巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法，裝置包括：底座，用于放置試件；加載框架，與底座固定連接；剪切加載系統(tǒng)，設(shè)于底座上，用于對(duì)試件施加剪切力；法向加載系統(tǒng)，與加載框架的頂端固定連接，用于對(duì)試件施加法向壓力；法向位移監(jiān)測系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)測量試件法向位移的大小；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，與法向加載系統(tǒng)和法向位移監(jiān)測系統(tǒng)連接，并實(shí)時(shí)接收試件的法向位移的數(shù)據(jù)，根據(jù)試件法向剛度不變的原則，即公式σ＝σ0+Δd*K，不斷調(diào)整加載系統(tǒng)對(duì)試件施加的法向壓力，從而達(dá)到巖體剪切試驗(yàn)過程中的法向剛度恒定。
【專利說明】
巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及地下工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化水平的提高和城市人口的增加，人類因居住和從事各種活動(dòng)而爭占土地的矛盾日趨激化。從宏觀上看，人口的增加和生活需求的增長與土地等自然條件的日益惡化和資源的逐漸枯竭引起的人類生存空間問題，已達(dá)到了危機(jī)的程度。在這種情況下，地下空間資源的開發(fā)與綜合利用，為人類生存空間的擴(kuò)展提供了具有很大潛力的自然資源。
[0003]然而在地下空間的開發(fā)利用中，需要對(duì)工程所處的圍巖類別進(jìn)行分級(jí)，并根據(jù)圍巖分級(jí)等相關(guān)情況對(duì)開挖巖體進(jìn)行支護(hù)。如果支護(hù)不當(dāng)則會(huì)發(fā)生類似圍巖坍塌的工程事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且給施工人員的生命安全造成威脅。因此，圍巖分級(jí)的準(zhǔn)確性、以及巖土工程支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)確保工程的施工安全、節(jié)省工程經(jīng)濟(jì)成本都具有重大的意義。而在圍巖分級(jí)和支護(hù)設(shè)計(jì)的過程中，巖體剪切參數(shù)的準(zhǔn)確選取起著至關(guān)重要的作用。
[0004]在地下工程中，巖體在不連續(xù)面的剪切過程中會(huì)產(chǎn)生剪脹現(xiàn)象，由于周圍巖體的存在，會(huì)對(duì)這種剪脹產(chǎn)生約束作用。所謂不連續(xù)面，又可稱為結(jié)構(gòu)面，包括節(jié)理、裂隙、斷層等情況。由于不連續(xù)面是粗糙不平的，隨著剪切位移不斷增大，剪脹程度不斷變化、周圍巖體對(duì)不連續(xù)面的法向荷載也會(huì)隨之不斷變化。在此過程中，只有周圍巖體的剛度保持恒定不變。
[0005]現(xiàn)有的剪切試驗(yàn)機(jī)只能實(shí)現(xiàn)恒定荷載邊界，此種邊界條件只能模擬作用于不連續(xù)面法向荷載不變的工程問題，如未支護(hù)的邊坡。地下工程巖體和錨固條件下巖體均處于恒定法向剛度邊界條件下，因此，恒定荷載邊界條件不再適合此類工程問題。使用現(xiàn)有的剪切試驗(yàn)機(jī)，不能很好的模擬這類工程情況。
[0006]另外，現(xiàn)有的剪切試驗(yàn)裝置只考慮法向應(yīng)力狀態(tài)，不能在實(shí)現(xiàn)模擬巖體原巖應(yīng)力的條件下，再施加需要的剪切荷載。
[0007]現(xiàn)有試驗(yàn)剪切儀的上述缺點(diǎn)會(huì)造成模擬環(huán)境失真，導(dǎo)致所獲得的力學(xué)參數(shù)與實(shí)際情況差異較大，甚至?xí)斐蓢鷰r分級(jí)的錯(cuò)誤確定、進(jìn)而誤導(dǎo)開挖工法和支護(hù)設(shè)計(jì)的合理選擇，對(duì)施工安全造成嚴(yán)重隱患、或造成工程經(jīng)濟(jì)成本的不必要浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可以使試件處于類似工程現(xiàn)場的應(yīng)力狀態(tài)，并在恒定法向剛度邊界條件下測試巖體不連續(xù)面剪切力學(xué)參數(shù)的巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法。
[0009]為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0010]巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置，包括:
[0011]底座，用于放置試件；
[0012]加載框架，與所述底座固定連接；
