本发明专利技术公开一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及方法，所述测试装置包括剪切单元、渗透压力控制单元、岩石结构面损伤监测单元、结构面位移监测单元以及应力应变监测单元。通过设计特定的岩石结构面试件，可以实现在岩石节理上模拟不同渗透压力的渗流情况；在渗流存在的条件下对岩石进行剪切，可研究岩石结构面在不同法向应力，不同渗透应力以及不同的结构面粗糙度的情况下剪切变形及抗剪强度变化情况，为研究岩石结构面在渗流的影响下结构面本身抗剪强度参数变化与岩体结构变化特性研究提供一种新型、有效的测试手段。
【技术实现步骤摘要】
基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法
本专利技术涉及土工试验
，具体涉及一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法，通过室内试验测试岩石结构面在渗流情况下的抗剪强度。
技术介绍
岩体是由结构面和岩块组成，结构面的存在造成了岩体介质的不连续性和各向异性，结构面的物理力学性质在一定程度上控制着岩体的力学性质，决定着岩体失稳破坏的规模和类型；同时结构面的存在也为水的渗流提供良好的通道。结构面的力学特性已成为岩体力学一个极为重要的理论研究课题。岩石结构面的法向变形主要包括结构面面闭合和结构面剪胀，两者共同改变和影响着结构面的渗透特性。剪胀是结构面沿着粗糙和起伏表面做切向滑动时产生的法向膨胀，它与结构面岩体的渗透特性关系紧密，因此，要对结构面的剪切-渗流耦合特性进行研究，而进行结构面岩石试件的室内剪切-渗流耦合试验，是一种有效的技术手段。岩石节理剪切渗流耦合试验中的关键技术是试验边界条件的实现，即位移、荷载边界条件和渗流边界条件。在岩石节理的剪切过程中，当上、下节理面在剪切力作用下产生相对位移时，通过在剪切盒进水口和出水口之间设定一定的水压差，即渗透水压力，来实现岩石结构面内的水沿指定路径流动，同时保证剪切盒在垂直水流方向边界上不发生水流渗透，因此必须对剪切盒做良好的密封。由于试验条件的限制，特别是渗透密封手段，目前关于岩石节理剪切-渗流耦合试验的试验设备还比较缺乏，已有设备的剪切盒所能承受的渗透压力也往往比较低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对现有技术存在的上述缺陷，提出一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法，为研究岩石结构面在渗流的影响下结构面本身抗剪强度参数变化与岩体结构变化特性研究提供一种新型、有效的测试手段。本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，包括剪切单元、渗透压力控制单元、岩石结构面损伤监测单元、结构面位移监测单元以及应力应变监测单元；所述剪切单元包括底座、剪切盒和钢制框架，剪切盒和钢制框架均设置在底座上，钢制框架的顶部设置有一轴压加载板，轴压加载板通过轴压螺栓与钢制框架相连，剪切盒的顶端通过一弹簧组件与轴压加载板相连，通过调节轴压螺栓，实现弹簧组件提供法向恒刚度加载，所述剪切盒内设置有标准试件，所述标准试件是由将岩石依据设计结构面尺寸与粗糙度进行切割打磨获得，标准试件包括上部岩石结构面试件和下部岩石结构面试件，标准试件通过固定螺栓固定在剪切盒内；所述剪切盒为圆柱形，包括上剪切盒和下剪切盒，分别上剪切盒的侧面设置有刚性触手，刚性触手与钢制框架固定连接，下剪切盒与一变频电机相连，实现往返剪切运动，在剪切过程中，上剪切盒固定，变频电机通过齿轮与下剪切盒连接，并带动下剪切盒进行不同速率的往返剪切运动；所述渗透压力控制单元包括进水管、出水管以及水压力泵，所述下部岩石结构面试件内部设置有竖向透水孔，所述透水孔通过进水管与水压力泵相连，在试验过程中，可以保证岩石结构面进水压力恒定。