CN111855429A - 拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置及其应用方法，适用于岩土工程试验测试领域，包括呈凵型并用于置放加锚裂隙岩体试件的组合框架，所述组合框架内设置有用于固定加锚裂隙岩体试件两侧部的试件固定机构，组合框架的中部设置有与其配合形成剪切反力系统的竖向加载机构，组合框架的底板中部设置有用于加锚裂隙岩体试件下剪位移的避让空间，组合框架的侧部还设置有向加锚裂隙岩体试件施加水平力的水平加载机构。该装置既能进行拉剪试验，又能进行压剪试验。
Description
技术领域
本发明涉及一种拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置及其应用方法，适用于岩土工程试验测试领域。
背景技术
锚杆和锚索是加固裂隙岩体最常用的手段。然而，在复杂的外力条件下，加锚裂隙岩体抗剪性能的准确评估仍然是一个难题。传统的单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，以及可容纳试件较小的问题。
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不能模拟真实复杂的外力条件，如拉剪、压剪等破坏模式，更不能在同一台试验机上实现常规剪切、拉剪和压剪三种试验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置及其应用方法，该装置既能进行拉剪试验，又能进行压剪试验。
本发明的技术方案在于：一种拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置，包括呈凵型并用于置放加锚裂隙岩体试件的组合框架，所述组合框架内设置有用于固定加锚裂隙岩体试件两侧部的试件固定机构，组合框架的中部设置有与其配合形成剪切反力系统的竖向加载机构，组合框架的底板中部设置有用于加锚裂隙岩体试件下剪位移的避让空间，组合框架的侧部还设置有向加锚裂隙岩体试件施加水平力的水平加载机构。
进一步地，所述组合框架由若干个钢质方框单元呈凵型排列组合而成，左右及上下相邻两钢质方框单元分别经短螺栓固定连接，前后相邻的一列钢质方框单元经长螺栓固定。
进一步地，所述钢质方框单元具有五个面，其中四个面为完全等同的等同立面，另一面称为单底面；钢质方框单元的五个面均预留有螺栓孔，前后相邻的一列钢质方框单元经穿过单底面的长螺栓固定。
进一步地，所述试件固定机构包括设置于加锚裂隙岩体试件两侧部并与组合框架之间的下部减摩滚轴，所述加锚裂隙岩体试件两侧部的上侧面分别设置有上部减摩滚轴，位于上部减摩滚轴的上侧覆盖有盖板，所述盖板的前后侧分别间隔设置有与组合框架连接的连接杆。
进一步地，所述加锚裂隙岩体试件包括三个并排并设置有贯穿通孔的混凝土/岩块和至少一根锚杆，所述锚杆贯穿于三个并排的混凝土/岩块之间，并经砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土/岩块的贯穿通孔内。
进一步地，所述竖向加载机构包括设置于避让空间前、后侧的立柱，位于立柱的上端安装有位于加锚裂隙岩体试件上侧的横梁，所述横梁的下侧面上安装有竖向加载油缸，所述加锚裂隙岩体试件的上侧面上设置有加载垫块。
进一步地，所述水平加载机构包括卧式设置于组合框架一侧墙板内侧的水平加载油缸，所述加锚裂隙岩体试件的一侧端面上对应安装有水平加载垫块。
进一步地，所述水平加载机构包括两端分别穿出加锚裂隙岩体试件的锚杆，所述锚杆的一端头由组合框架的一侧墙板穿出并与锚杆拉拔仪相连接；锚杆的另一端穿过组合框架另一侧的墙板，并经托盘及螺母与组合框架另一侧的墙板固定连接。
一种拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置的压剪试验方法，包括以下步骤；
（1）设置试验机拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置为压剪模式，即布置组合框架，使其布局匹配水平加载机构，并安装水平加载机构；
（2）制作加锚裂隙岩体试件，并通过试件固定机构将其固定在组合框架的底板上；
（3）根据试验设计，通过水平加载机构对加锚裂隙岩体试件施加水平压力至设计值，记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的水平压力及水平变形情况；
（4）根据试验设计，通过竖向加载机构对加锚裂隙岩体试件施加竖向压力至设计值，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。
一种拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置的拉剪试验方法，包括以下步骤；
（1）设置试验机拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置为拉剪模式，即布置组合框架，使其布局匹配水平加载机构，并安装水平加载机构；
（2）制作加锚裂隙岩体试件，并通过试件固定机构将其固定在组合框架的底板上，锚杆的一侧外露段插入水平加载机构的锚杆拉拔仪中，锚杆的另一侧外露段通过托盘和螺母固定在组合框架的另一侧墙板上；
