岩体不连续面恒定法向刚度剪切试验装置及其试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及岩体不连续面恒定法向刚度剪切试验装置及其试验方法，装置包括：底座，用于放置试件；加载框架，与底座固定连接；剪切加载系统，设于底座上，用于对试件施加剪切力；法向加载系统，与加载框架的顶端固定连接，用于对试件施加法向压力；法向位移监测系统，用于实时测量试件法向位移的大小；计算机控制系统，与法向加载系统和法向位移监测系统连接，并实时接收试件的法向位移的数据，根据试件法向刚度不变的原则，即公式σ＝σ0+Δd*K，不断调整加载系统对试件施加的法向压力，从而达到岩体剪切试验过程中的法向刚度恒定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地下工程
，特别涉及一种岩体不连续面恒定法向刚度剪切试验装置及其试验方法。
技术介绍
随着国民经济现代化水平的提高和城市人口的增加，人类因居住和从事各种活动而争占土地的矛盾日趋激化。从宏观上看，人口的增加和生活需求的增长与土地等自然条件的日益恶化和资源的逐渐枯竭引起的人类生存空间问题，已达到了危机的程度。在这种情况下，地下空间资源的开发与综合利用，为人类生存空间的扩展提供了具有很大潜力的自然资源。然而在地下空间的开发利用中，需要对工程所处的围岩类别进行分级，并根据围岩分级等相关情况对开挖岩体进行支护。如果支护不当则会发生类似围岩坍塌的工程事故，造成了巨大的经济损失，而且给施工人员的生命安全造成威胁。因此，围岩分级的准确性、以及岩土工程支护设计的合理性对确保工程的施工安全、节省工程经济成本都具有重大的意义。而在围岩分级和支护设计的过程中，岩体剪切参数的准确选取起着至关重要的作用。在地下工程中，岩体在不连续面的剪切过程中会产生剪胀现象，由于周围岩体的存在，会对这种剪胀产生约束作用。所谓不连续面，又可称为结构面，包括节理、裂隙、断层等情况。由于不连续面是粗糙不平的，随着剪切位移不断增大，剪胀程度不断变化、周围岩体对不连续面的法向荷载也会随之不断变化。在此过程中，只有周围岩体的刚度保持恒定不变。现有的剪切试验机只能实现恒定荷载边界，此种边界条件只能模拟作用于不连续面法向荷载不变的工程问题，如未支护的边坡。地下工程岩体和锚固条件下岩体均处于恒定法向刚度边界条件下，因此，恒定荷载边界条件不再适合此类工程问题。使用现有的剪切试验机，不能很好的模拟这类工程情况。另外，现有的剪切试验装置只考虑法向应力状态，不能在实现模拟岩体原岩应力的条件下，再施加需要的剪切荷载。现有试验剪切仪的上述缺点会造成模拟环境失真，导致所获得的力学参数与实际情况差异较大，甚至会造成围岩分级的错误确定、进而误导开挖工法和支护设计的合理选择，对施工安全造成严重隐患、或造成工程经济成本的不必要浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可以使试件处于类似工程现场的应力状态，并在恒定法向刚度边界条件下测试岩体不连续面剪切力学参数的岩体不连续面恒定法向刚度剪切试验装置及其试验方法。为了达成上述目的，本专利技术采用如下技术方案：岩体不连续面恒定法向刚度剪切试验装置，包括：底座，用于放置试件；加载框架，与所述底座固定连接；剪切加载系统，设于所述底座上，用于对所述试件施加剪切力；法向加载系统，与所述加载框架的顶端固定连接，用于对所述试件施加法向压力；法向位移监测系统，用于实时测量所述试件法向位移的大小；计算机控制系统，与所述法向加载系统和所述法向位移监测系统连接，并实时接收所述试件的法向位移的数据，根据所述试件法向刚度不变的原则，即公式σ＝σ0+△d*Κ，不断调整所述法向加载系统对所述试件施加的法向压力，从而达到岩体剪切试验过程中的法向刚度恒定；式中，σ为某时刻需要对所述试件施加的法向应力，σ0为所述试件的初始围压，△d为所述试件在该时刻所发生的累计的法向位移，K为所述试件的法向刚度，K为定值。