CN111855440A - 循环双剪切试验装置及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种循环双剪切试验装置及其应用方法，包括加载框架，所述加载框架的内部设有相互垂直交接的横向槽道和纵向槽道，所述横向槽道用于容置横向设置的加锚裂隙岩体试件，横向槽道的一端与加锚裂隙岩体试件相抵接、另一端与设有轴向压力施加系统；所述纵向槽道的两端对称设有剪切力施加系统。本发明设计合理，实现了复杂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

循环双剪切试验装置及其应用方法
技术领域：
本发明属于岩土工程试验测试领域，尤其涉及一种循环双剪切试验装置及其应用方法。
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。
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循环剪切试验，也不能模拟真实复杂的外力条件。
发明内容：
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种循环双剪切试验装置及其应用方法，设计合理，不仅可以模拟真实复杂的外力条件，而且可以实现大尺寸加锚裂隙岩体循环剪切试验。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种循环双剪切试验装置，包括加载框架，所述加载框架的内部设有相互垂直交接的横向槽道和纵向槽道，所述横向槽道用于容置横向设置的加锚裂隙岩体试件，横向槽道的一端与加锚裂隙岩体试件相抵接、另一端与设有轴向压力施加系统；所述纵向槽道的两端对称设有剪切力施加系统。
进一步的，所述轴向压力施加系统包括横向液压油缸，所述横向液压油缸的活塞杆末端固联有用于与加锚裂隙岩体试件的端面相接触的第一加载垫块；所述剪切力施加系统包括对称设置在纵向槽道两端的纵向液压油缸，所述纵向液压油缸的活塞杆末端固联有用于与加锚裂隙岩体试件的周侧面相接触的第二加载垫块。
进一步的，所述加载框架包括两个对称布置的U型加载框，两个U型加载框的左、右两侧分别设有短几字形夹持框和长几字形夹持框，短几字形夹持框和长几字形夹持框均通过固定螺栓与两个对称布置的U型加载框相连，两个U型加载框的底面之间形成纵向槽道；短几字形夹持框的底面与长几字形夹持框的底面之间形成横向槽道。
进一步的，两个U型加载框的底面内侧分别固联有A侧纵向液压油缸和B侧纵向液压油缸；所述横向液压油缸固联在长几字形夹持框的底面内侧。
进一步的，所述加锚裂隙岩体试件包括至少一根锚杆和三个沿横向并排分布混凝土块，三个混凝土块同轴设有横向贯穿的通孔；所述锚杆伸入通孔内部并贯穿于三个混凝土块之间，锚杆通过砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土块的通孔内。
进一步的，还包括围压加载系统，所述围压加载系统包括十字形底板、上盖板以及连接螺栓，所述十字形底板通过连接螺栓与U型加载框、短几字形夹持框以及长几字形夹持框的底部相连接，用于密封住横向槽道和纵向槽道的下端；所述上盖板平行设于加锚裂隙岩体试件的上方，上盖板通过连接螺栓与短几字形夹持框、长几字形夹持框的顶部相连接。
进一步的，所述围压加载系统还包括液压垫和滚珠减摩板，所述液压垫设于短几字形夹持框与加锚裂隙岩体试件之间、长几字形夹持框与加锚裂隙岩体试件之间、十字形底板与加锚裂隙岩体试件之间、上盖板与加锚裂隙岩体试件之间；所述加锚裂隙岩体试件中，位于中间位置的混凝土块的上、下侧面与液压垫之间均设有滚珠减摩板。
本发明采用的另一种技术方案是：一种循环双剪切试验装置的应用方法，包含如下步骤：
步骤S1：将加锚裂隙岩体试件安装在加载框架内部的横向槽道内，加锚裂隙岩体试件的一端与横向槽道远离轴向压力施加系统的一端相向抵接；
步骤S2：通过轴向压力施加系统的横向液压油缸对加锚裂隙岩体试件施加轴向压力至设计值；
步骤S3：控制剪切力施加系统的A侧纵向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侧纵向液压油缸；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；
步骤S4：控制剪切力施加系统的B侧纵向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侧纵向液压油缸；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；
步骤S5：重复上述步骤S3和步骤S4，直至达到试验设计的循环剪切次数，结束试验。
本发明还采用另外一种技术方案：一种循环双剪切试验装置的应用方法，包含如下步骤：
步骤S1：将加锚裂隙岩体试件安装在加载框架内部的横向槽道内，加锚裂隙岩体试件的一端与横向槽道远离轴向压力施加系统的一端相向抵接；
