CN111855441A - 恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置，包括反力框架系统、剪切力施加系统、法向加载系统和加锚裂隙岩体试件；剪切力施加系统、法向加载系统和加锚裂隙岩体试件均位于反力框架系统内部；剪切力施加系统包括位于加锚裂隙岩体试件两侧的加载垫块、位于加载垫块侧部的剪切液压油缸及剪切力伺服油源；法向加载系统包括法向液压油缸、轴向压力伺服油源以及弹簧垫板，法向液压油缸位于弹簧垫板上方，弹簧垫板位于加锚裂隙岩体试件上方。本发明设计合理，构造简单，使用简易高效、操作便捷，能够清楚研究在恒定法向刚度条件下的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。
Description
技术领域
本发明涉及一种恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置及其应用方法。
背景技术
岩体中广泛存在的裂隙和节理是许多滑坡和崩塌事故的根本原因。在岩土工程中地下爆破、振动和开挖加卸载等工程活动产生循环剪切荷载可能导致结构面失稳破坏，除此之外，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，结构面在地震的循环荷载和动荷载作用下的闭合和滑移是地面和地下工程失效的重要原因。锚杆和锚索广泛应用于岩体工程中，用于节理岩体的稳定，锚固节理的特性将对围岩的稳定性产生重大影响，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。
在地下工程中，由于周围岩体的存在，节理岩体在剪切过程中会抵抗膨胀变形的发生，这将导致法向荷载会随着剪胀程度而不断发生变化。在此过程中，只有周围岩体的刚度保持恒定不变。因此，恒定法向荷载边界条件不再适合此类工程问题。
由于地下工程岩体和锚固条件下岩体均处于恒定法向刚度边界条件下，传统的循环剪切试验机只能实现恒定法向荷载，也不能考虑复杂围压条件的影响，不能很好的模拟这类工程情况。因此，研究清楚在恒定法向刚度条件下的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。
发明内容
本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是提供恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置及其应用方法，操作方便，有效研究法向刚度条件下的循环剪切荷载对加锚节理岩体剪切特性的影响，进行科学合理的锚固设计，减少工程地质灾害发生。
本发明的具体实施方案是：提供一种恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置，包括反力框架系统、剪切力施加系统、法向加载系统和加锚裂隙岩体试件；所述反力框架系统包括反力框架，剪切力施加系统、法向加载系统和加锚裂隙岩体试件均位于反力框架内；所述剪切力施加系统包括位于加锚裂隙岩体试件两侧的加载垫块、位于加载垫块侧部的剪切液压油缸及用于给两个剪切液压油缸提供液压油的剪切力伺服油源；所述法向加载系统包括法向液压油缸、用以给发现液压油缸供油的轴向压力伺服油源以及弹簧垫板，所述法向液压油缸位于弹簧垫板上方，所述弹簧垫板位于加锚裂隙岩体试件上方。
进一步的，所述加锚裂隙岩体试件包括上下并排设置的混凝土块或岩块，所述混凝土块或岩块内部由上至下穿设有至少一根锚杆。
进一步的，恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置还包括围压加载系统，所述围压加载系统包括盖盒以及液压垫，所述盖盒套设于上部的混凝土块或岩石，所述液压垫置于加锚节理岩体试件与凹槽底座及盖盒接触的位置。
进一步的，所述反力框架包括凹槽底座，位于凹槽底座两侧的方形加载板，两个方形加载板上方之间设有顶板，所述顶板与加载板、凹槽底座与方形加载板之间均采用螺栓连接，将加载板、凹槽底座与方形加载板固定为一体式。
进一步的，上下并排设置的混凝土块或岩块中部设有用以锚杆穿设安装的通孔，所述锚杆通过砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土块或岩块的通孔内。
