CN117214004B - 一种岩石抗剪强度及蠕变变形测定方法及相关装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩石抗剪强度及蠕变变形测定方法及相关装置，涉及岩石稳定性测定技术领域，包括将带有结构面的试件置于剪切盒模块内后，再将剪切盒放置于框架的空腔结构中；控制垂直加载模块的力传感器下移直至与上剪切盒的顶面接触，控制水平加载模块水平移动直至与上剪切盒的侧面接触；将所述电阻应变片与数据采集模块电连接；先后控制垂直加载模块和水平加载模块对试件施压以进行直剪试验或蠕变试验；在试验过程中，按照预设测量频率获取电阻应变片的应变值和试件上部件的水平位移，以计算得到试件的抗剪强度和蠕变变形，本发明解决了现有技术中结构面在剪切过程中剪切面积保持不变和无法直接测量结构面剪切蠕变量的技术难题。

Description

一种岩石抗剪强度及蠕变变形测定方法及相关装置

技术领域

本发明涉及岩石稳定性测定技术领域，具体而言，涉及一种岩石抗剪强度及蠕变变形测定方法及相关装置。

背景技术

目前岩石结构面抗剪强度研究多采用室内结构面直剪试验，由于天然带结构面试件制备十分困难，同时结构面存在不均匀性、随机性和不可重复性，所以多采用类岩石材料来制作试件。在结构面直剪试验中，目前多认为剪切面不会随着剪切位移的增加而改变，所以会对结构面抗剪强度参数取值造成影响。同时，对于岩石结构面剪切蠕变研究也常采用室内结构面剪切蠕变装置进行，同样试件的制备同样存在与结构面直剪试验相同的问题。在实验过程中，试件上半部分和下半部分存在相对位移，但直接对试件测量是十分困难的，因此会对结构面剪切蠕变最终位移造成影响。同时在实验过程中岩石和结构面都在发生剪切蠕变，其试验结果是两者共同作用的结果，所以无法直观观测到结构面的剪切蠕变变形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩石抗剪强度及蠕变变形测定方法及相关装置，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种岩石抗剪强度及蠕变变形测定装置，包括：

操作设备,所述操作设备包括底座和位于底座上方的框架，所述框架的中部为空腔结构，所述框架的上方连接有垂直加载模块、侧面连接有水平加载模块；

剪切盒模块，所述剪切盒模块置于框架的空腔结构中，用于装载试件；

所述剪切盒模块包括上剪切盒、下剪切盒和位移测量模块，所述上剪切盒位于下剪切盒的上侧，所述位移测量模块与上剪切盒和下剪切盒固定连接，使上剪切盒与下剪切盒保持间隙。

进一步地，所述框架侧面的中部沿水平方向设置有两个水平导套，两个水平导套的一端横向贯穿框架，另一端延伸进空腔结构内并共同连接有一个侧向压板；

所述空腔结构的上方沿水平方向设置有上压滑块,所述上压滑块的两端设置有通孔,所述通孔内设置有竖直导柱。

进一步地，所述垂直加载模块或水平加载模块包括电机、限位仪及螺杆，所述螺杆和限位仪分别位于电机的两端，所述螺杆上固定连接有力传感器。

进一步地，所述水平加载模块的电机和限位仪位于框架的侧面外部，水平加载模块的螺杆和力传感器穿过框架的侧面延伸进空腔结构，且所述水平加载模块的螺杆位于两个水平导套的中间，水平加载模块的力传感器与侧向压板固定连接；