沿上部岩石结构面试件和下部岩石结构面试件的接触面处的圆周方向设置有一渗流出水口，所述渗流出水口与水压力泵相连，可以实时对岩石结构面的渗流量与出水端压力进行测定；所述岩石结构面损伤监测单元包括声波发射探头、声波接收探头以及声波解调仪，所述声波发射探头设置在上部岩石结构面试件的顶端，所述声波接收探头设置在下部岩石结构面试件的底端，声波发射探头和声波接收探头均与声波解调仪相连，试验开始时，声波发射探头发射高压脉冲，同时声波接收探头接收声波信号，在发射高压脉冲的同时，声波解调仪将输出同步信号，对岩石内部各类型裂隙进行无损检测；所述结构面位移监测单元包括相机，上剪切盒和下剪切盒之间的剪切面处还设置有透明窗口，透明窗口采用亚克力材质，相机设置在上剪切盒外部的亚克力窗口外侧，以保证与上剪切盒的相对静止，对剪切面进行拍摄，记录剪切时剪切面的变化，通过后续数据处理分析剪切面宏细观变化情况；所述应力应变监测单元包括第一压力传感器、第二压力传感器以及压力数显装置，第一压力传感器设置在弹簧组件与剪切盒之间，第二压力传感器设置在刚性触手和钢制框架之间，第一压力传感器和第二压力传感器均与压力数显装置相连，在剪切过程中，在变频电机作用下，下剪切盒产生转动位移，会带动上剪切盒一同转动，而上剪切盒的刚性触手在刚制框架的止挡左右下，限制了上剪切盒的位移变形，第二压力传感器可将识别的信号实时传递至压力数显装置进行数据的观测与记录。进一步的，所述变频电机与一电机数控显示系统相连，变频电机的输出轴与一齿轮相连，沿下剪切盒的侧壁圆周方向设置有齿纹圈，所述齿纹圈与齿轮啮合，通过变频电机带动下剪切盒进行不同速率的往返剪切运动。进一步的，所述下剪切盒的底部设置有滚珠，以减少变频电机驱动下剪切和转动时的摩擦力，增加剪切效果。进一步的，所述轴压加载板的下表面上还设置有位移传感器，所述位移传感器采用激光位移传感器，以实时检测轴向位移。本专利技术另外还提出一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置的测试方法，包括以下步骤：(1)将岩石按设计结构面尺寸与粗糙度进行切割打磨，制成标准试件，一组标准试件由上部岩石结构面试件和下部岩石结构面试件组成，通过固定螺栓将标准试件固定在剪切盒内；(2)旋紧轴压螺栓，观察第一压力传感器的测试数值，当第一压力传感器的读数达到设定轴向压力时停止，确保整个测试过程均在常法向刚度下完成；(3)在上部岩石结构面试件顶部设计有声波发射探头，在下部岩石结构面试件底部设计有声波接收探头，试验开始时，声波发射探头发射高压脉冲，同时声波接收探头接收声波信号；在发射高压脉冲的同时，声波解调仪将输出同步信号，对岩石内部各类型裂隙进行无损检测；(4)设定进水端水压力，待结构面边渗流出水口处有水渗出时，打开水压力泵，实时监测出水量和出水端压力；待出水端压力稳定后，通过设定变频电机的转动频率、转动幅度和转动周期来对标准试件施加剪切力，标准试件受到的剪切力T的大小由第二压力传感器测得，则试件受到的剪应力为：τ＝T÷πr2；(5)试件在剪切过程中轴向力变化由第一压力传感器测得，轴向位移由位移传感器测得，结合剪切过程中剪切位移、剪应力绘制之间的剪切位移曲线，测得试样的粘聚力与阻尼比，得到试样在循环剪切下的滞回曲线，进而计算试样的动模量与阻尼比；而且，试件在剪切过程中，通过亚克力窗口观察剪切面宏观变化情况，并将相机安装于上剪切盒外部，以保证与上盒的相对静止，对剪切面进行拍摄，并对所得图像进行处理；通过拍摄获取目标物变形过程中的连续散斑图像，在灰度匹配算法的基础上，采用相关性指标来衡量参考子区和目标子区的相似程度，从而求得被测目标的位移和变形。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：本专利技术所提出的方案采用圆形剪切盒设计，渗流采用辐射流的形式，可以实现高渗透压力下剪切盒的密封性，避免剪切过程中由于剪切盒的相对位移造成漏水问题；而且，采用圆形剪切盒设计，可以实现对试样的循环剪切，通过设定剪切频率与幅值，可得到与之对应的动剪切模量与阻尼比，极大的方便了对土体动剪切特性的研究，并成功解决了传动剪切设备在剪切过程中剪切面积与渗流路径随剪切变形而发生改变的缺陷；采用竖向弹簧组件提供法向恒刚度加载，可实现常刚度下循本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，其特征在于，包括剪切单元、渗透压力控制单元、岩石结构面损伤监测单元、结构面位移监测单元以及应力应变监测单元；所述剪切单元包括底座(21)、剪切盒(23)和钢制框架(12)，剪切盒(23)和钢制框架(12)均设置在底座(21)上，钢制框架(12)的顶部设置有一轴压加载板(22)，轴压加载板(22)通过轴压螺栓(1)与钢制框架(12)相连，剪切盒(23)的顶端通过一弹簧组件(3)与轴压加载板(22)相连；所述剪切盒(23)内设置有标准试件，所述标准试件是由将岩石依据设计结构面尺寸与粗糙度进行切割打磨获得，标准试件包括上部岩石结构面试件(5)和下部岩石结构面试件(8)，标准试件通过固定螺栓(14)固定在剪切盒(23)内；所述剪切盒(23)为圆柱形，包