CN111060410A - 一种岩土体直接剪切试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种岩土体直接剪切试验装置及方法，属于岩土工程领域。该装置包括剪切盒上下盘系统，而剪切盒上下盘系统包括剪切盒上下盘、剪切盒上盘顶面测位装置、剪切盒上下盘侧面测位装置和剪切盒下盘底面托盘；其中，剪切盒上下盘包括上下盘主体框架、上下盘活动型钢板、上下盘凹槽充填钢片、上盘“U型”把手、上下盘透明钢化玻璃和上下盘PVC塑料板，剪切盒上盘顶面测位装置包括位移测量平台、带孔钢块和顶面位移计固定钢杆，剪切盒上下盘侧面测位装置为侧面位移计固定钢杆，而剪切盒下盘底面托盘包括托盘方形钢板和托盘“U型”把手。采用本发明的装置及方法可与现有设备无障碍配套使用，具有可视化、活动型、结构紧凑、体积小设计优点。

Description

一种岩土体直接剪切试验装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，涉及一种岩土体直接剪切试验装置及方法。

背景技术

通常情况下，岩土体沿结构面发生剪切破坏是导致诸如边坡、基坑和隧道工程等岩土工程产生失稳破坏的主要因素之一。特别地，客观地测定和探究岩土体抗剪强度参数和剪切损伤破坏特征等科学问题对于边坡工程建设具有重要的理论和现实意义。目前，一般通过室内或现场试验对上述问题进行研究，综合考虑试验费用、周期、难易程度、适用范围、设备性能和数据采集精度等条件，室内常采用直剪仪开展岩土体直接剪切试验。然而，传统型剪切盒绝大多数为不可调节的封闭非透明金属盒，且位移测量配套装置不成熟，其不利于实时地观察、监测和记录剪切过程中岩土体损伤破坏演化过程以及对剪切结构面几何尺寸进行直接性调节和精确测定岩土体位移，很大程度上约束了对岩土体剪切损伤破坏特征的直观性评价和进一步深入分析。鉴于此，有必要采用一种新型可视化活动型剪切盒装置及其试验方法，以期客观地测定岩土体抗剪强度参数和直观实时地观察、监测和记录岩土体剪切损伤破坏演化过程，进一步完善现有岩土工程试验技术领域中有关岩土体直接剪切试验的装置及方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种岩土体直接剪切试验装置及方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种岩土体直接剪切试验装置，包括剪切盒上盘系统C1和剪切盒下盘系统C2，其中，剪切盒上盘系统C1由剪切盒上盘、剪切盒上盘顶面测位装置和剪切盒上盘侧面测位装置组合而成，剪切盒下盘系统C2则由剪切盒下盘、剪切盒下盘底面托盘和剪切盒下盘侧面测位装置组合而成；

所述剪切盒上下盘是由高抗压强度的钢板、透明钢化玻璃和PVC塑料板通过焊接和镶嵌组合而成的可视化活动型内空长方体框架结构，长方体框架结构上下为敞口；包括上下盘主体框架C8和C13、上下盘活动型钢板C3和C9、上下盘凹槽充填钢片C4和C10、上盘“U型”把手C5、上下盘透明钢化玻璃C6和C11和上下盘PVC塑料板C7和C12。

可选的，所述上下盘主体框架C8和C13均由高抗压强度的钢板通过焊接组合而成，外框几何尺寸固定不变，内框宽度可调节；带有可用于镶嵌上下盘活动型钢板C3和C9、上下盘凹槽充填钢片C4和C10、上下盘透明钢化玻璃C6和C11以及上下盘PVC塑料板C7和C12的预制凹型槽和“U型”窗口，且上盘主体框架C8相较于下盘主体框架C13多焊接了一个上盘“U型”把手C5；

所述上下盘活动型钢板C3和C9是镶嵌在剪切盒上下盘左右侧内表面预制凹型槽内的可移动型钢制构件，能够通过移动上下盘活动型钢板C3和C9快速简单地调整岩土体剪切面几何尺寸；

所述上下盘凹槽充填钢片C4和C10是用于充填剪切盒上下盘左右侧内表面除上下盘活动型钢板C和C9镶嵌外的其他空留预制凹型槽的钢制构件。

可选的，所述上盘“U型”把手C5是焊接在剪切盒上盘顶面前后侧的钢制构件，用于使剪切盒上下盘沿其接触面快速分离，且更易于对其进行取放和搬运；

所述上下盘透明钢化玻璃C6和C11是镶嵌在剪切盒上下盘前侧预制“倒U型”窗口内的可视化活动型透明构件，且须采用胶结性极强的胶水使上下盘透明钢化玻璃C6和C11与“倒U型”窗口表面紧密地粘结成一体。

