一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置及方法，本套试验加载装置采用应变控制式，通过对试样进行手动加压控制位移来完成试验过程。本发明专利技术针对隧道内复杂的试验条件，充分结合现场环境特点，具有结构简单、易拆装、操作方便，数据记录准确性高，普通技术人员可快速掌握的优点，提高了整个实验过程的稳定性，充分保障了试验过程和实验人员的安全。

An apparatus and method for in-situ direct shear test of rock and soil mass in tunnels

The invention discloses an in-situ direct shear test device and a method for rock and soil mass in a tunnel. The test loading device adopts a strain control mode and completes the test process by manually pressurizing and controlling the displacement of the sample. The invention has the advantages of simple structure, easy disassembly and assembly, convenient operation, high accuracy of data recording, and quick mastery by ordinary technicians, aiming at the complicated test conditions in the tunnel, fully combining with the characteristics of the field environment, thereby improving the stability of the whole experiment process and fully ensuring the safety of the test process and the laboratory personnel.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置及方法
本专利技术属于隧道工程测试
，具体涉及一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置及方法。
技术介绍
围岩的粘聚力和摩擦角等物理力学参数是评价隧道围岩稳定性以及支护参数合理性的重要基础数据。对于相对完整的岩体，一般可先通过现场取芯，然后进行室内剪切试验或三轴试验获得隧道围岩的粘聚力和摩擦角。而对于非常软弱、破碎、松散的岩体，则很难取芯，需采用原位直剪试验的手段获取围岩的粘聚力和摩擦角。然而，由于受到现场各种复杂条件的制约，隧道内岩土体原位直剪试验一直很难较好地开展，尤其在试样制作、设备安装、垂直荷载和剪切荷载的设置和施加等方面，操作极为复杂，需要耗费大量的人力和物力。因此，有必要针对隧道现场的环境条件，专利技术一种隧道内试验效率高、安全性好、经济性佳的岩土体原位直剪试验装置及其使用方法。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置及方法，以解决现有隧道内岩土体原位直剪试验操作复杂、试验效率低、试验结果精度差的问题。为达到上述目的，本专利技术所述一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置包括试验块、垂向压力系统和切向压力系统，试验块包括用于容置试样的剪切盒，剪切盒上下贯通；垂向压力系统包括自上而下依次设置的垂向载荷、反力支架、垂向传力千斤顶、第一垂向压力板、滚轴排和第二垂向压力板，第二垂向压力板的下端面与试样的上端面相接，垂向传力千斤顶与第一手动油压泵通过油管连接；切向压力系统包括在水平方向上依次连接的切向反力支座、切向传力钢板和剪切千斤顶，剪切千斤顶与剪切盒的侧面连接，剪切千斤顶与第二手动油压泵通过油管连接；垂向传力千斤顶两侧对称设置有两个用于量测试验过程中试样的垂向位移的垂向位移计，剪切千斤顶上方对称设置有两个切向位移计，切向位移计用于量测试验过程中试样在剪切过程中的切向位移。进一步的，还包括数据采集箱，数据采集箱与两个垂向位移计、两个切向位移计、垂向传力千斤顶和剪切千斤顶连接。