現(xiàn)場巖體拉剪試驗系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種現(xiàn)場巖體拉剪試驗系統(tǒng)，它包括拉應(yīng)力施加單元和剪應(yīng)力施加單元，其中，拉應(yīng)力施加單元包括左條形墊塊、左拉應(yīng)力施加千斤頂、左墊板、左傳力柱、左混凝土后座、右條形墊塊、右拉應(yīng)力施加千斤頂、右墊板、右傳力柱、右混凝土后座，剪應(yīng)力施加單元包括前側(cè)剪應(yīng)力施加千斤頂、前側(cè)墊板、前側(cè)傳力柱、前側(cè)混凝土后座、斷面為矩形的條形墊塊和斷面為梯形的條形墊塊。本發(fā)明針對現(xiàn)場不同尺度巖體開展拉剪試驗，獲得不同尺度巖體在拉剪應(yīng)力區(qū)的強度準(zhǔn)則和強度特征參數(shù)，為拉應(yīng)力區(qū)巖體強度特性研究提供有效手段和技術(shù)支持。
【專利說明】
現(xiàn)場巖體拉剪試驗系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種現(xiàn)場巖體拉剪試驗系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在橫坐標(biāo)為正應(yīng)力、縱坐標(biāo)為剪應(yīng)力的平面直角坐標(biāo)系中，巖體的強度包絡(luò)線可 被劃分為3個區(qū)段:其一是正應(yīng)力為拉應(yīng)力的區(qū)段(第1區(qū)段），其二是正應(yīng)力為壓應(yīng)力且壓 應(yīng)力相對較低的區(qū)段(第2區(qū)段），其三是正應(yīng)力為壓應(yīng)力且壓應(yīng)力相對較高的區(qū)段(第3區(qū) 段）。第2區(qū)段內(nèi)巖體的強度包絡(luò)線一般具有較好的線性特征，目前的巖體抗剪強度試驗主 要集中在這一區(qū)段。第3區(qū)段內(nèi)巖體的強度包絡(luò)線通常呈現(xiàn)出明顯的非線性特征，結(jié)合高應(yīng) 力區(qū)巖體工程研究的需要，目前對該區(qū)段巖體的抗剪強度特征也開展了一些研究。但是，對 于巖體在第1區(qū)段內(nèi)的抗拉強度特征、拉剪強度特征，由于缺乏有效的試驗研究方法，特別 是缺乏現(xiàn)場大尺度巖體拉剪試驗方法，目前認(rèn)識水平還很低，遠(yuǎn)不能滿足巖體工程實踐的 需要。
[0003] 工程巖體所賦存的應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，部分工程巖體可能處于拉或拉剪應(yīng)力狀態(tài)。特 別是當(dāng)巖體所處初始應(yīng)力水平較高，如深埋地下洞室工程巖體、高陡邊坡工程巖體、高壩壩 基巖體等，在開挖強卸荷、局部應(yīng)力集中、應(yīng)力重分布等因素影響下，相當(dāng)部分巖體的應(yīng)力 狀態(tài)都將處于單軸拉伸或拉剪應(yīng)力狀態(tài)。由于巖體的抗拉強度遠(yuǎn)低于抗壓強度，拉剪強度 也不同于壓剪強度，實際巖體工程中拉應(yīng)力出現(xiàn)的部位往往也是最容易發(fā)生破壞的部位， 是威脅巖體工程安全的關(guān)鍵部位。對拉應(yīng)力區(qū)巖體強度特性認(rèn)識不夠深入，極大影響了巖 體工程穩(wěn)定性分析、巖體工程安全評價的客觀性和準(zhǔn)確性。
[0004] 目前針對完整巖石在室內(nèi)開展了一些拉應(yīng)力區(qū)巖石強度特性試驗研究。由于巖體 結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和巖體力學(xué)特性的尺度效應(yīng)，室內(nèi)完整巖石的試驗成果不能代表現(xiàn)場巖體， 室內(nèi)試驗成果也很難直接應(yīng)用到實際巖體工程。另外，受試樣尺寸限制、現(xiàn)場環(huán)境條件影 響，室內(nèi)巖石試驗中拉應(yīng)力的施加方法難以照搬到現(xiàn)場。