CN110132714A - 一种测试不规则岩体试样变形参数的装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试不规则岩体试样变形参数的装置，属于岩体工程勘察技术领域。包括具有中心通孔的岩体试样、岩体试样轴向的加压装置、传力装置、围岩和量测装置；加压装置、传力装置依次设置于岩体试样上方，传力装置的顶部通过连接件与顶部围岩固定连接；量测装置包括用于量测岩体试样上表面变形量的千分表、岩体试样侧向变形监测设备以及位于岩体试样中心通孔内的多点位移计，本发明可以采用不规则的岩体试样进行测试，既便于岩体试样的加工还可以保证岩体试样变形参数测试的准确性，为现场测试岩体试样力学参数提供了便利。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试不规则岩体试样变形参数的装置及测试方法，属于岩体工程勘察技术领域。
背景技术
众所周知，岩体的力学参数对隧道工程、地铁工程等地下工程的设计与施工起到举足轻重的作用，而现有的岩体力学参数测试试验主要为室内试验和现场原位测试，无论哪种测试方法均需要对岩体进行取样，当遇到坚硬岩体时，常存在岩体难以剥离成形、尺寸控制难度大等问题，导致测试结果误差大，无法为实际工程的实施提供参考依据。
因此，急需提出一种测试岩体试样变形参数的装置及测试方法，所采用岩体试样既易于加工又可以避免岩体试样受压变弯影响试验结果，为岩体试样力学参数现场测试提供便利。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种测试不规则岩体试样变形参数的装置及测试方法，通过对不规则的岩体试样进行测试，既便于岩体试样的加工还可以保证岩体试样变形参数的测试准确性，为现场测试岩体试样力学参数提供便利。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种测试不规则岩体试样变形参数的装置，包括具有中心通孔的岩体试样、岩体试样轴向的加压装置、传力装置和量测装置；所述加压装置、传力装置依次设置于岩体试样上方，传力装置的顶部通过反力后背钢板与围岩固定连接；所述量测装置包括用于量测岩体试样上表面变形量的千分表、岩体试样侧向变形监测装置以及位于岩体试样中心通孔内的多点位移计。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述加压装置包括液压千斤顶、高压油管、液压稳压器和高压油泵，所述液压千斤顶通过高压油管与液压稳压器、高压油泵顺次连接，所述高压油管上还连接一压力表，加压装置与岩体试样上表面之间设置一承压板。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述承压板为截面为正方形钢板，钢板平面尺寸与岩体试样表面相差不宜太大，承压板的四角位置分别设置一个千分表。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述传力装置包括传力柱、用于支撑传力柱的钢板，传力柱与反力后背钢板之间通过焊接固定连接，所述反力后背钢板通过锚栓锚固到围岩顶部。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述传力柱为3根垂直于钢板的钢管并呈三角形分布，所述钢管之间通过钢筋焊接为一体。
本发明技术方案的进一步改进在于：还包括用于固定千分表的固定支架。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述岩体试样侧向变形监测装置为三条设置在岩体试样侧表面的环槽内、围绕岩体试样的环向测线，相邻两条环向测线之间间距为0.3m，所述环向测线为带重锤的可自由变形的尼龙质鱼线。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述多点位移计具有三个测点，，所述岩体试样表面还设置有用于引出多点位移计测线的导线槽。
一种测试不规则岩体试样变形参数的测试方法，包括以下几个步骤：
步骤1、前期准备
1-1、准备试验场地：在试验现场开挖直墙拱形或者平顶形式的试验洞；
1-2、准备岩体试样：采用预裂爆破方法使试验岩体试样与母岩剥离，制备形状呈上小下大的岩体试样，岩体试样横截面加工成近似正方形，并采用水泥浆对岩体试样进行补齐和找平修正；同时沿岩体试样的轴向设置中心通孔；
步骤2、装置的安装及调试
在试验岩体试样的上表面上依次安装加压装置、传力装置，将传力装置的顶端固定连接到试验洞的围岩上；
