CN111855416A - 拉伸条件下循环剪试验装置及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种拉伸条件下循环剪试验装置，包括“十”字形的框架，框架的两相对侧分别设有剪切力施加系统，框架的另外两相对侧之间为加锚裂隙岩体试件的容纳空间，容纳空间一端为固定端、另一端为拉拔端。本发明通过特别设计的加载框架和加载系统，实现了拉伸条件下大尺寸加锚裂隙岩体试件的循环双剪切试验，克服了传统双剪切试验不能进行复杂条件下剪切试验的难题，对加锚裂隙岩体的理论研究和工程设计具有重要意义。

Description

拉伸条件下循环剪试验装置及其应用方法
技术领域
本发明涉及一种拉伸条件下循环剪试验装置及其应用方法，涉及岩土工程试验测试领域。
背景技术
在大型洞室群施工过程中，临近洞室交替开挖可能导致岩体节理产生循环剪切荷载。我国部分区域地震活动非常活跃，很多边坡、隧道、水利水电等工程不可避免的修建在地震区域，地震动荷载也可能引发岩体节理循环剪切错动。
然而，循环剪切荷载和地震动荷载对加锚节理岩体剪切特性的影响尚不明确。节理的循环剪切极可能导致贯穿节理的锚固结构产生严重破坏。研究清楚循环剪切荷载对加锚节理岩体剪切特性的影响，才能进行科学合理的锚固设计，减少工程地质灾害发生的风险。
传统的剪切试验装置对两个被锚杆/锚索串起来的岩块进行剪切，其剪切力不在同一轴线导致受力不平衡、结构复杂，并存着可容纳试件较小的问题，不能进行大尺寸加锚裂隙岩体循环剪切试验。另外，传统的剪切试验装置只能对加锚裂隙岩体试件进行直接剪切试验或者压剪试验。然而，在工程现场锚杆多处于拉伸状态，需要进行拉-剪试验，现有设备无法完成。
加锚裂隙岩体的双剪切试验处于起步阶段，克服了传统的单剪切试验装置剪切力不在同一轴线导致受力不平衡的问题。但是现有双剪切试验装置既不能进行拉伸条件下循环剪切试验，也不能模拟真实复杂的外力条件。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种拉伸条件下循环剪试验装置及其应用方法，不仅结构简单，而且便捷高效。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种拉伸条件下循环剪试验装置，包括“十”字形的框架，框架的两相对侧分别设有剪切力施加系统，框架的另外两相对侧之间为加锚裂隙岩体试件的容纳空间，容纳空间一端为固定端、另一端为拉拔端。
优选的，框架包括两个前后对称布置的U形加载框，通过螺栓与双端夹持装置相连构成整体框架。
优选的，双端夹持装置包括两个左右对称布置的几字形夹持槽和配套螺栓；两个几字形夹持槽都通过配套螺栓与两个对称布置的U形加载框的同侧相固连。
优选的，剪切力施加系统均包括液压油缸。
优选的，两个液压油缸分别固定在两个对称布置的U形加载框上，剪切力伺服油源用于给两个液压油缸提供液压油，同侧的液压油缸与加锚裂隙岩体试件之间均设有加载垫块。
优选的，容纳空间的固定端与拉拔端组成轴向拉力施加系统，用于施加水平拉力，包括一个锚杆拉拔仪，锚杆拉拔仪固定在一几字形夹持槽的外端侧；加锚裂隙岩体试件内部的锚杆两侧均伸出试件的两端，通过锚杆拉拔仪对伸出的一段锚杆进行拉拔，锚杆的另一段通过托盘和螺母固定在另一个几字形夹持槽的外端侧；几字形夹持槽的外端侧均设有锚杆穿过的安装通孔。
优选的，加锚裂隙岩体试件包括锚杆和三个并排的混凝土块或岩块；锚杆不少于一根；三个并排的混凝土块或岩块设置有贯穿通孔，用于安装锚杆；锚杆贯穿于三个并排的混凝土块或岩块之间，通过砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土块或岩块的贯穿通孔内；锚杆除了杆体之外，还包含托盘和螺母。
优选的，拉伸条件下循环剪试验装置还包括围压加载系统，围压加载系统包括十字形底板、上盖板、连接螺栓、液压垫、液压油源和滚珠减摩板；十字形底板通过连接螺栓与U形加载框下侧、几字形夹持槽下侧相连；上盖板通过连接螺栓与U形加载框上侧、几字形夹持槽的上侧相连；液压垫放置在几字形夹持槽和加锚裂隙岩体试件之间、十字形底板和加锚裂隙岩体试件之间、上盖板和加锚裂隙岩体试件之间，根据试验需要为加锚裂隙岩体试件提供围压；滚珠减摩板安装在加锚裂隙岩体试件的中间块体与相邻液压垫之间；中间块体在剪切力作用下产生剪切位移时，可以减小摩擦阻力造成的试验误差。