目前針對大尺度巖體的抗拉強度 特性和拉剪強度特性，基本上還沒開展過現(xiàn)場試驗研究。已有文獻(xiàn)報道中僅見針對三峽船 閘邊坡花崗巖開展了現(xiàn)場巖體拉剪試驗，其中拉應(yīng)力的施加方法是在試樣頂部鉆孔埋設(shè)錨 桿，然后采用反力梁給試樣提供拉荷載。三峽船閘邊坡工程中采用的現(xiàn)場巖體拉剪試驗方 法安裝繁瑣、實施困難，而且存在以下不足:首先，在試樣頂部鉆孔會損壞試樣完整性，降低 試驗成果的代表性;其次，施加到各根錨桿上的拉荷載很難大小相等，這會導(dǎo)致剪切面上拉 應(yīng)力分布不均，影響試驗成果的可靠度。
[0005] 針對上述問題和巖體工程實踐的需要，本發(fā)明提出了一種理論上可靠、實施操作 上便捷的適用于不同尺度巖體的現(xiàn)場巖體拉剪試驗方法，可以為拉應(yīng)力區(qū)巖體強度特性研 究提供有效手段和技術(shù)支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種現(xiàn)場巖體拉剪試驗系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)和方法針對現(xiàn) 場不同尺度巖體開展拉剪試驗，獲得不同尺度巖體在拉剪應(yīng)力區(qū)的強度準(zhǔn)則和強度特征參 數(shù)，為拉應(yīng)力區(qū)巖體強度特性研究提供有效手段和技術(shù)支持。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開的一種現(xiàn)場巖體拉剪試驗系統(tǒng)，它包括拉應(yīng)力 施加單元和剪應(yīng)力施加單元，其中，拉應(yīng)力施加單元包括左條形墊塊、左拉應(yīng)力施加千斤 頂、左墊板、左傳力柱、左混凝土后座、右條形墊塊、右拉應(yīng)力施加千斤頂、右墊板、右傳力 柱、右混凝土后座，所述左拉應(yīng)力施加千斤頂?shù)母左w通過左墊板與左傳力柱的一端連接，左 傳力柱的另一端通過另一個左墊板與左混凝土后座的一端連接，左混凝土后座的另一端與 基巖固定連接，左拉應(yīng)力施加千斤頂?shù)幕钊麠U與左條形墊塊的底座連接，左條形墊塊的頂 面能與試樣的左側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面接觸;所述右拉應(yīng)力施加千斤頂?shù)母左w通過右墊板與 右傳力柱的一端連接，右傳力柱的另一端通過另一個右墊板與右混凝土后座的一端連接， 右混凝土后座的另一端與基巖固定連接，右拉應(yīng)力施加千斤頂?shù)幕钊麠U與右條形墊塊的底 座連接，右條形墊塊的頂面能與試樣的右側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面接觸；
[0008] 所述剪應(yīng)力施加單元包括前側(cè)剪應(yīng)力施加千斤頂、前側(cè)墊板、前側(cè)傳力柱、前側(cè)混 凝土后座、斷面為矩形的條形墊塊和斷面為梯形的條形墊塊，其中，前側(cè)剪應(yīng)力施加千斤頂 的缸體通過前側(cè)墊板與前側(cè)傳力柱的一端連接，前側(cè)傳力柱的另一端通過另一個前側(cè)墊板 與前側(cè)混凝土后座的一端連接，前側(cè)混凝土后座的另一端與基巖固定連接，前側(cè)剪應(yīng)力施 加千斤頂?shù)幕钊麠U與斷面為梯形的條形墊塊的下底面連接，斷面為梯形的條形墊塊的上底 面連接斷面為矩形的條形墊塊的一端，斷面為矩形的條形墊塊的另一端能與試樣的剪切荷 載加載面接觸。
[0009] -種利用上述系統(tǒng)的現(xiàn)場巖體拉剪試驗方法，它包括如下步驟：
[0010] 步驟1:制備試樣；
