一種模擬巖體結(jié)構(gòu)面失效的剪切試驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖石力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種模擬巖體結(jié)構(gòu)面失效的剪切試驗(yàn)裝置及方法，特別適用于三維應(yīng)力條件下的巖體剪切試驗(yàn)。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于地下采礦工程和地下巖體開(kāi)挖工程而言，巖體結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定性對(duì)工程的安全性起著至關(guān)重要的作用，對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定性開(kāi)展深入研究，其意義甚至超過(guò)對(duì)完整巖體的力學(xué)性能的研究。
[0003]關(guān)于巖體結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定性的研究，現(xiàn)階段主要以剪切試驗(yàn)為主，在《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T50123-1999》中明確了細(xì)粒土的直接剪切試驗(yàn)方法，在《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程SL264-2001》中規(guī)定了巖塊、混凝土與巖石接觸面的直接剪切試驗(yàn)方法，在直接剪切試驗(yàn)中，主要是在塊狀或者圓柱狀試樣上施加不同的法向應(yīng)力，測(cè)得水平剪切力，以此計(jì)算試樣結(jié)構(gòu)面或接觸面的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。
[0004]但是，在以上國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)程中，均沒(méi)有提及小主應(yīng)力(垂直于法向應(yīng)力和水平剪切力所在平面內(nèi)的應(yīng)力)的影響，而只有當(dāng)小主應(yīng)力與法向應(yīng)力及水平剪切力同時(shí)存在時(shí)，才能夠最真實(shí)的模擬出地層的三維應(yīng)力條件，但是如何實(shí)現(xiàn)在三維應(yīng)力條件下的巖體剪切試驗(yàn)，一直是巖土工程界和學(xué)術(shù)界渴求的目標(biāo)，只有在三維應(yīng)力條件下模擬巖體結(jié)構(gòu)面失效，才能獲得最接近真實(shí)地應(yīng)力環(huán)境下的巖體結(jié)構(gòu)面剪切力學(xué)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種模擬巖體結(jié)構(gòu)面失效的剪切試驗(yàn)裝置及方法，具備在三維應(yīng)力條件下模擬巖體結(jié)構(gòu)面失效的能力，并獲得最接近真實(shí)地應(yīng)力環(huán)境下的巖體結(jié)構(gòu)面剪切力學(xué)特性。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種模擬巖體結(jié)構(gòu)面失效的剪切試驗(yàn)裝置，包括試樣剪切盒、法向應(yīng)力測(cè)量單元、水平剪切力測(cè)量單元；
[0007]所述試樣剪切盒包括上、下兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的剪切塊，分別設(shè)為上剪切塊和下剪切塊；所述剪切塊整體均呈U型結(jié)構(gòu)，剪切塊的兩條U型臂之間設(shè)為試樣安裝槽；所述剪切塊的兩條U型臂的厚度不同，兩條所述U型臂分別設(shè)為薄側(cè)U型臂和厚側(cè)U型臂；所述試樣剪切盒由上剪切塊與下剪切塊扣合而成，呈扣合狀態(tài)的試樣剪切盒的上剪切塊薄側(cè)U型臂與下剪切塊厚側(cè)U型臂相對(duì)應(yīng)，上剪切塊厚側(cè)U型臂與下剪切塊薄側(cè)U型臂相對(duì)應(yīng)；所述上剪切塊薄側(cè)U型臂與下剪切塊厚側(cè)U型臂之間、上剪切塊厚側(cè)U型臂與下剪切塊薄側(cè)U型臂之間產(chǎn)生的厚度差為有效剪切行程；
