一种松弛过程检测的节理岩体原位剪切测试装置及方法

摘要

本发明提供一种松弛过程检测的节理岩体原位剪切测试装置及方法，该装置包括试块、波速测试仪、竖向加载设备、侧向剪切设备、两个水平加载设备和横梁，所述的横梁设在试块的上方，横梁与试块上表面通过竖向加载设备连接；所述的试块侧面中的三个侧面的外围均设有传压板，三个侧面中，其中两个相互平行的侧面与这两个侧面对应的传压板之间均通过水平加载设备连接，剩余的一个侧面与该侧面对应的传压板之间通过侧向剪切设备连接；所述的波速测试仪检测试块的波速。本发明通过侧向剪切设备获得的抗剪强度，有效的反映出岩体抗剪强度在剪切过程中试块的松弛与波速关系变化，从而指导后续工程设计施工。本发明直观且快速的得到了试块的松弛过程。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种松弛过程检测的节理岩体原位剪切测试装置及方法。

背景技术

岩体是现场原位剪切试验因其适用于多种岩土体材料的原位抗剪强度测试，在科研与工程中得到广泛运用。但是岩体赋存环境的条件复杂，一般试验中不得不采取一些简化假设，由此引起的误差也可能使得出的参数不能理想地表征实际岩体的性状，特别是当岩体中存在大量节理裂隙时。岩体中节理裂隙的发育程度影响岩体的工程力学性质，在试验过程中一般不易反映出岩体节理裂隙的变化。

发明内容

为了克服传统直剪试验装置及试验方法在试验过程中无法实时掌握岩体节理裂隙的松弛过程的问题，本发明提供一种松弛过程检测的节理岩体原位剪切测试装置及方法，本发明直观、且快速的得到了试块的松弛过程，为后续工程设计施工提供了有效的参考和指导。

本发明采用的技术方案为：

一种松弛过程检测的节理岩体原位剪切测试装置，包括试块、波速测试仪、竖向加载设备、侧向剪切设备、两个水平加载设备和横梁，所述的横梁设在试块的上方，横梁与试块上表面通过竖向加载设备连接；所述的试块侧面中的三个侧面的外围均设有传压板，三个侧面中，其中两个相互平行的侧面与这两个侧面对应的传压板之间均通过水平加载设备连接，剩余的一个侧面与该侧面对应的传压板之间通过侧向剪切设备连接；所述的波速测试仪检测试块的波速。

所述的竖向加载设备与试块上表面之间依次设有第一钢垫板和滚轴排，该滚轴排与试块上表面平齐，滚轴排包括方形铁框和钢珠，钢珠为多颗均匀分布在方形铁框内，每个钢珠的直径均为3mm；所述的第一钢垫板与滚轴排的接触面积大于竖向加载设备与第一钢垫板的接触面积。

所述的竖向加载设备包括竖向加载传力柱、竖向加载千斤顶和竖向加载压力表，所述的竖向加载千斤顶上端通过竖向加载传力柱与横梁连接，所述的竖向加载千斤顶下端与第一钢垫板连接；所述的竖向加载压力表设在竖向加载千斤顶上。

所述的水平加载设备与对应的试块侧面之间依次设置有第一钢垫板和滚轴排，该滚轴排与第一钢垫板尺寸相同，该滚轴排位于试块侧面的中部；所述的两个水平加载设备结构相同，水平加载设备包括水平加载传力柱、水平加载千斤顶和水平加载压力表，所述的水平加载千斤顶一端通过水平加载传力柱与第一钢垫板连接，水平加载千斤顶另一端与传压板连接；所述的水平加载压力表设在水平加载千斤顶上。

所述的水平加载千斤顶与传压板之间设有第二钢垫板。

所述的侧向剪切设备包括侧向剪切传力柱、侧向剪切千斤顶和侧向剪切压力表，所述的侧向剪切千斤顶与侧向剪切传力柱连接，所述的侧向剪切压力表设在侧向剪切千斤顶上；侧向剪切千斤顶与传压板之间设有第二钢垫板，侧向剪切传力柱与试块对应的一个侧面之间设有第一钢垫板。

所述的波速测试仪至少包括主机、波速试验接收器和波速试验发射器，主机与波速试验接收器和波速试验发射器均电信号连接；所述的波速试验接收器和波速试验发射器对称设在试块的两个侧面上部，其中一个侧面为连接有侧向剪切设备的侧面。

一种松弛过程检测的节理岩体原位剪切测试方法，具体步骤为：

步骤一，通过波速测试仪测得岩体的原始波速，得到岩体原始完整性，然后制备出试块，将波速测试仪的波速试验接收器和波速试验发射器安装在试块上，持续对试块进行波速测试；

步骤二，通过竖向加载设备对试块进行多次加载，加载载荷逐步增大；当连续两次加载的法向位移之差不大于0.01mm时，通过两个水平加载设备同时进行多次水平加载；当波速测试仪测得的试块波速从而得到的试块完的整性与岩体原始完整性相差5-10%后，两个水平加载设备保持加载状态；

