CN112067468B - 一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法，包括如下步骤：S1，制备试样，然后将试样安装在剪切盒内；S2，选择是否考虑法向动态荷载，然后设定法向边界控制方式；S3，施加法向静态荷载，利用静态法向加载单元以恒定的加载速率对试样施加法向荷载至目标压力值；S4，利用静态剪切加载单元以恒定的加载速率对试样施加切向荷载至目标压力值；S5，利用动态剪切加载单元和动态法向加载单元施加切向动荷载和法向动荷载；S6：依据监测记录的剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移，分析试样的剪切强度、剪切刚度、剪胀角。本发明可以很好地模拟工程岩体中节理的不同边界条件。

Description

一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法
技术领域
本发明属于岩石节理的动态剪切实验技术领域，尤其涉及一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法。
背景技术
工程岩体中广泛存在的节理面是影响岩体结构物稳定性的重要因素，节理的剪切破坏是导致岩体结构失稳、诱发地震、岩爆等地质灾害的重要原因。开展节理的剪切力学特性研究，特别是动态剪切力学特性研究，对岩体工程的设计、施工及运营维护全过程都具有十分重要的意义。
目前，在研究节理岩体动态剪切特性的实验方法中，恒定法向压力条件的实验方法较为常用，即在节理发生动态剪切变形过程中，始终维持节理法向压力不变。然而，这一方法仅适合于模拟未锚固岩体边坡和浅部工程岩体在节理切向受到动荷载作用时的破坏过程。对于不同的工程岩体，其所处的应力环境各不相同，进而在节理发生剪切变形时，其法向边界和切向边界形式多样，如对于深部硐室的围岩体、锚固岩体边坡等，节理剪切变形过程中，法向压力有较大变化，采用恒定法向刚度边界更符合工程实际。另外，由于地下硐室开挖后岩体存在临空面，在地应力作用下，岩石节理将发生初始的剪切变形；并且节理切向和法向可能同时受到动态荷载的作用。综上，节理岩体在发生剪切变形的过程中，其法向边界具有恒定法向压力、恒定法向刚度、法向动压、法向静压与法向动压组合等4种类型；切向边界具有静态剪切、动态剪切、静态剪切与动态剪切组合等3种类型。显然，现有实验方法考虑的边界条件较为单一，因此，在研究结果应用方面不可避免地存在一定的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法。该方法考虑了恒定法向压力、恒定法向刚度、法向动压、法向静压与法向动压组合等4种类型的法向边界条件；静态剪切、动态剪切、静态剪切与动态剪切组合等3种类型的切向边界条件。根据拟研究的问题，选择合理的法向边界和切向边界组合方式，可以很好地模拟工程岩体种节理的不同边界条件，从而为探究不同边界条件下岩石节理的动态剪切力学特性提供实验基础。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法，包括如下步骤：
S1，制备试样，然后将试样安装在剪切盒内；试验装置包括动态剪切加载单元、静态剪切加载单元、动态法向加载单元、静态法向加载单元、数据监测和采集单元；
S2，选择是否需要施加法向动态荷载；若不需要，则在实验控制系统中设定法向边界控制方式；若需要，则跳过本步骤；
S3，施加法向静态荷载，利用静态法向加载单元以恒定的加载速率对试样施加法向荷载至目标压力值；
S4，选择是否需要施加初始切向静荷载；若需要，则利用静态剪切加载单元以恒定的加载速率对试样施加切向荷载至目标压力值；若不需要，则跳过本步骤；
S5，利用动态剪切加载单元和动态法向加载单元施加切向动荷载和法向动荷载；
S6：数据分析；依据数据监测和采集单元监测记录的剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移，分析试样的剪切强度、剪切刚度、剪胀角。
进一步的，S1中，试样为节理岩石试样，采用人工浇筑或者岩石劈裂的方式制备。
进一步的，S2中，法向边界控制方式包括两种类型，分别为恒定法向压力或者恒定法向刚度。
