多尺度土石混合体-基岩界面剪切特性测试装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及多尺度土石混合体‑基岩界面剪切力学性质测试装置，包括试件系统、平衡控制系统、加载系统、伺服控制系统和数据采集系统；所述伺服控制系统用于控制加载系统工作；所述数据采集系统用于采集剪切、垂直加载力和位移以及剪切全过程中土石混合体‑基岩界面的图像信息；所述试件系统包括用于填装土石混合体试样的上矩形钢化玻璃剪切盒、用于填装岩石试样的下矩形钢制剪切盒和加载板。不仅能实现多尺寸及复杂界面性质的土石混合体‑基岩界面剪切力学特性研究，满足不同垂直应力、不同含石量和不同含水率条件下考虑基岩界面形态的直剪试验要求，同时还可考虑水在此界面的侵蚀、软化等效应。

【技术实现步骤摘要】
多尺度土石混合体-基岩界面剪切特性测试装置和方法
本专利技术涉及岩土工程及地质工程测试
，特别涉及一种土石混合体-基岩界面剪切特性测试装置和方法。
技术介绍
堆积体斜边坡一直都是露天矿业工程、水电工程等中遇到的一个重大难题。1942～1953年间，美国大古力水库引发大约500处岸坡失稳；1965～1969年在奥地利Cepatsch坝蓄水及水库运行初期，紧邻大坝的上游几处滑坡发生10多米的变形。《三峡库区三期地质灾害防治规划》统计指出，截至2003年底，库区内发生的地质灾害有4706起，其中滑坡就占4663起。循环的水位升降(145m～175m)加之降雨入渗影响，改变了库岸原有岩土体应力状态，恶化了库区地质条件，滑坡灾害的大量发生特别是大规模古滑坡的复活现象使得库区滑坡灾害问题日益突出。大量的古滑坡现场实地勘察和研究表明库区古滑坡结构一般是由上覆堆积体和下覆基岩组成，其上覆堆积体和下覆基岩的交界面称为基岩界面。古滑坡的破坏大都均沿基岩界面整体下滑，因此基岩界面的力学性质对古滑坡的稳定性起着非常重要的控制作用。基岩界面的剪切特性受其产状、形态、上覆土石体的含石量、尺寸大小以及侵蚀条件等因素的影响，采用传统的试验仪器获取基岩界面剪切力学参数效果不佳。现有所出现的涉及界面抗剪强度特性的仪器大部分具有操作步骤繁琐、试验精度不够等缺陷。如申请号为201510836695.1《一种大型土体界面剪切试验模型及试验方法》，申请号为201510359489.6《一种滑坡基覆面反复直剪强度试验方法》，申请号为201510190190.2《一种岩石结构面剪切试验方式及方法》等，上述专利所涉及的装置和方法或具有剪切过程中剪切或没有考虑含石量和含水率等因素对剪切特性的影响或无法观测界面块石的运动情况等缺陷，此外上述专利均未考虑水的侵蚀，软化作用对基岩界面力学性质的影响，特别的，针对土石混合体-基岩界面剪切试验过程中块石的运动情况、尺寸效应上述专利均未涉及。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种土石混合体-基岩界面剪切特性测试装置和方法，该装置和方法不仅能实现多尺寸及复杂界面性质(不同基岩面粗糙度及堆积体级配)的土石混合体-基岩界面剪切力学特性研究，满足不同垂直应力、不同含石量和不同含水率条件下考虑基岩界面形态的直剪试验要求，同时还可考虑水在此界面的侵蚀、软化等效应。为解决上述技术难题，本专利技术采用的技术方案如下：一种多尺度土石混合体-基岩界面剪切力学性质测试装置，包括试件系统、平衡控制系统、加载系统、伺服控制系统和数据采集系统；所述伺服控制系统用于控制加载系统工作；其特征在于：所述数据采集系统用于采集剪切、垂直加载力和位移以及剪切全过程中土石混合体-基岩界面的图像信息；所述试件系统包括用于填装土石混合体试样的上矩形钢化玻璃剪切盒、用于填装岩石试样的下矩形钢制剪切盒和加载板；所述上矩形钢化玻璃剪切盒是由前、后、左、右四块透明钢化玻璃板通过螺栓固定连接组成的空心剪切盒，前、后两块透明钢化玻璃板的两侧均布置有多排连接孔，每排按照上下位置包括多个连接孔，通过改变上矩形钢化玻璃剪切盒中螺栓的位置能变更上矩形钢化玻璃剪切盒的长宽比；所述下矩形钢制剪切盒是由前、后、左、右和底部五块钢制铁板通过螺栓固定连接组成的空心剪切盒，前、后两块钢制铁板的两侧均布置多排连接孔，每排按照上下位置包括多个连接孔，通过改变下矩形钢制剪切盒上螺栓的位置能变更下矩形钢制剪切