一种拉伸条件下循环剪试验装置的应用方法，按以下步骤进行：无围压：（1）将加锚裂隙岩体试件安装在拉伸条件下循环剪试验装置中；（2）通过轴向拉力施加系统对加锚裂隙岩体试件施加轴向拉力至设计值；（3）通过剪切力施加系统的剪切力伺服油源控制某一侧（A侧）液压油缸对加锚裂隙岩体试件施加剪切力，至剪切位移达到设计值后，降低剪切力至零，收回A侧的液压油缸；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的剪切力及剪切变形情况；（4）通过剪切力施加系统的剪切力伺服油源控制另一侧（B侧）液压油缸对加锚裂隙岩体试件施加剪切力，至剪切位移达到设计值后，降低剪切力至零，收回B侧的液压油缸；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的剪切力及剪切变形情况；重复上述步骤（3）和（4）直至达到试验设计的循环剪切次数，结束试验。
一种拉伸条件下循环剪试验装置的应用方法，按以下步骤进行：有围压：（1）将加锚裂隙岩体试件安装在循环剪试验装置中；（2）通过轴向拉力施加系统对加锚裂隙岩体试件施加轴向拉力至设计值；（3）通过围压加载系统对加锚裂隙岩体试件施加围压至设计值（加锚裂隙岩体试件两个剪切加载面除外）；（4）通过剪切力施加系统的剪切力伺服油源控制两侧液压油缸同时对加锚裂隙岩体试件施加压力，使两个剪切加载面达到设计围压；（5）控制剪切力施加系统A侧的液压油缸以恒定位移速度模式加载，同时控制剪切力施加系统B侧的液压油缸以恒定压力模式加载，至剪切位移达到设计值后，将剪切力施加系统A侧的液压油缸改为恒定压力模式加载，由此实现在围压不变的情况下进行A侧的剪切加载；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的剪切力及剪切变形情况；（6）将剪切力施加系统B侧的液压油缸改为恒定位移速度模式加载，同时剪切力施加系统A侧的液压油缸维持恒定压力模式加载，至剪切位移达到设计值后，将剪切力施加系统B侧的液压油缸改为恒定压力模式加载，由此实现在围压不变的情况下实现B侧的剪切加载；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的剪切力及剪切变形情况；重复上述步骤（5）和（6）直至达到试验设计的循环剪切次数，结束试验。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过特别设计的加载框架和加载系统，实现了拉伸条件下大尺寸加锚裂隙岩体试件的循环双剪切试验，克服了传统双剪切试验不能进行复杂条件下剪切试验的难题，对加锚裂隙岩体的理论研究和工程设计具有重要意义。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明U形加载框和双端夹持装置组装后的三维示意图；
图2为本发明整体结构俯视示意图；
图3为本发明可施加围压模式下U形加载框、双端夹持装置和十字形底板组装后的三维示意图；
图4为图3结构的俯视示意图；
图5为上盖板示意图；
图6为本发明可施加围压模式下整体结构俯视示意图（不含上盖板）；
图7为加锚裂隙岩体试件横向剖面示意图；
图8为加锚裂隙岩体试件两侧混凝土块和周围结构的纵向剖面示意图；
图9为加锚裂隙岩体试件中间混凝土块和周围结构的纵向剖面示意图。
图中：1.U形加载框；21.A侧的液压油缸；22.B侧的液压油缸；23.加载垫块；31.几字形夹持槽；32.螺栓；41.锚杆拉拔仪；42.托盘；43.螺母；5.加锚裂隙岩体试件；51.锚杆；52. 混凝土块或岩块；61.十字形底板；62.液压垫；63.滚珠减摩板；64.上盖板；65.连接螺栓。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1-9所示，一种拉伸条件下循环剪试验装置，包括“十”字形的框架，框架的两相对侧分别设有剪切力施加系统，框架的另外两相对侧之间为加锚裂隙岩体试件的容纳空间，容纳空间一端为固定端、另一端为拉拔端。
在本发明实施例中，框架包括两个前后对称布置的U形加载框，通过螺栓与双端夹持装置相连构成整体框架。
在本发明实施例中，双端夹持装置包括两个左右对称布置的几字形夹持槽和配套螺栓；两个几字形夹持槽都通过配套螺栓与两个对称布置的U形加载框的同侧相固连。
在本发明实施例中，剪切力施加系统均包括液压油缸。
在本发明实施例中，两个液压油缸分别固定在两个对称布置的U形加载框上，剪切力伺服油源用于给两个液压油缸提供液压油，同侧的液压油缸与加锚裂隙岩体试件之间均设有加载垫块。