[0011]步驟2:在試樣的左側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面和右側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面安裝所述拉應(yīng) 力施加單元，并使左條形墊塊與試樣左側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面的接觸線位于試樣預(yù)設(shè)剪切面 內(nèi)，同時使右條形墊塊與試樣右側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面的接觸線位于所述試樣預(yù)設(shè)剪切面 內(nèi)，而且保證左拉應(yīng)力施加千斤頂和右拉應(yīng)力施加千斤頂?shù)幕钊麠U的中心線也與所述預(yù)設(shè) 剪切面重合；
[0012] 步驟3:在試樣的剪切荷載加載面安裝所述剪應(yīng)力施加單元，并使前側(cè)剪應(yīng)力施加 千斤頂?shù)幕钊麠U的中心線與試樣預(yù)設(shè)剪切面平行；
[0013] 步驟4:在試樣左右兩側(cè)的前部和后部分別布置1個變形測點，每個變形測點安裝 法向位移測表和剪切位移測表，并記錄法向位移測表和剪切位移測表的初始讀數(shù)；
[0014] 步驟5:控制所述拉應(yīng)力施加單元對試樣施加試驗預(yù)設(shè)的拉應(yīng)力〇t，按如下公式1 計算試驗預(yù)設(shè)的拉應(yīng)力對應(yīng)的荷載P:
[0016] 其中，〇*為試驗預(yù)設(shè)的拉應(yīng)力，P為施加在試樣左側(cè)面和右側(cè)面上的劈裂荷載，A為 預(yù)設(shè)剪切面10的面積；
[0017] 分級將劈裂荷載逐步加載至P，劈裂荷載施加過程中，測讀并記錄試樣的法向位 移;上述劈裂荷載的分級施加采用時間控制，第一級劈裂荷載加載后立即測讀試樣的法向 位移，預(yù)設(shè)時間后再測讀一次試樣的法向位移，然后即可施加下一級劈裂載荷，直到加至預(yù) 定劈裂荷載P后仍按每隔上述預(yù)設(shè)時間測讀一次，直到相鄰兩次試樣法向位移之差不大于 預(yù)設(shè)值時可開始施加剪切載荷；
[0018] 步驟6:待施加法向荷載導(dǎo)致的法向變形穩(wěn)定后，逐級增加前側(cè)剪應(yīng)力施加千斤頂 的出力，每級增加預(yù)估極限剪切荷載的1/10,每級剪切荷載施加前后，對試樣的法向位移測 表和剪切位移測表進(jìn)行測讀，當(dāng)剪切位移增量超過前一級剪切位移增量的1.5倍時，減半施 加剪切荷載；
[0019] 步驟7:依據(jù)上述法向位移測表和剪切位移測表測讀數(shù)據(jù)、拉應(yīng)力值和剪應(yīng)力值繪 制試樣的法向位移與拉應(yīng)力關(guān)系曲線、剪切位移與剪應(yīng)力關(guān)系曲線、法向位移與剪應(yīng)力關(guān) 系曲線。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0021] 1、能夠在現(xiàn)場開展不同尺度巖體的抗拉強度試驗、純剪強度試驗、拉剪強度試驗， 可以獲得不同尺度巖體的拉剪強度準(zhǔn)則及抗拉強度、純剪強度、拉剪強度等特征參數(shù)。 [0022] 2、依據(jù)劈裂法拉伸試驗的壓-拉轉(zhuǎn)換原理施加拉應(yīng)力，理論完備，可以在預(yù)設(shè)剪切 面上施加近均勻分布的拉應(yīng)力。
[0023] 3、拉應(yīng)力的施加不損壞試樣，可以保證試樣的原狀性和試驗成果的代表性。
[0024] 4、試驗所需設(shè)備簡單、安裝便捷，易于實施，而且可以在平洞、地表等不同環(huán)境條 件下開展試驗。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的平面布置示意圖。
[0026]圖2為圖1中A-A方向的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖3為圖1中B-B方向的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]其中，1 一試樣、2-左條形墊塊、2.1-右條形墊塊、3-左拉應(yīng)力施加千斤頂、 3.1-右拉應(yīng)力施加千斤頂、3.2-前側(cè)剪應(yīng)力施加千斤頂、4 一左墊板、4.1 一右墊板、4.2- 前側(cè)墊板、5-左傳力柱、5 ? 1-右傳力柱、5 ? 2-前側(cè)傳力柱、6-左混凝土后座、6 ? 1-右混 凝土后座、6.2-前側(cè)混凝土后座、7-基巖、8-斷面為矩形的條形墊塊、9一斷面為梯形的 條形墊塊、10-預(yù)設(shè)剪切面。
【具體實施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0030]本發(fā)明所設(shè)計的一種現(xiàn)場巖體拉剪試驗系統(tǒng)，如圖1~3所示：它包括拉應(yīng)力施加 單元和剪應(yīng)力施加單元，其中，拉應(yīng)力施加單元包括左條形墊塊2、左拉應(yīng)力施加千斤頂3、 左墊板4、左傳力柱5、左混凝土后座6、右條形墊塊2.1、右拉應(yīng)力施加千斤頂3.1、右墊板 4.1、右傳力柱5.1、右混凝土后座6.1，所述左拉應(yīng)力施加千斤頂3的缸體通過左墊板4與左 傳力柱5的一端連接，左傳力柱5的另一端通過另一個左墊板4與左混凝土后座6的一端連 接，左混凝土后座6的另一端與基巖7固定連接，左拉應(yīng)力施加千斤頂3的活塞桿與左條形墊 塊2的底座連接，左條形墊塊2的頂面能與試樣1的左側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面接觸;所述右拉應(yīng) 力施加千斤頂3.1的缸體通過右墊板4.1與右傳力柱5.1的一端連接，右傳力柱5.1的另一端 通過另一個右墊板4.1與右混凝土后座6.1的一端連接，右混凝土后座6.1的另一端與基巖7 固定連接，右拉應(yīng)力施加千斤頂3.1的活塞桿與右條形墊塊2.1的底座連接，右條形墊塊2.1 的頂面能與試樣1的右側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面接觸；
[0031]所述剪應(yīng)力施加單元包括前側(cè)剪應(yīng)力施加千斤頂3.2、前側(cè)墊板4.2、前側(cè)傳力柱 5.2、前側(cè)混凝土后座6.2、斷面為矩形的條形墊塊8和斷面為梯形的條形墊塊9(所述斷面為 矩形的條形墊塊8和斷面為梯形的條形墊塊9的具體形狀的設(shè)計使剪應(yīng)力施加千斤頂活塞 的中心線與剪切面平行，而且使活塞中心線與剪切面的距離不大于剪切方向試樣邊長的 5% )，其中，前側(cè)剪應(yīng)力施加千斤頂3.2的缸體通過前側(cè)墊板4.2與前側(cè)傳力柱5.2的一端連 接，前側(cè)傳力柱5.2的另一端通過另一個前側(cè)墊板4.2與前側(cè)混凝土后座6.2的一端連接，前 側(cè)混凝土后座6.2的另一端與基巖7固定連接，前側(cè)剪應(yīng)力施加千斤頂3.2的活塞桿與斷面 為梯形的條形墊塊9的下底面連接，斷面為梯形的條形墊塊9的上底面連接斷面為矩形的條 形墊塊8的一端，斷面為矩形的條形墊塊8的另一端能與試樣1的剪切荷載加載面接觸。 [0032]上述技術(shù)方案中，基巖7需要能提供足夠的抗力。
[0033]上述技術(shù)方案中，所述左條形墊塊2的斷面為圓角三角形，該設(shè)計能保證墊塊與試 樣的接觸為線接觸，同時墊塊又不會插入到試樣里面。
[0034]上述技術(shù)方案中，所述右條形墊塊2.1斷面為圓角三角形。
[0035] 上述技術(shù)方案中，所述左條形墊塊2的頂面與試樣1左側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面的接觸 形式為線接觸，右條形墊塊2.1的頂面與試樣1右側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面的接觸形式為線接 觸，斷面為矩形的條形墊塊8的另一端與試樣1的剪切荷載加載面的接觸形式為條形接觸。
[0036] 上述技術(shù)方案中，所述左條形墊塊2傳遞到試樣1左側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面的荷載為 線性分布荷載，右條形墊塊2.1傳遞到試樣1右側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面的荷載為線性分布荷 載，斷面為矩形的條形墊塊8傳遞到試樣1剪切荷載加載面的荷載為條形分布荷載。