所述垂直加载模块的电机和限位仪位于框架的上方，垂直加载模块的螺杆和力传感器穿过框架的顶部延伸进空腔结构，所述垂直加载模块的力传感器推动上压滑块沿竖直方向伸缩。

进一步地，所述上剪切盒的顶部设置有滚轴，所述下剪切盒的侧下方设置有固定压板；

所述上剪切盒和下剪切盒的前后两侧分别安装有位移测量模块；

所述试件内部包括结构面，所述结构面将试件分为上部件和下部件；所述试件的内部均匀布置有若干个电阻应变片形成点阵面，所述点阵面平行于结构面或垂直于结构面。

第二方面，本申请还提供了一种岩石抗剪强度及蠕变变形测定方法，包括：

将带有结构面的试件置于剪切盒模块内后，再将剪切盒放置于框架的空腔结构中；

控制垂直加载模块的力传感器下移直至与上剪切盒的顶面接触，控制水平加载模块水平移动直至与上剪切盒的侧面接触；

将所述电阻应变片与数据采集模块电连接；

先后控制垂直加载模块和水平加载模块对试件施压以进行直剪试验或蠕变试验；

在试验过程中，按照预设测量频率获取电阻应变片的应变值和试件上部件的水平位移，以计算得到试件的抗剪强度和蠕变变形。

本发明的有益效果为：

本发明解决了现有技术中结构面在剪切过程中剪切面积保持不变的技术难题，可以更加准确的描述结构面在剪切过程中剪切面随着剪切位移的变化，大大提高了抗剪强度参数取值的准确性；同时该系统解决了现有技术中无法直接测量结构面剪切蠕变量的技术难题，可以单独准确描述结构面的蠕变性能，可以观测岩石结构面的局部剪切蠕变变形。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的岩石抗剪强度及蠕变变形测定设备主视图；

图2为本发明的岩石抗剪强度及蠕变变形测定设备后视图；

图3为本发明的垂直或水平加载模块示意图；

图4为本发明的剪切盒模块示意图；

图5为本发明的位移测量模块示意图；

图6为本发明的主体框架示意图；

图7为本发明的岩石抗剪强度及蠕变变形测定方法示意图；

图8为本发明的结构面剪切试验应变片的布置方式示意图；

图9为本发明的结构面剪切试验的结构面示意图；

图10为本发明的结构面剪切蠕变试验应变片的布置方式示意图；

图11为本发明的结构面剪切蠕变试验的结构面示意图；

图12为本发明的剪切位移-剪应力示意图；

图13为本发明的剪切位移-剪切面积示意图；

图14为本发明的测力计曲线和应变片曲线示意图；

图15为本发明的应变值—距离曲线示意图。

图中标记：

1、控制系统；2、框架；3、垂直加载模块；4、水平加载模块；5、支撑平台；6、剪切盒模块；7、位移测量模块；8、数据采集模块；9、减速机；10、螺杆；11、伺服电机；12、力传感器；13、限位仪；14、上剪切盒；15、下剪切盒；16、试件；17、电阻应变片；18、固定压板；19、滚轴；20、水平位移计；21、支撑板； 22、固定垫块；23、底座；24、水平导套；25、竖直导柱；26、上压滑块；27、侧向压板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和指示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1：

本实施例提供了一种岩石抗剪强度及蠕变变形测定装置。

参见图1-图6，一种岩石抗剪强度及蠕变变形测定装置，包括：

操作设备,所述操作设备包括底座23和位于底座23上方的框架2，所述框架2的中部为空腔结构，所述框架2的上方连接有垂直加载模块3、侧面连接有水平加载模块4，所述底座23连接有支撑平台5，所述框架2的侧面还设置侧向压板27；

具体的，所述框架2由40mm钢板制作，采用空腔结构便于减轻重量，优选的，空腔结构为1200mm*1200mm*1200mm，有利于剪切盒模块6的放置。框架2中的底座23上预留有螺栓孔用于固定位移测量模块7。

剪切盒模块6，所述剪切盒模块6置于框架2的空腔结构中，用于装载试件；

具体的，所述剪切盒模块6包括上剪切盒14、下剪切盒15和位移测量模块7，所述上剪切盒14位于下剪切盒15的上侧，所述位移测量模块7与上剪切盒14和下剪切盒15固定连接，使上剪切盒14与下剪切盒15保持间隙；

优选的，所述上剪切盒14和下剪切盒15，采用40mm钢板制成，内部放置试件16；

具体的，所述位移测量模块7包括水平位移计20和支撑板21；水平位移计20固定在支撑板21上，支撑板21通过螺栓固定于底座23上，所述支撑板21用于将上剪切盒14和下剪切盒15固定连接。

基于以上实施例，所述岩石抗剪强度及蠕变变形测定装置还包括:

