一种非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置及方法

摘要

一种非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置及方法，装置包括框架体、挡板、夹板、压块及垫块；框架体顶板及四面侧板上均设有开孔，底板上设有插槽，垫块位于插槽内，压块位于顶板开孔内，侧板开孔成对设置岩样和挡板，由岩样、挡板及垫块围成重塑材料试样的原位浇筑塑型腔，夹板位于岩样外侧。方法为：在框架体上将岩样、挡板、垫块及夹板安装到位；向原位浇筑塑型腔内倒入浆料用于制备重塑材料试样；将框架体移入养护箱中直至料浆固化形成重塑材料试样；平整重塑材料试样上表面后放入压块；拆除夹板并将框架体送入真三轴试验机内；施加法向预应力实现试样组合体夹紧；将垫块拔出插槽；依次施加剪切预应力和剪切应力，直到剪切应力达到稳定阶段。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，特别是涉及一种非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置及方法。

背景技术

利用重塑类岩土材料开展相关力学试验研究，不但可以降低原位试验的成本，也是对于难以获取原位工程材料相关研究的有效补充。例如，对于潜在滑坡的岩土交界面、挡土墙与土体相互作用界面的剪切强度或摩擦强度研究，现场不易取得原状岩土材料试样，想要获得岩土材料的物理力学特性试验参数，在一定程度上则需要依靠室内制备的重塑土来完成。同样的，对于地下矿山充填体与接触岩体之间的界面剪切/摩擦特性研究，由于地下矿山条件的复杂性，并不具备岩石和充填体界面原位取样，但是二者之间的剪切力学性能对于地下采矿地压控制非常重要。基于目前的技术，在原位充填采场进行充填体与岩石界面摩擦特性的研究是难以实现的。因此，通过制备重塑充填体-岩石组合试样进行剪切力学试验，是现阶段探究充填体与岩石界面摩擦性能是较为有效的方法。

目前，国内外学者主要采用直剪仪进行充填体-岩石界面剪切力学试验研究，少数学者还会采用改进的单轴试验装置进行充填体-岩体界面垂直剪切试验，但这些剪切试验均为单面剪切试验，由于单面剪切试验在剪切过程中存在扭转问题，会导致试样剪切时法向应力荷载不均匀，进而导致试验结果失真。此外，在通常情况下，重塑类岩土材料的制备需要单独的成型模具，在重塑类岩土材料试样制备完成后，需要先进行试样脱模，之后再移至相应的试验装置中进行试验，然而在试样脱模和装样的过程中，容易造成试样的损伤以及界面初始约束的消失，甚至会影响试样材料内部的微结构，使其内摩擦角、黏聚力等物理力学性质发生改变，从而也会导致试验结果失真。再有，对于不同软硬特性材质的组合试样，特别是其中软质的重塑土、矿山充填膏体等重塑材料，在试样成型时会产生膨胀，但在其脱模工序时会导致其膨胀性难以进行测试。

因此，为解决重塑材料试样脱模和安装导致的试验结果失真、重塑材料试样膨胀性难以测试、单面剪切试验难以模拟工程工况等问题，提供一种非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置及方法十分必要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置及方法，能够有效解决重塑材料试样脱模和安装导致的试验结果失真、重塑材料试样膨胀性难以测试、单面剪切试验难以模拟工程工况等问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置，包括框架体、第一挡板、第二挡板、第一夹板、第二夹板、压块及垫块；所述框架体采用长方体结构，在框架体的底板上开设有垫块插槽，在框架体的顶板上开设有剪切力加载孔，在框架体的四面侧板上依次开设有第一岩样安装孔、第一挡板封装孔、第二岩样安装孔及第二挡板封装孔，第一岩样安装孔与第二岩样安装孔正对，第一挡板封装孔与第二挡板封装孔正对；所述垫块插槽与垫块插装配合，当垫块插装在垫块插槽内时，垫块的上表面与框架体底板的上表面相平齐；所述第一岩样安装孔用于放置第一岩样，当第一岩样放置在第一岩样安装孔内时，第一岩样的外表面与第一岩样安装孔所在侧的框架体侧板外表面相平齐，第一岩样的内表面与第一岩样安装孔所在侧的框架体侧板内表面相平齐；所述第一夹板位于第一岩样外侧，第一夹板与框架体之间通过螺钉进行固定，第一夹板内表面与第一岩样外表面相贴合；所述第二岩样安装孔用于放置第二岩样，当第二岩样放置在第二岩样安装孔内时，第二岩样的外表面与第二岩样安装孔所在侧的框架体侧板外表面相平齐，第二岩样的内表面与第二岩样安装孔所在侧的框架体侧板内表面相平齐；所述第二夹板位于第二岩样外侧，第二夹板与框架体之间通过螺钉进行固定，第二夹板内表面与第二岩样外表面相贴合；所述第一挡板封装孔用于安装第一挡板，第一挡板与框架体之间通过螺钉进行固定，当第一挡板固装在第一挡板封装孔内时，第一挡板的外表面与第一挡板封装孔所在侧的框架体侧板外表面相平齐，第一挡板的内表面与第一挡板封装孔所在侧的框架体侧板内表面相平齐；所述第二挡板封装孔用于安装第二挡板，第二挡板与框架体之间通过螺钉进行固定，当第二挡板固装在第二挡板封装孔内时，第二挡板的外表面与第二挡板封装孔所在侧的框架体侧板外表面相平齐，第二挡板的内表面与第二挡板封装孔所在侧的框架体侧板内表面相平齐；由所述第一岩样、第二岩样、第一挡板、第二挡板及垫块围成的空间作为重塑材料试样的原位浇筑塑型腔，所述压块位于重塑材料试样正上方的剪切力加载孔内，压块下表面与重塑材料试样上表面相贴合。