[0037] -種利用上述系統(tǒng)的現(xiàn)場巖體拉剪試驗方法，它包括如下步驟：
[0038] 步驟1:制備試樣1;
[0039]步驟2:在試樣1的左側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面和右側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面安裝所述拉應(yīng) 力施加單元，并使左條形墊塊2與試樣1左側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面的接觸線位于試樣1預(yù)設(shè)剪 切面10內(nèi)，同時使右條形墊塊2.1與試樣1右側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面的接觸線位于所述試樣1 預(yù)設(shè)剪切面10內(nèi)，而且保證左拉應(yīng)力施加千斤頂3和右拉應(yīng)力施加千斤頂3.1的活塞桿的中 心線也與所述預(yù)設(shè)剪切面10重合，將左拉應(yīng)力施加千斤頂3和右拉應(yīng)力施加千斤頂3.1串 聯(lián)，保證左拉應(yīng)力施加千斤頂3和右拉應(yīng)力施加千斤頂3.1同步工作；
[0040] 步驟3:在試樣1的剪切荷載加載面安裝所述剪應(yīng)力施加單元，并使前側(cè)剪應(yīng)力施 加千斤頂3.2的活塞桿的中心線與試樣1預(yù)設(shè)剪切面10平行，前側(cè)千斤頂3.2的活塞桿的中 心線距離所述預(yù)設(shè)剪切面10的距離小于試樣1沿剪切方向邊長的5% (剪切荷載直接作用在 預(yù)設(shè)剪切面上是最理想的，那樣剪切面上剪應(yīng)力也基本均勻分布，但實際試驗時難以做到 這一點，試驗中要求剪切荷載與預(yù)設(shè)剪切面平行，而且要求剪切荷載中心線與預(yù)設(shè)剪切面 盡量接近）；
[0041] 步驟4:在試樣1左右兩側(cè)的前部和后部分別布置1個變形測點，每個變形測點安裝 法向位移測表和剪切位移測表(測表支架支點應(yīng)放置于變形影響范圍之外），并記錄法向位 移測表和剪切位移測表的初始讀數(shù)(每個變形測表記錄其刻度盤上的初始數(shù)據(jù)，試驗過程 中，測表讀數(shù)的變化反應(yīng)了對應(yīng)位置和方向上的變形大?。?；
[0042]步驟5:控制所述拉應(yīng)力施加單元對試樣1施加試驗預(yù)設(shè)的拉應(yīng)力〇t，按如下公式1 計算試驗預(yù)設(shè)的拉應(yīng)力對應(yīng)的荷載P:
[0044]其中，〇t為試驗預(yù)設(shè)的拉應(yīng)力(單位為MPa)，P為施加在試樣1左側(cè)面和右側(cè)面上的 劈裂荷載(單位為N)，A為預(yù)設(shè)剪切面10的面積(單位為mm2);
[0045] 分5級將劈裂荷載逐步加載至P，劈裂荷載施加過程中，測讀并記錄試樣1的法向位 移;上述劈裂荷載的分級施加采用時間控制，第一級劈裂荷載加載后立即測讀試樣1的法向 位移，5min后再測讀一次試樣1的法向位移，然后即可施加下一級劈裂載荷，直到加至預(yù)定 劈裂荷載P后仍按每隔5min測讀一次，直到相鄰兩次試樣1法向位移之差不大于0.01mm時可 開始施加剪切載荷；
[0046] 步驟6:待施加法向荷載導(dǎo)致的法向變形穩(wěn)定后，逐級增加前側(cè)剪應(yīng)力施加千斤頂 的出力，每級增加預(yù)估極限剪切荷載的1/10,每級剪切荷載施加前后，對試樣的法向位移測 表和剪切位移測表進(jìn)行測讀，當(dāng)剪切位移增量超過前一級剪切位移增量的1.5倍時，減半施 加剪切荷載，剪應(yīng)力施加采用時間控制，每5min加載一級，施加前后對法向和切向位移測表 各測讀一次，接近剪斷時應(yīng)加密測讀，載荷和位移峰值前不得少于10組讀數(shù)；
