06-09 Jean Secq Triaxial cell for the testing of geomaterials in compression and in shear
CN101387598A (zh) * 2008-10-08 2009-03-18 中国科学院武汉岩土力学研究所 化学渗透与蠕变耦合作用下岩石孔隙度实时测试装置
CN202522479U (zh) * 2012-03-05 2012-11-07 山东科技大学 新型岩石剪切渗流耦合真三轴试验系统
CN105973724A (zh) * 2016-07-26 2016-09-28 山东科技大学 岩体不连续面剪切渗流耦合试验盒
CN205974137U (zh) * 2016-08-25 2017-02-22 滕志坤 一种循环正渗透的水处理系统
CN206479416U (zh) * 2017-01-23 2017-09-08 中国海洋大学 剪切面积不变的圆柱形直剪仪
US20180231444A1 (en) * 2017-02-10 2018-08-16 Varel International Ind., L.P. Load controlled testing of shear cutters
US20180120283A1 (en) * 2017-03-07 2018-05-03 Ramesh Chandra Gupta Expandable Jacket for Triaxial, Unconfined and Uniaxial Compression Tests and Test Device for Three-Dimensional Consolidation and Settlement Tests
CN107782628A (zh) * 2017-09-19 2018-03-09 太原理工大学 一种静水压力条件下单裂隙岩石试件直剪‑渗流试验装置与试验方法
CN108020472A (zh) * 2017-12-07 2018-05-11 武汉大学 软岩填料劣化试验设备及试验方法
CN108333060A (zh) * 2018-03-27 2018-07-27 武汉市政工程设计研究院有限责任公司 采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机
CN108362579A (zh) * 2018-05-25 2018-08-03 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 便携式岩体直接剪切测试装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MORTEZA DEJAM ET AL.: ""Shear dispersion in combined pressure-driven and electro-osmotic flows in a channel with porous walls"", 《CHEMICAL ENGINEERING SCIENCE》 *
刘明维 等: ""岩体结构面抗剪强度参数确定方法的现状及思考"", 《重庆交通学院学报》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110543854A (zh) * 2019-09-05 2019-12-06 广东水电二局股份有限公司 一种基于图像处理的岩土结构检测方法
CN110687272A (zh) * 2019-11-04 2020-01-14 中山大学 基于地热开采的岩石节理面剪切渗流试验装置及试验方法
CN111220484A (zh) * 2020-03-09 2020-06-02 重庆地质矿产研究院 一种往复式岩石裂缝摩擦-渗流特性测试装置及测试方法
CN112067470A (zh) * 2020-08-28 2020-12-11 东北大学 一种双粗糙度结构面剪切渗流试验密封机构及其使用方法
CN112067470B (zh) * 2020-08-28 2021-08-20 东北大学 一种双粗糙度结构面剪切渗流试验密封机构及其使用方法
CN112284931A (zh) * 2020-09-30 2021-01-29 中国科学院武汉岩土力学研究所 多方向岩石往复剪切-温度耦合及声学测试方法
CN112284928A (zh) * 2020-09-30 2021-01-29 中国科学院武汉岩土力学研究所 具备声学测试的多方向岩石剪切-渗流耦合试验系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN109342230B (zh) 2021-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109342230A (zh) 基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法
Bruzelius et al. An initial investigation on the potential applicability of Acoustic Emission to rail track fault detection
CN104076089B (zh) 环形锻件自动超声波c扫描检测系统
CN102507742B (zh) 一种机械复合管结合强度的评价方法
CN105021457B (zh) 一种用于深部坚硬顶板煤层冲击倾向性的测试与评估方法
CN106290002A (zh) 基于三点弯曲试验的岩石ⅰ型裂纹扩展全过程检测方法
Shirole et al. Damage monitoring in rock specimens with pre-existing flaws by non-linear ultrasonic waves and digital image correlation
CN105115453A (zh) 基于数字b超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量装置及方法
CN102128754B (zh) 在shpb劈裂拉伸试验中测定脆性材料拉伸弹模的方法
EP2738553B1 (en) Ultrasound inspection system and ultrasonic quality control method
CN103822968B (zh) 面向结合面压强检测的压强-超声反射率曲线构建方法
CN107167522A (zh) 裂纹测试仪
US8312764B2 (en) Apparatus for detecting mechanical features of materials
DE19728653A1 (de) Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenschwingungen von Körpern
CN111024519B (zh) 水下结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪及使用方法
CN211347754U (zh) 一种观测基础结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪
CN207336227U (zh) 一种可测量试件弹性极限的单轴压缩试验装置
CN204988218U (zh) 机械密封端面磨损量在线测量装置
CN110320113A (zh) 一种土岩界面原状试样扭剪试验装置及方法
Bergant et al. Ultrasonic C-scan testing of epoxy/glass fiber composite
Clay et al. Comparison of diagnostic techniques to measure damage growth in a stiffened composite panel
Masoumi et al. A modification to radial strain calculation in rock testing
CN104698081B (zh) 一种发动机传动齿轮用过盈螺栓超声波探伤检测方法
Alnuaimi et al. A Non-Linear Ultrasonic Approach Using a Fine-Tuned Experimentally Defined Frequency for Structural Health Monitoring of Composite Plates
Sasanka Durvasula et al. Visualization studies of Lamb wave propagation and interactions with anomalies in composite laminates using air-coupled ultrasonics

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant