CN115753283A - 一种岩体充填结构面直剪试样制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩体充填结构面直剪试样制备装置及制备方法，属于岩土工程技术领域，通过加卸载伺服控制系统及激光位移传感器单元相结合实现对充填厚度的直接控制，高精度的激光位移传感器实时获取结构面缝隙宽度，对滑动试样盒移动过程中的整体稳定性进行监测，保证充填缝隙在结构面不同位置处的宽度保持一致；采用加卸载伺服控制系统及充填层约束板的组合对充填物质提供压力，加卸载伺服控制系统施加轴向加载，充填层约束板提供约束反力，实现了充填结构面形成过程中应力环境的还原，试样盒配合充填层约束板，实现充填物充填过程的分层夯实，保证充填物质在节理面上分布的均匀性，使得胶结性较差的松散物质的均匀充填成为可能。

Description

一种岩体充填结构面直剪试样制备装置及制备方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种岩体充填结构面直剪试样制备装置及制备方法。

背景技术

基础设施建设工程涉及水利水电、矿山、道路桥梁及隧道等，由于有些地区地质构造复杂，岩体节理裂隙发育，工程中所遇地质灾害问题多表现为受结构面控制的工程岩体失稳，诸如滑坡、崩塌、岩爆等。受强烈构造作用、风化卸荷及拉张效应影响，大量孕灾型结构面多呈开裂状，并受到多种物质的充填。在近地表区，工程岩体中的结构面多受岩屑、泥屑、黏土、淤泥等物质充填，形成软弱夹层，控制着岩质边坡等工程岩体的稳定性；在深部高应力区内，结构面充填较薄，且与原岩具有胶结作用，强度较高，控制着深部地下工程岩体的稳定性。因此，开展岩体充填结构面的直剪试验研究，揭示不同类型的充填结构面剪切力学特性具有十分重要的科学价值与工程实践意义。

目前关于结构面剪切特性的研究主要包含现场原位直剪试验与室内直剪试验。尽管原位试验能够获得最接近于现场真实条件的试验数据，但其结果具有一定的地域局限性，加之试验成本高、周期长、效率低等限制条件，使得原位试验难以大面积开展。相比之下，室内直剪试验由于具有成本低、效率高等优势，一直以来都是岩体结构面力学特性最为普遍与有效的研究手段之一。近年来越来越多的学者开始将目光聚焦于岩体充填结构面的研究，大量研究成果表明，充填物质的充填度(即充填物厚度与结构面平均起伏差之比)是控制充填结构面力学特性的重要因素，然而由于现有技术限制，学者们尚无法实现对结构面充填物质厚度及均一性的精确控制，特别是在面对岩屑、泥屑、黏土、淤泥等松散充填物质时这一问题显得格外突出。这些松散充填物孔隙度较大，胶结度较差，在上覆荷载下极易被压缩，且在充填过程中极易从结构面上下两盘的空隙中流出，从而导致充填物质在结构面上分布不均，厚度不一且小于目标设定，进而影响试验结果的真实性与可靠性。

目前，关于各种岩体充填结构面试样的制备装置及方法的研究现状如下：

公开号为CN106198136A提供的一种室内制备含有机质充填结构面模型的方法，该现有技术的缺陷在于在上预制混凝土剪切块的挤压作用下，软弱充填物可能会从上下剪切块的缝隙中溢出，因此对于充填结构面的厚度无法做到精确控制；上下剪切块无固定装置，在结构面充填材料固化过程中可能造成上下剪切块的倾斜，制样失败率高；无法制作充填物质为松散材料的岩石直剪试样；无法考虑试样所处应力环境。

公开号为CN113866033A提供的一种应力环境下任意充填厚度硬性结构面制作装置和制作方法，该现有技术虽然考虑了岩体所处地应力环境，可实现充填材料厚度的精确控制，但由于充填过程中结构面上下盘两端为开口设计，充填物质的均匀性无法保证，充填厚度大大受限，且无法考虑松散材料的填充；上下盘试样采用纵置布局的方式，上盘试样在抬升过程中具有脱落的风险。