（3）根据试验设计，通过水平加载机构对加锚裂隙岩体试件施加水平拉力至设计值，记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的水平拉力及水平变形情况；
（4）根据试验设计，通过竖向加载机构对加锚裂隙岩体试件施加竖向压力至设计值，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。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：该装置及方法可以根据试验需要进行拆装的组合框架系统和水平加载系统的巧妙组合实现了在同一台试验机上实现常规剪切、拉剪和压剪三种试验，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。
附图说明
图1为本发明的压剪模式下结构示意图；
图2为本发明的压剪模式下正视图；
图3为本发明的压剪模式下俯视图；
图4为本发明的压剪模式下加锚裂隙岩体试件剖面示意图；
图5为本发明的组合框架四块钢质方框单元组合示意图；
图6为本发明的组合框架钢质方框单元单底面组合示意图；
图7为本发明的拉剪模式下结构示意图；
图8为本发明的拉剪模式下正面示意图；
图9为本发明的拉剪模式下俯视示意图；
图10为本发明的拉剪模式下加锚裂隙岩体试件剖面示意图；
图中：1-组合框架；11-钢质方框单元；12-短螺栓；13-长螺栓；14-避让空间；15-螺栓孔；21-盖板；22-连接杆；23-上部减摩滚轴；24-下部减摩滚轴；3-加锚裂隙岩体试件；31-锚杆；32-混凝土/岩块；33-托盘；34-螺母；41-立柱；42-横梁；43-竖向加载油缸；44-加载垫块；51-水平加载油缸；52-水平加载垫块；53-锚杆拉拔仪。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
实施例一 压剪模式，参考图1至图6
一种拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置，包括呈凵型并用于置放加锚裂隙岩体试件3的组合框架1，所述组合框架内设置有用于固定加锚裂隙岩体试件两侧部的试件固定机构，组合框架的中部设置有与其配合形成剪切反力系统的竖向加载机构，组合框架的底板中部设置有用于加锚裂隙岩体试件下剪位移的避让空间14，组合框架的侧部还设置有向加锚裂隙岩体试件施加水平力的水平加载机构。
本实施例中，所述组合框架由若干个钢质方框单元11呈凵型排列组合而成，所述钢质方框单元具有五个面，其中四个面为完全等同的等同立面，另一面称为单底面；钢质方框单元的五个面均预留有螺栓孔15，左右及上下相邻两钢质方框单元的等同立面分别经穿过螺栓孔的短螺栓12固定连接，前后相邻的一列钢质方框单元经穿过单底面上螺栓孔的长螺栓13固定。
本实施例中，所述组合框架中，位于最底层的钢质方框单元完整排列，次底层的中部预留有用于加锚裂隙岩体试件的中间混凝土块下剪位移的避让空间14，组合框架系统的左右两侧墙板作为施加水平拉力或者压力的反力墙使用。
本实施例中，所述试件固定机构包括设置于加锚裂隙岩体试件两侧部并与组合框架之间的下部减摩滚轴24，所述加锚裂隙岩体试件两侧部的上侧面分别设置有上部减摩滚轴23，位于上部减摩滚轴的上侧覆盖有盖板21，所述盖板的前后侧分别间隔设置有与组合框架连接的连接杆22，所述连接杆的上端穿出盖板并螺接有锁紧螺母，从而将加锚裂隙岩体试件的两侧混凝土块固定在组合框架上。在加载过程中，如施加水平压力或者拉力时，通过减摩滚轴可以减少混凝土块与组合框架以及盖板之间的摩擦力。
本实施例中，所述加锚裂隙岩体试件包括三个并排并设置有贯穿通孔的混凝土/岩块32和至少一根锚杆31，所述锚杆通过贯穿通孔贯穿于三个并排的混凝土/岩块之间，并经砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土/岩块的贯穿通孔内。
本实施例中，所述竖向加载机构包括设置于避让空间前、后侧的立柱41，位于立柱的上端安装有位于加锚裂隙岩体试件上侧的横梁42；立柱、横梁和组合框架的底板，共同组成剪切反力系统。所述横梁的下侧面上安装有竖向加载油缸43，在伺服油源的驱动下，用于对加锚裂隙岩体试件施加向下的剪切力。所述加锚裂隙岩体试件的上侧面上设置有加载垫块44，以便将加载油缸的压力均匀施加在加锚裂隙岩体试件的中间混凝土/岩块上。
本实施例中，所述加载垫块垫块可以为H型钢。
本实施例中，所述水平加载机构用于施加水平压力进行压剪试验，包括卧式设置于组合框架一侧墙板内侧的水平加载油缸51及其配套的伺服油源，所述加锚裂隙岩体试件的一侧端面上对应安装有水平加载垫块52。该实施例中，加锚裂隙岩体试件中的锚杆两侧均不伸出混凝土/岩块，以避免锚杆外露段对试验的影响。
一种拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置的压剪试验方法，包括以下步骤；
（1）设置试验机拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置为压剪模式，即布置组合框架，使其布局匹配水平加载机构，并安装水平加载机构；