步骤三，再通过侧向剪切设备对试块进行多次剪切，剪切加载载荷逐步增大；当剪切变形达到试块边长的10%时即可终止试验。

所述的步骤三中，当剪切变形未达到试块边长的10%时，试块变形继续增长而剪应力无法增加的情况下，终止实验；当剪切变形未达到试块边长的10%时，若其中一次的剪切应变急剧增加的情况下，终止实验。

相邻两次加载间隔至少为5min。

本发明的有益效果为：

本发明考虑了侧压力的作用，对于岩体内的试块，将其由于卸荷张开的结构面压缩，符合岩体原始的结构。

本发明通过波速测试，将试块的应力还原至其原始赋存应力。本发明通过波速测试法人结果来控制模拟试块的任意赋存环境。

本发明通过侧向剪切设备获得的抗剪强度，有效的反映出岩体抗剪强度在剪切过程中试块的松弛与波速关系变化，从而指导后续工程设计施工。

以下将结合附图进行进一步的说明。

附图说明

图1是本发明实验装置立面示意图。

图2是本发明实验装置俯视示意图。

图3是本发明实验装置侧视示意图。

图中，附图标记为：1、试块；2、竖向加载设备；201、竖向加载传力柱；202、竖向加载千斤顶；203、竖向加载压力表；3、水平加载设备；301、水平加载传力柱；302、水平加载千斤顶；303、水平加载压力表；4、侧向剪切设备；401、侧向剪切传力柱；402、侧向剪切千斤顶；403、侧向剪切压力表；5、波速测试仪；6、传压板；7、第一钢垫板；8、横梁；9、滚轴排； 10、波速试验接收器；11、波速试验发射器；12、第二钢垫板。

具体实施方式

实施例1：

为了克服传统直剪试验装置及试验方法在试验过程中无法实时掌握岩体节理裂隙的松弛过程的问题，本发明提供如图1-3所示的一种松弛过程检测的节理岩体原位剪切测试装置及方法，本发明直观、且快速的得到了试块的松弛过程，为后续工程设计施工提供了有效的参考和指导。

一种松弛过程检测的节理岩体原位剪切测试装置，包括试块1、波速测试仪5、竖向加载设备2、侧向剪切设备4、两个水平加载设备3和横梁8，所述的横梁8设在试块1的上方，横梁8与试块1上表面通过竖向加载设备2连接；所述的试块1侧面中的三个侧面的外围均设有传压板6，三个侧面中，其中两个相互平行的侧面与这两个侧面对应的传压板6之间均通过水平加载设备3连接，剩余的一个侧面与该侧面对应的传压板6之间通过侧向剪切设备4连接；所述的波速测试仪5检测试块1的波速。

本发明中，横梁8强度足够，竖向加载设备2所产生的的反作用用力不会压弯横梁8，保证了竖向加载的基本条件。本发明考虑了侧压力的作用，对于岩体内的试块1，通过水质加载设备2和水平加载设备3将其由于卸荷张开的结构面压缩，符合岩体处试块1原始的结构。

本发明通过波速测试仪进行波速测试，将试块1的应力还原至其原始赋存应力，本发明通过波速测试仪得到的波速测试结果来控制模拟试块1的任意赋存环境。

本发明通过侧向剪切设备4对试块1进行了剪切试验，获得了抗剪强度，有效的反映出岩体抗剪强度在剪切过程中松弛与波速关系变化，从而指导后续工程设计施工。为后续工程施工提供了准确的参考信息，保证了后续施工的安全。

实施例2：

基于实施例1的基础上，本实施例中，优选的，所述的竖向加载设备2与试块1上表面之间依次设有第一钢垫板7和滚轴排9，该滚轴排9与试块1上表面平齐，滚轴排9包括方形铁框和钢珠，钢珠为多颗均匀分布在方形铁框内，每个钢珠的直径均为3mm；所述的第一钢垫板7与滚轴排9的接触面积大于竖向加载设备2与第一钢垫板7的接触面积。

优选的，所述的竖向加载设备2包括竖向加载传力柱201、竖向加载千斤顶202和竖向加载压力表203，所述的竖向加载千斤顶202上端通过竖向加载传力柱201与横梁8连接，所述的竖向加载千斤顶202下端与第一钢垫板7连接；所述的竖向加载压力表203设在竖向加载千斤顶202上。每个千斤顶对其受力面进行加压时，均可通过轴排9和第一钢垫板7对其增加的压力进行有效的传递。

优选的，所述的水平加载设备3与对应的试块1侧面之间依次设置有第一钢垫板7和滚轴排9，该滚轴排9与第一钢垫板7尺寸相同，该滚轴排9位于试块1侧面的中部；所述的两个水平加载设备3结构相同，水平加载设备3包括水平加载传力柱301、水平加载千斤顶302和水平加载压力表303，所述的水平加载千斤顶302一端通过水平加载传力柱301与第一钢垫板7连接，水平加载千斤顶302另一端与传压板6连接；所述的水平加载压力表303设在水平加载千斤顶302上。