数据采集模块8，所述数据采集模块8与垂直加载模块3和水平加载模块4电连接；

控制系统1，所述控制系统1与数据采集模块8电连接，所述控制系统1用于控制垂直加载模块3和水平加载模块4。

进一步地，所述框架2侧面的中部沿水平方向设置有两个水平导套24，两个水平导套24的一端横向贯穿框架2，另一端延伸进空腔结构内并共同连接有一个侧向压板27；

所述空腔结构的上方沿水平方向设置有上压滑块26,所述上压滑块26的两端设置有通孔,所述通孔内设置有竖直导柱25；

具体的，所述上压滑块26设置有四个通孔，位于上压滑块26的四个角，所述竖直导柱25设置有四个，分别贯穿四个通孔，上端与框架2连接，下端与底座23连接。

进一步地，所述垂直加载模块3或水平加载模块4包括电机、限位仪13及螺杆10，所述螺杆10和限位仪13分别位于电机的两端，所述螺杆10上固定连接有力传感器12；

具体的，所述电机包括减速机9和伺服电机11。

进一步地，所述水平加载模块4的电机和限位仪13位于框架2的侧面外部，水平加载模块4的螺杆10和力传感器12穿过框架2的侧面延伸进空腔结构，且所述水平加载模块4的螺杆10位于两个水平导套24的中间，水平加载模块4的力传感器12与侧向压板27固定连接；

本实施例中，所述水平导套24和侧向压板27使水平加载模型保持水平伸展，所述水平加载模块4的力传感器12推动侧向压板27使其对剪切盒模块6施加水平荷载。

所述垂直加载模块3的电机和限位仪13位于框架2的上方，垂直加载模块3的螺杆10和力传感器12穿过框架2的顶部延伸进空腔结构，所述垂直加载模块3的力传感器12推动上压滑块26沿竖直方向伸缩；

所述垂直加载模块3推动上压滑块26下移对剪切盒模块6施加垂直荷载。

进一步地，所述上剪切盒14的顶部设置有滚轴19，所述下剪切盒15的侧下方设置有固定压板18；

所述上剪切盒14和下剪切盒15的前后两侧分别安装有位移测量模块7；

所述试件16内部包括结构面，所述结构面将试件16分为上部件和下部件；所述试件16的内部均匀布置有若干个电阻应变片17形成点阵面，所述点阵面平行于结构面或垂直于结构面；

具体的，所述试件为类岩石材料制作得到的正方体,具体的 , 所述岩石试件尺寸为300mm*300mm*300mm；上部岩石试件尺寸：300mm*300mm*150mm；上部岩石试件尺寸：300mm*300mm*150mm。

通过采用人工制备试样，可以根据岩体的粗糙度和起伏度，制备同样粗糙度的标准人工试样，测试的可重复性高。

实施例2：

如图7所示，本实施例提供了一种岩石抗剪强度及蠕变变形测定方法，所述方法包括：

S1.将带有结构面的试件16置于剪切盒模块6内后，再将剪切盒放置于框架2的空腔结构中，在所述试件16的内部布置有若干个电阻应变片17；

具体的，将剪切盒模块6置于支撑平台5上，然后将剪切盒模块6推入空腔结构中，剪切盒模块6受到侧向压板27的压力，同时由于固定垫块22的存在，剪切盒模块6在试验过程中能够保持稳定。

S2.控制垂直加载模块3的力传感器12下移直至与上剪切盒14的顶面接触，控制水平加载模块4水平移动直至与上剪切盒14的侧面接触；

S3.将所述电阻应变片17与数据采集模块8电连接，具体的，电阻应变片17通过数据线与数据采集系统相连，数据采集系统通过数据线与控制系统相连；

S4.先后控制垂直加载模块3和水平加载模块4对试件16施压以进行直剪试验或蠕变试验；

S5.在试验过程中，按照预设测量频率获取电阻应变片17的应变值和试件上部件的水平位移，以计算得到试件16的抗剪强度和蠕变变形。

具体的，在直剪试验过程中，预先给试件施加法向荷载，待法向荷载稳定后再给试件施加剪切荷载或者剪切位移，在试验过程中获取试件的水平位移和施加在试件上的荷载（或剪应力），得到结构面位移-荷载（或剪应力）曲线，在位移-荷载（或剪应力）曲线上一点与原点连线近似为一条直线的点则为结构面抗剪强度极限值。

本实施例中，当进行直剪试验时，所述试件内的点阵面平行于结构面，请参阅图8、图9，图中，所述电阻应变片17设置有6行6列，相互之间保持间隙：

S41.控制垂直加载模块3对试件16施加垂直荷载，当垂直荷载加载至第一目标值后维持荷载的稳定，荷载稳定时间为第一预设时长，优选的，所述第一时长为5min；

S42.继续控制垂直荷载对试件16施加第一目标值的垂直荷载，同时控制水平加载模块4对试件16施加水平荷载，当水平荷载加载至第二目标值后停止试验。

S51.获取电阻应变片17的应变值，优选的，测量频率为1次/s；

S52.根据试件16弹性模量和所述电阻应变片17的应变值计算得到试件16的平均剪切应力：

；（1）

式中，表示第/>行第/>列电阻应变片的水平应变值，/>表示弹性模量，/>表示电阻应变片的平均剪切应力。

S53.计算全部电阻应变片17的剪切应力平均值得到试件16的平均剪切应力;

