现场岩体拉剪试验系统及方法技术方案

技术编号:15180549 阅读:153 留言:0更新日期:2017-04-16 07:56
本发明专利技术涉及一种现场岩体拉剪试验系统,它包括拉应力施加单元和剪应力施加单元,其中,拉应力施加单元包括左条形垫块、左拉应力施加千斤顶、左垫板、左传力柱、左混凝土后座、右条形垫块、右拉应力施加千斤顶、右垫板、右传力柱、右混凝土后座,剪应力施加单元包括前侧剪应力施加千斤顶、前侧垫板、前侧传力柱、前侧混凝土后座、断面为矩形的条形垫块和断面为梯形的条形垫块。本发明专利技术针对现场不同尺度岩体开展拉剪试验,获得不同尺度岩体在拉剪应力区的强度准则和强度特征参数,为拉应力区岩体强度特性研究提供有效手段和技术支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及岩土工程
,具体涉及一种现场岩体拉剪试验系统及方法
技术介绍
在横坐标为正应力、纵坐标为剪应力的平面直角坐标系中,岩体的强度包络线可被划分为3个区段:其一是正应力为拉应力的区段(第1区段),其二是正应力为压应力且压应力相对较低的区段(第2区段),其三是正应力为压应力且压应力相对较高的区段(第3区段)。第2区段内岩体的强度包络线一般具有较好的线性特征,目前的岩体抗剪强度试验主要集中在这一区段。第3区段内岩体的强度包络线通常呈现出明显的非线性特征,结合高应力区岩体工程研究的需要,目前对该区段岩体的抗剪强度特征也开展了一些研究。但是,对于岩体在第1区段内的抗拉强度特征、拉剪强度特征,由于缺乏有效的试验研究方法,特别是缺乏现场大尺度岩体拉剪试验方法,目前认识水平还很低,远不能满足岩体工程实践的需要。工程岩体所赋存的应力环境复杂,部分工程岩体可能处于拉或拉剪应力状态。特别是当岩体所处初始应力水平较高,如深埋地下洞室工程岩体、高陡边坡工程岩体、高坝坝基岩体等,在开挖强卸荷、局部应力集中、应力重分布等因素影响下,相当部分岩体的应力状态都将处于单轴拉伸或拉剪应力状态。由于岩体的抗拉强度远低于抗压强度,拉剪强度也不同于压剪强度,实际岩体工程中拉应力出现的部位往往也是最容易发生破坏的部位,是威胁岩体工程安全的关键部位。对拉应力区岩体强度特性认识不够深入,极大影响了岩体工程稳定性分析、岩体工程安全评价的客观性和准确性。目前针对完整岩石在室内开展了一些拉应力区岩石强度特性试验研究。由于岩体结构的复杂性和岩体力学特性的尺度效应,室内完整岩石的试验成果不能代表现场岩体,室内试验成果也很难直接应用到实际岩体工程。另外,受试样尺寸限制、现场环境条件影响,室内岩石试验中拉应力的施加方法难以照搬到现场。目前针对大尺度岩体的抗拉强度特性和拉剪强度特性,基本上还没开展过现场试验研究。已有文献报道中仅见针对三峡船闸边坡花岗岩开展了现场岩体拉剪试验,其中拉应力的施加方法是在试样顶部钻孔埋设锚杆,然后采用反力梁给试样提供拉荷载。三峡船闸边坡工程中采用的现场岩体拉剪试验方法安装繁琐、实施困难,而且存在以下不足:首先,在试样顶部钻孔会损坏试样完整性,降低试验成果的代表性;其次,施加到各根锚杆上的拉荷载很难大小相等,这会导致剪切面上拉应力分布不均,影响试验成果的可靠度。针对上述问题和岩体工程实践的需要,本专利技术提出了一种理论上可靠、实施操作上便捷的适用于不同尺度岩体的现场岩体拉剪试验方法,可以为拉应力区岩体强度特性研究提供有效手段和技术支持。