可选的，所述上下盘PVC塑料板C7和C12是镶嵌在剪切盒上下盘左右侧外表面预制凹型槽内的胶质构件，须采用胶结性极强的胶水使上下盘PVC塑料板C7和C12与凹型槽表面紧密地粘结成一体，且上下盘PVC塑料板C7和C12平面几何尺寸须与剪切盒上下盘内部侧向断面几何尺寸一致，用于试验机施加剪切荷载时能将荷载有效地均匀传递给受剪岩土体。

可选的，所述剪切盒上盘顶面测位装置是安置于剪切盒上盘顶面外部空间的钢制构件，包括位移测量平台C16、带孔钢块C15和顶面位移计固定钢杆C14；

所述位移测量平台C16是通过端头螺纹安装在带孔钢块前后侧螺栓孔以用于给位移计提供稳定测量平台的钢制构件；

所述带孔钢块C15是前后侧有预制螺栓孔以用于安装位移测量平台C16的活动型钢制构件，其宽度几何尺寸可调节且底面几何尺寸(配合上盘活动型钢板及时拆装更换)须与剪切盒上盘内部顶面几何尺寸一致，且不与剪切盒上盘接触，而须与其内部填筑成型的岩土体顶面保持紧密、水平接触；

所述顶面位移计固定钢杆C14是通过端头磁性座固定于试验机顶部框架上以用于固定位移计的可伸缩型钢制构件。

可选的，所述剪切盒上下盘侧面测位装置是安置于剪切盒上下盘侧面外部空间且通过端头磁性座固定于试验机侧部框架上以用于固定位移计的可伸缩型钢制构件，即侧面位移计固定钢杆C17；

所述剪切盒下盘底面托盘是安置于剪切盒下盘底面的钢制构件，其包括托盘方形钢板C18和托盘“U型”把手C19，在托盘方形钢板C18前后侧各焊接一个托盘“U型”把手C19用于对剪切盒上下盘进行搬运，托盘方形钢板C18用于防止剪切盒下盘内部岩土体洒落。

基于所述装置的岩土体直接剪切试验方法，包括以下步骤：

(1)试验前期准备；

(2)组装剪切盒上下盘：首先将剪切盒下盘底面托盘放置于试验桌面平台，然后将剪切盒下盘放置于托盘方形钢板表面正中位置，最后将剪切盒上盘对称放置于剪切盒下盘顶面并使两者四周对齐；应在剪切盒上下盘接触面及托盘方形钢板和剪切盒下盘接触面涂抹足够多的润滑剂，且最终安装完成的剪切盒上下盘竖向须与试验机轴向荷载施加刚性头对中，而横向则须与试验机切向荷载施加刚性头对中；

(3)填筑岩土体；

(4)通过托盘“U型”把手将剪切盒上下盘连同内部岩土体一并搬运至试验机主体结构内部可移动垫层顶面正中位置，轻微地调整可移动垫层位置，并时刻观察剪切盒上盘顶面和上盘PVC塑料板及下盘PVC塑料板与试验机轴向和切向荷载施加刚性头之间的距离，及时确定是否进一步额外安装一定厚度的刚性头或钢片垫层，以使剪切盒上下盘所在位置能完全满足试验机轴向和切向最大加载行程；

(5)安装测位装置；

(6)在剪切盒上下盘正前方空留场地平面架设两台高精度摄像机，以用于透过上下盘透明钢化玻璃实时地监测岩土体剪切损伤破坏演化过程；

(7)打开电源，启动试验荷载施加、数据采集和计算机系统及高精度摄像机控制程序，设置轴向和切向加载参数及高精度摄像机拍摄时间间隔和影像色别程序命令和参数；确保试验过程中各系统设备均处于通电状态，待各项参数设置完成后，开展岩土体直接剪切试验；

(8)每一试验工况结束后，即刻停止加载，将轴向和切向荷载施加刚性头退回至初始位置状态，随后拆卸侧位架；将剪切盒上下盘连同内部岩土体与可移动垫层一并移动至试验机主体结构外部，随后将剪切盒上下盘连同内部岩土体一并从可移动垫层顶面取下；通过上盘“U型”把手将剪切盒上盘取出，进一步直观地观察、监测和记录岩土体剪切损伤破坏特征，随后将岩土体全部取出并清洁剪切盒待后续试验工况使用；