；（2）

S54.将所述结构面划分为若干个网格,每个网格中布置有一个电阻应变片17，具体的，将所述结构面平均划分为6行6列的网格;

S55.获取应变值不为0的电阻应变片17所在的网格作为有效区域：

；（3）

式中，和/>分别表示网格的长和宽，/>表示网格的面积。

S56.计算有效区域的面积之和得到试件16的剪切面积：

；（4）

具体的，在蠕变变形试验过程中，通过对试件预先施加法向荷载，待法向荷载稳定后在逐级施加剪切荷载，当剪切位移随时间变化时极剧增大时认为试件发生剪切破坏。

请参阅图10、图11，本实施例中，当进行蠕变变形试验时，所述试件内的点阵面垂直于结构面，且一个网格中包括两个交叉的电阻应变片17，分别沿x方向和z方向设置。

S41.控制垂直加载模块3对试件16施加垂直荷载，当垂直荷载加载至第一目标加载值后维持荷载的稳定，荷载稳定时间为第一预设时长；

S42.继续控制垂直荷载对试件16施加第一目标值的垂直荷载，同时控制水平加载模块4对试件16施加水平荷载，当水平荷载加载至第一预设加载值后维持荷载的稳定；

S43.再次控制水平加载模块4对试件16继续施加水平荷载，当水平荷载加载至第二预设加载值后维持荷载的稳定，重复对试件16施加水平荷载，直到水平荷载加载第三目标值后停止试验。

S51.分别获取两个位移测量模块7对试件上部件的第一测量值和第二测量值，具体的，蠕变试验开始时，测量频率为1次/s，水平荷载加载第三目标值后的1-3h内，测量频率为1次/2min，荷载稳定后3h后，位移和应变测量频率为1次/h。

S52.由第一测量值和第二测量值的平均值除以试件16的长度得到试件16的水平应变（位移值除长度得到的是应变值）；

S53.获取电阻应变片17的应变值，基于电阻应变片17的应变值和每个网格的长度计算得到试件16的平均水平应变和结构面的总蠕变位移。

本实施例中，由于第三行网格位于结构面之上，且与结构面最接近，因此将第三排网格的平均水平应变作为试件的平均水平应变：

；（5）

式中，表示第3行第i列网格的应变值，所述网格的应变值等于网格内电阻应变片17的应变值；

将第三排网格的蠕变位移应变作为试件的蠕变位移：

；（6）

式中，表示第3行第i列网格的长度。

最后，计算得到每个测量时间下试件的抗剪强度和蠕变变形后，

以剪切位移为x轴，平均剪应力为y轴，绘制剪切位移-剪应力图表,如图12应变片曲线所示；

读取数据采集器记录的水平力传感器随位移变化的剪应力值并绘制位移-剪应力图表，如图12测力计曲线所示 , 本发明应变片测定的剪应力与测力计的结果相似；

以剪切位移为x轴，剪切面积S为y轴，绘制剪切位移-剪切面积s图表,如图13所示,本发明计算所得剪切面积随剪切位移的增加逐渐减小;

以蠕变总时间为x轴，水平应变为y轴绘制并对比ε ₁，ε ₂随时间变化的图表;如图14中测力计曲线和应变片曲线所示, 本发明计算所得平均水平应变与位移计所得结果相近，验证了结果的可靠性，同时本发明计算结果相对于位移计所得结果偏小，结果更加精确。

以应变片到结构面的距离l _yi 为x轴，应变值ε _xij 为y轴绘制应变值随距离变化的图表，如图15所示,垂直于结构面方向的应变关于结构面对称，越靠近结构面应变值越大。

需要说明的是，关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种岩石抗剪强度及蠕变变形测定方法，其特征在于，包括：

操作设备,所述操作设备包括底座(23)和位于底座(23)上方的框架(2)，所述框架(2)的中部为空腔结构，所述框架(2)的上方连接有垂直加载模块(3)、侧面连接有水平加载模块(4)；

剪切盒模块(6)，所述剪切盒模块(6)置于框架(2)的空腔结构中，用于装载试件(16)；

所述剪切盒模块(6)包括上剪切盒(14)、下剪切盒(15)和位移测量模块(7)，所述上剪切盒(14)位于下剪切盒(15)的上侧，所述上剪切盒(14)和下剪切盒(15)的前后两侧分别安装有位移测量模块(7)；