进一步的，还包括设置在垂向传力千斤顶和反力支架的水平板之间的传力板，传力板用于大垂向传力千斤顶和反力支架之间的接触面积。进一步的，还包括切向压力板，切向压力板位于剪切千斤顶和剪切盒之间，切向压力板的面积大于剪切盒侧面的面积。进一步的，切向反力支座包括至少两根并排设置在坑壁内侧的土体中的钢管，经过所有钢管中轴线的平面与剪切千斤顶的中轴线垂直，钢管的上端面高于剪切千斤顶的顶面，钢管中设置有若干钢筋。进一步的，钢管与切向传力钢板之间填充有碎石或细集料。进一步的，垂向传力千斤顶和剪切千斤顶均为双作用液压千斤顶。一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验方法，包括以下步骤：步骤1、试样制备，在隧道掌子面附近，选择未经扰动的具有代表性的原状围岩位置，将岩土体削切为块体，在试样上套入剪切盒，将剪切盒与试样之间缝隙用碎石和细沙填满；步骤2、仪器安装，将各个试验装置安装至指定位置；剪切盒上方的传力装置安放完成后，用水平尺量测，保证试样上方的传力装置完全水平，传力装置包括自上向下依次设置的第一垂向压力板、滚轴排和第二垂向压力板；步骤3、垂向加载，对试样分级施加垂向荷载，分3级达到试验要求的荷载，施加荷载后每5min观测变形一次，至每分钟的变形不超过0.05mm时，加下一级荷载；最后一级荷载施加后当30min内的垂向变形不超过0.05mm时，可认为稳定，即可施加切向剪切荷载；步骤4、切向加载，对试样施加切向剪应力之前，根据预估最大剪切荷载，分8—12级对试样施加切向荷载，每级荷载施加后，测读剪切位移和法向位移，5min后再测读一次，即可施加下一级荷载；在切向加载过程中，当切向荷载达到峰值或稳定时，即认为试样受损；步骤5、重复试验，重复步骤1至4，在不同垂向荷载条件下，对同一岩性地层以同样的方式进行3-5个试样的剪切试验；步骤6、数据处理，根据上述步骤测读的数据，绘制不同压力条件下的剪切位移—剪应力曲线，回归分析采用峰值时对应的剪应力，计算抗剪强度、岩体粘聚力C和内摩擦角的值。进一步的，在步骤3之前中，对切向反力支座进行加固。进一步的，步骤3中，施加垂向荷载时，保证垂向载荷中心、垂向传力千斤顶底座中心和试样中心，保持在同一轴线上。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果，本专利技术针对隧道施工现场的环境特点，设计了一套能在不影响隧道正常施工的前提下进行正常试验的装置，提高了试验的工作效率，为试验的正常操作提供了保障。本装置的所有部件均可拆卸，运输方便，便于安装，结构简单，成本低，重复使用性高。滚轴排试验时随着切向位移的发展而沿垂向压力板表面滚动，保证垂向压力不产生偏心力矩。滚轴排最大的作用有两个，一个是将滑动摩擦变为滚动摩擦，我们把水平加载作为剪切荷载，但是水平加载力不仅要克服岩体剪力，还有上部摩擦力，如果上部摩擦力很小，那么水平加载力就与岩体剪力很接近了。二是防止竖向千斤顶侧翻，保证实验安全。进一步的，还包括数据采集箱，数据采集箱与两个垂向位移计、两个切向位移计、垂向传力千斤顶和剪切千斤顶连接，千斤顶加压装置和垂向、切向位移计均通过自动数据采集系统实现数据的自动采集和储存，避免了人工读数的繁琐和误差，能够准确地得到试样的抗剪强度指标，同时能够得出试样的剪切剩余强度；同时避免了试验人员在垂向荷载体下方读数的过程，保障了试验人员的安全。进一步的，还包括设置在垂向传力千斤顶和反力支架的水平板之间的传力板，传力板用于大垂向传力千斤顶和反力支架之间的接触面积，增大垂向传力千斤顶和反力支架之间的接触面积，避免试验过程中出现应力集中。进一步的，还包括切向压力板，切向压力板位于剪切千斤顶和剪切盒之间，切向压力板的面积大于剪切盒侧面的面积，实现剪切盒所受剪力一侧的受力均匀。进一步的，切向反力支座包括至少两根并排设置在坑壁内侧的土体中的钢管，经过所有钢管中轴线的平面与剪切千斤顶的中轴线垂直，钢管的上端面高于剪切千斤顶的顶面，钢管中设置有若干钢筋，确保隧道内原位直剪试验切向反力支座具有足够的强度和刚度，能够有效地承受剪切千斤顶传来的水平反推力，确保试验的成功进行，该切向反力支座更加稳固，而且节省施工空间及施工材料，操作简便。进一步的，钢管与切向传力钢板之间填充有碎石或细集料，钢管是打设在坑壁附近，打设过程中对土体有扰动，会使土体变得松散，而为了增加接触面积，用细集料进行填充捣实，经过捣实后钢垫板钢管间可形成较为稳固的复合体共同受力，利用隧道开挖产生的渣石作为试验所需要的垂向荷载体，切向反力支座的加固也做到了重复利。