优选的，所述的水平加载千斤顶302与传压板6之间设有第二钢垫板12。

优选的，所述的侧向剪切设备4包括侧向剪切传力柱401、侧向剪切千斤顶402和侧向剪切压力表403，所述的侧向剪切千斤顶402与侧向剪切传力柱401连接，所述的侧向剪切压力表403设在侧向剪切千斤顶402上；侧向剪切千斤顶402与传压板6之间设有第二钢垫板12，侧向剪切传力柱401与试块1对应的一个侧面之间设有第一钢垫板7。

本发明中各个千斤顶均为液压千斤顶；本发明中各个第一钢垫板7和第二钢垫板12的作用是增大千斤顶在工作时的受力面积；这样保证传压板6不会进行点受力，试块1的受力面也不会是点受力，增大了受力面积。每块第一钢垫板7和第二钢垫板12根据位置不同，选取不同薄厚、不同尺寸的第一钢垫板7和第二钢垫板12进行满足需求。滚轴排9的作用是保证千斤顶在加压时，作用力是垂直加载的，不会产生力偏移的现象。

优选的，所述的波速测试仪5至少包括主机、波速试验接收器10和波速试验发射器11，主机与波速试验接收器10和波速试验发射器11均电信号连接；所述的波速试验接收器10和波速试验发射器11对称设在试块1的两个侧面上部，其中一个侧面为连接有侧向剪切设备4的侧面。

本发明中波速测试仪5为现有技术，本发明中将不再进行一一说明。本发明中波速测试仪5作为检测松弛量测设备，波速测试仪5实时连续的检测试块1的波速，通过检测波速，在竖直加载和水平加载的作用下，模拟出最接近原始岩土覆盖情况下的试块1的原始完整度，通过侧向剪切加载，根据记录的记载次数和加载载荷，得到试块1在模拟情况下的松弛过程。这样可以得到任意地层、任意深度的土质情况。为后续建造或者土体的应用给出了精确的土层强度信息。

本发明边界可控、实时监控了岩体处试块1的松弛过程，通过岩体波速试验得到岩体完整程度，进而反映试块1的赋存环境。在地基与基础工程、边坡工程和水利与水电工程中快速且合理地确定了岩体的节理松弛过程。

实施例3：

基于实施例1或2的基础上，本实施例中，提供一种松弛过程检测的节理岩体原位剪切测试方法，具体步骤为：

步骤一，通过波速测试仪5测得岩体的原始波速，得到岩体原始完整性，然后制备出试块1，将波速测试仪5的波速试验接收器10和波速试验发射器11安装在试块1上，持续对试块1进行波速测试；

步骤二，通过竖向加载设备2对试块1进行多次加载，加载载荷逐步增大；当连续两次加载的法向位移之差不大于0.01mm时，通过两个水平加载设备3同时进行多次水平加载；当波速测试仪5测得的试块1波速从而得到的试块1完的整性与岩体原始完整性相差5-10%后，两个水平加载设备3保持加载状态；

步骤三，再通过侧向剪切设备4对试块1进行多次剪切，剪切加载载荷逐步增大；当剪切变形达到试块1边长的10%时即可终止试验。

所述的步骤三中，当剪切变形未达到试块1边长的10%时，试块1变形继续增长而剪应力无法增加的情况下，终止实验；当剪切变形未达到试块1边长的10%时，若其中一次的剪切应变急剧增加的情况下，终止实验。

优选的，相邻两次加载间隔至少为5min。

如图1所示，竖直加载设备2处的安装顺序为：先在试块1顶部铺设水泥砂浆，并放上垫板，然后在垫板上依次安放滚轴排9、第一钢垫板7、竖直加载千斤顶202、竖直加载传立柱201及顶部垫板，顶部垫板与横梁8的下表面接触连接。

如图2所示，水平加载设备3处的安装顺序为：在试块1的受力面与其对应的传压板6之间依次安放滚轴排9、第一钢垫板7、水平加载传力柱301、水平加载千斤顶302、第一钢垫板7。

如图3所示，侧向剪切设备的安装顺序为：在试块1的受力面放置第一钢垫板7（第一钢垫板7的底部位于剪切面上缘），在第一钢垫板7与对应的传压板6之间依次安放侧向剪切传力柱401和侧向剪切千斤顶402。

本发明的实验过程为：在试验开始之前先测量岩体的波速，判断岩体的完整性，然后按照预定的逐步增加的法向荷载（竖向载荷）分为多次施加，加载采用时间控制，每5min施加一次荷载并测读法相位移，5min后再测读一次，加载过程中监控岩体的波速变化，反映剪切对岩体完整性的影响，直至连续两次法向位移之差不大于0.01mm时，开始施加水平载荷，对称的两个水平载荷同时作用，直到检测到的岩体的波速变化反映的岩体完整性与原始完整性差值不超过5-10%时，开始施加剪切荷载，剪切荷载分为多次施加，也采用时间控制法进行，每5min施加一次荷载，在每次加载前后都对各百分表读数进行测读。当剪切应变急剧增加或变形继续增长而剪应力无法增加或剪切变形达到时间边长的10%时即可终止试验。波速测试仪5实时连续的检测了波速数据，并通过数据得到试块1处岩体的松弛过程。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。本发明中未详细描述的装置结构及系统方法是均为现有技术，本发明中不再进行进一步的说明。