一种岩体结构面剪切实验的全角度固定装置及其使用方法

摘要

本发明公开了一种岩体结构面剪切实验的全角度固定装置及其使用方法，其中全角度固定装置包括岩体结构面方形试块、刻度盘、旋转盘以及试样浇筑盒，所述刻度盘通过模具连接装置安装于所述试样浇筑盒上；所述旋转盘能够相对所述刻度盘同心转动，所述岩体结构面方形试块通过岩体结构面固定螺栓固定设置于所述旋转盘内。本发明解决了结构面抗剪强度实验中圆形试样制作工艺复杂、成本高且浪费原材料以及传统方形试样无法实现全角度剪切的问题。该装置可动态调整结构面的剪切角度，确保结构面抗剪强度各向异性研究的完整性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及工程技术领域，具体涉及一种岩体结构面剪切实验的全角度固定装置及其使用方法。

背景技术

结构面是控制岩体稳定性的关键因素，工程岩体失稳主要是由于结构面的剪切破坏。天然岩体中，结构面的形貌特征存在明显的各向异性，导致其粗糙度和抗剪强度也具有各向异性特征。结构面抗剪强度的各向异性特征对工程岩体的力学性质、变形特性和稳定性分析都具有重要意义。为此，不同学者进行了大量结构面各向异性剪切试验，力求总结结构面抗剪强度各向异性规律以准确掌握结构面力学性质。在结构面剪切试验中，不同学者所采用的结构面试样形状不尽相同，大体可分为圆形试样和方形试样。一般地，为了研究结构面的各向异性特性，人们通过改变试块的摆放位置进行直剪试验得到各个剪切方向的抗剪强度，从而进行结构面各向异性分析，一些代表性的研究如下：

L.JING(1992)通过对圆柱形试块的剪切试验，研究了不同法向应力下岩体节理强度和变形特性的各向异性，提出了经验关系式来描述试验特征，并将其用于岩石节理的本构模型的建立；

衡帅(2014)通过对圆柱形页岩试样进行不同角度的直剪试验，分析层理面的力学性质及其影响下页岩的抗剪强度各向异性特征；

陈世江(2016)考虑了岩体结构面粗糙度各向异性特征，用参数vSR表征，通过制作正方体试块并进行四个方向的剪切试验，给出了基于各向异性特征的三维岩体结构面峰值剪切强度公式。

周辉(2018)采用3D雕刻技术在相同岩石上重复制备了相同形貌的岩体结构面试样，开展了不同法向应力下岩体结构面的各向异性剪切试验，分析了剪切峰值强度、剪胀效应、表面破坏特征等的各向异性；

胥勋辉(2020)，采用三维激光扫描技术和3D打印技术制作方形结构面试样，并通过四个方向的直剪试验研究了结构面剪切力学行为的各向异性特征；

在上述研究中，圆形试样制作工艺较复杂，实验室条件下取样困难，需在专业的加工场所进行制样，成本高且浪费原材料，试验时其剪切方向的精准控制亦存在难度；方形试样制样工艺简单、加工便宜，可有效避免试样材料的浪费和加工技术的限制，且剪切过程中试样固定简单、受力稳定，但剪切方向过于局限，使得分析结果较为片面，代表性差。因此，迫切需要提出一种岩体结构面剪切实验的全角度固定装置。

发明内容

为了解决目前结构面各向异性研究中方形试块无法满足全角度剪切的问题。本发明提供了一种岩体结构面剪切实验的全角度固定装置，通过旋转目标岩体结构面试块并与混凝土浇筑，实现方形试块的全角度剪切。本发明的技术方案保证了方形试样各方向抗剪强度的准确获取，解决了传统圆形试样制作成本高，试验操作难的问题，克服了方形试块剪切角度少导致无法进行全面分析各向异性研究的困难。

为达成上述目的，本发明提供如下技术方案：一种岩体结构面剪切实验的全角度固定装置，包括岩体结构面方形试块、刻度盘、旋转盘以及试样浇筑盒，所述刻度盘通过模具连接装置安装于所述试样浇筑盒上；所述旋转盘能够相对所述刻度盘同心转动，所述岩体结构面方形试块通过岩体结构面固定螺栓固定设置于所述旋转盘内。

进一步地，所述试样浇筑盒的内切圆直径大于所述岩体结构面方形试块的对角线长度。

进一步地，所述旋转盘同心设置于所述刻度盘的内圈，所述旋转盘与所述刻度盘之间通过轴承连接。

进一步地，所述刻度盘上设有至少一个角度固定螺栓，所述刻度盘上设有与所述角度固定螺栓匹配的角度固定螺栓孔，所述角度固定螺栓能够穿过所述角度固定螺栓孔与所述旋转盘抵接。

进一步地，所述刻度盘上设有两个角度固定螺栓，沿所述刻度盘的直径方向对称分布。

进一步地，所述模具连接装置的数量为四个，分别分布于所述试样浇筑盒的四边上。

进一步地，所述模具连接装置包括截面形状为倒L形的支撑板、固定设置于刻度盘下部的固定连接件。

进一步地，所述岩体结构面固定螺栓的数量为四个，均匀分布于所述旋转盘，所述旋转盘上开设有与所述岩体结构面固定螺栓匹配的岩体结构面固定螺栓孔，所述岩体结构面固定螺栓能够穿过岩体结构面固定螺栓孔与所述岩体结构面方形试块的侧面抵接。