公开号为CN114739775A提供的一种反映含软弱夹层岩体赋存特征的真三轴试样制备方法，该现有技术的缺陷在于通过充填物质密度与面积计算特定厚度下充填材料质量的方式对充填材料的厚度进行控制，由于实际操作中充填材料的密度难以控制，因而其充填厚度的精确度无法保证；无法制作充填物为松散材料的试样；该技术仅限于三轴试验。

公开号为CN214408295U提供的一种岩石含充填体相似材料结构面环剪试验制样装置，该现有技术将上下盘岩体及充填材料统一放入密闭的成型套筒内部，采用压板挤压的方式控制充填物厚度，其缺陷在于密闭的成型套筒不利于对充填材料的用量及时进行调整，充填厚度难以实现高效精确控制，且该技术仅限于结构面环剪试验。

公开号为CN114486564A提供的岩石剪切试验中对岩石试样进行预处理的方法及紧固装置，该现有技术的缺陷在于无法对结构面的充填厚度进行控制；该技术仅限于环剪试验。

采用上述方法制作的充填结构面尚存在一些不足，所制备的充填结构面充填物质分布不均匀，充填物质厚度难以精确控制，充填物难以考虑松散物质。实际上，以淤泥、岩屑、黏土为代表的松散物质充填结构面在自然界分布广泛，是控制工程岩体失稳最主要的充填结构面类型之一，现有技术存在的缺陷严重制约了这类充填结构面试验结果的真实性和准确性。为了更准确地开展充填结构面的力学试验研究，亟须设计一种制样范围更广，充填厚度精确可控，便于拆卸安装的岩体充填结构面直剪试样制备装置与方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种岩体充填结构面直剪试样制备装置及制备方法，以解决现有技术中制备的充填结构面充填物质分布不均匀，充填物质厚度难以精确控制，充填物难以考虑松散物质的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种岩体充填结构面直剪试样制备装置，包括：加卸载伺服控制系统、滑动试样盒、固定试样盒、充填层约束板和激光位移传感器单元；滑动试样盒与用于提供轴向力的加卸载伺服控制系统连接，滑动试样盒和固定试样盒分别设置在充填层约束板两侧用于固定岩体结构面上下盘试样，充填层约束板用于固定结构面充填物质，并通过约束反力模拟充填物质固结时受到的围压，用于监测充填厚度数据的激光位移传感器单元设置在滑动试样盒和固定试样盒上与加卸载伺服控制系统电连接。

优选地，所述加卸载伺服控制系统包括：压力板、电液伺服作动器、支撑柱、反力框架、伺服控制系统和数据采集系统；压力板固定在滑动试样盒上，且压力板与电液伺服作动器一端固接，电液伺服作动器另一端固定在反力框架上，反力框架内固设有支撑柱，数据采集系统设置在伺服控制系统上方，且伺服控制系统和数据采集系统与电液伺服作动器电连接。

优选地，所述压力板通过压力板固定螺栓固定于滑动试样盒上。

优选地，所述滑动试样盒包括：滑动试样盒盖板、滑动试样盒侧板、固定底板、滑动底板和水平仪；固定底板固设在工作台面上且一侧延伸至固定试样盒下方，滑动底板滑动设置在固定底板上，滑动试样盒侧板与滑动底板一体成型，滑动试样盒盖板设置在滑动试样盒侧板之上，水平仪固设在滑动试样盒盖板上，滑动底板两侧设置有激光位移传感器单元，且滑动试样盒盖板、滑动试样盒侧板和滑动底板形成的空间中放置有预制好的上盘试样。

优选地，所述固定底板上设置有滑轨，滑动底板下方设置有与滑轨配合的滑块；所述滑动试样盒盖板和滑动底板通过位于两侧的固定螺栓相连，固定螺栓上下端通过蝶形锁止螺母固定。

优选地，所述固定试样盒包括固定试样盒盖板、固定试样盒侧板、底座和水平仪；底座固定设置在工作台面上，且底座与固定试样盒侧板一体成型，固定试样盒盖板设置在固定试样盒侧板上，水平仪固定设置在固定试样盒盖板上，底座两侧设置激光位移传感器单元；且固定试样盒盖板、固定试样盒侧板和底座形成的空间中放置有预制好的下盘试样。

优选地，所述固定试样盒盖板与底座通过两侧的固定螺栓连接，固定螺栓上下端通过蝶形锁止螺母固定。

优选地，所述充填层约束板由四块可自由旋转的约束侧板组成，约束侧板两侧通过铰接螺栓铰接，且充填层约束板内侧设置有用于防滑的橡胶层。

优选地，所述激光位移传感器单元包括：传感器目标靶和激光位移传感器；激光位移传感器固定在滑动试样盒上，传感器目标靶固定在固定试样盒上。

本发明还公开了一种岩体充填结构面直剪试样制备方法，包括：

S1：采集取样点处的原岩与充填物样本，获取现场结构面的形态数据；

S2：将预制好的上盘试样和下盘试样分别放置到滑动试样盒和固定试样盒中；

S3：开启激光位移传感器单元并通过加卸载伺服控制系统带动滑动试样盒及内置的上盘试样至预设位置并稳定；

S4：将充填层约束板安置于上下盘试样之间并将上端打开；

S5：配置充填物，将其从充填层约束板上端开口处向内分层添加并夯实，充填完成后进行整平并封闭充填层约束板；

S6：通过加卸载伺服控制系统向滑动试样盒施加设定的固结压力并观察激光位移传感器单元的数据，若出现回落，则将滑动试样盒退回原位，重复S5～S6至加载后激光位移传感器单元的数据不再出现回落；

S7：保持设定压力与固结时间直至充填物终凝完成；

S8：停止加压，逐步拆除充填层约束板并缠封试样。

S9：将封装好的试样放入直剪仪剪切盒内开展相关试验。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所公开的一种岩体充填结构面直剪试样制备装置通过加卸载伺服控制系统及激光位移传感器单元相结合的方式可实现对充填厚度的直接控制，高精度的激光位移传感器单元不仅可以实时获取结构面缝隙宽度，同时还能对滑动试样盒移动过程中的整体稳定性进行监测，保证充填缝隙在结构面不同位置处的宽度保持一致，高精度的激光位移传感器更是将充填物厚度的控制精度上升至微米级，使其能够满足不同厚度充填层的制样需求。同时，水平设置的试样盒配合上端可开口的充填层约束板的设计方案，可实现充填物充填过程的分层夯实，不仅能够保证充填物质在节理面上分布的均匀性，更使得胶结性较差的松散物质的均匀充填成为可能，极大地推动了当前充填结构面直剪试样制备技术的发展。采用加卸载伺服控制系统及充填层约束板的组合对充填物质提供压力，轴向加载由加卸载伺服控制系统直接施加，充填层约束板则可为充填物质在受力挤出过程中提供约束反力，可视为提供充填层形成过程中所受到的围压，从而实现了充填结构面形成过程中应力环境的还原。配合厚度可控的充填结构面制备方法，可实现不同应力环境下任意厚度充填结构面直剪试样的制备，为充填结构面力学特性的研究提供了重要的技术支持。

附图说明

图1为本发明提供的一种岩体充填结构面直剪试样制备装置的结构示意图；

图2为本发明中加卸载伺服控制系统的结构示意图；

图3为本发明中固定试样盒、滑动试样盒的结构示意图；

图4为本发明中充填层约束板的结构示意图。

其中：1-加卸载伺服控制系统；2-滑动试样盒；3-固定试样盒；4-上盘试样；5-下盘试样；6-充填层约束板；7-压力板固定螺栓；8-压力板；9-电液伺服作动器；10-支撑柱；11-反力框架；12-伺服控制系统；13-数据采集系统；14-滑动试样盒盖板；15-固定试样盒盖板；16-滑动试样盒侧板；17-固定试样盒侧板；18-固定底板；19-滑动底板；20-底座；21-蝶形锁止螺母；22-固定螺栓；23-传感器目标靶；24-激光位移传感器；25-压力板螺栓孔；26-水平仪；27-铰接螺栓；28-约束侧板；29-橡胶层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明的目的是提供一种岩体充填结构面直剪试样制备装置及制备方法，实现了在结构面形成真实应力环境下各类充填结构面的制备。本发明可解决现有技术中结构面充填物质分布不均匀、充填物质厚度难以精确控制、松散充填物质难以考虑的问题。本发明采用制样盒水平设置与可开口充填层约束板的设计方式，可实现包括松散体在内的多种充填物质的快速充填与捣固，解决结构面充填物质分布不均匀，松散充填物质难以考虑的问题；通过电液伺服作动器与非接触式激光位移传感器精确控制滑动试样盒与固定试样盒之间的距离，即可实现对充填厚度的精确控制；通过电液伺服作动器的加载与充填层约束板的侧向围限作用为充填层提供法向固结压力和侧向围压，可模拟结构面赋存真实应力环境；充填层约束板可保证松散充填试样在取出、运转与装配过程中能够保持自身结构的完整。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