所述的非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置，还包括剪切力加载压头、支撑压头、第一法向加载压头及第二法向加载压头；所述剪切力加载压头位于框架体正上方，剪切力加载压头与压块正对，剪切力加载压头与真三轴试验机竖直方向上侧的第一作动器活塞杆固定连接配合；所述支撑压头位于框架体正下方，支撑压头与框架体底板正对，支撑压头与真三轴试验机竖直方向下侧的第二作动器活塞杆固定连接配合；所述第一法向加载压头位于框架体侧方，第一法向加载压头与第一岩样正对，第一法向加载压头与真三轴试验机水平方向左侧的第三作动器活塞杆固定连接配合；所述第二法向加载压头位于框架体侧方，第二法向加载压头与第二岩样正对，第二法向加载压头与真三轴试验机水平方向右侧的第四作动器活塞杆固定连接配合。

一种非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验方法，采用了所述的非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置，包括如下步骤：

步骤一：将制备好的第一岩样放入第一岩样安装孔内，以及将制备好的第二岩样放入第二岩样安装孔内，然后在第一岩样外侧安装上第一夹板，以及在第二岩样外侧安装上第二夹板；

步骤二：将第一挡板安装到第一挡板封装孔内，以及将第二挡板安装到第二挡板封装孔内，同时将垫块插入垫块插槽内，此时重塑材料试样的原位浇筑塑型腔完成构建；

步骤三：将用于制作重塑材料试样的料浆倒入原位浇筑塑型腔内，且料浆的液面高度要超过第一岩样和第二岩样上表面，之后将框架体移入养护箱中，直至料浆固化形成重塑材料试样；

步骤四：当养护时间结束后，将框架体移出养护箱，然后对重塑材料试样的上表面进行平整，之后将压块放入剪切力加载孔内，此时压块由重塑材料试样支撑，同时保证压块位于第一岩样与第二岩样的正中间；

步骤五：将第一夹板和第二夹板从框架体上拆除，露出第一岩样和第二岩样的外表面，之后将框架体送入真三轴试验机内并放置在支撑压头上，保证框架体与支撑压头处于同轴状态；

步骤六：控制第一法向加载压头和第二法向加载压头水平移动，使第一法向加载压头与第一岩样外表面相贴合，同时使第二法向加载压头与第二岩样外表面相贴合，之后施加0.005kN的法向预应力，以夹紧第一岩样、重塑材料试样及第二岩样；

步骤七：将垫块从垫块插槽内拔出，使重塑材料试样下表面处于悬空状态，为剪切试验中的重塑材料试样留出移动空间；

步骤八：控制剪切力加载压头向下移动，使剪切力加载压头与压块上表面相结合，之后施加0.005kN的剪切预应力；

步骤九：采用位移控制方式以设定的剪切速率对重塑材料试样施加剪切应力，直到剪切应力达到稳定阶段，同时在计算机中建立由第一岩样、重塑材料试样及第二岩样构成的组合试样的界面剪切应力与剪切位移关系曲线；

