CN114577635A - 一种地表岩体现场剪切试验装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种地表岩体现场剪切试验装置及测试方法，装置包括垂向加载装置、剪切加载装置和测量系统；垂向加载装置包括承压板、三脚架、第一千斤顶、第一钢垫板、钢索和第一地锚；剪切加载装置包括反力座、第二地锚、第二千斤顶和第二钢垫板，反力座上部与第二千斤顶贴合；测量系统包括第一压力表、第二压力表、垂直位移测表、水平位移测表、磁性表架和量表支架。测试方法利用垂向加载装置和剪切加载装置，能在露天情况下无需开挖试坑对地表岩体进行现场直剪试验，获取地表岩体的抗剪强度参数，相对于压重法能提供更大的反力，提高了试验效率；整体设备简单，检测准确，所得参数更符合天然状态，得出的结果更加符合实际工程技术要求。

Description

一种地表岩体现场剪切试验装置及测试方法

技术领域

本发明属于剪切试验装置领域，具体涉及一种地表岩体现场剪切试验装置及测试方法。

背景技术

随着我国城市化的不断发展，高层建筑物日益增多，建筑物的安全稳定显得尤为重要。岩土工程问题是基建工程中的一个关键研究内容，而强度指标是岩土工程中最基本的力学指标之一，通过直剪试验测定岩土体的抗剪强度直接影响了工程的安全稳定性。

相对于室内抗剪强度试验，现场剪切试验更能体现现场的实际情况，但传统的现场剪切试验耗时较长，且对场地要求较高，试验时需借助平洞提供反力，在露天、平整的场地下则需要开挖试坑或探槽以提供反力，而若是在高强度的岩石环境进行现场剪切试验时，开挖难度大，成本高，对工程实施的速度起到一定阻碍作用。岩土体的现场剪切试验中还可采用压重法提供法向荷载，但此方法所能提供的法向荷载有限，适用范围小。同时，在开挖试坑或探槽、设备安装的过程中，容易对试样产生扰动和破坏，使试样的天然状态发生变化，最后导致得到的抗剪强度参数值与真实值存在差异。鉴于传统现场剪切试验的种种问题和不足，尤其是针对地表岩体的现场剪切试验难度大的问题，采用常规现场剪切试验不适用于地表硬质岩体等环境的强度测定工作，迫切需要寻找新的测试装置和方法解决改善这些问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对传统岩体现场剪切试验技术存在的上述不足，提供一种地表岩体现场剪切试验装置及测试方法，利用垂向加载装置和剪切加载装置对地表岩体进行剪切试验，不需要开挖试坑和探槽即可提供反力，相对于传统方法节约了时间，提高了直剪试验效率。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种地表岩体现场剪切试验装置，至少包括垂向加载装置、剪切加载装置和测量系统；

所述垂向加载装置包括承压板、三脚架、第一千斤顶、第一钢垫板、钢索和第一地锚，所述三脚架置于地面上，所述承压板支撑在三脚架的顶端；所述第一钢垫板和第一千斤顶自下而上依次布置在岩石试件上部和承压板底部之间；所述钢索上端与承压板相连，钢索下端与第一地锚上端连接，所述第一地锚下端插入地下(在第一千斤顶工作时钢索和第一地锚为其提供反力)；

所述剪切加载装置包括反力座、第二地锚、第二千斤顶和第二钢垫板，所述反力座下部通过第二地锚固定在地表，所述第二千斤顶和第二钢垫板依次固定在反力座和地表岩石试件侧面之间，所述反力座上部与第二千斤顶贴合；

所述测量系统包括第一压力表、第二压力表、垂直位移测表、水平位移测表、磁性表架和量表支架，所述第一压力表设置在第一千斤顶上，第二压力表设置在第二千斤顶上(第一压力表、第二压力表分别直接观测千斤顶的实时施力荷载量)；所述量表支架采用两根具有足够长度和刚度的钢质支架，磁性表架固定于量表支架上；所述垂直位移测表和水平位移测表分别通过磁性表架固定在岩石试件对称位置处。