如图1所示，一种岩体充填结构面直剪试样制备装置，包括加卸载伺服控制系统1、滑动试样盒2、固定试样盒3与充填层约束板6。

如图3所示，固定试样盒3包括固定试样盒盖板15、固定试样盒侧板17、水平仪26、固定螺栓22、蝶形锁止螺母21、底座20、传感器目标靶23。底座20固定安置于工作台面，并与固定试样盒侧板17一体成型，固定试样盒盖板15安放于固定试样盒侧板17之上，固定试样盒盖板15和底座20左右两侧分别设有固定螺栓22的孔位，固定试样盒盖板15和底座20通过位于左右两侧的固定螺栓22相连，固定螺栓22上下两侧通过蝶形锁止螺母21固定，水平仪26固定安置于固定试样盒盖板15之上，传感器目标靶23固定安置于底座20左右两侧，预制好的下盘试样5固定安放于固定试样盒盖板15、固定试样盒侧板17和底座20形成的空间中。

如图3所示，滑动试样盒2包括滑动试样盒盖板14、滑动试样盒侧板16、水平仪26、固定螺栓22、蝶形锁止螺母21、滑动底板19、固定底板18、压力板螺栓孔25、激光位移传感器24。滑动试样盒2与固定试样盒3水平正对，固定底板18固定安置于工作台之上，左侧延伸至底座20之下，固定底板18上平行设置两道滑轨，滑动底板19位于固定底板18之上，下端设置两条平行滑块并与固定底板18之上的滑轨相互嵌套，滑动底板19可通过滑轨在固定底板18上进行水平滑动，滑动试样盒侧板16与滑动底板19一体成型，且后侧板中央位置开有四处压力板螺栓孔25，滑动试样盒盖板14安放于滑动试样盒侧板16之上，滑动试样盒盖板14和滑动底板19左右两侧分别设有固定螺栓22的孔位，滑动试样盒盖板14和滑动底板19通过位于左右两侧的固定螺栓22相连，固定螺栓22上下两侧通过蝶形锁止螺母21固定，固定后滑动试样盒盖板14、滑动试样盒侧板16与滑动底板19可在固定底板18之上产生整体水平滑动，水平仪26固定安置于滑动试样盒盖板14之上，高精度的激光位移传感器24固定安置于滑动底板19左右两侧，预制好的上盘试样4固定安放于滑动试样盒盖板14、滑动试样盒侧板16和滑动底板19形成的空间中。

如图2、3所示，加卸载伺服控制系统1包括压力板固定螺栓7、压力板8、电液伺服作动器9、支撑柱10、反力框架11、伺服控制系统12、数据采集系统13，压力板8正对滑动试样盒后侧板16中央位置处的压力板螺栓孔25，压力板8通过压力板固定螺栓7固定于滑动试样盒2的正后方，压力板8与电液伺服作动器9固定连结，电液伺服作动器9固定安置于反力框架11之上，反力框架之上固定安装一对平行的支撑柱10，电液伺服作用器9装配有对应的伺服控制系统12和数据采集系统13，在伺服控制系统12的控制作用下，电液伺服作动器9可通过压力板8牵引滑动剪切盒2在固定底板18上整体双向水平滑动，并可将对应的行程数据、压力数据及激光位移传感器数据实时反馈给数据采集系统13，加卸载伺服控制系统1的具体技术方案与工作原理是本领域技术人员的常规设置，在此不再赘述。