进一步地，所述岩体结构面固定螺栓的端部设有橡胶垫。

上述的岩体结构面剪切实验的全角度固定装置的使用方法，包括如下步骤：

(1)选定所需要分析的工程岩体结构面方形试块；

(2)测量试验尺寸，选择尺寸合适的试样固定装置和试样浇筑盒；

(3)测量直剪仪平面剪切头的高度，在岩体结构面方形试块的相同高度位置处做标记；

(4)通过岩体结构面固定螺栓结合标记位置将所述岩体结构面方形试块固定于旋转盘内；

(5)转动旋转盘至目标角度后，将刻度盘通过模具连接装置放置于试样浇筑盒上并进行混凝土浇筑；

(6)在通风的室内静置24小时后取下全角度固定装置进行脱模，并将试样放入标准养护室养护28天；

(7)养护完成后，将试样放置于岩体结构面直剪仪中，根据岩体结构面直剪试验规程进行直剪试验，获得方形岩体结构面的抗剪强度；

(8)通过多次重复步骤(5)到(7)，通过转动旋转盘改变岩体试块的浇筑角度制得同一岩体结构面不同角度的试样，从而分析该岩体试块的各向异性特性。

本发明与现有技术相对比，其有益效果在于：本发明给出了一种岩体结构面剪切实验的全角度固定装置，能够配合大部分直剪仪制作方形岩体结构面试块并进行全角度剪切。该装置具有如下优点：(1)拆装方便、成本低、工期短；(2)相较于圆形试样，该装置所制试样对剪切方向的精度控制要求较低；(3)操作简单，只需转动旋转盘就可实现结构面抗剪强度的各向异性特性的测试。本发明所制试块相比圆形试样成本低适用性高，且克服了传统方形试样无法实现全角度剪切的缺点，具有较大的实施价值和经济效益。

附图说明

图1是本发明的分解示意图。

图2是本发明的俯视示意图。

图3是本发明的局部剖视示意图。

图4是本发明的整体结构示意图。

图中：1、岩体结构面方形试块；2、刻度盘；3、模具连接装置，31、支撑板，32、固定连接件；4、角度固定螺栓；5、轴承；6、旋转盘；7、岩体结构面固定螺栓；8、混凝土；9、试样浇筑盒。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步具体的说明。

实施例：一种岩体结构面剪切实验的全角度固定装置，如图1-4所示，包括岩体结构面方形试块1、刻度盘2、旋转盘6以及试样浇筑盒9，其中刻度盘2能够通过模具连接装置3安装于试样浇筑盒9上，用于确定岩体结构面试验所转动的角度；旋转盘6同心设置于刻度盘2的内圈，旋转盘6与刻度盘2之间通过轴承5连接，实现旋转盘6相对刻度盘2全角度旋转的功能；岩体结构面方形试块1能够通过岩体结构面固定螺栓7固定设置于旋转盘6内。

上述结构中，刻度盘2上沿直径方向对称设有两个角度固定螺栓4，用于固定旋转盘6的角度。具体的，刻度盘2上设有与角度固定螺栓4匹配的角度固定螺栓孔，角度固定螺栓4能够穿过角度固定螺栓孔与旋转盘6抵接，拧紧角度固定螺栓4即可固定旋转盘6的角度，从而保证岩体结构面方形试块1保持目标角度。

本实施例中，模具连接装置3的数量为四个，分别分布于试样浇筑盒9的四边上。模具连接装置3包括截面形状为倒L形的支撑板31、固定设置于刻度盘下部的固定连接件32，倒L形的支撑板31与试样浇筑盒9的边缘对应匹配，便于在浇筑试样时将固定有岩体结构面方形试块1的旋转盘6、刻度盘2整体放置于试样浇筑盒9上。

本实施例中，岩体结构面固定螺栓7的数量为四个，均匀分布于旋转盘6上。具体的，旋转盘6上开设有与岩体结构面固定螺栓7匹配的岩体结构面固定螺栓孔，岩体结构面固定螺栓7能够穿过岩体结构面固定螺栓孔与岩体结构面方形试块1的侧面抵接，拧紧岩体结构面固定螺栓7后可将岩体结构面方形试块1固定。作为优选，岩体结构面固定螺栓7的端部设有橡胶垫。

一种岩体结构面剪切实验的全角度固定装置的使用方法，包括如下步骤：

(1)选定所需要分析的工程岩体结构面方形试块1；

(2)测量试验尺寸，选择尺寸合适的试样固定装置和试样浇筑盒9，其中，试样浇筑盒9内切圆直径D大于岩体结构面方形试块1对角线长度L，如图2所示；

(3)测量直剪仪平面剪切头的高度，在岩体结构面方形试块1的相同高度位置处做标记；

(4)将岩体结构面方形试块1沿标记处与岩体结构面固定螺栓7对齐，用岩体结构面固定螺栓7穿过岩体结构面固定螺栓孔直到岩体结构面固定螺栓7的端部与岩体结构面方形试块1表面接触并拧紧岩体结构面固定螺栓7，使岩体结构面方形试块1固定于装置上；

(5)转动旋转盘6至目标角度后，拧紧角度固定螺栓4，然后将刻度盘2通过模具连接装置3放置于试样浇筑盒9上并进行混凝土8的浇筑；

(6)在通风的室内静置24小时后取下全角度固定装置进行脱模，并将试样放入标准养护室养护28天；

(7)养护完成后，将试样放置于岩体结构面直剪仪中，根据岩体结构面直剪试验规程进行直剪试验，获得方形岩体结构面的抗剪强度；

(8)通过多次重复步骤(5)到(7)，通过转动旋转盘改变岩体试块的浇筑角度制得同一岩体结构面不同角度的试样，从而分析该岩体试块的各向异性特性。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。