按上述方案，所述第一地锚上端设置一圆环、下端为轴杆，轴杆插入地下的底端呈锥状；所述承压板的外围边缘设置若干吊环螺栓，所述钢索两端均布置龙虾扣，钢索上端通过龙虾扣与承压板外围的吊环螺栓相连，钢索下端通过龙虾扣与第一地锚上端的圆环相扣。

按上述方案，所述承压板为具有一定强度和刚度的圆形钢板，所述吊环螺栓设置八个，以承压板中心为圆心均匀分布在圆形钢板边缘处；第一地锚以承压板为中心环绕布置，距离均等(使受力均衡，防止某一处的基岩载荷过大)。

按上述方案，所述反力座底部为一方形钢板，方形钢板边缘处均匀分布有螺栓孔；所述第二地锚上部为圆盘、下部为轴杆，轴杆插入地下的底端呈锥状，第二地锚的轴杆穿过方形钢板的螺栓孔并插入地表以固定反力座；所述反力座上部为一立方体钢块，钢块外截面平整并与第二千斤顶贴合(为其提供稳定支撑)。

按上述方案，所述反力座上的螺栓孔与第二地锚轴杆部分的尺寸相等或略大，第二地锚上部圆盘的面积大于螺栓孔横截面积。

按上述方案，所述垂直位移测表和水平位移测表的数量均不少于2只。

本发明还提供了一种上述地表岩体现场剪切试验装置的测试方法，包括如下步骤：

1)利用风钻或切石机在地表岩体的预定部位加工岩石试件，岩石试件加工成方形体，试件制备时减少对岩体的扰动和破坏；每组试验的岩石试件数量不少于5组，同一组试验剪切面的岩石试件的岩体性质相同；岩石试件间距便于垂向加载装置和剪切加载装置的安装，以免在试验过程中相互影响；

2)安装垂向加载装置，在岩石试件顶部放上第一钢垫板，第一钢垫板平行于预定剪切面，之后在第一钢垫板上依次安放第一千斤顶、承压板，垂向加载装置各组件的中线均保持在加载方向的同一轴线上，垂直于预定剪切面；将具有足够强度的钢索一端的龙虾扣通过承压板预留的吊环螺栓固定，钢索沿承压板中点与对应边缘吊环螺栓的连线方向向外延伸，钢索另一端的龙虾扣连接第一地锚上端的圆环，第一地锚距离承压板中心的距离根据所需反力荷载的大小确定，保持钢索处于一定拉伸状态；安装完毕后，启动第一千斤顶，施加一定接触压力使得垂向加载装置的各组件接触紧密；

3)安装剪切加载装置，在距岩石试件合适位置处放置反力座，确定位置后将第二地锚通过反力座上预留的螺栓孔打入地表，在反力座上部依次安装第二千斤顶和第二钢垫板，安装完毕后，启动第二千斤顶，施加一定接触压力使得剪切加载装置的各组件接触紧密；

4)安装测量系统，测量支架的支点位于试验造成的基岩变形范围以外，测量支架具有一定的刚度，不易发生变形；在测量支架上安装磁性表架，将水平位移测表和垂直位移测表安装在磁性表架上，其位置根据需要布置在岩石试件两侧的对称处，且每一侧法向的垂直位移测表和切向的水平位移测表不得少于2只；

5)进行直剪试验，通过垂向加载装置中的第一千斤顶在岩石试件上添加垂向荷载，待第一压力表所显示压力值达到目标值时，垂向荷载保持不变，再通过剪切加载装置施加剪切荷载，记录试验过程中第二压力表、水平位移测表和垂直位移测表的变化情况；

6)试验结束后，测定实际剪切面的面积，同时记录剪切面破坏情况、破坏方式以及擦痕分布等特征，结合试验过程所得数据进行进一步分析；可根据实际需要开展残余抗剪试验，可将已剪切破坏的试样在原垂向荷载作用下利用反方向的剪切加载装置推至原位，之后按照步骤5)重新进行试验。

按上述方案，所述步骤1)中，对于可能出现松动或破坏的试件，浇筑钢筋混凝土保护套，保护套具有足够的强度和刚度，保护套的顶面平行于预定剪切面，其底部处在预定剪切面以上，且混凝土的强度大于预估最大剪切荷载所产生的抗压强度。