[0047]步驟7 :依據(jù)上述法向位移測表和剪切位移測表測讀數(shù)據(jù)、拉應(yīng)力值和剪應(yīng)力值繪 制試樣1的法向位移與拉應(yīng)力關(guān)系曲線、剪切位移與剪應(yīng)力關(guān)系曲線、法向位移與剪應(yīng)力關(guān) 系曲線；
[0048]步驟8:依據(jù)每個變形測點的法向位移測表和剪切位移測表測讀數(shù)據(jù)、拉應(yīng)力值和 剪應(yīng)力值，繪制反映各試驗點峰值抗剪強度與拉應(yīng)力相關(guān)關(guān)系的散點分布圖，根據(jù)需要繪 制反映比例極限強度及屈服極限強度與拉應(yīng)力相關(guān)關(guān)系的散點分布圖；
[0049]步驟9:擬合抗剪強度與拉應(yīng)力相關(guān)關(guān)系，確定拉應(yīng)力區(qū)巖體強度準(zhǔn)則和特征強度 常數(shù)。
[0050]上述技術(shù)方案中，試樣1可以布置在平洞內(nèi)，也可以布置在地表，剪切面可以水平， 也可以傾斜或直立，采用人工鑿?fù)诨驒C(jī)械切割的方式，將試樣1制備成形態(tài)規(guī)則的六面體， 試樣1頂面和四個側(cè)面臨空，底面和基巖連接，試樣1底面為正方形。試樣1底面可以取不同 尺寸。試樣1高度不小于底邊長的2/3。
[0051 ]上述技術(shù)方案中，拉應(yīng)力施加方法為在試樣兩對立側(cè)面上施加一對線性分布荷 載，荷載施加面與預(yù)設(shè)剪切面重合，荷載作用方向與剪切方向垂直。依據(jù)劈裂法拉伸試驗的 壓-拉轉(zhuǎn)換原理，沿剪切面施加的線性分布荷載可以轉(zhuǎn)換成剪切面上的垂直拉應(yīng)力。預(yù)設(shè)剪 切面與試樣底面平行，高出試樣底面2cm左右。
[0052]上述技術(shù)方案中，剪應(yīng)力施加方法為采用平推法施加剪應(yīng)力。在需要施加剪切荷 載的試樣側(cè)面上，采用千斤頂?shù)燃虞d設(shè)備給試樣施加條形分布荷載。荷載作用方向平行剪 切面。
[0053]本說明書未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項】
1. 一種現(xiàn)場巖體拉剪試驗系統(tǒng)，其特征在于：它包括拉應(yīng)力施加單元和剪應(yīng)力施加單 元，其中，拉應(yīng)力施加單元包括左條形墊塊(2)、左拉應(yīng)力施加千斤頂（3)、左墊板(4)、左傳 力柱(5)、左混凝土后座(6)、右條形墊塊(2.1)、右拉應(yīng)力施加千斤頂(3.1)、右墊板(4.1)、 右傳力柱（5.1)、右混凝土后座(6.1)，所述左拉應(yīng)力施加千斤頂(3)的缸體通過左墊板(4) 與左傳力柱（5)的一端連接，左傳力柱（5)的另一端通過另一個左墊板(4)與左混凝土后座 (6)的一端連接，左混凝土后座(6)的另一端與基巖(7)固定連接，左拉應(yīng)力施加千斤頂(3) 的活塞桿與左條形墊塊(2)的底座連接，左條形墊塊(2)的頂面能與試樣（1)的左側(cè)拉應(yīng)力 荷載加載面接觸；所述右拉應(yīng)力施加千斤頂（3.1)的缸體通過右墊板（4.1)與右傳力柱 (5.1) 的一端連接，右傳力柱(5.1)的另一端通過另一個右墊板(4.1)與右混凝土后座(6.1) 的一端連接，右混凝土后座(6.1)的另一端與基巖(7)固定連接，右拉應(yīng)力施加千斤頂(3.1) 的活塞桿與右條形墊塊(2.1)的底座連接，右條形墊塊(2.1)的頂面能與試樣（1)的右側(cè)拉 應(yīng)力荷載加載面接觸； 所述剪應(yīng)力施加單元包括前側(cè)剪應(yīng)力施加千斤頂(3.2)、前側(cè)墊板(4.2)、前側(cè)傳力柱 (5.2) 、前側(cè)混凝土后座(6.2)、斷面為矩形的條形墊塊(8)和斷面為梯形的條形墊塊(9)，其 中，前側(cè)剪應(yīng)力施加千斤頂(3.2)的缸體通過前側(cè)墊板(4.2)與前側(cè)傳力柱(5.2)的一端連 接，前側(cè)傳力柱(5.2)的另一端通過另一個前側(cè)墊板(4.2)與前側(cè)混凝土后座(6.2)的一端 連接，前側(cè)混凝土后座(6.2)的另一端與基巖(7)固定連接，前側(cè)剪應(yīng)力施加千斤頂(3.2)的 活塞桿與斷面為梯形的條形墊塊(9)的下底面連接，斷面為梯形的條形墊塊(9)的上底面連 接斷面為矩形的條形墊塊(8)的一端，斷面為矩形的條形墊塊(8)的另一端能與試樣（1)的 剪切荷載加載面接觸。