(9)所有试验工况结束后，及时保存和拷贝荷载、位移数据及照片、视频试验资料，关闭试验机和高精度摄像机，断开电源，拆卸剪切盒装置系统，清洁试验场地。

可选的，所述步骤(1)具体步骤如下：

(1.1)基于试验背景，赴现场取样，将其规范包装后安全运输至实验室并置于干燥阴凉环境下存放以防止原样变质；

(1.2)采用特定机械设备对原样进行取芯、切割、打磨或重塑制备加工工序以形成试验所需的标准试样；

(1.3)针对标准试样开展室内常规物理力学特性试验以获取其基本物理力学参数；

(1.4)确定具体试验工况和加载方案；

(1.5)确定荷载施加系统、数据采集系统、计算机系统和摄像机型号，并以自主设计的直接剪切试验装置与之配套使用。

可选的，所述步骤(3)具体步骤如下：

(3.1)对于硬岩互层组合试样，将试样平稳地放置于剪切盒上下盘内部，并确保透过上下盘透明钢化玻璃观察到试样剪切结构面；

(3.2)对于软硬岩互层组合试样，直接将硬岩试样平稳地放置于剪切盒上下盘内部，而软岩试样则需通过对取自现场的原样进行重塑，随后将其分层压实填筑于剪切盒上下盘内部，同样须确保透过上下盘透明钢化玻璃观察到试样剪切结构面。

可选的，所述步骤(5)具体步骤如下：

(5.1)安装剪切盒上盘顶面测位装置，首先将顶面位移计固定钢杆通过端头磁性座固定于试验机顶部框架上，前后侧各安装一个，然后将位移测量平台通过端头螺纹安装于带孔钢块前后侧螺孔中，随后将位移计安装在顶面位移计固定钢杆上并使位移计指针尖端与位移测量平台C16保持接触，最后将带孔钢块安置于剪切盒上盘内部顶面且确保两者不接触；

(5.2)安装剪切盒上下盘侧面测位装置，先将侧面位移计固定钢杆通过端头磁性座固定于试验机侧部框架上，左右侧各安装一个，后将位移计安装在侧面位移计固定钢杆上并使位移计指针尖端与剪切盒上下盘侧面保持接触；

(5.3)应确保带孔钢块、剪切盒上下盘、剪切盒下盘底面托盘、可移动垫层和试验机轴向荷载施加刚性头竖向对中，且位移计量程足够大、测量过程中不任意触碰位移计，而轴向和切向荷载通过试验机自带系统进行测量和采集。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的一种岩土体直接剪切试验装置具有可视化优点，一定程度上克服了传统非透明金属剪切盒的缺点，可透过设置的透明钢化玻璃窗口直观准确地观察、监测和记录岩土体剪切损伤破坏演化过程。

(2)本发明的一种岩土体直接剪切试验装置具有可活动性优点，一定程度上克服了传统不可调节封闭型剪切盒的缺点，可通过简单地调节剪切盒活动型钢板进而控制岩土体剪切面几何尺寸。

(3)本发明的一种岩土体直接剪切试验装置不仅配套有成熟的可拆卸型位移测量装置以精确测定岩土体位移，而且具有结构紧凑、体积小、便于搬运和操作简单等设计优点；

(4)本发明的一种岩土体直接剪切试验装置及方法可与现有试验机荷载施加系统、数据采集系统和计算机系统及其他设备无障碍配套使用，一定程度上完善了现有岩土工程试验技术领域中有关岩土体直接剪切试验的装置及方法。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明具体实施方式的一种岩土体直接剪切试验装置示意图；