进一步的，S3中，首先在实验控制程序中设定法向加载控制参数，包括法向加载速率、目标压力值。然后以恒定的加载速率对试样施加法向荷载至目标压力值。
进一步的，S4中，选择施加初始静态剪切荷载时，首先在实验控制程序中设定切向加载控制参数，包括切向加载速率、目标荷载值，然后以恒定的加载速率对试样施加切向荷载至目标压力值。
进一步的，S5中，施加切向动荷载和法向动荷载的方式为：首先在实验控制程序中分别设定切向和法向动荷载的目标值，并使数据监测和采集单元处于工作状态；然后启动加载程序，对试样同时施加切向和法向动态荷载，监测记录节理面的剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移。
进一步的，S6中，依据监测记录的节理面剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移，绘制剪切荷载-剪切位移曲线、法向位移-剪切位移曲线、法向荷载-法向位移曲线，分析得到节理面的剪切强度、剪切刚度、剪胀角。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验的方法，考虑了恒定法向压力、恒定法向刚度、法向动压、法向静压与法向动压组合等4种类型的法向边界条件；静态剪切、动态剪切、静态剪切与动态剪切组合等3种类型的切向边界条件。利用适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切装置，可以实现不同边界条件下的岩石节理动态剪切实验，如恒定法向压力下的岩石节理动态剪切实验、恒定法向刚度下的岩石节理动态剪切实验、一定法向静载和法向动载下的岩石节理动态剪切实验、一定静态剪切荷载和恒定法向刚度下的岩石节理动态剪切实验等。本发明提供的方法，考虑了岩石节理发生动态剪切破坏时的不同边界条件，能够更为真实地再现工程岩体动态剪切破坏过程，并且实验方法简单、易于操作，能够为岩石节理动态剪切力学特性研究提供实验基础。
附图说明
附图1：考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法流程图；
附图2：适用于不同边界条件的岩石节理动态剪切实验装置结构方框图；
附图3A：恒定法向刚度下的岩石节理动态剪切实验原理示意图；
附图3B：一定法向静载和法向动载下的岩石节理动态剪切实验原理示意图；
附图3C：一定静态剪切荷载和恒定法向刚度下的岩石节理动态剪切实验原理示意图；
图中：00为节理岩石试样；10为装置底座；20为动态剪切加载单元；30为静态剪切加载单元；40为静态法向加载单元；50为动态法向加载单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
参考附图1和附图2，本发明提供的一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法，考虑了恒定法向压力、恒定法向刚度、法向动压、法向静压与法向动压组合等4种类型的法向边界条件；静态剪切、动态剪切、静态剪切与动态剪切组合等3种类型的切向边界条件。根据拟研究的问题，选择合理的法向边界和切向边界组合方式，利用适用于不同边界条件的岩石动态剪切实验装置，开展不同边界条件下的岩石节理动态剪切实验。适用于不同边界条件的岩石动态剪切实验装置包含底座10、动态剪切加载单元20、静态剪切加载单元30、动态法向加载单元40、静态法向加载单元50、数据监测和采集单元，能够满足不同的加载和边界控制需要。一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法包括如下步骤：
S1：节理岩石试样的制备与安装
节理岩石试样00可以根据研究需要，采用人工浇筑、岩石劈裂等方法制备。然后将制备好的试样00安装在装置的剪切盒内。
S2：节理法向边界控制方式的设定
在拟开展的实验不考虑法向动态荷载时，需首先选择节理法向边界控制方式来获得两种不同的荷载方式。法向边界控制方式分为恒定法向压力和恒定法向刚度两种，根据研究需要，在实验控制程序中选择合适的法向边界控制方式。在拟开展的实验考虑法向动态荷载时，跳过此步骤，进行步骤S3。
S3：法向静态荷载施加
首先在实验控制程序中设定法向加载控制参数，包括法向加载速率、目标压力值。然后以恒定的加载速率对试样00施加法向荷载至目标压力值。
S4：切向静荷载施加