按上述方案，所述步骤2)中，垂向加载装置的所有部件的中线保持在加载方向上的同一轴线上，垂直预定剪切面；所述步骤3)中，第二千斤顶的施力中心位于岩石试件中线，且平行于预定剪切面，与剪切面的距离不大于剪切方向岩石试件边长的5％。

按上述方案，所述步骤5)中，施加垂向荷载时对不同岩石试件施加不同的垂向荷载，荷载值为最大法向荷载的等分值，每个岩石试件分级施加荷载，记录加荷前后第一压力表所显示压力值和垂直位移测表显示的法向位移，在最后一级法向荷载作用下，法向位移稳定后，再施加剪切荷载；剪切荷载同样分级施加，施加前后对法向的垂直位移测表和切向的水平位移测表各读数一次，试验过程中法向应力始终保持常数，接近剪断时，加密读取荷载和位移情况；若剪切荷载无法稳定时，读取剪切荷载峰值。

本发明的工作原理：本发明提出一种新的地表岩体现场剪切试验方法，该方法利用本发明提出的垂向加载装置和剪切加载装置进行岩体的现场剪切试验，结合测量系统完成对地表岩体的现场直剪试验。这一试验方法解决了露天场地下所需法向荷载和剪切荷载较大时，无法使用压重法提供反力的问题，而利用钢索和地锚作为主要反力装置能有效解决这一问题，根据实际情况对岩体试件的尺寸、地锚的尺寸和深度等进行调整。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在露天无洞顶提供反力的情况下，采用本发明装置相对于压重法能提供更大的反力，能够适用于大体积、高强度的地表岩石；

2、采用对地表岩体直接进行剪切试验的方法获取地表岩体的抗剪强度参数，与传统的现场直剪试验相比，无需开挖试坑即可进行现场直剪试验，简化了直剪试验流程，节约了时间，提升了直剪试验效率；

3、通过在现场天然状态下进行直剪试验，整体设备简单，检测准确，所得到的实验参数更加符合天然状态和工程实际情况；

4、利用本发明装置中的压力计以及水平和垂直位移测表，可以检测岩体试样在直剪试验过程中的压力场和位移场的动态变化；

5、本发明装置中的地锚可同时适用于多种岩土层，使用环境多样，在工程实际中能有效减少试验成本。

附图说明

图1是本发明地表岩体现场剪切试验装置整体示意图；

图2是图1中承压板的俯视图；

图3是图1中反力座的正视图；

图4是图3的俯视图。

图中：1-岩石试件，2-第一千斤顶，3-第一钢垫板，4-承压板，5-三脚架，6-钢索，7-龙虾扣，8-反力座，9-第一压力表，10-垂直位移测表，11-水平位移测表，12-第一地锚，13-第二地锚，14-第二千斤顶，15-第二钢垫板，16-第二压力表。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。

如图1所示，本发明所述的一种地表岩体现场剪切试验装置，包括垂向加载装置、剪切加载装置和测量系统；

垂向加载装置包括承压板4、三脚架5、第一千斤顶2、第一钢垫板3、钢索6和第一地锚12，三脚架5为钢质结构，三脚架5置于地面上，三脚架5顶端为圆环形，承压板4支撑在三脚架5的顶端；第一钢垫板3和第一千斤顶2自下而上依次布置在岩石试件1上部和承压板4底部之间；第一地锚12上端设置一圆环、下端为轴杆，轴杆插入地下的底端呈锥状；如图2所示，承压板4的外围边缘设置若干吊环螺栓，钢索6两端均布置龙虾扣7，钢索6上端通过龙虾扣7与承压板4外围的吊环螺栓相连，钢索6下端通过龙虾扣7与第一地锚12上端的圆环相扣，在第一千斤顶2工作时钢索6和第一地锚12能为其提供反力；

剪切加载装置，包括反力座8、第二地锚13、第二千斤顶14和第二钢垫板15，如图3～图4所示，反力座8底部为一方形钢板，方形钢板边缘处均匀分布有螺栓孔；第二地锚13上部为圆盘、下部为轴杆，轴杆插入地下的底端呈锥状，第二地锚13的轴杆穿过方形钢板的螺栓孔并插入地表以固定反力座8；第二千斤顶14和第二钢垫板15依次固定在反力座8和地表岩石试件侧面之间；反力座上部为一立方体钢块，钢块外截面平整，与第二千斤顶14贴合为其提供稳定支撑；第二千斤顶的施力中心位于岩石试件中线，且平行于预定剪切面，与剪切面的距离不应大于剪切方向试件边长的5％；