[0013]剪切加載系統(tǒng)，設(shè)于所述底座上，用于對(duì)所述試件施加剪切力；
[0014]法向加載系統(tǒng)，與所述加載框架的頂端固定連接，用于對(duì)所述試件施加法向壓力；
[0015]法向位移監(jiān)測系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)測量所述試件法向位移的大小；
[0016]計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，與所述法向加載系統(tǒng)和所述法向位移監(jiān)測系統(tǒng)連接，并實(shí)時(shí)接收所述試件的法向位移的數(shù)據(jù)，根據(jù)所述試件法向剛度不變的原則，即公式σ = σο+Λ(1*Κ，不斷調(diào)整所述法向加載系統(tǒng)對(duì)所述試件施加的法向壓力，從而達(dá)到巖體剪切試驗(yàn)過程中的法向剛度恒定；
[0017]式中，0為某時(shí)刻需要對(duì)所述試件施加的法向應(yīng)力，σο為所述試件的初始圍壓，Ad為所述試件在該時(shí)刻所發(fā)生的累計(jì)的法向位移，K為所述試件的法向剛度，K為定值。
[0018]控制系統(tǒng)利用法向位移監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)法向位移的實(shí)時(shí)反饋，隨時(shí)調(diào)節(jié)對(duì)試件施加的法向壓力大小，技術(shù)先進(jìn)，突破了傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)只能實(shí)現(xiàn)恒荷載邊界的技術(shù)難題，進(jìn)而可以根據(jù)圍巖在實(shí)際工程中的真實(shí)情況，能夠模擬巖體在不連續(xù)面處法向荷載不斷變化、和周圍巖體剛度恒定不變的情況，實(shí)現(xiàn)了恒定法向剛度邊界條件下的巖體不連續(xù)面剪切試驗(yàn)。利用恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置所獲得的巖石剪切力學(xué)參數(shù)更加符合實(shí)際情況，使圍巖分級(jí)的確定、開挖工法和支護(hù)設(shè)計(jì)的選擇更加科學(xué)準(zhǔn)確，對(duì)工程施工安全和經(jīng)濟(jì)成本的合理控制有重要的意義。
[0019]巖體恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置還包括水平加載系統(tǒng)，用以對(duì)所述試件施加垂直于剪切方向的水平壓力。
[0020]工程現(xiàn)場中，巖體在水平方向受到平行于剪切方向的水平剪力和垂直于剪切方向的水平壓力兩個(gè)方向的受力。理想的試驗(yàn)裝備應(yīng)首先使試件滿足工程現(xiàn)場的法向和兩個(gè)水平向的應(yīng)力狀態(tài)，然后施加需要的剪切荷載。傳統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)忽略了對(duì)水平壓力的模擬，模擬環(huán)境失真。通過采用水平加載系統(tǒng)，可以在進(jìn)行剪切試驗(yàn)之前實(shí)現(xiàn)水平壓力的模擬，使得試驗(yàn)的模擬環(huán)境與巖體在圍巖中的真實(shí)受力環(huán)境一致，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0021]所述底座上設(shè)有用以固定試件的試件固定部件，所述固定部件由彼此分離的上部固定件和下部固定件組成，所述固定部件內(nèi)部構(gòu)成用于容納所述試件的空間；所述水平加載系統(tǒng)包括液壓囊，所述液壓囊設(shè)在所述固定部件的側(cè)壁內(nèi)側(cè)，并與伺服油源連接;所述伺服油源與所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接。
[0022]計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制所述伺服油源對(duì)所述液壓囊加壓，使液壓囊膨脹，通過液壓囊與側(cè)壁的緊密擠壓，來施加對(duì)試件的水平壓力。
[0023]采用液壓囊而不是傳統(tǒng)的油缸來施加水平壓力，使得試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，合理利用空間，布局合理，減小儀器的占地面積，成本低廉。液壓囊由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制加壓，方便準(zhǔn)確。
[0024]所述法向加載系統(tǒng)包括用以對(duì)所述試件施加法向壓力的兩個(gè)平行設(shè)置的加載油缸。布置兩個(gè)相互平行的加載油缸，可以使試件的法向受力更加均勻。
[0025]所述剪切加載系統(tǒng)包括用以對(duì)所述試件施加剪力的設(shè)于所述試件兩側(cè)的第一剪切加載組件和第二剪切加載組件。