进一步的，一种恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置的应用方法，包括步骤如下：（1）首先将加锚节理岩体试件安装在恒定法向刚度条件下循环剪试验装置中；（2）然后通过围压加载系统对加锚节理岩体试件施加围压至设计值，通过法向加载系统对加锚节理岩体试件施加法向压力至设计值后，维持法向液压油缸的法向位移不变（在循环剪切过程中，弹簧垫板可保证试验机施加给加锚裂隙岩体试件的法向刚度恒定不变）；（3）接着，通过剪切力施加系统的剪切力伺服油源控制某一侧（左侧）的剪切液压油缸A对加锚节理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，收回位于左侧的剪切液压油缸；记录加载过程中加锚节理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（右侧）剪切液压油缸B对加锚节理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，收回位于右侧液压油缸；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；（5）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。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本装置结构简单，设计合理，既能实现恒定法向荷载，又能研究复杂围压条件下的影响，很好的模拟这类工程情况，更好研究在恒定法向刚度条件下的循环剪切荷载对加锚节理岩体剪切特性的影响，对进行锚固科学合理的设计，才能减少工程地质灾害发生的风险。
附图说明
图1为本发明实施例循环剪切试验装置整体结构三维示意图；
图2为本发明实施例循环剪切试验装置整体结构正面示意图；
图3为本发明实施例反力框架三维示意图；
图4为本发明实施例加锚裂隙岩体试件三维示意图；
图5为本发明实施例包含围压加载系统情况下的三维示意图；
图6为本发明实施例包含围压加载系统情况下反力框架三维示意图；
图7为本发明实施例盖盒三维示意图；
图8为本发明实施例加锚裂隙岩体试件可移动侧混凝土块及其周围结构的剖面示意图。
图中：1-反力框架系统，11-凹槽底座；12-方形加载板；13-顶板；14-螺栓； 2-法向加载系统，21-法向液压油缸；22-弹簧垫板；3-剪切力施加系统，31-剪切液压油缸A；32-剪切液压油缸B；33-加载垫块；4-加锚裂隙岩体试件，41-锚杆；42-混凝土块；5-围压加载系统；51-盖盒；52-液压垫。
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。
实施例：如图1~8所示，提供一种恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置，包括反力框架系统1、剪切力施加系统3、法向加载系统2和加锚裂隙岩体试件4；
所述剪切力施加系统3包括分别位于加锚裂隙岩体试件两侧的加载垫块33、位于加载垫块侧部的剪切液压油缸及用于给两个剪切液压油缸提供液压油的剪切力伺服油源；剪切液压油缸固定在方形加载板内侧。
所述法向加载系统2包括法向液压油缸21、用以给发现液压油缸供油的轴向压力伺服油源以及弹簧垫板22，所述法向液压油缸位于弹簧垫板上方，所述弹簧垫板位于加锚裂隙岩体试件上方；法向液压油缸固定在顶板下方；法向液压油缸的压力直接作用在弹簧垫板上，随着循环剪切试验的进行，试验试块发生竖向位移，由于弹簧垫板的自适应变形结构，保证对被测试件施加的竖向刚度保持不变。
所述弹簧垫板由两个垫板及位于垫板之间的弹簧组成。
所述反力框架系统1包括反力框架；剪切力施加系统、法向加载系统和加锚裂隙岩体试件均位于反力框架内部；
上述的反力框架包括凹槽底座11，位于凹槽底座两侧的方形加载板12，两个方形加载板上方之间横向设有顶板13，所述顶板与加载板、凹槽底座与方形加载板之间均采用螺栓14连接，将加载板、凹槽底座与方形加载板固定为一体式。
本实施例中，所述加锚裂隙岩体试件包括上下并排设置的混凝土块42或岩块，所述混凝土块或岩块内部由上至下穿设有至少一根锚杆41。
本实施例中，恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置还包括围压加载系统5，所述围压加载系统包括盖盒51以及液压垫52，所述盖盒套设于上部的混凝土块或岩石，所述液压垫置于加锚节理岩体试件与凹槽底座及盖盒接触的位置；根据试验需要为加锚节理岩体试件提供围压，液压油源用于给液压垫提供油压；该系统可以使加锚节理岩体试件处于三向应力状态，最大限度模拟工程现场状况。
上述的盒盖由四个围绕的侧面与一个顶面组成。
本实施例中，上下并排设置的混凝土块或岩块中部设有用以锚杆穿设安装的通孔，所述锚杆通过砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土块或岩块的通孔内。
两个剪切液压油缸由位于左侧的剪切液压油缸A31及位于右侧的剪切液压油缸B32组成。
本实施例中，试验时：
（1）首先将加锚节理岩体试件安装在恒定法向刚度条件下循环剪试验装置中；
（2）然后通过围压加载系统对加锚节理岩体试件施加围压至设计值，通过法向加载系统对加锚节理岩体试件施加法向压力至设计值后，维持法向液压油缸的法向位移不变（在循环剪切过程中，弹簧垫板可保证试验机施加给加锚裂隙岩体试件的法向刚度恒定不变）；