测量系统，包括第一压力表9、垂直位移测表10、水平位移测表11、磁性表架和量表支架，第一压力表9设置在第一千斤顶2上，第二压力表16设置在第二千斤顶14上，第一压力表9、第二压力表16分别直接观测第一千斤顶2、第二千斤顶14的实时施力荷载量；量表支架采用两根具有足够长度和刚度的钢质支架，磁性表架固定于量表支架上；所述垂直位移测表10和水平位移测表11分别通过磁性表架固定在岩石试件1对称位置处，垂直位移测表10和水平位移测表11的数量均不宜少于2只。

垂向加载装置的所有部件应保持在加载方向上的同一轴线上，垂直于预定剪切面。

反力座8上的螺栓孔与第二地锚13轴杆部分的尺寸相等或略大，第二地锚13上部圆盘的面积大于螺栓孔横截面积。

承压板4为具有一定强度和刚度的圆形钢板，八个吊环螺栓以承压板中心为圆心均匀分布在圆形钢板边缘处；第一地锚以承压板为中心环绕布置，距离均等，使受力均衡，防止某一处的基岩载荷过大。

第一压力表9、第二压力表16、垂直位移测表10和水平位移测表11可以在表盘上直接读数，同时试验数据通过数据线传输至电脑端，可记录试验过程中读数变化。

本发明实施例地表岩体现场剪切试验装置的测试方法，包括如下步骤：

1)利用试件制备设备加工岩石试件1，试件制备设备一般为风钻或切石机，切石机的尺寸应符合试件尺寸要求，将岩石试件1加工成方形体，岩石试件1制备时减少对岩石试件1的扰动和破坏；对于可能出现松动或破坏的试件，应浇筑钢筋混凝土保护套，保护套应具有足够的强度和刚度，保护套的顶面应平行于预定剪切面，其底部应处在预定剪切面以上，且混凝土的强度应大于预估最大剪切荷载所产生的抗压强度；每组试验的岩石试件1数量应不少于5组，同一组试验剪切面的岩石试件1岩体性质相同；岩石试件1间距应便于垂向加载装置和剪切加载装置的安装，以免在试验过程中相互影响；2)安装垂向加载装置，在岩石试件1顶部放上第一钢垫板3，第一钢垫板3平行于预定剪切面，之后在第一钢垫板3上依次安放第一千斤顶2、承压板4，垂向加载装置各组件的中线均保持在加载方向的同一轴线上，垂直于预定剪切面；将具有足够强度的钢索6一端的龙虾扣7与承压板4外围边缘设置的吊环螺栓相连(也可以是采用承压板预留的螺栓孔与龙虾扣固定的方式连接)，钢索6沿承压板4中点与对应边缘吊环螺栓的连线方向向外延伸，钢索6另一端的龙虾扣7连接第一地锚12上端的圆环，第一地锚12距离承压板4中心的距离应根据所需反力荷载的大小确定，保持钢索6处于一定拉伸状态；安装完毕后，启动第一千斤顶2，施加一定接触压力使得垂向加载装置的各组件接触紧密；

3)安装剪切加载装置，在距岩石试件1合适位置处放置反力座8，确定位置后将第二地锚13通过反力座8上预留的螺栓孔打入地表，在反力座8上部依次安装第二千斤顶14和第二钢垫板15，第二千斤顶14的施力中心位于岩石试件1中线，且平行于预定剪切面，与剪切面的距离不大于剪切方向岩石试件1边长的5％；安装完毕后，启动第二千斤顶14，施加一定接触压力使得剪切加载装置的各组件接触紧密；

4)安装测量系统，测量支架的支点位于试验造成的基岩变形范围以外，测量支架具有一定的刚度，不易发生变形；在测量支架上安装磁性表架，将水平位移测表11和垂直位移测表10安装在磁性表架上，其位置根据需要布置在岩石试件1两侧的对称处，且每一侧法向和切向的水平位移测表11和垂直位移测表10不得少于2只；