在本发明实施例中，容纳空间的固定端与拉拔端组成轴向拉力施加系统，用于施加水平拉力，包括一个锚杆拉拔仪，锚杆拉拔仪固定在一几字形夹持槽的外端侧；加锚裂隙岩体试件内部的锚杆两侧均伸出试件的两端，通过锚杆拉拔仪对伸出的一段锚杆进行拉拔，锚杆的另一段通过托盘和螺母固定在另一个几字形夹持槽的外端侧；几字形夹持槽的外端侧均设有锚杆穿过的安装通孔。
在本发明实施例中，加锚裂隙岩体试件包括锚杆和三个并排的混凝土块或岩块；锚杆不少于一根；三个并排的混凝土块或岩块设置有贯穿通孔，用于安装锚杆；锚杆贯穿于三个并排的混凝土块或岩块之间，通过砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土块或岩块的贯穿通孔内；锚杆除了杆体之外，还包含托盘和螺母。
在本发明实施例中，拉伸条件下循环剪试验装置还包括围压加载系统，围压加载系统包括十字形底板、上盖板、连接螺栓、液压垫、液压油源和滚珠减摩板；十字形底板通过连接螺栓与U形加载框下侧、几字形夹持槽下侧相连；上盖板通过连接螺栓与U形加载框上侧、几字形夹持槽的上侧相连；液压垫放置在几字形夹持槽和加锚裂隙岩体试件之间、十字形底板和加锚裂隙岩体试件之间、上盖板和加锚裂隙岩体试件之间，根据试验需要为加锚裂隙岩体试件提供围压；滚珠减摩板安装在加锚裂隙岩体试件的中间块体与相邻液压垫之间；中间块体在剪切力作用下产生剪切位移时，可以减小摩擦阻力造成的试验误差。
一种拉伸条件下循环剪试验装置的应用方法，按以下步骤进行：无围压：（1）将加锚裂隙岩体试件安装在拉伸条件下循环剪试验装置中；（2）通过轴向拉力施加系统对加锚裂隙岩体试件施加轴向拉力至设计值；（3）通过剪切力施加系统的剪切力伺服油源控制某一侧（A侧）液压油缸对加锚裂隙岩体试件施加剪切力，至剪切位移达到设计值后，降低剪切力至零，收回A侧的液压油缸；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的剪切力及剪切变形情况；（4）通过剪切力施加系统的剪切力伺服油源控制另一侧（B侧）液压油缸对加锚裂隙岩体试件施加剪切力，至剪切位移达到设计值后，降低剪切力至零，收回B侧的液压油缸；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的剪切力及剪切变形情况；重复上述步骤（3）和（4）直至达到试验设计的循环剪切次数，结束试验。
一种拉伸条件下循环剪试验装置的应用方法，按以下步骤进行：有围压：（1）将加锚裂隙岩体试件安装在循环剪试验装置中；（2）通过轴向拉力施加系统对加锚裂隙岩体试件施加轴向拉力至设计值；（3）通过围压加载系统对加锚裂隙岩体试件施加围压至设计值（加锚裂隙岩体试件两个剪切加载面除外）；（4）通过剪切力施加系统的剪切力伺服油源控制两侧液压油缸同时对加锚裂隙岩体试件施加压力，使两个剪切加载面达到设计围压；（5）控制剪切力施加系统A侧的液压油缸以恒定位移速度模式加载，同时控制剪切力施加系统B侧的液压油缸以恒定压力模式加载，至剪切位移达到设计值后，将剪切力施加系统A侧的液压油缸改为恒定压力模式加载，由此实现在围压不变的情况下进行A侧的剪切加载；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的剪切力及剪切变形情况；（6）将剪切力施加系统B侧的液压油缸改为恒定位移速度模式加载，同时剪切力施加系统A侧的液压油缸维持恒定压力模式加载，至剪切位移达到设计值后，将剪切力施加系统B侧的液压油缸改为恒定压力模式加载，由此实现在围压不变的情况下实现B侧的剪切加载；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的剪切力及剪切变形情况；重复上述步骤（5）和（6）直至达到试验设计的循环剪切次数，结束试验。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的拉伸条件下循环剪试验装置及其应用方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种拉伸条件下循环剪试验装置，其特征在于：包括“十”字形的框架，框架的两相对侧分别设有剪切力施加系统，框架的另外两相对侧之间为加锚裂隙岩体试件的容纳空间，容纳空间一端为固定端、另一端为拉拔端。
2.根据权利要求1所述的拉伸条件下循环剪试验装置，其特征在于：框架包括两个前后对称布置的U形加载框，通过螺栓与双端夹持装置相连构成整体框架。
3.根据权利要求2所述的拉伸条件下循环剪试验装置，其特征在于：双端夹持装置包括两个左右对称布置的几字形夹持槽和配套螺栓；两个几字形夹持槽都通过配套螺栓与两个对称布置的U形加载框的同侧相固连。