如图4所示，充填层约束板6由四块可自由旋转的约束侧板28组成，约束侧板28两侧通过铰接螺栓27铰接，通过控制铰接螺栓的松紧程度可实现约束侧板28的自由转动和固定，相邻两块约束侧板28可通过拆卸对应铰接螺栓27实现分离，充填层约束板内侧设置防滑橡胶层29，用于增加侧壁摩阻力，并防止充填物在充填和加压固结过程中从约束板空隙中渗出。

一种岩体充填结构面直剪试样制备方法的实施例，包括以下步骤：

步骤1，采集取样点处的原岩样本，并通过三维激光扫描，多手机摄影测量等技术获取现场结构面的形态数据。将原岩切割成适用于岩石直剪试验的标准方样，基于现场获取的结构面形态数据对岩石样品进行切割打磨。同时，在采样点处利用水压致裂法等地应力测量方法获取采样点处的三维地应力数据。若无测试条件，则可根据埋深及岩石泊松比大致估算地应力大小。此外，采用人工浇筑法制作岩体结构面试样亦可。若采用现场结构面充填物对试样进行充填，则应同时完成充填物的现场采样与封存工作。

步骤2，将制备好的结构面下盘试样5放置于固定试样盒侧板17与底座20组合而成的固定试样盒3中，将固定试样盒盖板15安置于试样上方，将固定螺栓22穿过固定试样盒3左右两侧的孔位，并采用位于固定螺栓22上下两侧的蝶形锁止螺母21将固定试样盒盖板15与固定试样盒侧板17及底座20固定在一起，完成固定试样盒3对结构面下盘试样5的固定加持，固定过程中根据水平仪26气泡位置微调两侧蝶形锁止螺母21，使得固定试样盒盖板15表面保持水平；

步骤3，将制备好的结构面上盘试样4放置于滑动试样盒侧板16与滑动底板19组合而成的滑动试样盒2中，将滑动试样盒盖板14安置于试样上方，通过试样盒左右两侧的固定螺栓22与蝶形锁止螺母21将滑动试样盒盖板14与滑动试样盒侧板16及滑动底板19固定，完成滑动试样盒2对结构面上盘试样4的固定加持，固定过程中根据水平仪26气泡位置微调两侧蝶形锁止螺母21，使得滑动试样盒盖板14表面保持水平；

步骤4，开启滑动底板19左右两侧的激光位移传感器24，通过伺服控制系统12控制电液伺服作动器9向后拉拽滑动试样盒2及其内部的结构面上盘试样4至预设位置，随后保持电液伺服作动器9稳定在该位置；

步骤5，将充填层约束板6中一处铰接螺栓27拆除，将充填层约束板6展开并穿过试样与固定底板18之间的空隙，使得其中一块约束侧板28放置于试样充填空隙的正下方，再将该约束侧板28相邻的两个侧板向上翻转并保持倾角为90°，紧固该约束侧板两端的铰接螺栓27，保持两侧约束侧板28与试样层面紧密贴合，并将位于试样充填空隙上端的约束侧板28保持打开状态；

步骤6，配置所需要的充填物，将其从充填层约束板6上端开口处向内添加，并分层夯实，填充至顶部后，对充填物进行整平操作，随后连接上部与侧面约束侧板28之间的铰链螺栓27并紧固；

步骤7，根据地应力实测数据或估算数据获取结构面形成过程中的上覆固结压力，通过伺服控制系统12对滑动试样盒2施加设定的固结压力(也可采用自定义压力值)，同时观察三处位移传感器数据(作动器位移传感器+两处激光位移传感器)的数据是否产生回落，若出现回落，则说明充填物未达到预定充填厚度，此时应将电液伺服作动器9退回原位置并重复步骤6～7，直至在预设固结压力下充填层达到预定充填厚度；

步骤8，保持设定压力与固结时间直至充填物终凝完成；

步骤9，停止加压，松开蝶形锁止螺母21并将所有固定螺栓22抽出，依次拆除固定试样盒盖板15和滑动试样盒盖板14，将试样连同充填层约束板6一同取出，将试样垂直放置后，松开充填层约束板6其中一处铰接螺栓27，将一侧约束侧板28打开后迅速用透明胶带缠封，依次类推，直到完全拆除充填层约束板6并将结构面开口处用透明胶带完全缠封。