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种现场岩体拉剪试验系统及方法,该系统和方法针对现场不同尺度岩体开展拉剪试验,获得不同尺度岩体在拉剪应力区的强度准则和强度特征参数,为拉应力区岩体强度特性研究提供有效手段和技术支持。为解决上述技术问题,本专利技术公开的一种现场岩体拉剪试验系统,它包括拉应力施加单元和剪应力施加单元,其中,拉应力施加单元包括左条形垫块、左拉应力施加千斤顶、左垫板、左传力柱、左混凝土后座、右条形垫块、右拉应力施加千斤顶、右垫板、右传力柱、右混凝土后座,所述左拉应力施加千斤顶的缸体通过左垫板与左传力柱的一端连接,左传力柱的另一端通过另一个左垫板与左混凝土后座的一端连接,左混凝土后座的另一端与基岩固定连接,左拉应力施加千斤顶的活塞杆与左条形垫块的底座连接,左条形垫块的顶面能与试样的左侧拉应力荷载加载面接触;所述右拉应力施加千斤顶的缸体通过右垫板与右传力柱的一端连接,右传力柱的另一端通过另一个右垫板与右混凝土后座的一端连接,右混凝土后座的另一端与基岩固定连接,右拉应力施加千斤顶的活塞杆与右条形垫块的底座连接,右条形垫块的顶面能与试样的右侧拉应力荷载加载面接触;所述剪应力施加单元包括前侧剪应力施加千斤顶、前侧垫板、前侧传力柱、前侧混凝土后座、断面为矩形的条形垫块和断面为梯形的条形垫块,其中,前侧剪应力施加千斤顶的缸体通过前侧垫板与前侧传力柱的一端连接,前侧传力柱的另一端通过另一个前侧垫板与前侧混凝土后座的一端连接,前侧混凝土后座的另一端与基岩固定连接,前侧剪应力施加千斤顶的活塞杆与断面为梯形的条形垫块的下底面连接,断面为梯形的条形垫块的上底面连接断面为矩形的条形垫块的一端,断面为矩形的条形垫块的另一端能与试样的剪切荷载加载面接触。一种利用上述系统的现场岩体拉剪试验方法,它包括如下步骤:步骤1:制备试样;步骤2:在试样的左侧拉应力荷载加载面和右侧拉应力荷载加载面安装所述拉应力施加单元,并使左条形垫块与试样左侧拉应力荷载加载面的接触线位于试样预设剪切面内,同时使右条形垫块与试样右侧拉应力荷载加载面的接触线位于所述试样预设剪切面内,而且保证左拉应力施加千斤顶和右拉应力施加千斤顶的活塞杆的中心线也与所述预设剪切面重合;步骤3:在试样的剪切荷载加载面安装所述剪应力施加单元,并使前侧剪应力施加千斤顶的活塞杆的中心线与试样预设剪切面平行;步骤4:在试样左右两侧的前部和后部分别布置1个变形测点,每个变形测点安装法向位移测表和剪切位移测表,并记录法向位移测表和剪切位移测表的初始读数;步骤5:控制所述拉应力施加单元对试样施加试验预设的拉应力σt,按如下公式1计算试验预设的拉应力σt对应的荷载P:σt=2PπA---(1)]]>其中,σt为试验预设的拉应力,P为施加在试样左侧面和右侧面上的劈裂荷载,A为预设剪切面10的面积;分级将劈裂荷载逐步加载至P,劈裂荷载施加过程中,测读并记录试样的法向位移;上述劈裂荷载的分级施加采用时间控制,第一级劈裂荷载加载后立即测读试样的法向位移,预设时间后再测读一次试样的法向位移,然后即可施加下一级劈裂载荷,直到加至预定劈裂荷载P后仍按每隔上述预设时间测读一次,直到相邻两次试样法向位移之差不大于预设值时可开始施加剪切载荷;步骤6:待施加法向荷载导致的法向变形稳定后,逐级增加前侧剪应力施加千斤顶的出力,每级增加预估极限剪切荷载的1/10,每级剪切荷载施加前后,对试样的法向位移测表和剪切位移测表进行测读,当剪切位移增量超过前一级剪切位移增量的1.5倍时,减半施加剪切荷载;步骤7:依据上述法向位移测表和剪切位移测表测读数据、拉应力值和剪应力值绘制试样的法向位移与拉应力关系曲线、剪切位移与剪应力关系曲线、法向位移与剪应力关系曲线。