（2）制作加锚裂隙岩体试件，并通过试件固定机构将其固定在组合框架的底板上；
（3）根据试验设计，通过水平加载机构对加锚裂隙岩体试件施加水平压力至设计值，记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的水平压力及水平变形情况；
（4）根据试验设计，通过竖向加载机构对加锚裂隙岩体试件施加竖向压力（即剪切力）至设计值，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。
上述步骤（1）和步骤（2），根据试验方便可以进行调换。
实施例二 拉剪模式，参考图5至图10
一种拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置，包括呈凵型并用于置放加锚裂隙岩体试件3的组合框架1，所述组合框架内设置有用于固定加锚裂隙岩体试件两侧部的试件固定机构，组合框架的中部设置有与其配合形成剪切反力系统的竖向加载机构，组合框架的底板中部设置有用于加锚裂隙岩体试件下剪位移的避让空间14，组合框架的侧部还设置有向加锚裂隙岩体试件施加水平力的水平加载机构。
本实施例中，所述组合框架由若干个钢质方框单元11呈凵型排列组合而成，所述钢质方框单元具有五个面，其中四个面为完全等同的等同立面，另一面称为单底面；钢质方框单元的五个面均预留有螺栓孔15，左右及上下相邻两钢质方框单元的等同立面分别经穿过螺栓孔的短螺栓12固定连接，前后相邻的一列钢质方框单元经穿过单底面上螺栓孔的长螺栓13固定。
本实施例中，所述组合框架中，位于最底层的钢质方框单元完整排列，次底层的中部预留有用于加锚裂隙岩体试件的中间混凝土块下剪位移的避让空间14，组合框架系统的左右两侧墙板作为施加水平拉力或者压力的反力墙使用。
本实施例中，所述试件固定机构包括设置于加锚裂隙岩体试件两侧部并与组合框架之间的下部减摩滚轴24，所述加锚裂隙岩体试件两侧部的上侧面分别设置有上部减摩滚轴23，位于上部减摩滚轴的上侧覆盖有盖板21，所述盖板的前后侧分别间隔设置有与组合框架连接的连接杆22，所述连接杆的上端穿出盖板并螺接有锁紧螺母，从而将加锚裂隙岩体试件的两侧混凝土块固定在组合框架上。在加载过程中，如施加水平压力或者拉力时，通过减摩滚轴可以减少混凝土块与组合框架以及盖板之间的摩擦力。
本实施例中，所述加锚裂隙岩体试件包括三个并排并设置有贯穿通孔的混凝土/岩块32和至少一根锚杆31，所述锚杆通过贯穿通孔贯穿于三个并排的混凝土/岩块之间，并经砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土/岩块的贯穿通孔内。
本实施例中，所述竖向加载机构包括设置于避让空间前、后侧的立柱41，位于立柱的上端安装有位于加锚裂隙岩体试件上侧的横梁42；立柱、横梁和组合框架的底板，共同组成剪切反力系统。所述横梁的下侧面上安装有竖向加载油缸43，在伺服油源的驱动下，用于对加锚裂隙岩体试件施加向下的剪切力。所述加锚裂隙岩体试件的上侧面上设置有加载垫块44，以便将加载油缸的压力均匀施加在加锚裂隙岩体试件的中间混凝土/岩块上。
本实施例中，所述加载垫块垫块可以为H型钢。
本实施例中，所述水平加载机构用于施加水平拉力进行拉剪试验，包括两端分别穿出加锚裂隙岩体试件的锚杆，所述锚杆的一端头由组合框架的一侧墙板穿出并与位于组合框架外侧的锚杆拉拔仪53相连接，以便进行拉拔；锚杆的另一端穿过组合框架另一侧的墙板，并经托盘33及螺母34与组合框架另一侧的墙板固定连接，从而实现拉剪试验。
一种拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置的拉剪试验方法，包括以下步骤；
（1）设置试验机拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置为拉剪模式，即布置组合框架，使其布局匹配水平加载机构，并安装水平加载机构；
（2）制作加锚裂隙岩体试件，并通过试件固定机构将其固定在组合框架的底板上，锚杆的一侧外露段插入水平加载机构的锚杆拉拔仪中，锚杆的另一侧外露段通过托盘和螺母固定在组合框架的另一侧墙板上；
（3）根据试验设计，通过水平加载机构对加锚裂隙岩体试件施加水平拉力至设计值，记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的水平拉力及水平变形情况；
（4）根据试验设计，通过竖向加载机构对加锚裂隙岩体试件施加竖向压力（即剪切力）至设计值，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。
除上述两种试验方法外，还可以不进行水平加载，只进行竖向加载，从而实现简单直接剪切试验。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置及其应用方法并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置，其特征在于，包括呈凵型并用于置放加锚裂隙岩体试件的组合框架，所述组合框架内设置有用于固定加锚裂隙岩体试件两侧部的试件固定机构，组合框架的中部设置有与其配合形成剪切反力系统的竖向加载机构，组合框架的底板中部设置有用于加锚裂隙岩体试件下剪位移的避让空间，组合框架的侧部还设置有向加锚裂隙岩体试件施加水平力的水平加载机构。