步骤S2：通过轴向压力施加系统的横向液压油缸对加锚裂隙岩体试件施加轴向压力至设计值；
步骤S3：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；
步骤S4：控制剪切力施加系统两侧的纵向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；
步骤S5：控制剪切力施加系统的A侧纵向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的B侧纵向液压油缸以恒定压力模式加载，至剪切位移达到设计值后，将剪切力施加系统的A侧纵向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；
步骤S6：将剪切力施加系统的B侧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的A侧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，将剪切力施加系统的B侧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；
步骤S7：重复上述步骤S5和步骤S6，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，本发明具有以下效果：本发明设计合理，实现了复杂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。
附图说明：
图1是本发明实施例一的俯视构造示意图；
图2是本发明实施例一中加载框架的立体构造示意图；
图3是本发明实施例二的俯视构造示意图（省略上盖板）；
图4是本发明实施例二中加载框架的立体构造示意图（省略上盖板）；
图5是图4的俯视构造示意图；
图6是本发明实施例二中上盖板的立体构造示意图；
图7是本发明实施例二中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8是本发明实施例二中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9是本发明实施例中加锚裂隙岩体试件的横向剖面示意图。
图中：
1- U形加载框；21- A侧液压油缸；22-B侧液压油缸；23-第二加载垫块；31- 长几字形夹持框；32-短几字形夹持框；33-固定螺栓；41-横向液压油缸；42-第一加载垫块；5-加锚裂隙岩体试件；51-锚杆；52-混凝土块；61-十字形底板；62- 滚珠减摩板；63-液压垫；64-上盖板；65-连接螺栓；7-横向槽道；8-纵向槽道；9-加载框架。
具体实施方式:
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”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，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，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一：如图1～2所示，本发明一种循环双剪切试验装置，包括十字形的加载框架9，所述加载框架9的内部设有相互垂直交接的横向槽道7和纵向槽道8，横向槽道与纵向槽道形成十字形槽，所述横向槽道7用于容置横向设置的加锚裂隙岩体试件5，横向槽道7的一端与加锚裂隙岩体试件5相抵接、另一端与设有轴向压力施加系统；所述纵向槽道8的两端对称设有剪切力施加系统。
本实施例中，所述轴向压力施加系统包括横向液压油缸41，所述横向液压油缸41的活塞杆末端固联有用于与加锚裂隙岩体试件5的端面相接触的第一加载垫块42。优选的，第一加载垫块42呈方形状，用于将横向液压油缸41的压力均匀传递到加锚裂隙岩体试件5的端面。轴向压力施加系统还包括用于给横向液压油缸41提供液压油的轴向压力伺服油源。
本实施例中，所述剪切力施加系统包括对称设置在纵向槽道8两端的纵向液压油缸，所述纵向液压油缸的活塞杆末端固联有用于与加锚裂隙岩体试件5的周侧面相接触的第二加载垫块23。剪切力施加系统还包括用于给两端的纵向液压油缸提供液压油的剪切力伺服油源。
本实施例中，所述加载框架9包括两个对称布置的U型加载框1，两个U型加载框纵向设置且开口相向，两个U型加载框1的左、右两侧分别设有短几字形夹持框32和长几字形夹持框31，短几字形夹持框32和长几字形夹持框31均通过固定螺栓33与两个对称布置的U型加载框1相连，两个U型加载框1的底面之间形成纵向槽道8；短几字形夹持框32的底面与长几字形夹持框31的底面之间形成横向槽道7。两个对称布置的U形加载框1通过固定螺栓与长、短几字形夹持框相连构成十字形状的加载框架。
本实施例中，纵向槽道8两端的纵向液压油缸包括A侧纵向液压油缸21和B侧纵向液压油缸22，两个U型加载框1的底面内侧分别固联A侧纵向液压油缸21和B侧纵向液压油缸22；所述横向液压油缸41固联在长几字形夹持框31的底面内侧。