5)进行直剪试验，通过垂向加载装置中的第一千斤顶2在岩石试件1上施加垂向荷载，施加垂向荷载时对不同岩石试件1施加不同的垂向荷载，荷载值为最大法向荷载的等分值，每个岩石试件1分级施加荷载，记录加荷前后第一压力表9所显示压力值和垂直位移测表10显示的法向位移，在最后一级法向荷载作用下，法向位移稳定后，即待第一压力表9所显示压力值达到目标值时，垂向荷载保持不变，再通过剪切加载装置施加剪切荷载，记录试验过程中第二压力表16、水平位移测表11的变化情况；剪切荷载同样分级施加，施加前后对法向的垂直位移测表10和切向的水平位移测表11各读数一次，试验过程中法向应力始终保持常数，接近剪断时，应加密读取荷载和位移情况；若剪切荷载无法稳定时，应读取剪切荷载峰值；

6)试验结束后，测定实际剪切面的面积，同时记录剪切面破坏情况、破坏方式以及擦痕分布等特征，结合试验过程所得数据进行进一步分析；可根据实际需要开展残余抗剪试验，可将已剪切破坏的试样在原垂向荷载作用下利用反方向的剪切加载装置推至原位，之后按照步骤5)重新进行试验。

本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于本领域的技术人员来说，根据本发明作出各种相应的更改和变型，相应的更改和变型都属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种地表岩体现场剪切试验装置，其特征在于，至少包括垂向加载装置、剪切加载装置和测量系统；

所述垂向加载装置包括承压板、三脚架、第一千斤顶、第一钢垫板、钢索和第一地锚，所述三脚架置于地面上，所述承压板支撑在三脚架的顶端；所述第一钢垫板和第一千斤顶自下而上依次布置在岩石试件上部和承压板底部之间；所述钢索上端与承压板相连，钢索下端与第一地锚上端连接，所述第一地锚下端插入地下；

所述剪切加载装置包括反力座、第二地锚、第二千斤顶和第二钢垫板，所述反力座下部通过第二地锚固定在地表，所述第二千斤顶和第二钢垫板依次固定在反力座和地表岩石试件侧面之间，所述反力座上部与第二千斤顶贴合；

所述测量系统包括第一压力表、第二压力表、垂直位移测表、水平位移测表、磁性表架和量表支架，所述第一压力表设置在第一千斤顶上，第二压力表设置在第二千斤顶上；所述量表支架采用两根具有足够长度和刚度的钢质支架，磁性表架固定于量表支架上；所述垂直位移测表和水平位移测表分别通过磁性表架固定在岩石试件对称位置处。

2.根据权利要求1所述的地表岩体现场剪切试验装置，其特征在于，所述第一地锚上端设置一圆环、下端为轴杆，轴杆插入地下的底端呈锥状；所述承压板的外围边缘设置若干吊环螺栓，所述钢索两端均布置龙虾扣，钢索上端通过龙虾扣与承压板外围的吊环螺栓相连，钢索下端通过龙虾扣与第一地锚上端的圆环相扣。

3.根据权利要求2所述的适用于地表岩体现场剪切试验的装置，其特征在于，所述承压板为具有一定强度和刚度的圆形钢板，所述吊环螺栓设置八个，以承压板中心为圆心均匀分布在圆形钢板边缘处；第一地锚以承压板为中心环绕布置，距离均等。

4.根据权利要求1所述的地表岩体现场剪切试验装置，其特征在于，所述反力座底部为一方形钢板，方形钢板边缘处均匀分布有螺栓孔；所述第二地锚上部为圆盘、下部为轴杆，轴杆插入地下的底端呈锥状，第二地锚的轴杆穿过方形钢板的螺栓孔并插入地表以固定反力座；所述反力座上部为一立方体钢块，钢块外截面平整并与第二千斤顶贴合。