一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验方法，采用应变控制式提高了整个实验过程的稳定性，充分保障了试验过程和实验人员的安全，对试样加上竖向荷载以后，要待其稳定，才可加水平荷载，判断其是否稳定则依据竖向位移变化率；之后，对试验块施加水平荷载，判断试验块剪坏并终止实验可依据水平位移是否达到了试样边长的10％，千斤顶加压装置和垂向、切向位移计均通过数据自动采集系统实现数据的自动采集和储存，避免了人工读数的繁琐和误差，能够准确地得到试样的抗剪强度指标，同时能够得出试样的剪切剩余强度；同时避免了试验人员在垂向荷载体下方读数的过程，保障了试验人员的安全。进一步的，在步骤3之前中，对切向反力支座进行加固本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，包括试验块、垂向压力系统和切向压力系统，其中：试验块包括用于容置试样(1)的上下贯通的剪切盒(16)；垂向压力系统包括自上而下依次设置的垂向载荷(5)、反力支架(20)、垂向传力千斤顶(2)、第一垂向压力板(71)、滚轴排(8)和第二垂向压力板(72)，第二垂向压力板(72)的下端面与试样(1)的上端面相接，垂向传力千斤顶(2)与第一手动油压泵(151)通过油管连接；切向压力系统包括在水平方向上依次连接的切向反力支座(6)、切向传力钢板(11)和剪切千斤顶(3)，剪切千斤顶(3)与剪切盒(16)的侧面连接，剪切千斤顶(3)与第二手动油压泵(152)通过油管连接；垂向传力千斤顶(2)两侧对称设置有两个用于量测试验过程中试样(1)的垂向位移的垂向位移计(18)，剪切千斤顶(3)上方对称设置有两个切向位移计(17)，切向位移计(17)用于量测试验过程中试样(1)在剪切过程中的切向位移。

【技术特征摘要】
1.一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，包括试验块、垂向压力系统和切向压力系统，其中：试验块包括用于容置试样(1)的上下贯通的剪切盒(16)；垂向压力系统包括自上而下依次设置的垂向载荷(5)、反力支架(20)、垂向传力千斤顶(2)、第一垂向压力板(71)、滚轴排(8)和第二垂向压力板(72)，第二垂向压力板(72)的下端面与试样(1)的上端面相接，垂向传力千斤顶(2)与第一手动油压泵(151)通过油管连接；切向压力系统包括在水平方向上依次连接的切向反力支座(6)、切向传力钢板(11)和剪切千斤顶(3)，剪切千斤顶(3)与剪切盒(16)的侧面连接，剪切千斤顶(3)与第二手动油压泵(152)通过油管连接；垂向传力千斤顶(2)两侧对称设置有两个用于量测试验过程中试样(1)的垂向位移的垂向位移计(18)，剪切千斤顶(3)上方对称设置有两个切向位移计(17)，切向位移计(17)用于量测试验过程中试样(1)在剪切过程中的切向位移。2.根据权利要求1所述的一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，还包括数据采集箱(14)，两个垂向位移计(18)、两个切向位移计(17)、垂向传力千斤顶(2)和剪切千斤顶(3)均与数据采集箱(14)连接。3.根据权利要求1所述的一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，还包括设置在垂向传力千斤顶(2)和反力支架(20)的水平板之间的传力板(9)，传力板(9)用于大垂向传力千斤顶(2)和反力支架(20)之间的接触面积。4.根据权利要求1所述的一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，还包括切向压力板(10)，切向压力板(10)位于剪切千斤顶(3)和剪切盒(16)之间，切向压力板(10)的面积大于剪切盒(16)侧面的面积。5.根据权利要求1所述的一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，切向反力支座(6)包括至少两根并排设置在坑壁(22)内侧的土体中的钢管，经过所有钢管中轴线的平面与剪切千斤顶(3)的中轴线垂直，钢管的上端面高于剪切千斤顶...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建勋，陈丽俊，罗彦斌，刘立明，郭亚龙，杨亚楠，许岛，赵毅，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61