[0026]所述第一和第二剪切加載組件在所述試件沿剪切方向的兩側(cè)相互對(duì)置，所述第一剪切加載組件包括位于下方的第一剪切加載油缸和位于上方的第三剪切加載油缸，所述第二剪切加載組件包括位于下方的第二剪切加載油缸和位于上方的第四剪切加載油缸。
[0027]所述剪切加載系統(tǒng)與所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接，各個(gè)所述剪切加載油缸均獨(dú)立受控于所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
[0028]巖體在圍巖中的受力情況十分復(fù)雜，當(dāng)巖體在結(jié)構(gòu)面受到剪切作用時(shí)，是在原巖應(yīng)力的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)生的剪切作用。傳統(tǒng)的剪切試驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)形式多為在試件的兩側(cè)設(shè)置錯(cuò)開的加載部件，無法將巖體沿剪切方向的原巖應(yīng)力考慮在內(nèi)。將剪切加載系統(tǒng)設(shè)置為四個(gè)加載油缸，每個(gè)加載油缸都受計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的獨(dú)立控制，方便靈活，可以根據(jù)圍巖的實(shí)際情況，模擬巖體在結(jié)構(gòu)面附近的實(shí)際受力，在模擬剪切力的同時(shí)，可以將沿剪切方向的原巖應(yīng)力考慮在內(nèi)，使得剪切模擬過程更加符合實(shí)際地質(zhì)中的圍巖受力情況，使實(shí)現(xiàn)巖體受力環(huán)境的真實(shí)模擬成為可能。
[0029]所述剪切加載系統(tǒng)還包括第一缸體固定件和第二缸體固定件，所述第一剪切加載油缸的缸體和所述第三剪切加載油缸的缸體均固定在所述第一缸體固定件內(nèi)，所述第二剪切加載油缸的缸體和所述第四剪切加載油缸的缸體均固定在所述第二缸體固定件內(nèi)。
[0030]所述第一和第二缸體固定件上分別設(shè)有沿前后方向布置的第一傳力軸和第二傳力軸，所述傳力軸延伸至所述缸體固定件的前后表面外側(cè)形成突出部;所述第一和第二傳力軸的突出部通過傳力桿連接。第一和第二剪切加載組件通過傳力軸和傳力桿來提供反力，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，空間利用率高。
[0031]所述傳力桿為兩個(gè)，布置在所述第一和第二缸體固定件的前后兩側(cè)。
[0032]所述剪切加載系統(tǒng)還包括用以承載所述第一或第二剪切加載組件的剪切支撐裝置，所述剪切支撐裝置沿所述第一或第二剪切加載組件運(yùn)動(dòng)延伸的方向布置，所述剪切支撐裝置的表面與所述底座的表面平行。
[0033]所述第一缸體固定件和所述第二缸體固定件均與所述底座固定連接。
[0034]所述第一、第二、第三和/或第四剪切加載油缸的活塞桿的端頭設(shè)有用以與所述試件表面直接接觸的墊板。
[0035]所述試件固定部件與所述底座之間設(shè)有滾珠板，可以減小試件固定部件與底座的摩擦力，保證所模擬的巖體受力與實(shí)際情況更加相符。
[0036]巖體恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置還包括監(jiān)測系統(tǒng)，所述監(jiān)測系統(tǒng)包括所述法向位移監(jiān)測系統(tǒng)，并且還包括法向壓力監(jiān)測系統(tǒng)、剪力監(jiān)測系統(tǒng)、剪切位移監(jiān)測系統(tǒng)、水平力監(jiān)測系統(tǒng)中的一種或幾種。
[0037]所述的法向位移監(jiān)測系統(tǒng)，包括用以測量試件法向位移大小的位移計(jì)和位移數(shù)據(jù)米集儀。
[0038]所述的法向壓力監(jiān)測系統(tǒng)，包括用以測量試件所承受軸向壓力大小的壓力傳感器和法向壓力數(shù)據(jù)采集儀。
[0039]所述剪力監(jiān)測系統(tǒng)包括分別監(jiān)測四個(gè)所述剪切加載油缸相應(yīng)壓力的四個(gè)壓力監(jiān)測系統(tǒng)。在四個(gè)不同的剪切加載油缸上均設(shè)有壓力監(jiān)測儀，可以方便的監(jiān)測并調(diào)整相應(yīng)的原巖應(yīng)力和剪切力的數(shù)值，為實(shí)現(xiàn)巖體受力環(huán)境的真實(shí)模擬提供便利。
[0040]所述剪切位移監(jiān)測系統(tǒng)，包括用以分別測量所述第一和第二剪切加載組件中各個(gè)所述加載油缸位移值的若干位移計(jì)和剪切位移數(shù)據(jù)采集儀。
[0041]所述水平力監(jiān)測系統(tǒng)，包括用以測量垂直于剪切方向水平力大小的液壓傳感器和水平力圍壓數(shù)據(jù)采集儀。