步骤十：采用压力控制方式以设定的卸载速率将剪切应力降至零，之后将剪切力加载压头移动回初始位置，然后将第一法向加载压头和第二法向加载压头移动回初始位置；

步骤十一：将框架体移出真三轴试验机，然后将第一挡板和第二挡板从框架体上拆除，之后取出第一岩样、第二岩样和重塑材料试样，最后清理框架体内的残余碎屑。

本发明的有益效果：

本发明的非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置及方法，能够有效解决重塑材料试样脱模和安装导致的试验结果失真、重塑材料试样膨胀性难以测试、单面剪切试验难以模拟工程工况等问题。当进行矿山充填膏体与岩石界面的剪切试验时，矿山充填膏体可在装置内进行原位浇筑，同时可以选择不同粗糙度的岩样，用以研究不同粗糙度岩石与矿山充填膏体的界面的剪切力学行为。由于重塑材料试样采用原位浇筑，可以避免因脱模而造成岩石与矿山充填膏体组合试样界面的松动，提高了试验结果的准确性，降低误差。另外，通过调整挡板与框架体之间的贴合程度，可以使挡板具有一定的移动自由度，从而可以对重塑材料试样在固化成型过程中的膨胀特性进行量化测试。当重塑材料试样完成原位浇筑后，如果不将垫块拔出垫块插槽，则可以对重塑材料试样进行压缩试验。

附图说明

图1为本发明的一种非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置的爆炸视图(剪切力加载压头、支撑压头、第一法向加载压头及第二法向加载压头未示出)；

图2为本发明的一种非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置的结构示意图(剪切试验状态)；

图3为本发明的一种非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置的结构示意图(重塑材料试样原位浇筑状态)；

图4为本发明的一种非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置的法向剖视图；

图5为本发明的一种非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置的侧向剖视图；

图6为本发明的框架体的结构示意图；

图7为由第一岩样、重塑材料试样及第二岩样构成的组合试样界面的τ－σ关系曲线图；

图中，1—框架体，2—第一挡板，3—第二挡板，4—第一夹板，5—第二夹板，6—压块，7—垫块，8—垫块插槽，9—剪切力加载孔，10—第一岩样安装孔，11—第一挡板封装孔，12—第二岩样安装孔，13—第二挡板封装孔，14—第一岩样，15—第二岩样，16—重塑材料试样，17—剪切力加载压头，18—支撑压头，19—第一法向加载压头，20—第二法向加载压头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～6所示，一种非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置，包括框架体1、第一挡板2、第二挡板3、第一夹板4、第二夹板5、压块6及垫块7；所述框架体1采用长方体结构，在框架体1的底板上开设有垫块插槽8，在框架体1的顶板上开设有剪切力加载孔9，在框架体1的四面侧板上依次开设有第一岩样安装孔10、第一挡板封装孔11、第二岩样安装孔12及第二挡板封装孔13，第一岩样安装孔10与第二岩样安装孔12正对，第一挡板封装孔11与第二挡板封装孔13正对；所述垫块插槽8与垫块7插装配合，当垫块7插装在垫块插槽8内时，垫块7的上表面与框架体1底板的上表面相平齐；所述第一岩样安装孔10用于放置第一岩样14，当第一岩样11放置在第一岩样安装孔10内时，第一岩样11的外表面与第一岩样安装孔10所在侧的框架体1侧板外表面相平齐，第一岩样11的内表面与第一岩样安装孔10所在侧的框架体1侧板内表面相平齐；所述第一夹板4位于第一岩样14外侧，第一夹板4与框架体1之间通过螺钉进行固定，第一夹板4内表面与第一岩样11外表面相贴合；所述第二岩样安装孔12用于放置第二岩样15，当第二岩样15放置在第二岩样安装孔12内时，第二岩样15的外表面与第二岩样安装孔12所在侧的框架体1侧板外表面相平齐，第二岩样15的内表面与第二岩样安装孔12所在侧的框架体1侧板内表面相平齐；所述第二夹板5位于第二岩样15外侧，第二夹板5与框架体1之间通过螺钉进行固定，第二夹板5内表面与第二岩样15外表面相贴合；所述第一挡板封装孔11用于安装第一挡板2，第一挡板2与框架体1之间通过螺钉进行固定，当第一挡板2固装在第一挡板封装孔11内时，第一挡板2的外表面与第一挡板封装孔11所在侧的框架体1侧板外表面相平齐，第一挡板2的内表面与第一挡板封装孔11所在侧的框架体1侧板内表面相平齐；所述第二挡板封装孔13用于安装第二挡板3，第二挡板3与框架体1之间通过螺钉进行固定，当第二挡板3固装在第二挡板封装孔13内时，第二挡板3的外表面与第二挡板封装孔13所在侧的框架体1侧板外表面相平齐，第二挡板3的内表面与第二挡板封装孔13所在侧的框架体1侧板内表面相平齐；由所述第一岩样11、第二岩样15、第一挡板2、第二挡板3及垫块7围成的空间作为重塑材料试样16的原位浇筑塑型腔，所述压块6位于重塑材料试样16正上方的剪切力加载孔9内，压块6下表面与重塑材料试样16上表面相贴合。