4.根据权利要求1所述的拉伸条件下循环剪试验装置，其特征在于：剪切力施加系统均包括液压油缸。
5.根据权利要求4所述的拉伸条件下循环剪试验装置，其特征在于：两个液压油缸分别固定在两个对称布置的U形加载框上，剪切力伺服油源用于给两个液压油缸提供液压油，同侧的液压油缸与加锚裂隙岩体试件之间均设有加载垫块。
6.根据权利要求3所述的拉伸条件下循环剪试验装置，其特征在于：容纳空间的固定端与拉拔端组成轴向拉力施加系统，用于施加水平拉力，包括一个锚杆拉拔仪，锚杆拉拔仪固定在一几字形夹持槽的外端侧；加锚裂隙岩体试件内部的锚杆两侧均伸出试件的两端，通过锚杆拉拔仪对伸出的一段锚杆进行拉拔，锚杆的另一段通过托盘和螺母固定在另一个几字形夹持槽的外端侧；几字形夹持槽的外端侧均设有锚杆穿过的安装通孔。
7.根据权利要求1所述的拉伸条件下循环剪试验装置，其特征在于：加锚裂隙岩体试件包括锚杆和三个并排的混凝土块或岩块；锚杆不少于一根；三个并排的混凝土块或岩块设置有贯穿通孔，用于安装锚杆；锚杆贯穿于三个并排的混凝土块或岩块之间，通过砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土块或岩块的贯穿通孔内；锚杆除了杆体之外，还包含托盘和螺母。
8.根据权利要求3所述的拉伸条件下循环剪试验装置，其特征在于：拉伸条件下循环剪试验装置还包括围压加载系统，围压加载系统包括十字形底板、上盖板、连接螺栓、液压垫、液压油源和滚珠减摩板；十字形底板通过连接螺栓与U形加载框下侧、几字形夹持槽下侧相连；上盖板通过连接螺栓与几字形夹持槽的上侧相连；液压垫放置在几字形夹持槽和加锚裂隙岩体试件之间、十字形底板和加锚裂隙岩体试件之间、上盖板和加锚裂隙岩体试件之间，根据试验需要为加锚裂隙岩体试件提供围压；滚珠减摩板安装在加锚裂隙岩体试件的中间块体与相邻液压垫之间；中间块体在剪切力作用下产生剪切位移时，可以减小摩擦阻力造成的试验误差。
9.一种如权利要求1-7任一所述的拉伸条件下循环剪试验装置的应用方法，其特征在于，按以下步骤进行：无围压：（1）将加锚裂隙岩体试件安装在拉伸条件下循环剪试验装置中；（2）通过轴向拉力施加系统对加锚裂隙岩体试件施加轴向拉力至设计值；（3）通过剪切力施加系统的剪切力伺服油源控制某一侧（A侧）液压油缸对加锚裂隙岩体试件施加剪切力，至剪切位移达到设计值后，降低剪切力至零，收回A侧的液压油缸；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的剪切力及剪切变形情况；（4）通过剪切力施加系统的剪切力伺服油源控制另一侧（B侧）液压油缸对加锚裂隙岩体试件施加剪切力，至剪切位移达到设计值后，降低剪切力至零，收回B侧的液压油缸；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的剪切力及剪切变形情况；重复上述步骤（3）和（4）直至达到试验设计的循环剪切次数，结束试验。
10.一种如权利要求1-8任一所述的拉伸条件下循环剪试验装置的应用方法，其特征在于，按以下步骤进行：有围压：（1）将加锚裂隙岩体试件安装在循环剪试验装置中；（2）通过轴向拉力施加系统对加锚裂隙岩体试件施加轴向拉力至设计值；（3）通过围压加载系统对加锚裂隙岩体试件施加围压至设计值（加锚裂隙岩体试件两个剪切加载面除外）；（4）通过剪切力施加系统的剪切力伺服油源控制两侧液压油缸同时对加锚裂隙岩体试件施加压力，使两个剪切加载面达到设计围压；（5）控制剪切力施加系统A侧的液压油缸以恒定位移速度模式加载，同时控制剪切力施加系统B侧的液压油缸以恒定压力模式加载，至剪切位移达到设计值后，将剪切力施加系统A侧的液压油缸改为恒定压力模式加载，由此实现在围压不变的情况下进行A侧的剪切加载；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的剪切力及剪切变形情况；（6）将剪切力施加系统B侧的液压油缸改为恒定位移速度模式加载，同时剪切力施加系统A侧的液压油缸维持恒定压力模式加载，至剪切位移达到设计值后，将剪切力施加系统B侧的液压油缸改为恒定压力模式加载，由此实现在围压不变的情况下实现B侧的剪切加载；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的剪切力及剪切变形情况；重复上述步骤（5）和（6）直至达到试验设计的循环剪切次数，结束试验。
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