图2为本发明具体实施方式的一种岩土体直接剪切试验装置与现有设备配套示意图；

图3为本发明具体实施方式的剪切盒上盘示意图；

图4为本发明具体实施方式的剪切盒下盘示意图；

图5为本发明具体实施方式的剪切盒上盘顶面测位装置示意图；

图6为本发明具体实施方式的剪切盒上下盘侧面测位装置示意图；

图7为本发明具体实施方式的剪切盒下盘底面托盘示意图；

图8为本发明具体实施方式的上下盘主体框架及平面几何尺寸示意图；

图9为本发明具体实施方式的上下盘活动型钢板及平面几何尺寸示意图；

图10为本发明具体实施方式的上下盘凹槽充填钢片及平面几何尺寸示意图；

图11为本发明具体实施方式的上盘“U型”把手及平面几何尺寸示意图；

图12为本发明具体实施方式的上下盘透明钢化玻璃及平面几何尺寸示意图；

图13为本发明具体实施方式的上下盘PVC塑料板及平面几何尺寸示意图；

图14为本发明具体实施方式的位移测量平台及平面几何尺寸示意图为；

图15为本发明具体实施方式的带孔钢块及平面几何尺寸示意图；

图16本发明具体实施方式的顶(侧)面位移计固定钢杆及平面几何尺寸示意图；

图17为本发明具体实施方式的托盘方形钢板及平面几何尺寸示意图；

图18为本发明具体实施方式的托盘“U型”把手及平面几何尺寸示意图；

图19为本发明具体实施方式的室内试验实例数据结果曲线示意图；图19(a)为工况1#的剪应力-剪位移曲线；图19(b)为工况2#的剪应力-剪位移曲线。

图1～18中：C1-剪切盒上盘系统；C2-剪切盒下盘系统；C3-上盘活动型钢板；C4-上盘凹槽充填钢片；C5-上盘“U型”把手；C6-上盘透明钢化玻璃；C7-上盘PVC塑料板；C8-上盘主体框架；C9-下盘活动型钢板；C10-下盘凹槽充填钢片；C11-下盘透明钢化玻璃；C12-下盘PVC塑料板；C13-下盘主体框架；C14-顶面位移计固定钢杆；C15-带孔钢块；C16-位移测量平台；C17-侧面位移计固定钢杆；C18-托盘方形钢板；C19-托盘“U型”把手。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施方式提供如图1～图19所示，一种岩土体直接剪切试验装置(单位：mm)，包括剪切盒上盘系统C1和剪切盒下盘系统C2，其中，剪切盒上盘系统C1由剪切盒上盘、剪切盒上盘顶面测位装置和剪切盒上盘侧面测位装置组合而成，剪切盒下盘系统C2则由剪切盒下盘、剪切盒下盘底面托盘和剪切盒下盘侧面测位装置组合而成。

所述剪切盒上下盘(如图3和4所示)是由高抗压强度的钢板、透明钢化玻璃和PVC塑料板通过焊接和镶嵌组合而成的可视化活动型内空长方体框架结构(上下面为敞口)，其包括上下盘主体框架C8和C13、上下盘活动型钢板C3和C9、上下盘凹槽充填钢片C4和C10、上盘“U型”把手C5、上下盘透明钢化玻璃C6和C11和上下盘PVC塑料板C7和C12。

所述上下盘主体框架C8和C13均由高抗压强度的钢板通过焊接组合而成，其外框几何尺寸为长×宽×高＝180mm×177.5mm×50mm(固定)，而内框最大几何尺寸为长×宽×高＝150mm×150mm×50mm(可调节宽度至100mm)，且钢板厚度为15mm(如图8所示)；其带有可用于镶嵌上下盘活动型钢板C3和C9、上下盘凹槽充填钢片C4和C10、上下盘透明钢化玻璃C6和C11以及上下盘PVC塑料板C7和C12的预制凹型槽和“U型”窗口，且上盘主体框架C8相较于下盘主体框架C13多焊接了一个上盘“U型”把手C5。

所述上下盘活动型钢板C3和C9是镶嵌在剪切盒上下盘左右侧内表面预制凹型槽(多个凹槽)内的可移动(上下抽取)型钢制构件，其几何尺寸均为长×宽×厚＝150mm×50mm×10mm(如图9所示)，可通过移动上下盘活动型钢板C3和C9快速简单地调整岩土体剪切面几何尺寸；所述上下盘凹槽充填钢片C4和C10是用于充填剪切盒上下盘左右侧内表面除上下盘活动型钢板C和C9镶嵌外的其他空留预制凹型槽的钢制构件，其几何尺寸均为长×宽×厚＝50mm×10mm×2.5mm(如图10所示)；所述上盘“U型”把手C5是焊接在剪切盒上盘顶面前后侧的钢制构件(如图11所示)，其可方便地使剪切盒上下盘沿其接触面快速分离，且更易于对其进行取放和搬运；所述上下盘透明钢化玻璃C6和C11是镶嵌在剪切盒上下盘前侧预制“倒U型”窗口内的可视化活动型透明构件，其几何尺寸均为长×宽×厚＝150mm×30mm×13mm(如图12所示)，可透过此窗口直观准确地观察、监测和记录岩土体剪切损伤破坏演化过程，且须采用胶结性极强的胶水使上下盘透明钢化玻璃C6和C11与“倒U型”窗口表面紧密地粘结成一体；所述上下盘PVC塑料板C7和C12是镶嵌在剪切盒上下盘左右侧外表面预制凹型槽内的胶质构件，其几何尺寸均为长×宽×厚＝150mm×50mm×2.5mm(如图13所示)，须采用胶结性极强的胶水使上下盘PVC塑料板C7和C12与凹型槽表面紧密地粘结成一体，且上下盘PVC塑料板C7和C12平面几何尺寸须与剪切盒上下盘内部侧向断面几何尺寸一致，以便试验机施加剪切荷载时能将荷载有效地均匀传递给受剪岩土体。