将千分表安装到固定支架上，使千分表的测量杆与承压板上表面相接触，并对千分表进行校准；
在岩体试样四个侧面，沿轴向自上而下凿刻三道环向闭合的线槽，并在线槽内布设环向测线，相邻两条环向测线间距为0.2-0.35m；
在岩体试样的中心通孔内设置具有三个测点的多点位移计；
步骤3、试验过程
3-1、确定最大试验压力，最大试验压力为设计压力的1.2倍；
3-2、岩体试样预压阶段，对岩体试样施加一定的压力对岩体试样进行前期预压，使岩体试样内微裂隙闭合；
3-3、分级加载试验压力，将确定的最大压力分为6级，首先施加第一级压力后记录量测装置的数值，每隔10min记录一次量测装置的数值，直至变形稳定后卸压，然后施加第二级压力，如此重复加卸载操作，直至完成最后一级压力的卸载，并记录各级压力下的量测装置的数值；
步骤4、试验数据的处理
4-1、确定岩体试样上三条环向测线位置处的横截面积，记为各分层面积，并计算各分层上压应力；
4-2、绘制各级压力与岩体试样上表面轴向变形、各分层压应力与其轴向变形曲线以及各分层轴向变形与侧向变形曲线；各分层轴向变形通过多点位移计测得；
4-3、计算岩体试样弹性模量，根据压力与岩体试样上表面轴向变形曲线以及各分层压应力与其轴向变形曲线求得4个弹性模量，取其均值得岩体试样平均弹性模量；
4-4、计算岩体试样轴向应变，用岩体试样表面四个千分表测得表面竖向变形量的均值与岩体试样轴向长度之比可算出岩体试样的轴向应变值；
4-5、计算分层侧向应变，岩体试样侧向应变计算时可把岩体试样横截面近似看作正方形，根据各层侧向环向变形增量的四分之一与截面边长之比算出各分层位置侧向应变值，岩体试样侧向应变值取三个分层侧向应变值的均值；
4-6、计算岩体试样泊松比，根据前面计算出的岩体试样侧向应变值与轴向应变值之比可算出岩体试样的泊松比。
本发明上述技术方案的进一步改进在于：步骤4中各分层面积采用投影条分法进行确定。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明采用的试验岩体试样为“上小下大”不规则形状，这种不规则的岩体试样易于现场进行加工，又可避免岩体试样在受压过程中出现压弯造成受力不均匀的现象，极大提升了岩体试样力学参数现场测试的便利性。
本发明还提供了用于测试这种不规则岩体试样变形参数的装置，本装置具备结构简单、操作方便、安全可靠等优点。
进一步的，本发明的加压装置中采用了液压稳压器和高压油泵，使加压和减压匀速，保证施加的压力匀速递增，提高所测得的试验数据的准确性。
进一步的，本发明通过四个千分表来测试岩体试样上表面的变形量，可以避免使用单一的千分表进行表征，造成试验误差大、试验数据准确性差。
进一步的，本发明设计的传力装置中的传力柱3根垂直于钢板的钢管并呈三角形分布，并且钢管之间采用钢筋焊接为一体，既保证了传力装置的稳固性又为反作用力的传递提供了保障。
进一步，本发明试验过程中加压的过程中采用逐级多次小循环加卸载，保证了加载压力平缓进行，以保证安全操作，避免传力柱倾倒。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明岩体试样侧向变形监测设备示意图；
其中，1、岩体试样，2、围岩，3、千分表，4、多点位移计，5、环向测线，6、液压千斤顶，7、承压板，8、传力柱，9、钢板，10、反力后背钢板，11、固定支架,12、钢垫板。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，一种测试不规则岩体试样变形参数的装置，包括具有中心通孔的岩体试样1、岩体试样轴向的加压装置、传力装置、围岩2和量测装置；
岩体试样1的上表面设置一承压板7，承压板7上方设置一加压装置，其中加压装置包括液压千斤顶6、高压油管、液压稳压器和高压油泵，液压千斤顶6通过高压油管与液压稳压器、高压油泵顺次连接，高压油管上还连接一个压力表，便于观察压力的变化，避免出现加压过快或者加压不足的情况。其中，承压板7为截面为正方形的钢板，其边长为50cm、厚度为4cm。
液压千斤顶6的顶杆通过钢板9与传力柱8连接，传力柱8顶端通过一反力后背钢板10与围岩2连接，其中传力柱8与反力后背钢板10之间通过焊接固定连接在一起，反力后背钢板10通过锚栓锚固到围岩2上，防止其掉落。根据需要可与在反力背钢板10和围岩2之间设置混凝土层以保证反力后背钢板10处于水平状态。进一步的，观察液压千斤顶与钢板之间的间隙的大小，可以楔入钢垫板12使之密切，一方面可以保障装置的安全性，一方面可以保证反作用力的传递；进一步的，传力柱8为3根垂直于钢板的钢管并呈三角形分布，所述钢管之间通过钢筋焊接为一体。