5.根据权利要求4所述的地表岩体现场剪切试验装置，其特征在于，所述反力座上的螺栓孔与第二地锚轴杆部分的尺寸相等或略大，第二地锚上部圆盘的面积大于螺栓孔横截面积。

6.根据权利要求1所述的地表岩体现场剪切试验装置，其特征在于，所述垂直位移测表和水平位移测表的数量均不少于2只。

7.一种采用上述权利要求1～6任意一项所述的地表岩体现场剪切试验装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用风钻或切石机在地表岩体的预定部位加工岩石试件，岩石试件加工成方形体，试件制备时减少对岩体的扰动和破坏；每组试验的岩石试件数量不少于5组，同一组试验剪切面的岩石试件的岩体性质相同；岩石试件间距便于垂向加载装置和剪切加载装置的安装，以免在试验过程中相互影响；

2)安装垂向加载装置，在岩石试件顶部放上第一钢垫板，第一钢垫板平行于预定剪切面，之后在第一钢垫板上依次安放第一千斤顶、承压板，垂向加载装置各组件的中线均保持在加载方向的同一轴线上，垂直于预定剪切面；将具有足够强度的钢索一端的龙虾扣通过承压板预留的吊环螺栓固定，钢索沿承压板中点与对应边缘吊环螺栓的连线方向向外延伸，钢索另一端的龙虾扣连接第一地锚上端的圆环，第一地锚距离承压板中心的距离根据所需反力荷载的大小确定，保持钢索处于一定拉伸状态；安装完毕后，启动第一千斤顶，施加一定接触压力使得垂向加载装置的各组件接触紧密；

3)安装剪切加载装置，在距岩石试件合适位置处放置反力座，确定位置后将第二地锚通过反力座上预留的螺栓孔打入地表，在反力座上部依次安装第二千斤顶和第二钢垫板，安装完毕后，启动第二千斤顶，施加一定接触压力使得剪切加载装置的各组件接触紧密；

4)安装测量系统，测量支架的支点位于试验造成的基岩变形范围以外，测量支架具有一定的刚度，不易发生变形；在测量支架上安装磁性表架，将水平位移测表和垂直位移测表安装在磁性表架上，其位置根据需要布置在岩石试件两侧的对称处，且每一侧法向的垂直位移测表和切向的水平位移测表不得少于2只；

5)进行直剪试验，通过垂向加载装置中的第一千斤顶在岩石试件上添加垂向荷载，待第一压力表所显示压力值达到目标值时，垂向荷载保持不变，再通过剪切加载装置施加剪切荷载，记录试验过程中第二压力表、水平位移测表和垂直位移测表的变化情况；

6)试验结束后，测定实际剪切面的面积，同时记录剪切面破坏情况、破坏方式以及擦痕分布等特征，结合试验过程所得数据进行进一步分析；可根据实际需要开展残余抗剪试验，可将已剪切破坏的试样在原垂向荷载作用下利用反方向的剪切加载装置推至原位，之后按照步骤5)重新进行试验。

8.根据权利要求7所述的地表岩体现场剪切试验装置的测试方法，其特征在于，所述步骤1)中，对于可能出现松动或破坏的试件，浇筑钢筋混凝土保护套，保护套具有足够的强度和刚度，保护套的顶面平行于预定剪切面，其底部处在预定剪切面以上，且混凝土的强度大于预估最大剪切荷载所产生的抗压强度。

9.根据权利要求7所述的地表岩体现场剪切试验装置的测试方法，其特征在于，所述步骤2)中，垂向加载装置的所有部件的中线保持在加载方向上的同一轴线上，垂直预定剪切面；所述步骤3)中，第二千斤顶的施力中心位于岩石试件中线，且平行于预定剪切面，与剪切面的距离不大于剪切方向岩石试件边长的5％。

10.根据权利要求7所述的地表岩体现场剪切试验装置的测试方法，其特征在于，所述步骤5)中，施加垂向荷载时对不同岩石试件施加不同的垂向荷载，荷载值为最大法向荷载的等分值，每个岩石试件分级施加荷载，记录加荷前后第一压力表所显示压力值和垂直位移测表显示的法向位移，在最后一级法向荷载作用下，法向位移稳定后，再施加剪切荷载；剪切荷载同样分级施加，施加前后对法向的垂直位移测表和切向的水平位移测表各读数一次，试验过程中法向应力始终保持常数，接近剪断时，加密读取荷载和位移情况；若剪切荷载无法稳定时，读取剪切荷载峰值。

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