本专利技术的优点在于:1、能够在现场开展不同尺度岩体的抗拉强度试验、纯剪强度试验、拉剪强度试验,可以获得不同尺度岩体的拉剪强度准则及抗拉强度、纯剪强度、拉剪强度等特征参数。2、依据劈裂法拉伸试验的压-拉转换原理施加拉应力,理论完备,可以在预设剪切面上施加近均匀分布的拉应力。3、拉应力的施加不损坏试样,可以保证试样的原状性和试验成果的代表性。4、试验所需设备简单、安装便捷,易于实施,而且可以在平洞、地表等不同环境条件下开展试验。附图说明图1为本专利技术的平面布置示意图。图2为图1中A-A方向的剖面结构示意图。图3为图1中B-B方向的剖面结构示意图。其中,1—试样、2—左条形垫块、2.1—右条形垫块、3—左拉应力施加千斤顶、3.1—右拉应力施加千斤顶、3.2—前侧剪应力施加千斤顶、4—左垫板、4.1—右垫板、4.2—前侧垫板、5—左传力柱、5.1—右传本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种现场岩体拉剪试验系统,其特征在于:它包括拉应力施加单元和剪应力施加单元,其中,拉应力施加单元包括左条形垫块(2)、左拉应力施加千斤顶(3)、左垫板(4)、左传力柱(5)、左混凝土后座(6)、右条形垫块(2.1)、右拉应力施加千斤顶(3.1)、右垫板(4.1)、右传力柱(5.1)、右混凝土后座(6.1),所述左拉应力施加千斤顶(3)的缸体通过左垫板(4)与左传力柱(5)的一端连接,左传力柱(5)的另一端通过另一个左垫板(4)与左混凝土后座(6)的一端连接,左混凝土后座(6)的另一端与基岩(7)固定连接,左拉应力施加千斤顶(3)的活塞杆与左条形垫块(2)的底座连接,左条形垫块(2)的顶面能与试样(1)的左侧拉应力荷载加载面接触;所述右拉应力施加千斤顶(3.1)的缸体通过右垫板(4.1)与右传力柱(5.1)的一端连接,右传力柱(5.1)的另一端通过另一个右垫板(4.1)与右混凝土后座(6.1)的一端连接,右混凝土后座(6.1)的另一端与基岩(7)固定连接,右拉应力施加千斤顶(3.1)的活塞杆与右条形垫块(2.1)的底座连接,右条形垫块(2.1)的顶面能与试样(1)的右侧拉应力荷载加载面接触;所述剪应力施加单元包括前侧剪应力施加千斤顶(3.2)、前侧垫板(4.2)、前侧传力柱(5.2)、前侧混凝土后座(6.2)、断面为矩形的条形垫块(8)和断面为梯形的条形垫块(9),其中,前侧剪应力施加千斤顶(3.2)的缸体通过前侧垫板(4.2)与前侧传力柱(5.2)的一端连接,前侧传力柱(5.2)的另一端通过另一个前侧垫板(4.2)与前侧混凝土后座(6.2)的一端连接,前侧混凝土后座(6.2)的另一端与基岩(7)固定连接,前侧剪应力施加千斤顶(3.2)的活塞杆与断面为梯形的条形垫块(9)的下底面连接,断面为梯形的条形垫块(9)的上底面连接断面为矩形的条形垫块(8)的一端,断面为矩形的条形垫块(8)的另一端能与试样(1)的剪切荷载加载面接触。...