[0008]所述法向應(yīng)力測(cè)量單元包括第一 LVDT位移傳感器及第一觸針，所述第一 LVDT位移傳感器通過(guò)第一傳感器支座安裝在上剪切塊上，所述第一觸針通過(guò)第一觸針支座安裝在下剪切塊上，第一觸針與第一 LVDT位移傳感器的第一鐵芯相接觸；
[0009]所述水平剪切力測(cè)量單元包括第二 LVDT位移傳感器及第二觸針，所述第二 LVDT位移傳感器通過(guò)第二傳感器支座安裝在下剪切塊上，所述第二觸針通過(guò)第二觸針支座安裝在上剪切塊上，第二觸針與第二 LVDT位移傳感器的第二鐵芯相接觸；
[0010]所述法向應(yīng)力測(cè)量單元及水平剪切力測(cè)量單元在小主應(yīng)力方向彼此留有安全間隙；
[0011 ] 所述第一 LVDT位移傳感器和第二 LVDT位移傳感器均通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線與數(shù)據(jù)采集器相連接，數(shù)據(jù)采集器與主控計(jì)算機(jī)相連接。
[0012]所述數(shù)據(jù)采集器選用DOL1-DEC控制器。
[0013]所述第一鐵芯和第二鐵芯的外端均為圓盤(pán)形結(jié)構(gòu)，第一觸針和第二觸針的觸頭端均為弧面結(jié)構(gòu)。
[0014]采用所述的模擬巖體結(jié)構(gòu)面失效的剪切試驗(yàn)裝置的剪切試驗(yàn)方法，包括如下步驟:
[0015]步驟一:準(zhǔn)備一塊標(biāo)準(zhǔn)試樣，并將標(biāo)準(zhǔn)試樣切割成對(duì)等的兩塊，分別記為一號(hào)試樣和二號(hào)試樣，并選取一處表面作為結(jié)構(gòu)面；
[0016]步驟二:在上剪切塊的試樣安裝槽內(nèi)表面涂抹減摩劑，再將上剪切塊的薄側(cè)U型臂內(nèi)表面涂抹上耐油硅膠，然后將一號(hào)試樣緩慢放入上剪切塊的試樣安裝槽內(nèi)，并保證上剪切塊的薄側(cè)U型臂內(nèi)表面的耐油硅膠被均勻擠出，使上剪切塊薄側(cè)U型臂與一號(hào)試樣之間的縫隙完全被耐油硅膠填滿；
[0017]步驟三:將下剪切塊的試樣安裝槽內(nèi)表面涂抹減摩劑，再將下剪切塊的薄側(cè)U型臂內(nèi)表面涂抹上耐油硅膠，然后將二號(hào)試樣緩慢放入下剪切塊的試樣安裝槽內(nèi)，并保證下剪切塊的薄側(cè)U型臂內(nèi)表面的耐油硅膠被均勻擠出，使下剪切塊薄側(cè)U型臂與二號(hào)試樣之間的縫隙完全被耐油硅膠填滿；
[0018]步驟四:將安裝有一號(hào)試樣的上剪切塊與安裝有二號(hào)試樣的下剪切塊扣合安裝在一起，此時(shí)上剪切塊和下剪切塊組成完整的試樣剪切盒，在試樣剪切盒內(nèi)的一號(hào)試樣和二號(hào)試樣的結(jié)構(gòu)面均勻接觸，然后在一號(hào)試樣與二號(hào)試樣的兩個(gè)自由面上涂抹耐油硅膠進(jìn)行密封，完成涂膠密封后的一號(hào)試樣和二號(hào)試樣與試樣剪切盒構(gòu)成密封組合件，最后將密封組合件送入烘干箱內(nèi)進(jìn)行烘干，直至耐油硅膠完全固化；
[0019]步驟五:將烘干后的密封組合件取出，再將法向應(yīng)力測(cè)量單元和水平剪切力測(cè)量單元安裝到試樣剪切盒上；
[0020]步驟六:將安裝有法向應(yīng)力測(cè)量單元和水平剪切力測(cè)量單元的密封組合件送入真三軸試驗(yàn)機(jī)的壓力室內(nèi)，依次將第一 LVDT位移傳感器及第二 LVDT位移傳感器的數(shù)據(jù)傳輸線與壓力室內(nèi)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)端口相連接，壓力室內(nèi)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)端口與數(shù)據(jù)采集器相連接，數(shù)據(jù)采集器與主控計(jì)算機(jī)相連接；
[0021]步驟七:啟動(dòng)主控計(jì)算機(jī)，查看第一LVDT位移傳感器及第二LVDT位移傳感器的信號(hào)是否接收正常，微調(diào)第一 LVDT位移傳感器、第二 LVDT位移傳感器的位置以及第一觸針、第二觸針的伸長(zhǎng)量，使第一 LVDT位移傳感器、第二 LVDT位移傳感器均處于試驗(yàn)量程范圍內(nèi)，且第一 LVDT位移傳感器、第二 LVDT位移傳感器的測(cè)量誤差均在±0.1 %以內(nèi)；