控制系统利用法向位移监测系统对法向位移的实时反馈，随时调节对试件施加的法向压力大小，技术先进，突破了传统试验机只能实现恒荷载边界的技术难题，进而可以根据围岩在实际工程中的真实情况，能够模拟岩体在不连续面处法向荷载不断变化、和周围岩体刚度恒定不变的情况，实现了恒定法向刚度边界条件下的岩体不连续面剪切试验。利用恒定法向刚度剪切试验装置所获得的岩石剪切力学参数更加符合实际情况，使围岩分级的确定、开挖工法和支护设计的选择更加科学准确，对工程施工安全和经济成本的合理控制有重要的意义。岩体恒定法向刚度剪切试验装置还包括水平加载系统，用以对所述试件施加垂直于剪切方向的水平压力。工程现场中，岩体在水平方向受到平行于剪切方向的水平剪力和垂直于剪切方向的水平压力两个方向的受力。理想的试验装备应首先使试件满足工程现场的法向和两个水平向的应力状态，然后施加需要的剪切荷载。传统的试验机忽略了对水平压力的模拟，模拟环境失真。通过采用水平加载系统，可以在进行剪切试验之前实现水平压力的模拟，使得试验的模拟环境与岩体在围岩中的真实受力环境一致，确保测试结果的准确性。所述底座上设有用以固定试件的试件固定部件，所述固定部件由彼此分离的上部固定件和下部固定件组成，所述固定部件内部构成用于容纳所述试件的空间；所述水平加载系统包括液压囊，所述液压囊设在所述固定部件的侧壁内侧，并与伺服油源连接；所述伺服油源与所述计算机控制系统连接。计算机控制系统控制所述伺服油源对所述液压囊加压，使液压囊膨胀，通过液压囊与侧壁的紧密挤压，来施加对试件的水平压力。采用液压囊而不是传统的油缸来施加水平压力，使得试验机的结构更加紧凑，合理利用空间，布局合理，减小仪器的占地面积，成本低廉。液压囊由计算机控制系统控制加压，方便准确。所述法向加载系统包括用以对所述试件施加法向压力的两个平行设置的加载油缸。布置两个相互平行的加载油缸，可以使试件的法向受力更加均匀。所述剪切加载系统包括用以对所述试件施加剪力的设于所述试件两侧的第一剪切加载组件和第二剪切加载组件。所述第一和第二剪切加载组件在所述试件沿剪切方向的两侧相互对置，所述第一剪切加载组件包括位于下方的第一剪切加载油缸和位于上方的第三剪切加载油缸，所述第二剪切加载组件包括位于下方的第二剪切加载油缸和位于上方的第四剪切加载油缸。所述剪切加载系统与所述计算机控制系统连接，各个所述剪切加载油缸均独立受控于所述计算机控制系统。岩体在围岩中的受力情况十分复杂，当岩体在结构面受到剪切作用时，是在原岩应力的基础上继续发生的剪切作用。传统的剪切试验仪的结构形式多为在试件的两侧设置错开的加载部件，无法将岩体沿剪切方向的原岩应力考虑在内。将剪切加载系统设置为四个加载油缸，每个加载油缸都受计算机控制系统的独立控制，方便灵活，可以根据围岩的实际情况，模拟岩体在结构面附近的实际受力，在模拟剪切力的同时，可以将沿剪切方向的原岩应力考虑在内，使得剪切模拟过程更加符合实际地质中的围岩受力情况，使实现岩体受力环境的真实模拟成为可能。所述剪切加载系统还包括第一缸体固定件和第二缸体固定件，所述第一剪切加载油缸的缸体和所述第三剪切加载油缸的缸体均固定在所述第一缸体固定件内，所述第二剪切加载油缸的缸体和所述第四剪切加载油缸的缸体均固定在所述第二缸体固定件内。所述第一和第二缸体固定件上分别设有沿前后方向布置的第一传力轴和第二传力轴，所述传力轴延伸至所述缸体固定件的前后表面外侧形成突出部；所述第一和第二传力轴的突出部通过传力杆连接。第一和第二剪切加载组件通过传力轴和传力杆来提供反力，结构
简单，成本低廉，空间利用率高。所述传力杆为两个，布置在所述第一和第二缸体固定件的前后两侧。所述剪切加载系统还包括用以承载所述第一或第二剪切加载组件的剪切支撑装置，所述剪切支撑装置沿所述第一或第二剪切加载组件运动延伸的方向布置，所述剪切支撑装置的表面与所述底座的表面平行。所述第一缸体固定件和所述第二缸体固定件均与所述底座固定连接。所述第一、第二、第三和/或第四剪切加载油缸的活塞杆的端头设有用以与所本文档来自技高网...