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場巖體拉剪試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述左條形墊塊(2)的 斷面為圓角三角形。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的現(xiàn)場巖體拉剪試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述右條形墊塊(2.1) 斷面為圓角三角形。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場巖體拉剪試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述左條形墊塊(2)的 頂面與試樣（1)左側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面的接觸形式為線接觸，右條形墊塊(2.1)的頂面與試 樣（1)右側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面的接觸形式為線接觸，斷面為矩形的條形墊塊(8)的另一端與 試樣(1)的剪切荷載加載面的接觸形式為條形接觸。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場巖體拉剪試驗系統(tǒng)，其特征在于:所述左條形墊塊(2)傳 遞到試樣（1)左側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面的荷載為線性分布荷載，右條形墊塊(2.1)傳遞到試樣 (1)右側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面的荷載為線性分布荷載，斷面為矩形的條形墊塊(8)傳遞到試樣 (1)剪切荷載加載面的荷載為條形分布荷載。6. -種利用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的現(xiàn)場巖體拉剪試驗方法，其特征在于，它包括如下步 驟： 步驟1:制備試樣(1); 步驟2:在試樣（1)的左側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面和右側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面安裝所述拉應(yīng)力 施加單元，并使左條形墊塊(2)與試樣（1)左側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面的接觸線位于試樣（1)預(yù) 設(shè)剪切面（10)內(nèi)，同時使右條形墊塊(2.1)與試樣（1)右側(cè)拉應(yīng)力荷載加載面的接觸線位于 所述試樣（1)預(yù)設(shè)剪切面(10)內(nèi)，而且保證左拉應(yīng)力施加千斤頂(3)和右拉應(yīng)力施加千斤頂 (3.1) 的活塞桿的中心線也與所述預(yù)設(shè)剪切面(10)重合； 步驟3:在試樣（1)的剪切荷載加載面安裝所述剪應(yīng)力施加單元，并使前側(cè)剪應(yīng)力施加 千斤頂(3.2)的活塞桿的中心線與試樣(1)預(yù)設(shè)剪切面(10)平行； 步驟4:在試樣（1)左右兩側(cè)的前部和后部分別布置1個變形測點，每個變形測點安裝法 向位移測表和剪切位移測表，并記錄法向位移測表和剪切位移測表的初始讀數(shù)； 