所述剪切盒上盘顶面测位装置(如图5所示)是安置于剪切盒上盘顶面外部空间的钢制构件，其包括位移测量平台C16、带孔钢块C15和顶面位移计固定钢杆C14。

所述位移测量平台C16是通过端头螺纹安装在带孔钢块前后侧螺栓孔以用于给位移计提供稳定测量平台的钢制构件，其几何尺寸为长×宽×厚＝100mm×30mm×5mm(如图14所示)；所述带孔钢块C15是前后侧有预制螺栓孔以用于安装位移测量平台C16的活动型钢制构件，其几何尺寸为长×宽×厚＝150mm×150mm×50mm(可调节宽度至100mm)(如图15所示)，其底面几何尺寸(配合上盘活动型钢板及时拆装更换)须与剪切盒上盘内部顶面几何尺寸一致，且不可与剪切盒上盘接触，而须与其内部填筑成型的岩土体顶面保持紧密、水平接触；所述顶面位移计固定钢杆C14是通过端头磁性座固定于试验机顶部框架上以用于固定位移计的可伸缩型钢制构件(如图16所示)。

所述剪切盒上下盘侧面测位装置(如图6所示)是安置于剪切盒上下盘侧面外部空间且通过端头磁性座固定于试验机侧部框架上以用于固定位移计的可伸缩型钢制构件，即侧面位移计固定钢杆C17(如图16所示)。

所述剪切盒下盘底面托盘(如图7所示)是安置于剪切盒下盘底面的钢制构件，其包括托盘方形钢板C18(如图17所示)和托盘“U型”把手C19(如图18所示)，在托盘方形钢板C18(几何尺寸为长×宽×厚＝300mm×300mm×5mm)前后侧各焊接一个托盘“U型”把手C19可方便地对剪切盒上下盘(已填筑岩土体)进行搬运且托盘方形钢板C18可防止剪切盒下盘内部岩土体洒落。

采用所述的一种岩土体直接剪切试验装置进行试验的方法，具体步骤如下：

(1)基于试验背景，赴现场取样，将其规范包装后安全运输至实验室并置于干燥阴凉环境下存放以防止原样变质。

(2)采用特定机械设备对原样进行取芯、切割、打磨或重塑制备等加工工序以形成试验所需的标准试样。

(3)针对标准试样开展室内常规物理力学特性试验以获取其基本物理力学参数。

(4)确定具体试验工况和加载方案。

(5)确定荷载施加系统、数据采集系统、计算机系统和摄像机型号，并以自主设计的直接剪切试验装置与之配套使用。

(6)组装剪切盒上下盘：首先将剪切盒下盘底面托盘放置于试验桌面平台，然后将剪切盒下盘放置于托盘方形钢板C18表面正中位置，最后将剪切盒上盘对称放置于剪切盒下盘顶面并使两者四周对齐；应在剪切盒上下盘接触面及托盘方形钢板C18和剪切盒下盘接触面涂抹足够多的润滑剂，且最终安装完成的剪切盒上下盘竖向须与试验机轴向荷载施加刚性头对中，而横向则须与试验机切向荷载施加刚性头对中。

(7)填筑岩土体：对于硬岩互层组合试样，可直接将试样平稳地放置于剪切盒上下盘内部，并确保可透过上下盘透明钢化玻璃C6和C11观察到试样剪切结构面；对于软硬岩互层组合试样，可直接将硬岩试样平稳地放置于剪切盒上下盘内部，而软岩试样则需通过对取自现场的原样(土体)进行重塑，随后将其分层压实填筑于剪切盒上下盘内部，同样须确保可透过上下盘透明钢化玻璃C6和C11观察到试样剪切结构面。

(8)通过托盘“U型”把手C19将剪切盒上下盘连同内部岩土体一并搬运至试验机主体结构内部可移动垫层顶面正中位置，轻微地调整可移动垫层位置，并时刻观察剪切盒上盘顶面和上盘PVC塑料板C7及下盘PVC塑料板C12与试验机轴向和切向荷载施加刚性头之间的距离，及时确定是否进一步额外安装一定厚度的刚性头或钢片垫层，以使剪切盒上下盘所在位置能完全满足试验机轴向和切向最大加载行程。