（3）接着，通过剪切力施加系统的剪切力伺服油源控制某一侧（左侧）剪切液压油缸A对加锚节理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，收回位于左侧的剪切液压油缸；记录加载过程中加锚节理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（右侧）剪切液压油缸B对加锚节理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，收回位于右侧液压油缸；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。
本发明通过特别设计的循环剪切试验装置，能够实现加锚节理岩体试件的在恒定法向刚度条件下循环剪切试验，对加锚节理岩体的理论研究和工程设计具有重要意义。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
同时，上述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 (6)
1.一种恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置，其特征在于，包括反力框架系统、剪切力施加系统、法向加载系统和加锚裂隙岩体试件；所述反力框架系统包括反力框架，剪切力施加系统、法向加载系统和加锚裂隙岩体试件均位于反力框架内；所述剪切力施加系统包括位于加锚裂隙岩体试件两侧的加载垫块、位于加载垫块侧部的剪切液压油缸及用于给两个剪切液压油缸提供液压油的剪切力伺服油源；所述法向加载系统包括法向液压油缸、用以给发现液压油缸供油的轴向压力伺服油源以及弹簧垫板，所述法向液压油缸位于弹簧垫板上方，所述弹簧垫板位于加锚裂隙岩体试件上方。
2.根据权利要求1所述的恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置，其特征在于，所述加锚裂隙岩体试件包括上下并排设置的混凝土块或岩块，所述混凝土块或岩块内部由上至下穿设有至少一根锚杆。
3.根据权利要求1所述的恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置，其特征在于，恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置还包括围压加载系统，所述围压加载系统包括盖盒以及液压垫，所述盖盒套设于上部的混凝土块或岩石，所述液压垫置于加锚节理岩体试件与凹槽底座及盖盒接触的位置。
4.根据权利要求1所述的恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置，其特征在于，所述反力框架包括凹槽底座，位于凹槽底座两侧的方形加载板，两个方形加载板上方之间设有顶板，所述顶板与加载板、凹槽底座与方形加载板之间均采用螺栓连接，将加载板、凹槽底座与方形加载板固定为一体式。
5.根据权利要求2所述的恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置，其特征在于，上下并排设置的混凝土块或岩块中部设有用以锚杆穿设安装的通孔，所述锚杆通过砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土块或岩块的通孔内。
6.一种利用如权利要求5所述恒定法向刚度条件下循环剪切试验装置的应用方法，其特征在于，包括步骤如下：（1）首先将加锚节理岩体试件安装在恒定法向刚度条件下循环剪试验装置中；（2）然后通过围压加载系统对加锚节理岩体试件施加围压至设计值，通过法向加载系统对加锚节理岩体试件施加法向压力至设计值后，维持法向液压油缸的法向位移不变（在循环剪切过程中，弹簧垫板可保证试验机施加给加锚裂隙岩体试件的法向刚度恒定不变）；（3）接着，通过剪切力施加系统的剪切力伺服油源控制某一侧（左侧）的剪切液压油缸A对加锚节理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，收回位于左侧的剪切液压油缸；记录加载过程中加锚节理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（右侧）剪切液压油缸B对加锚节理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，收回位于右侧液压油缸；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；（5）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。
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