步驟5:控制所述拉應(yīng)力施加單元對試樣（1)施加試驗預(yù)設(shè)的拉應(yīng)力~，按如下公式（1) 計算試驗預(yù)設(shè)的拉應(yīng)力對應(yīng)的荷載P:其中，為試驗預(yù)設(shè)的拉應(yīng)力，P為施加在試樣（1)左側(cè)面和右側(cè)面上的劈裂荷載，A為預(yù) 設(shè)剪切面(10)的面積； 分級將劈裂荷載逐步加載至P，劈裂荷載施加過程中，測讀并記錄試樣（1)的法向位移； 上述劈裂荷載的分級施加采用時間控制，第一級劈裂荷載加載后立即測讀試樣（1)的法向 位移，預(yù)設(shè)時間后再測讀一次試樣（1)的法向位移，然后即可施加下一級劈裂載荷，直到加 至預(yù)定劈裂荷載P后仍按每隔上述預(yù)設(shè)時間測讀一次，直到相鄰兩次試樣（1)法向位移之差 不大于預(yù)設(shè)值時可開始施加剪切載荷； 步驟6:待施加法向荷載導(dǎo)致的法向變形穩(wěn)定后，逐級增加前側(cè)剪應(yīng)力施加千斤頂 (3.2) 的出力，每級增加預(yù)估極限剪切荷載的1/10，每級剪切荷載施加前后，對試樣（1)的法 向位移測表和剪切位移測表進(jìn)行測讀，當(dāng)剪切位移增量超過前一級剪切位移增量的1.5倍 時，減半施加剪切荷載； 步驟7:依據(jù)上述法向位移測表和剪切位移測表測讀數(shù)據(jù)、拉應(yīng)力值和剪應(yīng)力值繪制試 樣（1)的法向位移與拉應(yīng)力關(guān)系曲線、剪切位移與剪應(yīng)力關(guān)系曲線、法向位移與剪應(yīng)力關(guān)系 曲線。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的現(xiàn)場巖體拉剪試驗方法，其特征在于:所述步驟7后還包括步 驟8:依據(jù)每個變形測點的法向位移測表和剪切位移測表測讀數(shù)據(jù)、拉應(yīng)力值和剪應(yīng)力值， 繪制反映各試驗點峰值抗剪強度與拉應(yīng)力相關(guān)關(guān)系的散點分布圖，根據(jù)需要繪制反映比例 極限強度及屈服極限強度與拉應(yīng)力相關(guān)關(guān)系的散點分布圖； 步驟9:擬合抗剪強度與拉應(yīng)力相關(guān)關(guān)系，確定拉應(yīng)力區(qū)巖體強度準(zhǔn)則和特征強度常 數(shù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的現(xiàn)場巖體拉剪試驗方法，其特征在于:所述步驟9中采用拋物 線型或雙曲線型關(guān)系式擬合抗剪強度與拉應(yīng)力相關(guān)關(guān)系。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的現(xiàn)場巖體拉剪試驗方法，其特征在于:所述步驟5中，分5級將 劈裂荷載逐步加載至P，劈裂荷載施加過程中，測讀并記錄試樣（1)的法向位移;上述劈裂荷 載的分級施加采用時間控制，第一級劈裂荷載加載后立即測讀試樣（1)的法向位移，5min后 再測讀一次試樣（1)的法向位移，然后即可施加下一級劈裂載荷，直到加至預(yù)定劈裂荷載P 后仍按每隔5min測讀一次，直到相鄰兩次試樣（1)法向位移之差不大于0.01mm時可開始施 加剪切載荷。10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的現(xiàn)場巖體拉剪試驗方法，其特征在于:所述步驟3中，前側(cè)千 斤頂(3.2)的活塞桿的中心線距離所述預(yù)設(shè)剪切面（10)的距離小于試樣（1)沿剪切方向邊 長的5% D
【文檔編號】G01N3/08GK106053209SQ201610545914
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月13日
【發(fā)明人】張宜虎, 周火明, 鄔愛清, 陳沖, 范雷, 熊詩湖, 王帥, 鐘作武, 向欣, 於汝山, 王賢彪, 唐愛松, 龐正江, 胡偉
【申請人】長江水利委員會長江科學(xué)院