2.根据权利要求1所述的拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置，其特征在于，所述组合框架由若干个钢质方框单元呈凵型排列组合而成，左右及上下相邻两钢质方框单元分别经短螺栓固定连接，前后相邻的一列钢质方框单元经长螺栓固定。
3.根据权利要求2所述的拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置及其应用方法，其特征在于，所述钢质方框单元具有五个面，其中四个面为完全等同的等同立面，另一面称为单底面；钢质方框单元的五个面均预留有螺栓孔，前后相邻的一列钢质方框单元经穿过单底面的长螺栓固定。
4.根据权利要求1、2或3所述的拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置，其特征在于，所述试件固定机构包括设置于加锚裂隙岩体试件两侧部并与组合框架之间的下部减摩滚轴，所述加锚裂隙岩体试件两侧部的上侧面分别设置有上部减摩滚轴，位于上部减摩滚轴的上侧覆盖有盖板，所述盖板的前后侧分别间隔设置有与组合框架连接的连接杆。
5.根据权利要求1、2或3所述的拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置，其特征在于，所述加锚裂隙岩体试件包括三个并排并设置有贯穿通孔的混凝土/岩块和至少一根锚杆，所述锚杆贯穿于三个并排的混凝土/岩块之间，并经砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土/岩块的贯穿通孔内。
6.根据权利要求1所述的拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置，其特征在于，所述竖向加载机构包括设置于避让空间前、后侧的立柱，位于立柱的上端安装有位于加锚裂隙岩体试件上侧的横梁，所述横梁的下侧面上安装有竖向加载油缸，所述加锚裂隙岩体试件的上侧面上设置有加载垫块。
7.根据权利要求1、2、3或6所述的拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置，其特征在于，所述水平加载机构包括卧式设置于组合框架一侧墙板内侧的水平加载油缸，所述加锚裂隙岩体试件的一侧端面上对应安装有水平加载垫块。
8.根据权利要求1、2、3或6所述的拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置，其特征在于，所述水平加载机构包括两端分别穿出加锚裂隙岩体试件的锚杆，所述锚杆的一端头由组合框架的一侧墙板穿出并与锚杆拉拔仪相连接；锚杆的另一端穿过组合框架另一侧的墙板，并经托盘及螺母与组合框架另一侧的墙板固定连接。
9.一种应用于权利要求7所述的拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置的压剪试验方法，其特征在于，包括以下步骤；
（1）设置试验机拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置为压剪模式，即布置组合框架，使其布局匹配水平加载机构，并安装水平加载机构；
（2）制作加锚裂隙岩体试件，并通过试件固定机构将其固定在组合框架的底板上；
（3）根据试验设计，通过水平加载机构对加锚裂隙岩体试件施加水平压力至设计值，记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的水平压力及水平变形情况；
（4）根据试验设计，通过竖向加载机构对加锚裂隙岩体试件施加竖向压力至设计值，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。
10.一种应用于权利要求8所述的拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置的拉剪试验方法，其特征在于，包括以下步骤；
（1）设置试验机拉压复合式加锚裂隙岩体双剪切试验装置为拉剪模式，即布置组合框架，使其布局匹配水平加载机构，并安装水平加载机构；
（2）制作加锚裂隙岩体试件，并通过试件固定机构将其固定在组合框架的底板上，锚杆的一侧外露段插入水平加载机构的锚杆拉拔仪中，锚杆的另一侧外露段通过托盘和螺母固定在组合框架的另一侧墙板上；
（3）根据试验设计，通过水平加载机构对加锚裂隙岩体试件施加水平拉力至设计值，记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的水平拉力及水平变形情况；
（4）根据试验设计，通过竖向加载机构对加锚裂隙岩体试件施加竖向压力至设计值，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。
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