量测装置包括用于量测岩体试样上表面变形量的千分表3、岩体试样侧向变形监测装置以及位于岩体试样通孔内的多点位移计4。
其中千分表3的个数为四个，通过位于围岩内固定支架11进行固定，并使千分表3的测量杆与承压板7上表面相接触，分别布设于承压板7的四角位置；
岩体试样侧向变形监测设备为三条围绕岩体试样的环向测线5，相邻两条环向测线间距为0.3m，所述环向测线为长度为6～7m长尼龙质鱼线。环向测线5的一端设置有重锤。
多点位移计4具有三个测点，所述三个测点均匀设置于岩体试样的中心通孔内，即第一个多点位移计设置于距岩体试样上表面0.3m的位置，第二个多点位移计设置于距岩体试样上表面0.6m的位置，第三个多点位移计设置于距岩体试样上表面0.9m的位置，所述岩体试样上表面还设置有用于引出多点位移计测线的导线槽，进一步防止测线被损坏，在测线的外围套设塑料软管进行保护。
一种测试不规则岩体试样变形参数的测试方法，包括以下几个步骤：
步骤1、前期准备
1-1、准备试验基地：在试验现场开挖直墙拱形或者平顶形式的试验洞或者制备拱形或平顶形的围岩；
1-2、准备试验岩体试样：采用预裂爆破方法使试验岩体试样与母岩剥离，制备形状呈上小下大的岩体试样，并采用水泥浆对岩体试样进行补齐和找平修正；同时沿岩体试样的轴向设置中心通孔；岩体试样为高约1.5m、上表面的面积为0.5-1.0m2的锥台体；在岩体试样的表面，沿岩体试样轴向自上而下凿刻三道环向闭合的线槽，并在线槽内布设三条环向测线，相邻两条环向测线间距为0.2-0.35m；
步骤2、装置的安装及调试，仪器设备安装调试后经过一定时间的养护后即可开始试验。
将步骤1中试验岩体试样放置到围岩中，并在试验岩体试样的上表面上依次安装加压装置、传力装置，将传力装置的顶端固定连接到围岩上；
将千分表安装到固定支架上，使千分表的测量杆与承压板上表面相接触，并对千分表进行校准；
沿岩体试样轴向自上而下布设三条环向测线，三条环向测线位于线槽内，各环向测线间距约为0.3m。在岩体试样的外围设置有钢支架，在环向测线的一端设置有小圆环，环向测线在线槽内环绕一周后与穿过小圆环后水平向外引出经过钢支架向下转向90°，在环向测线的下垂的一端设置重锤，具体如图2所示。
在岩体试样的中心通孔内设置具有三个测点的多点位移计。
步骤3、试验过程
3-1、确定最大试验压力，最大试验压力为设计压力的1.2倍；
3-2、岩体试样预压阶段，对岩体试样施加一定的压力对岩体试样进行前期预压，使岩体试样内微裂隙闭合，预压值可取0.2MPa左右；
3-3、分级加载试验压力，将确定的最大压力分为6级，首先施加第一级压力后记录量测装置的数值，每隔10min记录一次量测装置的数值，直至变形稳定后卸压，施加第二级压力，如此重复加卸载操作，直至完成最后一级压力的卸载，并记录各级压力下的量测装置的数值；
另外，卸压过程中的读数要求与加压相同；除最后一级压力卸至零外，其他各级压力均应保留接触压力0.1MPa，以保证安全操作，避免传力柱倾倒。
步骤4、试验数据的处理
4-1、确定岩体试样上三条环向测线相对应位置处的截面积，记为各分层面积，并计算各分层上压应力；
各分层面积采用投影条分法进行确定，具体为采用24个重锤和钢尺相结合的方法，在试样相对四个侧面各等距离设置6个重锤，每两个重锤的间距为0.3m，并进行平面投影，根据测量得到的相对两侧对应位置重锤之间的长度和位置对投影面积进行条分，把分层面积条分成25个网格，各网格面积之和即为分层面积。
4-2、绘制各级压力与岩体试样上表面轴向变形、各分层压应力与其轴向变形曲线以及各分层轴向变形与侧向变形曲线；各分层轴向变形通过多点位移计测得；
4-3、计算岩体试样弹性模量，根据压力与岩体试样上表面轴向变形曲线以及各分层压应力与轴向变形曲线求得4个弹性模量，取其均值得岩体试样平均弹性模量；
4-4、计算岩体试样泊松比，根据各分层轴向变形与侧向变形求得岩体试样分层泊松比，取其均值得岩体试样平均泊松比。
本发明采用的试验岩体试样为“上小下大”不规则形状，这种不规则的岩体试样易于现场进行加工，又可避免岩体试样在受压过程中出现压弯造成受力不均匀的现象，极大提升了岩体试样力学参数现场测试的便利性。本发明更加符合施工现场的试验需求。
Claims (10)
1.一种测试不规则岩体试样变形参数的装置，其特征在于：包括具有中心通孔的岩体试样（1）、岩体试样轴向的加压装置、传力装置和量测装置；所述加压装置、传力装置依次设置于岩体试样上方，传力装置的顶部通过反力后背钢板（10）与围岩固定连接；所述量测装置包括用于量测岩体试样上表面变形量的千分表（3）、岩体试样侧向变形监测装置（5）以及位于岩体试样中心通孔内的多点位移计（4）。