【技术特征摘要】
1.一种现场岩体拉剪试验系统,其特征在于:它包括拉应力施加单元和剪应力施加单元,其中,拉应力施加单元包括左条形垫块(2)、左拉应力施加千斤顶(3)、左垫板(4)、左传力柱(5)、左混凝土后座(6)、右条形垫块(2.1)、右拉应力施加千斤顶(3.1)、右垫板(4.1)、右传力柱(5.1)、右混凝土后座(6.1),所述左拉应力施加千斤顶(3)的缸体通过左垫板(4)与左传力柱(5)的一端连接,左传力柱(5)的另一端通过另一个左垫板(4)与左混凝土后座(6)的一端连接,左混凝土后座(6)的另一端与基岩(7)固定连接,左拉应力施加千斤顶(3)的活塞杆与左条形垫块(2)的底座连接,左条形垫块(2)的顶面能与试样(1)的左侧拉应力荷载加载面接触;所述右拉应力施加千斤顶(3.1)的缸体通过右垫板(4.1)与右传力柱(5.1)的一端连接,右传力柱(5.1)的另一端通过另一个右垫板(4.1)与右混凝土后座(6.1)的一端连接,右混凝土后座(6.1)的另一端与基岩(7)固定连接,右拉应力施加千斤顶(3.1)的活塞杆与右条形垫块(2.1)的底座连接,右条形垫块(2.1)的顶面能与试样(1)的右侧拉应力荷载加载面接触;所述剪应力施加单元包括前侧剪应力施加千斤顶(3.2)、前侧垫板(4.2)、前侧传力柱(5.2)、前侧混凝土后座(6.2)、断面为矩形的条形垫块(8)和断面为梯形的条形垫块(9),其中,前侧剪应力施加千斤顶(3.2)的缸体通过前侧垫板(4.2)与前侧传力柱(5.2)的一端连接,前侧传力柱(5.2)的另一端通过另一个前侧垫板(4.2)与前侧混凝土后座(6.2)的一端连接,前侧混凝土后座(6.2)的另一端与基岩(7)固定连接,前侧剪应力施加千斤顶(3.2)的活塞杆与断面为梯形的条形垫块(9)的下底面连接,断面为梯形的条形垫块(9)的上底面连接断面为矩形的条形垫块(8)的一端,断面为矩形的条形垫块(8)的另一端能与试样(1)的剪切荷载加载面接触。2.根据权利要求1所述的现场岩体拉剪试验系统,其特征在于:所述左条形垫块(2)的断面为圆角三角形。3.根据权利要求2所述的现场岩体拉剪试验系统,其特征在于:所述右条形垫块(2.1)断面为圆角三角形。4.根据权利要求1所述的现场岩体拉剪试验系统,其特征在于:所述左条形垫块(2)的顶面与试样(1)左侧拉应力荷载加载面的接触形式为线接触,右条形垫块(2.1)的顶面与试样(1)右侧拉应力荷载加载面的接触形式为线接触,断面为矩形的条形垫块(8)的另一端与试样(1)的剪切荷载加载面的接触形式为条形接触。5.根据权利要求1所述的现场岩体拉剪试验系统,其特征在于:所述左条形垫块(2)传递到试样(1)左侧拉应力荷载加载面的荷载为线性分布荷载,右条形垫块(2.1)传递到试样(1)右侧拉应力荷载加载面的荷载为线性分布荷载,断面为矩形的条形垫块(8)传递到试样(1)剪切荷载加载面的荷载为条形分布荷载。6.一种利用权利要求1所述系统的现场岩体拉剪试验方法,其特征在于,它包括如下步骤:步骤1:制备试样(1);步骤2:在试样(1)的左侧拉应力荷载加载面和右侧拉应力荷载加载面安装所述拉应力施加单元,并使左条形垫块(2)与试样(1)左侧拉应力荷载加载面的接触线位于试样(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员:张宜虎周火明邬爱清陈冲范雷熊诗湖王帅钟作武向欣於汝山王贤彪唐爱松庞正江胡伟
申请(专利权)人:长江水利委员会长江科学院
类型:发明
国别省市:湖北;42

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