(9)安装测位装置：安装剪切盒上盘顶面测位装置，首先将顶面位移计固定钢杆C14通过端头磁性座固定于试验机顶部框架上(前后侧各安装一个)，然后将位移测量平台C16通过端头螺纹安装于带孔钢块C15前后侧螺孔中，随后将位移计安装在顶面位移计固定钢杆C14上并使位移计指针尖端与位移测量平台C16保持接触，最后将带孔钢块C15安置于剪切盒上盘内部顶面且确保两者不接触；安装剪切盒上下盘侧面测位装置，先将侧面位移计固定钢杆C17通过端头磁性座固定于试验机侧部框架上(左右侧各安装一个)，后将位移计安装在侧面位移计固定钢杆C17上并使位移计指针尖端与剪切盒上下盘侧面保持接触；应确保带孔钢块C15、剪切盒上下盘、剪切盒下盘底面托盘、可移动垫层和试验机轴向荷载施加刚性头竖向对中，且位移计量程足够大、测量过程中不可任意触碰位移计，而轴向和切向荷载通过试验机自带系统进行测量和采集。

(10)在剪切盒上下盘正前方空留场地平面架设两台高精度摄像机，以用于透过上下盘透明钢化玻璃C6和C11实时地监测(拍摄照片和视频)岩土体剪切损伤破坏演化过程。

(11)打开电源，启动试验荷载施加、数据采集和计算机系统及高精度摄像机控制程序，设置(调试)轴向和切向加载参数及高精度摄像机拍摄时间间隔和影像色别等程序命令和参数；确保试验过程中各系统设备均处于通电状态，且不可任意对已设置参数进行更改，待各项参数设置(调试)完成后，便可开展岩土体直接剪切试验。

(12)每一试验工况结束后，即刻停止加载，将轴向和切向荷载施加刚性头退回至初始位置状态，随后拆卸侧位架；将剪切盒上下盘连同内部岩土体与可移动垫层一并移动至试验机主体结构外部，随后将剪切盒上下盘连同内部岩土体一并从可移动垫层顶面取下；通过上盘“U型”把手C5将剪切盒上盘取出，进一步直观地观察、监测和记录岩土体剪切损伤破坏特征，随后将岩土体全部取出并清洁剪切盒(特别是清洁上下盘透明钢化玻璃C6和C11以确保其可视化程度达标)待后续试验工况使用。

(13)所有试验工况结束后，及时保存和拷贝荷载、位移数据及照片、视频等试验资料，关闭试验机和高精度摄像机，断开电源，拆卸剪切盒装置系统，清洁试验场地。

室内试验实例：

如对结构面含二阶规则锯齿状起伏体的硬岩互层岩体(1#)和软硬岩互层岩体(2#)开展室内直接剪切试验：互层岩体结构面一阶和二阶起伏角均为45°，且其平面几何尺寸为长×宽＝150mm×100mm，而受剪试样尺寸为长×宽×高＝150mm×100mm×100mm，软硬岩试样均由采自某滑坡现场原样经取芯、切割、打磨或重塑制备等加工工序而形成；其中，硬岩试样的密度、抗压强度、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角依次为2.65g/cm³、57.26MPa、0.66×10⁴MPa、0.24、5.26MPa和44.53°，而软岩试样的含水率、密度、抗压强度、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角依次为15.13％、1.74g/cm³、0.92MPa、88.74MPa、0.27、99.861kPa、27.19°；工况1#和2#的法向压力分别为3MPa和0.3MPa，而剪切速率均为0.5mm/min。工况1#和2#的剪应力-剪位移曲线分别如图19(a)和(b)所示，由此分析可知：本发明的装置及方法稳定地实现了岩土体直接剪切试验过程并取得了可靠的结果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种岩土体直接剪切试验装置，其特征在于：包括剪切盒上盘系统C1和剪切盒下盘系统C2，其中，剪切盒上盘系统C1由剪切盒上盘、剪切盒上盘顶面测位装置和剪切盒上盘侧面测位装置组合而成，剪切盒下盘系统C2则由剪切盒下盘、剪切盒下盘底面托盘和剪切盒下盘侧面测位装置组合而成；

所述剪切盒上下盘是由高抗压强度的钢板、透明钢化玻璃和PVC塑料板通过焊接和镶嵌组合而成的可视化活动型内空长方体框架结构，长方体框架结构上下为敞口；包括上下盘主体框架C8和C13、上下盘活动型钢板C3和C9、上下盘凹槽充填钢片C4和C10、上盘“U型”把手C5、上下盘透明钢化玻璃C6和C11和上下盘PVC塑料板C7和C12。