[0042]巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)方法，包括以下步驟:
[0043]步驟1:向試件施加模擬巖體在圍巖中原始受力情況的原始水平剪力、原始水平壓力和原始法向壓力，所述原始水平剪力的施加方法為:第一、第二、第三和第四剪切加載油缸對(duì)所述試件的施力值等于圍巖的原始剪力值；
[0044]步驟2:保持所述第二和第三剪切加載油缸的壓力不變，保持所述第四剪切加載油缸位移不變，控制所述第一剪切加載油缸以恒定的速度朝向所述試件移動(dòng)來施加剪切力，在此過程中，實(shí)時(shí)獲取所述試件的法向位移數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述試件法向剛度不變的原則，不斷調(diào)整對(duì)所述試件所施加的法向壓力，以實(shí)現(xiàn)巖體剪切試驗(yàn)過程中的法向剛度恒定條件。
[0045]巖體在不連續(xù)面的剪切性能，因受力環(huán)境的不同會(huì)產(chǎn)生很大的差異。通過四個(gè)獨(dú)立的油缸，既可以在試驗(yàn)開始時(shí)模擬巖體的原始受力情況，又可以在發(fā)生剪力時(shí)，持續(xù)模擬圍巖受力環(huán)境。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，施加剪切力的油缸以恒定速度朝向試件來施加剪切力，更符合巖體在實(shí)際工程中的剪切受力情況;對(duì)于與試件直接受力區(qū)域相鄰的部分，受力大小仍然為原巖應(yīng)力狀態(tài)，因此第二和第三剪切加載油缸的壓力保持不變;第四剪切加載油缸對(duì)試件施力的部位與直接受力區(qū)域呈對(duì)角線，通過控制其位移保持不變來為剪切力提供反力。通過對(duì)上述四個(gè)油缸的控制，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)過程中對(duì)巖體受力環(huán)境的持續(xù)模擬，可以真實(shí)的模擬巖體不連續(xù)面的剪力受力過程，所獲得的力學(xué)參數(shù)更加準(zhǔn)確，大大提高了正確判斷圍巖分級(jí)和合理選擇支護(hù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。
[0046]所述水平剪力平行于剪切方向，所述水平壓力垂直于剪切方向，所述法向壓力的方向?yàn)樨Q直方向。
[0047]此處的剪切力，是指在原始水平剪力的基礎(chǔ)上，繼續(xù)向試件施加的剪力的增值。
[0048]進(jìn)一步的，步驟2中，當(dāng)所述試件的剪切位移達(dá)到設(shè)定值后，將所述剪切力卸載，使所述試件再次達(dá)到原巖應(yīng)力水平，保持所述第一和第四剪切加載油缸的壓力不變，保持所述第三剪切加載油缸位移不變，控制所述第二剪切油缸一恒定移動(dòng)速度朝向所述試件來施加反向剪切力，當(dāng)所述試件的剪切位移達(dá)到設(shè)定值后卸載所述反向剪切力，完成一個(gè)循環(huán)剪切;在此過程中，滿足所述試件法向剛度恒定的條件。
[0049]重復(fù)步驟2中的操作，實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)剪切。
[0050]巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)方法，包括以下步驟:
[0051 ]步驟1:向試件施加模擬巖體在圍巖中原始受力情況的水平剪力、水平壓力和法向壓力，所述水平剪力平行于剪切方向，所述水平壓力垂直于剪切方向，所述法向壓力的方向?yàn)樨Q直方向；
[0052]步驟2:向所述試件進(jìn)一步施加所述水平剪力，在此過程中，實(shí)時(shí)獲取所述試件的法向位移數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述試件法向剛度不變的原則，不斷調(diào)整對(duì)所述試件所施加的法向壓力，以實(shí)現(xiàn)巖體剪切試驗(yàn)過程中的法向剛度恒定條件。
[0053]傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法無法實(shí)現(xiàn)剪切試件法向剛度恒定的試驗(yàn)過程。通過獲取試件的法向位移數(shù)據(jù)，根據(jù)法相剛度不變的原則，調(diào)整法向壓力，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的循環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)法向剛度恒定條件，突破了傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)只能實(shí)現(xiàn)恒荷載邊界的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了恒定法向剛度邊界條件下的巖體不連續(xù)面剪切的試驗(yàn)過程。利用恒定法向剛度剪切試驗(yàn)方法所獲得的巖石剪切力學(xué)參數(shù)更加符合實(shí)際情況，使圍巖分級(jí)的確定、開挖工法和支護(hù)設(shè)計(jì)的選擇更加科學(xué)準(zhǔn)確，對(duì)工程施工安全和經(jīng)濟(jì)成本的合理控制有重要的意義。