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒的侧面设置有刚性触手(15)，刚性触手(15)与钢制框架(12)固定连接，下剪切盒与一变频电机相连，实现往返剪切运动；所述渗透压力控制单元包括进水管(17)、出水管(7)以及水压力泵(11)，所述下部岩石结构面试件(8)内部设置有竖向透水孔，所述透水孔通过进水管(17)与水压力泵(11)相连，沿上部岩石结构面试件(5)和下部岩石结构面试件(8)的接触面处的圆周方向设置有一渗流出水口(6)，所述渗流出水口(6)与水压力泵(11)相连；所述岩石结构面损伤监测单元包括声波发射探头(4)、声波接收探头(9)以及声波解调仪(10)，所述声波发射探头(4)设置在上部岩石结构面试件(5)的顶端，所述声波接收探头(9)设置在下部岩石结构面试件(8)的底端，声波发射探头(4)和声波接收探头(9)均与声波解调仪(10)相连；所述结构面位移监测单元包括相机(16)，上剪切盒和下剪切盒之间的剪切面处还设置有透明窗口，透明窗口采用亚克力材质，相机(16)设置在上剪切盒外部的亚克力窗口外侧；所述应力应变监测单元包括第一压力传感器(13)、第二压力传感器以及压力数显装置(18)，第一压力传感器(13)设置在弹簧组件(3)与剪切盒(23)之间，第二压力传感器设置在刚性触手(15)和钢制框架(12)之间，第一压力传感器(13)和第二压力传感器均与压力数显装置(18)相连。...
【技术特征摘要】
1.基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，其特征在于，包括剪切单元、渗透压力控制单元、岩石结构面损伤监测单元、结构面位移监测单元以及应力应变监测单元；所述剪切单元包括底座(21)、剪切盒(23)和钢制框架(12)，剪切盒(23)和钢制框架(12)均设置在底座(21)上，钢制框架(12)的顶部设置有一轴压加载板(22)，轴压加载板(22)通过轴压螺栓(1)与钢制框架(12)相连，剪切盒(23)的顶端通过一弹簧组件(3)与轴压加载板(22)相连；所述剪切盒(23)内设置有标准试件，所述标准试件是由将岩石依据设计结构面尺寸与粗糙度进行切割打磨获得，标准试件包括上部岩石结构面试件(5)和下部岩石结构面试件(8)，标准试件通过固定螺栓(14)固定在剪切盒(23)内；所述剪切盒(23)为圆柱形，包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒的侧面设置有刚性触手(15)，刚性触手(15)与钢制框架(12)固定连接，下剪切盒与一变频电机相连，实现往返剪切运动；所述渗透压力控制单元包括进水管(17)、出水管(7)以及水压力泵(11)，所述下部岩石结构面试件(8)内部设置有竖向透水孔，所述透水孔通过进水管(17)与水压力泵(11)相连，沿上部岩石结构面试件(5)和下部岩石结构面试件(8)的接触面处的圆周方向设置有一渗流出水口(6)，所述渗流出水口(6)与水压力泵(11)相连；所述岩石结构面损伤监测单元包括声波发射探头(4)、声波接收探头(9)以及声波解调仪(10)，所述声波发射探头(4)设置在上部岩石结构面试件(5)的顶端，所述声波接收探头(9)设置在下部岩石结构面试件(8)的底端，声波发射探头(4)和声波接收探头(9)均与声波解调仪(10)相连；所述结构面位移监测单元包括相机(16)，上剪切盒和下剪切盒之间的剪切面处还设置有透明窗口，透明窗口采用亚克力材质，相机(16)设置在上剪切盒外部的亚克力窗口外侧；所述应力应变监测单元包括第一压力传感器(13)、第二压力传感器以及压力数显装置(18)，第一压力传感器(13)设置在弹簧组件(3)与剪切盒(23)之间，第二压力传感器设置在刚性触手(15)和钢制框架(12)之间，第一压力传感器(13)和第二压力传感器均与压力数显装置(18)相连。2.根据权利要求1所述的基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，其特征在于：所述变频电机(19)与一电机数控显示系统(20...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨忠年，张亮，时伟，李克先，王勇，凌贤长，管晓明，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37
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