2.根据权利要求1所述的一种岩土体直接剪切试验装置，其特征在于：所述上下盘主体框架C8和C13均由高抗压强度的钢板通过焊接组合而成，外框几何尺寸固定不变，内框宽度可调节；带有可用于镶嵌上下盘活动型钢板C3和C9、上下盘凹槽充填钢片C4和C10、上下盘透明钢化玻璃C6和C11以及上下盘PVC塑料板C7和C12的预制凹型槽和“U型”窗口，且上盘主体框架C8相较于下盘主体框架C13多焊接了一个上盘“U型”把手C5；

所述上下盘活动型钢板C3和C9是镶嵌在剪切盒上下盘左右侧内表面预制凹型槽内的可移动型钢制构件，能够通过移动上下盘活动型钢板C3和C9快速简单地调整岩土体剪切面几何尺寸；

所述上下盘凹槽充填钢片C4和C10是用于充填剪切盒上下盘左右侧内表面除上下盘活动型钢板C和C9镶嵌外的其他空留预制凹型槽的钢制构件。

3.根据权利要求1所述的一种岩土体直接剪切试验装置，其特征在于：所述上盘“U型”把手C5是焊接在剪切盒上盘顶面前后侧的钢制构件，用于使剪切盒上下盘沿其接触面快速分离，且更易于对其进行取放和搬运；

所述上下盘透明钢化玻璃C6和C11是镶嵌在剪切盒上下盘前侧预制“倒U型”窗口内的可视化活动型透明构件，且须采用胶结性极强的胶水使上下盘透明钢化玻璃C6和C11与“倒U型”窗口表面紧密地粘结成一体。

4.根据权利要求1所述的一种岩土体直接剪切试验装置，其特征在于：所述上下盘PVC塑料板C7和C12是镶嵌在剪切盒上下盘左右侧外表面预制凹型槽内的胶质构件，须采用胶结性极强的胶水使上下盘PVC塑料板C7和C12与凹型槽表面紧密地粘结成一体，且上下盘PVC塑料板C7和C12平面几何尺寸须与剪切盒上下盘内部侧向断面几何尺寸一致，用于试验机施加剪切荷载时能将荷载有效地均匀传递给受剪岩土体。

5.根据权利要求1所述的一种岩土体直接剪切试验装置，其特征在于：所述剪切盒上盘顶面测位装置是安置于剪切盒上盘顶面外部空间的钢制构件，包括位移测量平台C16、带孔钢块C15和顶面位移计固定钢杆C14；

所述位移测量平台C16是通过端头螺纹安装在带孔钢块前后侧螺栓孔以用于给位移计提供稳定测量平台的钢制构件；

所述带孔钢块C15是前后侧有预制螺栓孔以用于安装位移测量平台C16的活动型钢制构件，其宽度几何尺寸可调节且底面几何尺寸(配合上盘活动型钢板及时拆装更换)须与剪切盒上盘内部顶面几何尺寸一致，且不与剪切盒上盘接触，而须与其内部填筑成型的岩土体顶面保持紧密、水平接触；

所述顶面位移计固定钢杆C14是通过端头磁性座固定于试验机顶部框架上以用于固定位移计的可伸缩型钢制构件。

6.根据权利要求1所述的一种岩土体直接剪切试验装置，其特征在于：所述剪切盒上下盘侧面测位装置是安置于剪切盒上下盘侧面外部空间且通过端头磁性座固定于试验机侧部框架上以用于固定位移计的可伸缩型钢制构件，即侧面位移计固定钢杆C17；

所述剪切盒下盘底面托盘是安置于剪切盒下盘底面的钢制构件，其包括托盘方形钢板C18和托盘“U型”把手C19，在托盘方形钢板C18前后侧各焊接一个托盘“U型”把手C19用于对剪切盒上下盘进行搬运，托盘方形钢板C18用于防止剪切盒下盘内部岩土体洒落。

7.基于权利要求1～6任一项所述装置的岩土体直接剪切试验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)试验前期准备；

(2)组装剪切盒上下盘：首先将剪切盒下盘底面托盘放置于试验桌面平台，然后将剪切盒下盘放置于托盘方形钢板表面正中位置，最后将剪切盒上盘对称放置于剪切盒下盘顶面并使两者四周对齐；应在剪切盒上下盘接触面及托盘方形钢板和剪切盒下盘接触面涂抹足够多的润滑剂，且最终安装完成的剪切盒上下盘竖向须与试验机轴向荷载施加刚性头对中，而横向则须与试验机切向荷载施加刚性头对中；