[0022]步驟八:封閉壓力室，首先通過(guò)充油加壓完成小主應(yīng)力的加載，然后進(jìn)行法向應(yīng)力的加載，最后進(jìn)行水平剪切力的加載，以在三維應(yīng)力條件下模擬巖體結(jié)構(gòu)面失效，并記錄下試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0023]在封閉壓力室之前，在試樣剪切盒上、下端面加裝滾動(dòng)軸承，在進(jìn)行水平剪切力加載時(shí)，通過(guò)滾動(dòng)軸承減小真三軸試驗(yàn)機(jī)豎向加載活塞對(duì)試樣剪切盒的摩擦影響。
[0024]本發(fā)明的有益效果:
[0025]本發(fā)明為了滿足在三維應(yīng)力條件下的巖體剪切試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了全新的模擬巖體結(jié)構(gòu)面失效的剪切試驗(yàn)裝置及方法，通過(guò)試樣剪切盒可直接將法向應(yīng)力和水平剪切力作用在巖體試樣上，同時(shí)還滿足了小主應(yīng)力對(duì)巖體試樣的加載；本發(fā)明可通過(guò)法向應(yīng)力測(cè)量單元和水平剪切力測(cè)量單元跟蹤測(cè)量剪切試驗(yàn)過(guò)程中巖石試樣結(jié)構(gòu)面的失效變形情況，以此獲得最接近真實(shí)地應(yīng)力環(huán)境下的巖體結(jié)構(gòu)面剪切力學(xué)特性。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明的一種模擬巖體結(jié)構(gòu)面失效的剪切試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明的試樣剪切盒結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖中，I一上剪切塊，2—下剪切塊，3—試樣安裝槽，4一第一 LVDT位移傳感器，5—第一觸針，6—第一傳感器支座，7—第一觸針支座，8—第一鐵芯，9一第二 LVDT位移傳感器，10—第二觸針，11一第二傳感器支座，12—第二觸針支座，13—第二鐵芯，14一薄側(cè)U型臂，15—厚側(cè)U型臂，16——號(hào)試樣，17—二號(hào)試樣。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0030]如圖1、2所示，一種模擬巖體結(jié)構(gòu)面失效的剪切試驗(yàn)裝置，包括試樣剪切盒、法向應(yīng)力測(cè)量單元、水平剪切力測(cè)量單元；
[0031]所述試樣剪切盒包括上、下兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的剪切塊，分別設(shè)為上剪切塊I和下剪切塊2 ;所述剪切塊整體均呈U型結(jié)構(gòu)，剪切塊的兩條U型臂之間設(shè)為試樣安裝槽3 ;所述剪切塊的兩條U型臂的厚度不同，兩條所述U型臂分別設(shè)為薄側(cè)U型臂14和厚側(cè)U型臂15 ;所述試樣剪切盒由上剪切塊I與下剪切塊2扣合而成，呈扣合狀態(tài)的試樣剪切盒的上剪切塊I薄側(cè)U型臂14與下剪切塊2厚側(cè)U型臂15相對(duì)應(yīng)，上剪切塊I厚側(cè)U型臂15與下剪切塊2薄側(cè)U型臂14相對(duì)應(yīng)；所述上剪切塊I薄側(cè)U型臂14與下剪切塊2厚側(cè)U型臂15之間、上剪切塊I厚側(cè)U型臂15與下剪切塊2薄側(cè)U型臂14之間產(chǎn)生的厚度差為有效剪切行程；
[0032]所述法向應(yīng)力測(cè)量單元包括第一 LVDT位移傳感器4及第一觸針5，所述第一 LVDT位移傳感器4通過(guò)第一傳感器支座6安裝在上剪切塊I上，所述第一觸針5通過(guò)第一觸針支座7安裝在下剪切塊2上，第一觸針5與第一 LVDT位移傳感器4的第一鐵芯8相接觸；
[0033]所述水平剪切力測(cè)量單元包括第二 LVDT位移傳感器9及第二觸針10，所述第二LVDT位移傳感器9通過(guò)第二傳感器支座11安裝在下剪切塊2上，所述第二觸針10通過(guò)第二觸針支座12安裝在上剪切塊I上，第二觸針10與第二 LVDT位移傳感器9的第二鐵芯13相接觸；
[0034]所述法向應(yīng)力測(cè)量單元及水平剪切力測(cè)量單元在小主應(yīng)力方向彼此留有安全間隙；
[0035]所述第一 LVDT位移傳感器4和第二 LVDT位移