【技术保护点】
岩体不连续面恒定法向刚度剪切试验装置，其特征在于：包括：底座，用于放置试件；加载框架，与所述底座固定连接；剪切加载系统，设于所述底座上，用于对所述试件施加剪切力；法向加载系统，与所述加载框架的顶端固定连接，用于对所述试件施加法向压力；法向位移监测系统，用于实时测量所述试件法向位移的大小；计算机控制系统，与所述法向加载系统和所述法向位移监测系统连接，并实时接收所述试件的法向位移的数据，根据所述试件法向刚度不变的原则，即公式σ＝σ0+△d*Κ，不断调整所述法向加载系统对所述试件施加的法向压力，从而达到岩体剪切试验过程中的法向刚度恒定；式中，σ为某时刻需要对所述试件施加的法向应力，σ0为所述试件的初始围压，△d为所述试件在该时刻所发生的累计的法向位移，K为所述试件的法向刚度，K为定值。

【技术特征摘要】
1.岩体不连续面恒定法向刚度剪切试验装置，其特征在于：包括：底座，用于放置试件；加载框架，与所述底座固定连接；剪切加载系统，设于所述底座上，用于对所述试件施加剪切力；法向加载系统，与所述加载框架的顶端固定连接，用于对所述试件施加法向压力；法向位移监测系统，用于实时测量所述试件法向位移的大小；计算机控制系统，与所述法向加载系统和所述法向位移监测系统连接，并实时接收所述试件的法向位移的数据，根据所述试件法向刚度不变的原则，即公式σ＝σ0+△d*Κ，不断调整所述法向加载系统对所述试件施加的法向压力，从而达到岩体剪切试验过程中的法向刚度恒定；式中，σ为某时刻需要对所述试件施加的法向应力，σ0为所述试件的初始围压，△d为所述试件在该时刻所发生的累计的法向位移，K为所述试件的法向刚度，K为定值。2.根据权利要求1所述的岩体不连续面恒定法向刚度剪切试验装置，其特征在于：所述法向加载系统包括用以对所述试件施加法向压力的两个平行设置的加载油缸。3.根据权利要求1所述的岩体不连续面恒定法向刚度剪切试验装置，其特征在于：岩体恒定法向刚度剪切试验装置还包括水平加载系统，用以对所述试件施加垂直于剪切方向的水平压力。4.根据权利要求3所述的岩体不连续面恒定法向刚度剪切试验装置，其特征在于：所述底座上设有用以固定试件的试件固定部件，所述固定部件由彼此分离的上部固定件和下部固定件组成，所述固定部件内部构成用于容纳所述试件的空间；所述水平加载系统包括液压囊，所述液压囊设在所述固定部件的侧壁内侧，并与伺服油源连接；所述伺服油源与所述计算机控制系统连接。5.根据权利要求1所述的岩体不连续面恒定法向刚度剪切试验装置，其特征在于：所述剪切加载系统包括用以对所述试件施加剪力的设于所述试件两侧的第一剪切加载组件和第二剪切加载组件；所述第一和第二剪切加载组件在所述试件沿剪切方向的两侧相互对置，所述第一剪切加载组件包括位于下方的第一剪切加载油缸和位于上方的第三剪切加载油缸，所述第二剪切加载组件包括位于下方的第二剪切加载油缸和位于上方的第四剪切加载油缸；所述剪切加载系统与所述计算机控制系统连接，各个所述剪切加载油缸均独立受控于所述计算机控制系统。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋宇静，吴学震，王刚，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37