本实施例中，所述加锚裂隙岩体试件5包括至少一根锚杆51和三个沿横向并排分布混凝土块52，三个混凝土块52同轴设有横向贯穿的通孔；所述锚杆51伸入通孔内部并贯穿于三个混凝土块52之间，锚杆51通过砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土块52的通孔内。
本实施例中，所述加锚裂隙岩体试件5的长度小于横向槽道7的长度。
本实施例中，具体的应用方法包含如下步骤：
步骤S1：将加锚裂隙岩体试件5安装在加载框架9内部的横向槽道7内，加锚裂隙岩体试件5的一端与横向槽道7远离轴向压力施加系统的一端相向抵接；
步骤S2：通过轴向压力施加系统的横向液压油缸41对加锚裂隙岩体试件5施加轴向压力至设计值；
步骤S3：控制剪切力施加系统的A侧纵向液压油缸21对加锚裂隙岩体试件5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侧纵向液压油缸21；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件5的剪切力及剪切变形情况；
步骤S4：控制剪切力施加系统的B侧纵向液压油缸22对加锚裂隙岩体试件5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侧纵向液压油缸22；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件5的剪切力及剪切变形情况；
步骤S5：重复上述步骤S3和步骤S4，直至达到试验设计的循环剪切次数，结束试验。
实施例二：如图3～8所示，本实施例与实施例一的区别点在于：在实施例一的基础上增加了围压加载系统，所述围压加载系统包括十字形底板61、上盖板64、液压垫63、滚珠减摩板62以及连接螺栓65，所述十字形底板61通过连接螺栓65与U型加载框1、短几字形夹持框32以及长几字形夹持框31的底部相连接，用于密封住横向槽道7和纵向槽道8的下端；所述上盖板64平行设于加锚裂隙岩体试件5的上方，上盖板64通过连接螺栓65与短几字形夹持框32、长几字形夹持框31的顶部相连接。
本实施例中，所述液压垫63设于短几字形夹持框32与加锚裂隙岩体试件5之间、长几字形夹持框31与加锚裂隙岩体试件5之间、十字形底板61与加锚裂隙岩体试件5之间、上盖板64与加锚裂隙岩体试件5之间，根据试验需要为加锚裂隙岩体试件提供围压；所述加锚裂隙岩体试件5中，位于中间位置的混凝土块52的上、下侧面与液压垫63之间均设有滚珠减摩板62，位于中间位置的混凝土块52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。
本实施例中，具体的应用方法包含如下步骤：
步骤S1：将加锚裂隙岩体试件5安装在加载框架9内部的横向槽道7内，加锚裂隙岩体试件5的一端与横向槽道7远离轴向压力施加系统的一端相向抵接；
步骤S2：通过轴向压力施加系统的横向液压油缸41对加锚裂隙岩体试件5施加轴向压力至设计值；
步骤S3：通过围压加载系统对加锚裂隙岩体试件5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）；
步骤S4：控制剪切力施加系统两侧的纵向液压油缸同时对加锚裂隙岩体试件5施加压力，使两个剪切加载面达到设计围压；
步骤S5：控制剪切力施加系统的A侧纵向液压油缸21以恒定位移速度模式加载，同时控制剪切力施加系统的B侧纵向液压油缸22以恒定压力模式加载，至剪切位移达到设计值后，将剪切力施加系统的A侧纵向液压油缸21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侧剪切加载；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件5的剪切力及剪切变形情况；
步骤S6：将剪切力施加系统的B侧液压油缸22改为恒定位移速度模式加载，同时剪切力施加系统的A侧液压油缸21维持恒定压力模式加载，至剪切位移达到设计值后，将剪切力施加系统的B侧液压油缸22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侧剪切加载；记录加载过程中加锚裂隙岩体试件5的剪切力及剪切变形情况；
步骤S7：重复上述步骤S5和步骤S6，直至达到试验设计的循环剪切次数，结束试验。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种循环双剪切试验装置及其应用方法，其特征在于：包括加载框架，所述加载框架的内部设有相互垂直交接的横向槽道和纵向槽道，所述横向槽道用于容置横向设置的加锚裂隙岩体试件，横向槽道的一端与加锚裂隙岩体试件相抵接、另一端与设有轴向压力施加系统；所述纵向槽道的两端对称设有剪切力施加系统。