[0054]進(jìn)一步的，步驟2中，當(dāng)所述試件的剪切位移達(dá)到設(shè)定值后，反向加載所述水平剪力，直到反向剪切位移達(dá)到位移設(shè)定值時(shí)，完成剪切試件的一次循環(huán)剪切；
[0055]重復(fù)步驟2中操作，實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)剪切;整個(gè)過程中，滿足所述試件法向剛度恒定的條件。
[0056]通過反向加載水平剪力，實(shí)現(xiàn)一次循環(huán)剪切，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)剪切，為多次循環(huán)剪切下剪切力學(xué)參數(shù)的理論研究，提供試驗(yàn)依據(jù)。
[0057]本發(fā)明的有益效果是:
[0058]能夠使巖體首先達(dá)到工程現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)、并實(shí)現(xiàn)了恒定法向剛度邊界條件下的巖體不連續(xù)面剪切試驗(yàn)，可以方便的進(jìn)行循環(huán)剪切試驗(yàn)，更真實(shí)的再現(xiàn)和測試巖石在工程現(xiàn)場的物理力學(xué)性質(zhì)。巖體不連續(xù)面恒定法向剛度邊界條件下的剪切試驗(yàn)對(duì)于確定合理的巖石剪切力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行合理的圍巖分級(jí)，采取合適的開挖工法和進(jìn)行合理的支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要意義。
[0059]剪切加載系統(tǒng)和水平加載系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)巖體在水平方向的原巖應(yīng)力的模擬，結(jié)合法向加載系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)剪切試件在三個(gè)維度全方位受力狀況的模擬，使得測試結(jié)果更加準(zhǔn)確。
【附圖說明】
[0060]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0061 ]圖2是剪切加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0062]圖3是試件固定部件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0063]圖4是試件的受力圖；
[0064]圖中，1.底座，2.加載框架，3.框架頂板，4.法向液壓油缸，5.剪切加載裝置，6.試件固定部件，7.第一剪切加載油缸，8.第二剪切加載油缸，9.第三剪切加載油缸，10.第四剪切加載油缸，11.滾珠板，12.上部固定件，13.下部固定件，14.傳力桿，15.支撐裝置，16.第一缸體固定件，17.第二缸體固定件，18.第一傳力軸，19.第二傳力軸。
【具體實(shí)施方式】
[0065]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0066]實(shí)施例1:
[0067]—種巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置，如圖1所示，包括底座1、加載框架2和法向加載系統(tǒng)。
[0068]其中法向加載系統(tǒng)包括兩個(gè)豎直平行設(shè)置的法向液壓油缸4和第一伺服油源，用于給試件施加法向壓力；第一伺服油源用于驅(qū)動(dòng)法向液壓油缸4來給巖石試件施加法向壓力;液壓油缸固定在框架頂板3上。
[0069]巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置還包括剪切加載系統(tǒng)，如圖2所示。剪切加載裝置5包括支撐裝置15、剪切加載框架、第一剪切加載油缸7及墊板、第二剪切加載油缸8及墊板、第三剪切加載油缸9及墊板、第四剪切加載油缸10及墊板、第二伺服油源、滾珠板11，用于給試樣加載剪切方向的水平原巖應(yīng)力和剪切力；滾珠板位于下側(cè)U型加載框的下方，用于減小試件固定部件6與底座I之間的摩擦力。
[0070]剪切加載系統(tǒng)還包括第一缸體固定件16和第二缸體固定件17，第一剪切加載油缸7的缸體和第三剪切加載油缸9的缸體均固定在第一缸體固定件16內(nèi)，第二剪切加載油缸的缸體和第四剪切加載油缸的缸體均固定在第二缸體固定件17內(nèi)，第一缸體固定件16和第二缸體固定件17之間設(shè)有用以給第一和第二剪切加載組件提供反力的傳力軸14。