步骤10，将封装好的试样小心转运至直剪试验剪切盒内，在直剪试验开始前用小刀将透明胶带划开，即可开展相关直剪试验。

以上步骤主要针对胶结性较差的松散充填材料，如沙土、黏土、砾石、岩屑等，若充填物质具有较好的胶结性，则待充填物质终凝完成后可直接拆除充填层约束板并装入剪切盒开展相关试验。

具体应用实例

以我国西南地区某水电站为例，平硐资料显示库区内岸坡多为薄层状变质砂岩、变质玄武岩、板岩及灰岩，在重力长期作用下岩层不断向临空面一侧弯曲直至折断，并在岸坡内部形成多条切层张拉裂隙。这些裂隙在岩体的挤压与滑动作用下逐渐破碎，并形成具有一定厚度的软弱带，控制着岸坡岩体的稳定性。这些软弱带主要由黏土和砾石组成，厚度在30～150cm，变化较大，本次应用实例以该库区内岸坡软弱带作为结构面充填物质开展相关试验。

步骤1，在采样点处收集软弱带上下两盘的岩石样本，通过手持式三维激光扫描仪获取现场结构面表面形态数据，采集软弱带物质并测定其含水量，随后将其密封保存。另外，对采样点附近的地应力进行测量，钻孔套心应力解除法表明，采样点附近最大主应力在7～15MPa，本次试验拟采用10MPa作为软弱面固结压力。将采回的岩样切割加工成室内直剪试验所需标准岩石方样，规格为100×100×100mm，随后根据扫描结果提取现场结构面二维形态数据，将其输入计算机，通过计算机控制高压水枪按既定数据切割出结构面，完成结构面上下两盘的制备工作，为与现场条件保持一致，切割面垂直于岩石层理面方向；

步骤2，将制备完成的结构面下盘试样5放入固定试样盒侧板17与底座20组合而成的固定试样盒3中，盖上固定试样盒盖板15并在左右两侧插入固定螺栓22，用蝶形锁止螺母21固定，固定后根据水平仪26的气泡对两侧蝶形锁止螺母21不断进行微调，使固定试样盒盖板15保持水平，下盘试样安装完成；

步骤3，将制备完成的结构面上盘试样4放置于滑动试样盒侧板16与滑动底板19组合而成的滑动试样盒2中，盖上滑动试样盒盖板14并在左右两侧插入固定螺栓22，用蝶形锁止螺母21固定，固定后根据水平仪26的气泡对两侧蝶形锁止螺母21不断进行微调，使滑动试样盒盖板14保持水平，上盘试样安装完成；

步骤4，本次试验的充填层厚度由充填度定义，充填度设定为0.5，根据充填度计算公式与结构面剖面平均起伏差，计算得到目标充填厚度为3.99mm。开启滑动底板左右两侧激光位移传感器24，通过伺服控制系统12控制电液伺服作动器9拖拽滑动试样盒2向后移动3.99mm，同时观察两侧激光位移传感器数据变化量是否协同，待传感器数据协同达到3.99mm预设值后，保持电液伺服作动器9位置不变；

步骤5，拆除充填层约束板6中一处铰接螺栓27，将充填层约束板6展开并穿过试样与固定底板18之间的空隙，使位于中部的一块约束侧板28正对试样空隙，并注意不要留有侧面缝隙，随后将底部约束侧板28两侧的两个侧板向上翻转并紧固对应铰接螺栓27，将试样充填空隙上端的约束侧板28保持打开状态；

步骤6，将现场所采集的软弱带物质烘干过筛，得到软弱夹层的实际级配数据。由于现场软弱带厚度较大，室内试验无法考虑粒径过大的粗颗粒，即存在超粒径现象。根据土工试验规程SD128-87，土样中的超粒径颗粒可采用剔除法进行处理，即将超粒径颗粒剔除。由于本次试验充填厚度为3.99mm，故将粒径大于该厚度的超粒径颗粒全部剔除。根据步骤1中测得的含水量计算所需的蒸馏水，将其加入风干土样后充分搅拌。充填物配置完成后，将其从充填层约束板6上端开口处向结构面空隙内添加，并分层夯实。填充至顶部后，对充填物进行整平操作，随后连接上部约束侧板28与侧面约束侧板28之间的铰链螺栓27并紧固；