2.根据权利要求1所述的一种测试不规则岩体试样变形参数的装置，其特征在于：所述加压装置包括液压千斤顶（6）、高压油管、液压稳压器和高压油泵，所述液压千斤顶通过高压油管与液压稳压器、高压油泵顺次连接，所述高压油管上还连接一压力表，加压装置与岩体试样上表面之间设置一承压板（7）。
3.根据权利要求2所述的一种测试不规则岩体试样变形参数的装置，其特征在于：所述承压板（7）为正方形截面的钢板，钢板平面尺寸与岩体试样表面尺寸相差不宜太大，承压板的四角位置分别设置一个千分表（3）。
4.根据权利要求1所述的一种测试不规则岩体试样变形参数的装置，其特征在于：所述传力装置包括传力柱（8）、用于支撑传力柱的钢板（9），传力柱（8）与反力后背钢板（10）之间通过焊接固定连接，所述反力后背钢板（10）通过锚栓锚固到围岩顶部。
5.根据权利要求4所述的一种测试不规则岩体试样变形参数的装置，其特征在于：所述传力柱（8）为3根垂直于钢板的钢管并呈三角形分布，所述钢管之间通过钢筋焊接为一体。
6.根据权利要求1所述的一种测试不规则岩体试样变形参数的装置，其特征在于：还包括用于固定千分表的固定支架（11）。
7.根据权利要求1所述的一种测试不规则岩体试样变形参数的装置，其特征在于：所述岩体试样侧向变形监测设备为三条设置在岩体试样侧表面环槽内环绕岩体试样的环向测线（5），相邻两条环向测线之间间距为0.3m，所述环向测线为带重锤的可自由变形的尼龙质鱼线。
8.根据权利要求1所述的一种测试不规则岩体试样变形参数的装置，其特征在于：所述多点位移计（4）具有三个测点，用于测得试验过程中测点位置对应各分层的轴向变形，所述岩体试样上表面还设置有用于引出多点位移计测线的导线槽。
9.一种测试不规则岩体试样变形参数的测试方法，其特征在于：包括以下几个步骤：
步骤1、前期准备
1-1、准备试验场地：在试验现场开挖直墙拱形或者平顶形式的试验洞；
1-2、准备岩体试样：采用预裂爆破方法使试验岩体试样与母岩剥离，制备形状呈上小下大的岩体试样，岩体试样横截面加工成近似正方形，并采用水泥浆对岩体试样进行补齐和找平修正；同时沿岩体试样的中心位置轴向设置中心通孔；
步骤2、装置的安装及调试
在试验岩体试样的上表面上依次安装加压装置、传力装置，将传力装置的顶端固定连接到试验洞的顶部围岩上；
将千分表安装到固定支架上，使千分表的测量杆与承压板上表面相接触，并对千分表进行校准；
在岩体试样四个侧面沿轴向自上而下凿刻三道环向闭合的线槽，并在线槽内布设环向测线，相邻两条环向测线间距为0.2-0.35m；
在岩体试样的中心通孔内设置具有三个测点的多点位移计；
步骤3、试验过程
3-1、确定最大试验压力，最大试验压力为设计压力的1.2倍；
3-2、岩体试样预压阶段，对岩体试样施加一定的压力对岩体试样进行前期预压，使岩体试样内微裂隙闭合；
3-3、分级加载试验压力，将确定的最大压力分为6级，首先施加第一级压力后记录量测装置的数值，每隔10min记录一次量测装置的数值，直至变形稳定后卸压，然后施加第二级压力，如此重复加卸载操作，直至完成最后一级压力的卸载，并记录各级压力下的量测装置的数值；
步骤4、试验数据的处理
4-1、确定岩体试样上三条环向测线位置处分别对应的岩体横截面积，记为各分层面积，并计算各分层上压应力；
4-2、绘制各级压力与岩体试样上表面轴向变形、各分层压应力与其轴向变形曲线以及各分层轴向变形与侧向变形曲线；各分层轴向变形通过多点位移计测得；
4-3、计算岩体试样弹性模量，根据压力与岩体试样上表面轴向变形曲线以及各分层压应力与其轴向变形曲线求得4个弹性模量，取其均值得岩体试样平均弹性模量；
4-4、计算岩体试样轴向应变，用岩体试样表面四个千分表测得表面竖向变形量的均值与岩体试样轴向长度之比可算出岩体试样的轴向应变值；
4-5、计算分层侧向应变，岩体试样侧向应变计算时可把岩体试样横截面近似看作正方形，根据各层测线环向变形增量的四分之一与截面边长之比算出各分层位置侧向应变值，岩体试样侧向应变值取三个分层侧向应变值的均值；
4-6、计算岩体试样泊松比，根据前面计算出的岩体试样侧向应变值与轴向应变值之比可算出岩体试样的泊松比。
10.根据权利要求9所述一种测试不规则岩体试样变形参数的测试方法，其特征在于：步骤4中各分层面积采用投影条分法进行确定。
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