所述的非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置，还包括剪切力加载压头17、支撑压头18、第一法向加载压头19及第二法向加载压头20；所述剪切力加载压头17位于框架体1正上方，剪切力加载压头17与压块6正对，剪切力加载压头17与真三轴试验机竖直方向上侧的第一作动器活塞杆固定连接配合；所述支撑压头18位于框架体1正下方，支撑压头18与框架体1底板正对，支撑压头18与真三轴试验机竖直方向下侧的第二作动器活塞杆固定连接配合；所述第一法向加载压头19位于框架体1侧方，第一法向加载压头19与第一岩样14正对，第一法向加载压头19与真三轴试验机水平方向左侧的第三作动器活塞杆固定连接配合；所述第二法向加载压头20位于框架体1侧方，第二法向加载压头20与第二岩样15正对，第二法向加载压头20与真三轴试验机水平方向右侧的第四作动器活塞杆固定连接配合。

本实施例中，第一岩样11和第二岩样15的尺寸均为100mm×50mm×20mm，重塑材料试样16的尺寸为100mm×50mm×50mm，重塑材料试样16为矿山充填膏体，矿山充填膏体的初始料浆由矿山尾砂、胶凝剂、水按照设定比例混合搅拌均匀后制得，垫块7采用聚氟乙烯材料制成，垫块7上表面为抛光表面。

一种非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验方法，采用了所述的非脱模重塑类岩土材料双面剪切试验装置，包括如下步骤：

步骤一：将制备好的第一岩样11放入第一岩样安装孔10内，以及将制备好的第二岩样15放入第二岩样安装孔12内，然后在第一岩样11外侧安装上第一夹板4，以及在第二岩样15外侧安装上第二夹板5；

步骤二：将第一挡板2安装到第一挡板封装孔11内，以及将第二挡板3安装到第二挡板封装孔13内，同时将垫块7插入垫块插槽8内，此时重塑材料试样16的原位浇筑塑型腔完成构建；

步骤三：将用于制作重塑材料试样16的料浆倒入原位浇筑塑型腔内，且料浆的液面高度要超过第一岩样11和第二岩样15上表面，之后将框架体1移入养护箱中，直至料浆固化形成重塑材料试样16；本实施例中，养护时间为3天；

步骤四：当养护时间结束后，将框架体1移出养护箱，然后对重塑材料试样16的上表面进行平整，之后将压块6放入剪切力加载孔9内，此时压块6由重塑材料试样16支撑，同时保证压块6位于第一岩样11与第二岩样15的正中间；

步骤五：将第一夹板4和第二夹板5从框架体1上拆除，露出第一岩样11和第二岩样15的外表面，之后将框架体1送入真三轴试验机内并放置在支撑压头18上，保证框架体1与支撑压头18处于同轴状态；

步骤六：控制第一法向加载压头19和第二法向加载压头20水平移动，使第一法向加载压头19与第一岩样11外表面相贴合，同时使第二法向加载压头20与第二岩样15外表面相贴合，之后施加0.005kN的法向预应力，以夹紧第一岩样11、重塑材料试样16及第二岩样15；

步骤七：将垫块7从垫块插槽8内拔出，使重塑材料试样16下表面处于悬空状态，为剪切试验中的重塑材料试样16留出移动空间；

步骤八：控制剪切力加载压头17向下移动，使剪切力加载压头17与压块6上表面相结合，之后施加0.005kN的剪切预应力；

步骤九：采用位移控制方式以设定的剪切速率对重塑材料试样16施加剪切应力，直到剪切应力达到稳定阶段，同时在计算机中建立由第一岩样11、重塑材料试样16及第二岩样15构成的组合试样的界面剪切应力与剪切位移关系曲线；

步骤十：采用压力控制方式以设定的卸载速率将剪切应力降至零，之后将剪切力加载压头17移动回初始位置，然后将第一法向加载压头19和第二法向加载压头20移动回初始位置；

步骤十一：将框架体1移出真三轴试验机，然后将第一挡板2和第二挡板3从框架体1上拆除，之后取出第一岩样11、第二岩样15和重塑材料试样16，最后清理框架体1内的残余碎屑。

此外，通过公式σ＝P/A

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。