考虑初始静态剪切荷载时，首先在实验控制程序中设定切向加载控制参数，包括切向加载速率、目标荷载值，然后以恒定的加载速率对试样00施加切向荷载至目标压力值。不考虑初始静态剪切荷载时，跳过此步骤，进行步骤S5。
S5：切向动荷载和法向动荷载施加
首先在实验控制程序中分别设定切向和法向动荷载的目标值，并使数据监测和采集单元处于工作状态。然后启动加载程序，对节理岩石试样00同时施加切向和法向动态荷载，监测记录节理面的剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移。在不考虑法向动荷载时，将法向动载目标值设为0。
S6：数据分析
依据监测记录的节理面剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移，绘制剪切荷载-剪切位移曲线、法向位移-剪切位移曲线、法向荷载-法向位移曲线等，分析得到节理面的剪切强度、剪切刚度、剪胀角等参数。
附图1中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，实际执行可根据具体需要改变。下面通过实施例进行说明。
实施例1
参照附图3A，示出了恒定法向刚度下的岩石节理动态剪切实验的原理图，实验方法包括如下步骤：
S1：节理岩石试样的制备与安装
节理岩石试样00可以根据研究需要，采用人工浇筑、岩石劈裂等方法制备。然后将制备好的试样00安装在装置的剪切盒内。
S2：节理法向边界控制方式的设定
在实验控制程序中选择法向边界控制方式为恒定法向刚度控制，并输入法向刚度值k n （如3.0 GPa/m）。
S3：法向静态荷载施加
首先在实验控制程序中设定法向加载控制参数，包括法向加载速率、目标压力值F N 。然后以恒定的加载速率（如1.0 kN/s）对试样00施加法向荷载至目标压力值F N （如10.0kN）。
S4：切向动荷载施加
首先在实验控制程序中分别设定切向动荷载的目标值F Sd （如50.0 kN），并将法向动载目标值设为0。然后使数据监测和采集单元处于工作状态。最后启动加载程序，对节理岩石试样00施加切向动态荷载，监测记录节理面的剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移。
S5：数据分析
依据监测记录的节理面剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移，绘制剪切荷载-剪切位移曲线、法向位移-剪切位移曲线、法向荷载-法向位移曲线等，分析得到节理面的剪切强度、剪切刚度、剪胀角等参数。
实施例2
参照附图3B，示出了一定法向静载和法向动载下的岩石节理动态剪切实验原理图，实验方法包括如下步骤：
S1：节理岩石试样的制备与安装
节理岩石试样00可以根据研究需要，采用人工浇筑、岩石劈裂等方法制备。然后将制备好的试样00安装在装置的剪切盒内。
S2：法向静态荷载施加
首先在实验控制程序中设定法向加载控制参数，包括法向加载速率、目标压力值F N 。然后以恒定的加载速率（如1.0 kN/s）对试样00施加法向荷载至目标压力值F N （如10.0kN）。
S3：切向动荷载和法向动荷载施加
首先在实验控制程序中分别设定切向和法向动荷载的目标值F Sd 、F Nd （如50.0kN和10.0 kN），并使数据监测和采集单元处于工作状态。然后启动加载程序，对节理岩石试样同时施加切向和法向动态荷载，监测记录节理面的剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移。
S4：数据分析
依据监测记录的节理面剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移，绘制剪切荷载-剪切位移曲线、法向位移-剪切位移曲线、法向荷载-法向位移曲线等，分析得到节理面的剪切强度、剪切刚度、剪胀角等参数。
实施例3
参照附图3C，示出了一定静态剪切荷载和恒定法向刚度下的岩石节理动态剪切实验原理图，实验方法包括如下步骤：
S1：节理岩石试样的制备与安装
节理岩石试样00可以根据研究需要，采用人工浇筑、岩石劈裂等方法制备。然后将制备好的试样00安装在装置的剪切盒内。
S2：节理法向边界控制方式的设定