[0071]第一和第二缸體固定件上分別設(shè)有沿前后方向布置的第一傳力軸18和第二傳力軸19，傳力軸18、19延伸至缸體固定件16、17的前后表面外側(cè)形成突出部;第一傳力軸18和第二傳力軸19的突出部通過傳力桿14連接。第一和第二剪切加載組件通過傳力軸和傳力桿來提供反力，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，空間利用率高。
[0072]傳力桿14為兩個(gè)，布置在第一和第二缸體固定件的前后兩側(cè)。
[0073]支撐裝置15用以承載第一剪切油缸7和第三剪切油缸9，剪切支撐裝置15沿第一剪切油缸7和第三剪切油缸9運(yùn)動(dòng)延伸的方向布置，剪切支撐裝置的表面與底座的表面平行。
[0074]巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置還包括水平加載系統(tǒng)。水平加載系統(tǒng)包括第三伺服油源、試件固定部件6和液壓囊，用于給試件施加垂直于剪切方向的水平原巖應(yīng)力;試件固定部件6為U型加載框，如圖3所示，共有上下兩個(gè)，包括將U型框架倒置的上部固定件12和U型框架正置的下部固定件13，U型加載框內(nèi)側(cè)預(yù)制兩個(gè)聯(lián)通的腔體，這兩個(gè)腔體共同構(gòu)成用以容納試件的空間。液壓囊設(shè)在U型框架的側(cè)壁內(nèi)側(cè)，在第三伺服油源的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)試件施加水平壓力；
[0075]巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置還包括監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)包括法向壓力監(jiān)測系統(tǒng)、法向位移監(jiān)測系統(tǒng)、剪切力監(jiān)測系統(tǒng)、剪切位移監(jiān)測系統(tǒng)、剪切方向水平力監(jiān)測系統(tǒng)、垂直于剪切方向水平力監(jiān)測系統(tǒng)；
[0076]法向壓力監(jiān)測系統(tǒng)，包括壓力傳感器和法向壓力數(shù)據(jù)采集儀，用于測量試件所承受軸向壓力的大小，并將其傳遞至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；
[0077]法向位移監(jiān)測系統(tǒng)，包括位移計(jì)和位移數(shù)據(jù)采集儀，用于測量試件法向位移的大小，并將其傳遞至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；
[0078]剪切力監(jiān)測系統(tǒng)，包括四個(gè)壓力傳感器和剪切力數(shù)據(jù)采集儀，四個(gè)壓力傳感器分別位于第一剪切加載油缸及墊板之間、第二剪切加載油缸及墊板之間、第三剪切加載油缸及墊板之間、第四剪切加載油缸及墊板之間，用于測量巖石試件所承受剪切力和剪切方向的水平原巖應(yīng)力的大小，并將其傳遞至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
[0079]剪切位移監(jiān)測系統(tǒng)，包括位移計(jì)和剪切位移數(shù)據(jù)采集儀，分別監(jiān)測三個(gè)剪切加載油缸的位移的大小，并將其傳遞至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；
[0080]垂直于剪切方向水平力監(jiān)測系統(tǒng)，包括液壓傳感器和水平力圍壓數(shù)據(jù)采集儀。
[0081]計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)、控制軟件、數(shù)據(jù)總線和控制器，用于提供人機(jī)交互界面，輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，收集各監(jiān)測數(shù)據(jù)，控制加載過程，實(shí)現(xiàn)恒定法向剛度邊界控制，以及顯示和輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果;數(shù)據(jù)總線用于在計(jì)算機(jī)和控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和傳輸，以及向計(jì)算機(jī)傳輸各監(jiān)測數(shù)據(jù);控制器通過數(shù)據(jù)總線接收計(jì)算機(jī)指令，根據(jù)指令控制各個(gè)加載系統(tǒng)按照特定的路徑進(jìn)行加載，從而實(shí)現(xiàn)恒定法向剛度邊界控制;恒定法向剛度邊界控制是指:剪切過程中，巖石試件會(huì)產(chǎn)生剪脹現(xiàn)象，由于不連續(xù)面是粗糙不平的，隨著剪切位移不斷增大，剪脹程度不斷變化，根據(jù)監(jiān)測得到的試件法向位移計(jì)算為了保持恒定法向剛度所需要的法向壓力，進(jìn)而通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出指令適時(shí)修正法向壓力的大小，形成控制循環(huán)，在剪切加載的整個(gè)過程中，該控制循環(huán)不斷進(jìn)行。試件的受力圖如圖4所示。