(3)填筑岩土体；

(4)通过托盘“U型”把手将剪切盒上下盘连同内部岩土体一并搬运至试验机主体结构内部可移动垫层顶面正中位置，轻微地调整可移动垫层位置，并时刻观察剪切盒上盘顶面和上盘PVC塑料板及下盘PVC塑料板与试验机轴向和切向荷载施加刚性头之间的距离，及时确定是否进一步额外安装一定厚度的刚性头或钢片垫层，以使剪切盒上下盘所在位置能完全满足试验机轴向和切向最大加载行程；

(5)安装测位装置；

(6)在剪切盒上下盘正前方空留场地平面架设两台高精度摄像机，以用于透过上下盘透明钢化玻璃实时地监测岩土体剪切损伤破坏演化过程；

(7)打开电源，启动试验荷载施加、数据采集和计算机系统及高精度摄像机控制程序，设置轴向和切向加载参数及高精度摄像机拍摄时间间隔和影像色别程序命令和参数；确保试验过程中各系统设备均处于通电状态，待各项参数设置完成后，开展岩土体直接剪切试验；

(8)每一试验工况结束后，即刻停止加载，将轴向和切向荷载施加刚性头退回至初始位置状态，随后拆卸侧位架；将剪切盒上下盘连同内部岩土体与可移动垫层一并移动至试验机主体结构外部，随后将剪切盒上下盘连同内部岩土体一并从可移动垫层顶面取下；通过上盘“U型”把手将剪切盒上盘取出，进一步直观地观察、监测和记录岩土体剪切损伤破坏特征，随后将岩土体全部取出并清洁剪切盒待后续试验工况使用；

(9)所有试验工况结束后，及时保存和拷贝荷载、位移数据及照片、视频试验资料，关闭试验机和高精度摄像机，断开电源，拆卸剪切盒装置系统，清洁试验场地。

8.根据权利要求7所述的一种岩土体直接剪切试验方法，其特征在于：所述步骤(1)具体步骤如下：

(1.1)基于试验背景，赴现场取样，将其规范包装后安全运输至实验室并置于干燥阴凉环境下存放以防止原样变质；

(1.2)采用特定机械设备对原样进行取芯、切割、打磨或重塑制备加工工序以形成试验所需的标准试样；

(1.3)针对标准试样开展室内常规物理力学特性试验以获取其基本物理力学参数；

(1.4)确定具体试验工况和加载方案；

(1.5)确定荷载施加系统、数据采集系统、计算机系统和摄像机型号，并以自主设计的直接剪切试验装置与之配套使用。

9.根据权利要求7所述的一种岩土体直接剪切试验方法，其特征在于：所述步骤(3)具体步骤如下：

(3.1)对于硬岩互层组合试样，将试样平稳地放置于剪切盒上下盘内部，并确保透过上下盘透明钢化玻璃观察到试样剪切结构面；

(3.2)对于软硬岩互层组合试样，直接将硬岩试样平稳地放置于剪切盒上下盘内部，而软岩试样则需通过对取自现场的原样进行重塑，随后将其分层压实填筑于剪切盒上下盘内部，同样须确保透过上下盘透明钢化玻璃观察到试样剪切结构面。

10.根据权利要求7所述的一种岩土体直接剪切试验方法，其特征在于：所述步骤(5)具体步骤如下：

(5.1)安装剪切盒上盘顶面测位装置，首先将顶面位移计固定钢杆通过端头磁性座固定于试验机顶部框架上，前后侧各安装一个，然后将位移测量平台通过端头螺纹安装于带孔钢块前后侧螺孔中，随后将位移计安装在顶面位移计固定钢杆上并使位移计指针尖端与位移测量平台C16保持接触，最后将带孔钢块安置于剪切盒上盘内部顶面且确保两者不接触；

(5.2)安装剪切盒上下盘侧面测位装置，先将侧面位移计固定钢杆通过端头磁性座固定于试验机侧部框架上，左右侧各安装一个，后将位移计安装在侧面位移计固定钢杆上并使位移计指针尖端与剪切盒上下盘侧面保持接触；

(5.3)应确保带孔钢块、剪切盒上下盘、剪切盒下盘底面托盘、可移动垫层和试验机轴向荷载施加刚性头竖向对中，且位移计量程足够大、测量过程中不任意触碰位移计，而轴向和切向荷载通过试验机自带系统进行测量和采集。

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