步骤7，通过伺服控制系统12控制电液伺服作动器9对滑动试样盒逐步施加压应力至10Mpa后保持稳定，观察到三处位移传感器数据(作动器位移传感器+两处激光位移传感器)的数据产生了小幅回落，此时将电液伺服作动器9退回至起始位置，重复步骤6～7直到充填物质在10MPa法向压力作用下变形量保持稳定即可。

步骤8，本次试验充填层为黏土及碎石等松散物质，故不存在终凝的情况，考虑到制样效率的问题，在本次制备过程中，当电液伺服作动器9的位移-时间曲线在1小时内均保持水平即认为充填物固结完成；

步骤9，固结完成后，停止加压，松开蝶形锁止螺母21并将所有固定螺栓22抽出，拆除固定试样盒盖板15和滑动试样盒盖板14，将试样及充填层约束板6一同取出后将试样垂直放置，松开充填层约束板6其中一处铰接螺栓27，将一侧约束侧板28打开后迅速用透明胶带缠封，依次类推，直到完全拆除充填层约束板6并将结构面开口处用透明胶带完全缠封。

步骤10，将封装好的试样小心转运至直剪试验剪切盒内，在直剪试验开始前用小刀将透明胶带划开，随后即可对该结构面试样开展直剪试验。

综上所述，本发明通过加卸载伺服控制系统及激光位移传感器相结合的方式可实现对充填厚度的直接控制，电液伺服作动器9配备的位移传感器及位于滑动试样盒2左右两侧的高精度的激光位移传感器24不仅可以实时获取结构面缝隙宽度，同时还能对滑动试样盒2移动过程中的整体稳定性进行监测，保证充填缝隙在结构面不同位置处的宽度保持一致，高精度的激光位移传感器24更是将充填物厚度的控制精度上升至微米级，使其能够满足不同厚度充填层的制样需求。同时，水平设置的试样盒配合上端可开口的充填层约束板6的设计方案，可实现充填物充填过程的分层夯实，不仅能够保证充填物质在节理面上分布的均匀性，更使得胶结性较差的松散物质的均匀充填成为可能，极大地推动了当前充填结构面直剪试样制备技术的发展。

本发明采用加卸载伺服控制系统1及充填层约束板6的组合对充填物质提供压力，轴向加载由加卸载伺服控制系统1直接施加，充填层约束板6则可为充填物质在受力挤出过程中提供约束反力，可视为提供充填层形成过程中所受到的围压，从而实现了充填结构面形成过程中应力环境的还原。配合厚度可控的充填结构面制备方法，可实现不同应力环境下任意厚度充填结构面直剪试样的制备，为充填结构面力学特性的研究提供了重要的技术支持。

以上内容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，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岩体充填结构面直剪试样制备装置，其特征在于，包括：加卸载伺服控制系统(1)、滑动试样盒(2)、固定试样盒(3)、充填层约束板(6)和激光位移传感器单元；滑动试样盒(2)与用于提供轴向力的加卸载伺服控制系统(1)连接，滑动试样盒(2)和固定试样盒(3)分别设置在充填层约束板(6)两侧用于固定岩体结构面上下盘试样，充填层约束板(6)用于固定结构面充填物质，并通过约束反力模拟充填物质固结时受到的围压，用于监测充填厚度数据的激光位移传感器单元设置在滑动试样盒(2)和固定试样盒(3)上与加卸载伺服控制系统(1)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种岩体充填结构面直剪试样制备装置，其特征在于，所述加卸载伺服控制系统(1)包括：压力板(8)、电液伺服作动器(9)、支撑柱(10)、反力框架(11)、伺服控制系统(12)和数据采集系统(13)；压力板(8)固定在滑动试样盒(2)上，且压力板(8)与电液伺服作动器(9)一端固接，电液伺服作动器(9)另一端固定在反力框架(11)上，反力框架(11)内固设有支撑柱(10)，数据采集系统(13)设置在伺服控制系统(12)上方，且伺服控制系统(12)和数据采集系统(13)与电液伺服作动器(9)电连接。