[0082]巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置的一種試驗(yàn)方法是:
[0083]首先將巖石試件安裝在U型加載框中，然后安裝到試驗(yàn)機(jī)相應(yīng)位置;通過剪切加載系統(tǒng)的四個(gè)油缸施加剪切方向的水平原巖應(yīng)力;通過水平加載系統(tǒng)施加垂直于剪切方向的水平原巖應(yīng)力;通過法向加載系統(tǒng)施加法向應(yīng)力;通過剪切加載系統(tǒng)第一剪切加載油缸以恒定移動(dòng)速度控制對(duì)試件施加向右的剪切力，同時(shí)保持第二剪切加載油缸和第三剪切加載油缸壓力不變，第四剪切加載油缸位移不變。
[0084]隨著剪切力不斷增大，試件的下半部分逐漸向右滑移，在此過程中實(shí)時(shí)測量試件的法向位移，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)法向位移計(jì)算為了保持恒定法向剛度邊界所需要的法向應(yīng)力，計(jì)算公式為:o = OQ+Ad*K，式中，σ為某時(shí)刻需要對(duì)試件施加的法向應(yīng)力其中0Q為初始圍壓，Ad為巖石試件在某一個(gè)階段發(fā)生的法向位移，K為巖石試件的法向剛度;進(jìn)而發(fā)出指令不斷修正法向應(yīng)力的大小，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束;實(shí)驗(yàn)過程中記錄和輸出巖石試件的圍壓、軸壓、側(cè)向變形和軸向變形數(shù)據(jù)。
[0085]在上述試驗(yàn)中，剪切位移達(dá)到預(yù)設(shè)目的之后，還可以方便的進(jìn)行循環(huán)剪切試驗(yàn)，具體方法為:將剪切力卸載，試件再次達(dá)到原巖應(yīng)力水平;通過剪切加載系統(tǒng)第二剪切加載油缸以恒定移動(dòng)速度控制對(duì)試件施加向左的剪切力，同時(shí)保持第一剪切加載油缸和第四剪切加載油缸壓力不變，第三剪切加載油缸位移不變;待剪切位移達(dá)到預(yù)設(shè)目的之后卸載剪切力，完成一個(gè)循環(huán)剪切;根據(jù)需要重復(fù)上述步驟，可以實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)剪切。
[0086]實(shí)施例2:
[0087]剪切加載系統(tǒng)也可以用普通的剪切加載機(jī)構(gòu)代替，比如在試件的兩側(cè)設(shè)置錯(cuò)開的加載部件，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的剪切試驗(yàn)。
[0088]水平加載系統(tǒng)，可以用沿垂直于剪切方向的水平液壓油缸代替，以此模擬試件的水平壓力。
[0089]對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)，未予以詳細(xì)說明的部分，為現(xiàn)有技術(shù)，在此不進(jìn)行贅述。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置，其特征在于:包括: 底座，用于放置試件； 加載框架，與所述底座固定連接； 剪切加載系統(tǒng)，設(shè)于所述底座上，用于對(duì)所述試件施加剪切力； 法向加載系統(tǒng)，與所述加載框架的頂端固定連接，用于對(duì)所述試件施加法向壓力； 法向位移監(jiān)測系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)測量所述試件法向位移的大小； 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，與所述法向加載系統(tǒng)和所述法向位移監(jiān)測系統(tǒng)連接，并實(shí)時(shí)接收所述試件的法向位移的數(shù)據(jù)，根據(jù)所述試件法向剛度不變的原則，即公式o = 0()+Ad*K，不斷調(diào)整所述法向加載系統(tǒng)對(duì)所述試件施加的法向壓力，從而達(dá)到巖體剪切試驗(yàn)過程中的法向剛度恒定； 式中，σ為某時(shí)刻需要對(duì)所述試件施加的法向應(yīng)力，OO為所述試件的初始圍壓，Ad為所述試件在該時(shí)刻所發(fā)生的累計(jì)的法向位移，K為所述試件的法向剛度，K為定值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述法向加載系統(tǒng)包括用以對(duì)所述試件施加法向壓力的兩個(gè)平行設(shè)置的加載油缸。