2.根据权利要求1所述的循环双剪切试验装置，其特征在于：所述轴向压力施加系统包括横向液压油缸，所述横向液压油缸的活塞杆末端固联有用于与加锚裂隙岩体试件的端面相接触的第一加载垫块；所述剪切力施加系统包括对称设置在纵向槽道两端的纵向液压油缸，所述纵向液压油缸的活塞杆末端固联有用于与加锚裂隙岩体试件的周侧面相接触的第二加载垫块。
3.根据权利要求2所述的循环双剪切试验装置，其特征在于：所述加载框架包括两个对称布置的U型加载框，两个U型加载框的左、右两侧分别设有短几字形夹持框和长几字形夹持框，短几字形夹持框和长几字形夹持框均通过固定螺栓与两个对称布置的U型加载框相连，两个U型加载框的底面之间形成纵向槽道；短几字形夹持框的底面与长几字形夹持框的底面之间形成横向槽道。
4.根据权利要求3所述的循环双剪切试验装置，其特征在于：两个U型加载框的底面内侧分别固联有A侧纵向液压油缸和B侧纵向液压油缸；所述横向液压油缸固联在长几字形夹持框的底面内侧。
5.根据权利要求1所述的循环双剪切试验装置，其特征在于：所述加锚裂隙岩体试件包括至少一根锚杆和三个沿横向并排分布混凝土块，三个混凝土块同轴设有横向贯穿的通孔；所述锚杆伸入通孔内部并贯穿于三个混凝土块之间，锚杆通过砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土块的通孔内。
6.根据权利要求3所述的循环双剪切试验装置，其特征在于：还包括围压加载系统，所述围压加载系统包括十字形底板、上盖板以及连接螺栓，所述十字形底板通过连接螺栓与U型加载框、短几字形夹持框以及长几字形夹持框的底部相连接，用于密封住横向槽道和纵向槽道的下端；所述上盖板平行设于加锚裂隙岩体试件的上方，上盖板通过连接螺栓与短几字形夹持框、长几字形夹持框的顶部相连接。
7.根据权利要求6所述的循环双剪切试验装置，其特征在于：所述围压加载系统还包括液压垫和滚珠减摩板，所述液压垫设于短几字形夹持框与加锚裂隙岩体试件之间、长几字形夹持框与加锚裂隙岩体试件之间、十字形底板与加锚裂隙岩体试件之间、上盖板与加锚裂隙岩体试件之间；所述加锚裂隙岩体试件中，位于中间位置的混凝土块的上、下侧面与液压垫之间均设有滚珠减摩板。
8.一种循环双剪切试验装置的应用方法，其特征在于：包括采用如权利要求1～5中任意一项所述的循环双剪切试验装置，包含如下步骤：
步骤S1：将加锚裂隙岩体试件安装在加载框架内部的横向槽道内，加锚裂隙岩体试件的一端与横向槽道远离轴向压力施加系统的一端相向抵接；
步骤S2：通过轴向压力施加系统的横向液压油缸对加锚裂隙岩体试件施加轴向压力至设计值；
步骤S3：控制剪切力施加系统的A侧纵向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侧纵向液压油缸；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；
步骤S4：控制剪切力施加系统的B侧纵向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侧纵向液压油缸；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；
步骤S5：重复上述步骤S3和步骤S4，直至达到试验设计的循环剪切次数，结束试验。
9.一种循环双剪切试验装置的应用方法，其特征在于：包括采用如权利要求1～7中任意一项所述的循环双剪切试验装置，包含如下步骤：
步骤S1：将加锚裂隙岩体试件安装在加载框架内部的横向槽道内，加锚裂隙岩体试件的一端与横向槽道远离轴向压力施加系统的一端相向抵接；
步骤S2：通过轴向压力施加系统的横向液压油缸对加锚裂隙岩体试件施加轴向压力至设计值；
步骤S3：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；
步骤S4：控制剪切力施加系统两侧的纵向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；
步骤S5：控制剪切力施加系统的A侧纵向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的B侧纵向液压油缸以恒定压力模式加载，至剪切位移达到设计值后，将剪切力施加系统的A侧纵向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；
步骤S6：将剪切力施加系统的B侧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的A侧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，将剪切力施加系统的B侧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；
步骤S7：重复上述步骤S5和步骤S6，直至达到试验设计的循环剪切次数，结束试验。
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