3.根据权利要求2所述的一种岩体充填结构面直剪试样制备装置，其特征在于，所述压力板(8)通过压力板固定螺栓(7)固定于滑动试样盒(2)上。

4.根据权利要求1所述的一种岩体充填结构面直剪试样制备装置，其特征在于，所述滑动试样盒(2)包括：滑动试样盒盖板(14)、滑动试样盒侧板(16)、固定底板(18)、滑动底板(19)和水平仪(26)；固定底板(18)固设在工作台面上且一侧延伸至固定试样盒(3)下方，滑动底板(19)滑动设置在固定底板(18)上，滑动试样盒侧板(16)与滑动底板(19)一体成型，滑动试样盒盖板(14)设置在滑动试样盒侧板(16)之上，水平仪(26)固设在滑动试样盒盖板(14)上，滑动底板(19)两侧设置有激光位移传感器单元，且滑动试样盒盖板(14)、滑动试样盒侧板(16)和滑动底板(19)形成的空间中放置有预制好的上盘试样(4)。

5.根据权利要求4所述的一种岩体充填结构面直剪试样制备装置，其特征在于，所述固定底板(18)上设置有滑轨，滑动底板(19)下方设置有与滑轨配合的滑块；所述滑动试样盒盖板(14)和滑动底板(19)通过位于两侧的固定螺栓(22)相连，固定螺栓(22)上下端通过蝶形锁止螺母(21)固定。

6.根据权利要求1所述的一种岩体充填结构面直剪试样制备装置，其特征在于，所述固定试样盒(3)包括固定试样盒盖板(15)、固定试样盒侧板(17)、底座(20)和水平仪(26)；底座(20)固定设置在工作台面上，且底座(20)与固定试样盒侧板(17)一体成型，固定试样盒盖板(15)设置在固定试样盒侧板(17)上，水平仪(26)固定设置在固定试样盒盖板(15)上，底座(20)两侧设置激光位移传感器单元；且固定试样盒盖板(15)、固定试样盒侧板(17)和底座(20)形成的空间中放置有预制好的下盘试样(5)。

7.根据权利要求6所述的一种岩体充填结构面直剪试样制备装置，其特征在于，所述固定试样盒盖板(15)与底座(20)通过两侧的固定螺栓(22)连接，固定螺栓(22)上下端通过蝶形锁止螺母(21)固定。

8.根据权利要求1所述的一种岩体充填结构面直剪试样制备装置，其特征在于，所述充填层约束板(6)由四块可自由旋转的约束侧板(28)组成，约束侧板(28)两侧通过铰接螺栓(27)铰接，且充填层约束板(6)内侧设置有用于防滑的橡胶层(29)。

9.根据权利要求1所述的一种岩体充填结构面直剪试样制备装置，其特征在于，所述激光位移传感器单元包括：传感器目标靶(23)和激光位移传感器(24)；激光位移传感器(24)固定在滑动试样盒(2)上，传感器目标靶(23)固定在固定试样盒(3)上。

10.基于权利要求1～9任意一项所述的一种岩体充填结构面直剪试样制备装置的试样制备方法，其特征在于，包括：

S1：采集取样点处的原岩与充填物样本，获取现场结构面的形态数据；

S2：将预制好的上盘试样(4)和下盘试样(5)分别放置到滑动试样盒(2)和固定试样盒(3)中；

S3：开启激光位移传感器单元并通过加卸载伺服控制系统(1)带动滑动试样盒(2)及内置的上盘试样(4)至预设位置并稳定；

S4：将充填层约束板(6)安置于上盘试样(4)和下盘试样(5)之间，并将上端打开；

S5：配置充填物，将其从充填层约束板(6)上端开口处向内分层添加并夯实，充填完成后进行整平并封闭充填层约束板(6)；

S6：通过加卸载伺服控制系统(1)向滑动试样盒(2)施加设定的固结压力并观察激光位移传感器单元的数据，若出现回落，则将滑动试样盒(2)退回原位，重复S5～S6至加载后激光位移传感器单元的数据不再出现回落；

S7：保持设定压力与固结时间直至充填物终凝完成；

S8：停止加压，逐步拆除充填层约束板(6)并缠封试样；

S9：将封装好的试样放入直剪仪剪切盒内开展相关试验。

Images