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置，其特征在于:巖體恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置還包括水平加載系統(tǒng)，用以對(duì)所述試件施加垂直于剪切方向的水平壓力。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述底座上設(shè)有用以固定試件的試件固定部件，所述固定部件由彼此分離的上部固定件和下部固定件組成，所述固定部件內(nèi)部構(gòu)成用于容納所述試件的空間；所述水平加載系統(tǒng)包括液壓囊，所述液壓囊設(shè)在所述固定部件的側(cè)壁內(nèi)側(cè)，并與伺服油源連接;所述伺服油源與所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述剪切加載系統(tǒng)包括用以對(duì)所述試件施加剪力的設(shè)于所述試件兩側(cè)的第一剪切加載組件和第二剪切加載組件； 所述第一和第二剪切加載組件在所述試件沿剪切方向的兩側(cè)相互對(duì)置，所述第一剪切加載組件包括位于下方的第一剪切加載油缸和位于上方的第三剪切加載油缸，所述第二剪切加載組件包括位于下方的第二剪切加載油缸和位于上方的第四剪切加載油缸； 所述剪切加載系統(tǒng)與所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接，各個(gè)所述剪切加載油缸均獨(dú)立受控于所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括以下步驟: 步驟1:向試件施加模擬巖體在圍巖中原始受力情況的原始水平剪力、原始水平壓力和原始法向壓力，所述原始水平剪力的施加方法為:第一、第二、第三和第四剪切加載油缸對(duì)所述試件的施力值等于圍巖的原始剪力值； 步驟2:保持所述第二和第三剪切加載油缸的壓力不變，保持所述第四剪切加載油缸位移不變，控制所述第一剪切加載油缸以恒定速度朝向所述試件移動(dòng)來施加剪切力，在此過程中，實(shí)時(shí)獲取所述試件的法向位移數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述試件法向剛度不變的原則，不斷調(diào)整對(duì)所述試件所施加的法向壓力，以實(shí)現(xiàn)巖體剪切試驗(yàn)過程中的法向剛度恒定條件。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)方法，其特征在于:步驟2中，當(dāng)所述試件的剪切位移達(dá)到設(shè)定值后，將所述剪切力卸載，使所述試件再次達(dá)到原巖應(yīng)力水平，保持所述第一和第四剪切加載油缸的壓力不變，保持所述第三剪切加載油缸位移不變，控制所述第二剪切油缸一恒定移動(dòng)速度朝向所述試件來施加反向剪切力，當(dāng)所述試件的剪切位移達(dá)到設(shè)定值后卸載所述反向剪切力，完成一個(gè)循環(huán)剪切;在此過程中，滿足所述試件法向剛度恒定的條件。8.巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:向試件施加模擬巖體在圍巖中原始受力情況的水平剪力、水平壓力和法向壓力，所述水平剪力平行于剪切方向，所述水平壓力垂直于剪切方向，所述法向壓力的方向?yàn)樨Q直方向； 步驟2:向所述試件施加剪切力，在此過程中，實(shí)時(shí)獲取所述試件的法向位移數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述試件法向剛度不變的原則，不斷調(diào)整對(duì)所述試件所施加的法向壓力，以實(shí)現(xiàn)巖體剪切試驗(yàn)過程中的法向剛度恒定條件。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)方法，其特征在于;進(jìn)一步的，步驟2中，當(dāng)所述試件的剪切位移達(dá)到設(shè)定值后，卸載所述剪切力，并加載反向剪切力，直到反向剪切位移達(dá)到位移設(shè)定值時(shí)，完成剪切試件的一次循環(huán)剪切;整個(gè)過程中，滿足所述試件法向剛度恒定的條件。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的巖體不連續(xù)面恒定法向剛度剪切試驗(yàn)方法，其特征在于；重復(fù)所述步驟2中操作，實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)剪切。
【文檔編號(hào)】G01N3/24GK105973722SQ201610591608
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年7月26日
【發(fā)明人】蔣宇靜, 吳學(xué)震, 王剛
【申請(qǐng)人】山東科技大學(xué)