所述试件(16)内部包括结构面，所述结构面将试件(16)分为上部件和下部件；所述试件(16)的内部均匀布置有若干个电阻应变片(17)形成点阵面，所述点阵面平行于结构面或垂直于结构面；

将带有结构面的试件(16)置于剪切盒模块(6)内后，再将剪切盒放置于框架(2)的空腔结构中；

控制垂直加载模块(3)的力传感器(12)下移直至与上剪切盒(14)的顶面接触，控制水平加载模块(4)水平移动直至与上剪切盒(14)的侧面接触；

将所述电阻应变片(17)与数据采集模块(8)电连接；

先后控制垂直加载模块(3)和水平加载模块(4)对试件(16)施压以进行蠕变试验；

在试验过程中，按照预设测量频率获取电阻应变片(17)的应变值和试件上部件的水平位移，以计算得到试件(16)的蠕变变形，其中，所述试件内的点阵面垂直于结构面，将所述点阵面划分为若干个网格，且一个网格中包括两个交叉的电阻应变片，分别沿x方向和z方向设置，所述蠕变变形包括试件的平均水平应变和结构面的总蠕变位移，包括：

在蠕变试验中获取电阻应变片(17)的应变值，基于电阻应变片(17)的应变值和每个网格的长度计算得到试件(16)的平均水平应变ε₂和结构面的总蠕变位移u：

式中，表示第3行第i列网格的应变值，共6列网格，所述网格的应变值等于网格内电阻应变片的应变值；

式中，a_x3i表示第3行第i列网格的长度。

2.根据权利要求1所述的岩石抗剪强度及蠕变变形测定方法，其特征在于,先后控制垂直加载模块(3)和水平加载模块(4)对试件(16)施压以进行蠕变试验，包括：

控制垂直加载模块(3)对试件(16)施加垂直荷载，当垂直荷载加载至第一目标加载值后维持荷载的稳定，荷载稳定时间为第一预设时长；

继续控制垂直荷载对试件(16)施加第一目标值的垂直荷载，同时控制水平加载模块(4)对试件(16)施加水平荷载，当水平荷载加载至第一预设加载值后维持荷载的稳定；

再次控制水平加载模块(4)对试件(16)继续施加水平荷载，当水平荷载加载至第二预设加载值后维持荷载的稳定，逐级对试件(16)施加水平荷载，直到水平荷载加载第三目标值后停止试验。

3.根据权利要求1所述的岩石抗剪强度及蠕变变形测定方法，其特征在于,进行直剪试验时，计算试件(16)的抗剪强度，其中，所述试件内的点阵面平行于结构面，所述抗剪强度包括试件(16)的平均剪切应力和剪切面积,包括：

获取电阻应变片(17)的应变值；

根据试件(16)弹性模量和所述电阻应变片(17)的应变值计算得到电阻应变片的平均剪切应力τ_xij：

τ_xij＝ε_xij*E；

式中，ε_xij表示第i行第j列电阻应变片的水平应变值，E表示弹性模量，τ_xij表示电阻应变片的平均剪切应力；

计算全部电阻应变片(17)的剪切应力平均值得到试件(16)的平均剪切应力τ₁：

将所述结构面划分为若干个网格,每个网格中布置有一个电阻应变片(17)；

获取应变值不为0的电阻应变片(17)所在的网格作为有效区域；

计算有效区域的面积之和得到试件(16)的剪切面积。

4.根据权利要求3所述的岩石抗剪强度及蠕变变形测定方法，其特征在于,先后控制垂直加载模块(3)和水平加载模块(4)对试件(16)施压以进行直剪试验，包括：

控制垂直加载模块(3)对试件(16)施加垂直荷载，当垂直荷载加载至第一目标值后维持荷载的稳定，荷载稳定时间为第一预设时长；

继续控制垂直荷载对试件(16)施加第一目标值的垂直荷载，同时控制水平加载模块(4)对试件(16)施加水平荷载，当水平荷载加载至第二目标值后停止试验。

5.根据权利要求1所述的岩石抗剪强度及蠕变变形测定方法，其特征在于,计算试件(16)的蠕变变形,所述蠕变变形包括试件(16)的水平应变,包括：

分别获取两个位移测量模块(7)对试件上部件的第一测量值和第二测量值；

由第一测量值和第二测量值的平均值除以试件(16)的长度得到试件(16)的水平应变。