在实验控制程序中选择法向边界控制方式为恒定法向刚度控制，并输入法向刚度值k n （如3.0 GPa/m）。
S3：法向静态荷载施加
首先在实验控制程序中设定法向加载控制参数，包括法向加载速率、目标压力值F N 。然后以恒定的加载速率（如1.0 kN/s）对试样00施加法向荷载至目标压力值F N （如10.0kN）。
S4：切向静荷载施加
首先在实验控制程序中设定切向加载控制参数，包括切向加载速率、目标荷载值F S ，然后以恒定的加载速率（如1.0 kN/min）对试样施加切向荷载至目标压力值F S （如5.0kN）。
S5：切向动荷载施加
首先在实验控制程序中设定切向动荷载的目标值F Sd （如50.0 kN），并将法向动载目标值设为0。然后使数据监测和采集单元处于工作状态。最后启动加载程序，对节理岩石试样00施加切向动态荷载，监测记录节理面的剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移。
S6：数据分析
依据监测记录的节理面剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移，绘制剪切荷载-剪切位移曲线、法向位移-剪切位移曲线、法向荷载-法向位移曲线等，分析得到节理面的剪切强度、剪切刚度、剪胀角等参数。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，制备试样，然后将试样安装在剪切盒内；试验装置包括动态剪切加载单元、静态剪切加载单元、动态法向加载单元、静态法向加载单元、数据监测和采集单元；
S2，选择是否需要施加法向动态荷载；若不需要，则在实验控制系统中设定法向边界控制方式；若需要，则跳过本步骤；
S3，施加法向静态荷载，利用静态法向加载单元以恒定的加载速率对试样施加法向荷载至目标压力值；
S4，选择是否需要施加初始切向静荷载；若需要，则利用静态剪切加载单元以恒定的加载速率对试样施加切向荷载至目标压力值；若不需要，则跳过本步骤；
S5，利用动态剪切加载单元和动态法向加载单元施加切向动荷载和法向动荷载；
S6：数据分析；依据数据监测和采集单元监测记录的剪切荷载、剪切位移、法向荷载和法向位移，分析试样的剪切强度、剪切刚度和剪胀角。
2.根据权利要求1所述的一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法，其特征在于：S1中，试样为节理岩石试样，采用人工浇筑或者岩石劈裂的方式制备。
3.根据权利要求1所述的一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法，其特征在于：S2中，法向边界控制方式包括两种类型，分别为恒定法向压力或者恒定法向刚度。
4.根据权利要求1所述的一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法，其特征在于：S3中，首先在实验控制程序中设定法向加载控制参数，包括法向加载速率、目标压力值；然后以恒定的加载速率对试样施加法向荷载至目标压力值。
5.根据权利要求1所述的一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法，其特征在于：S4中，选择施加初始静态剪切荷载时，首先在实验控制程序中设定切向加载控制参数，包括切向加载速率、目标荷载值，然后以恒定的加载速率对试样施加切向荷载至目标压力值。
6.根据权利要求1所述的一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法，其特征在于：S5中，施加切向动荷载和法向动荷载的方式为：首先在实验控制程序中分别设定切向和法向动荷载的目标值，并使数据监测和采集单元处于工作状态；然后启动加载程序，对试样同时施加切向和法向动态荷载，监测记录节理面的剪切荷载、剪切位移、法向荷载、法向位移。
7.根据权利要求1所述的一种考虑不同边界条件的岩石节理动态剪切实验方法，其特征在于：S6中，依据监测记录的节理面剪切荷载、剪切位移、法向荷载和法向位移，绘制剪切荷载-剪切位移曲线、法向位移-剪切位移曲线和法向荷载-法向位移曲线，分析得到节理面的剪切强度、剪切刚度和剪胀角。
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