盒的长宽比，且使下矩形钢制剪切盒的长宽比与上矩形钢化玻璃剪切盒的长宽比相对应；所述下矩形钢制剪切盒顶部端口的左右两侧均往外侧延伸；所述下矩形钢制剪切盒底部钢制铁板的下表面对称设有多个插销孔；在下矩形钢制剪切盒和上矩形钢化玻璃剪切盒交界位置附近的反力架上安装用于采集基岩界面图像信息的图像采集仪；所述加载板置于土石混合体试样的顶部，所述加载板为矩形板；在上矩形钢化玻璃剪切盒的内侧面上均均匀涂有减摩润滑剂；加载板的上方正对加载系统的垂直应力加载单元，所述加载系统包括垂直应力加载单元、剪切应力加载单元、反力架和位移计；所述垂直应力加载单元包括第一加载机、第一伸缩器、第一压头、第一压力传感器，所述垂直应力加载单元通过螺栓固定于反力架的顶端内侧；所述剪切应力加载单元包括第二加载机、第二伸缩器、第二压头、第二压力传感器，所述剪切应力加载单元通过螺栓固定于反力架的右端内侧；所述垂直应力加载单元通过加载板施加垂直应力，所述位移计包括用于采集加载板的垂直位移的垂直位移计和用于采集铁箱的水平位移的水平位移计；所述平衡控制系统包括用于固定上矩形钢化玻璃剪切盒且使试件系统的中心线与垂直应力加载单元的中心线重合的水平控制杆组、用于将铁箱和下矩形钢制剪切盒固定在一起的三角控制杆组、插销和铁箱；所述铁箱通过插销、插销孔将下矩形钢制剪切盒固定在铁箱内部；所述伺服控制系统包括用于控制试验过程中垂直应力大小的第一伺服电机和用于控制试验过程中剪切应力大小的第二伺服电机。一种多尺度土石混合体-基岩界面剪切特性测试方法，该方法采用上述的测试装置，包括以下步骤：S1.加工出具有基岩界面粗糙度的岩石试样；S2.通过螺栓将前、后、左、右和底部五块钢制铁板连接起来形成下矩形钢制剪切盒，并保证下矩形钢制剪切盒的长宽比与岩石试样的长宽比一致，随后将岩石试样装入下矩形钢制剪切盒；S3.将装有岩石试样的下矩形钢制剪切盒整体放入铁箱中，并通过插销使得三者的中心线重合，随后通过三角控制杆组将下矩形钢制剪切盒、岩石试样以及铁箱连接固定形成整体；S4.利用螺栓将前、后、左、右四块透明钢化玻璃板连接形成上矩形钢化玻璃剪切盒，且保证上矩形钢化玻璃剪切盒的长宽比与岩石试样相对应；S5.将减磨润滑剂均匀涂抹于上矩形钢化玻璃剪切盒内侧，并将上矩形钢化玻璃剪切盒置于下矩形钢制剪切盒上，手动调节两个剪切盒的位置保证其中心线相互重合；S6.按照含水率、含石量与质量的要求称取相应质量的土体、碎石和水，随后将三者均匀混合，采用分层压实的方法将三者装入上矩形钢化玻璃剪切盒内压制成具有密实的土石混合体试样，随后在土石混合体试样顶部盖上加载板；S7.将水平控制杆组固定于反力架内侧；S8.上述所有步骤完成后将试验试件与剪切盒整体置于压辊组上，调节水平控制杆组，使得垂直应力加载单元、上矩形钢化玻璃剪切盒和下矩形钢制剪切盒三者的中心线重合；S9.启动数据采集系统，并将所有位移数据和应力数据清零，开启第一伺服电机，使第一压头接触加载板的顶端，按要求施加垂直应力σ，待垂直位移计的位移值保持不变时记下此刻该值大小并保持垂直应力σ1不变；S10.启动图像采集仪，记录试验全过程中基岩界面周围石块的运动情况；S11.启动第二伺服电机，使第二压头接触铁箱，采用应变控制方式施加剪切应力，同时采用水平位移计测量水平位移S；当水平位移S增大到80mm时停止试验，此时的剪切应力值τ1即为土石混合体-基岩界面的抗剪强度，得出一组应力值(σ1，τ1)；S12.通过控制第一伺服电机使垂直应力卸载，通过控制第二伺服电机使剪切应力卸载，卸载全部试样；S13.按照上述步骤制作与上述岩石试样及土石混合体试样相同的试件，然后改变垂直应力σ的大小，获得另一组应力值(σ2，τ2)，将上述两组应力值代入式即可计算出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多尺度土石混合体‑基岩界面剪切力学性质测试装置，包括试件系统、平衡控制系统、加载系统、伺服控制系统和数据采集系统；所述伺服控制系统用于控制加载系统工作；其特征在于：所述数据采集系统用于采集剪切、垂直加载力和位移以及剪切全过程中土石混合体‑基岩界面的图像信息；所述试件系统包括用于填装土石混合体试样的上矩形钢化玻璃剪切盒、用于填装岩石试样的下矩形钢制剪切盒和加载板；所述上矩形钢化玻璃剪切盒是由前、后、左、右四块透明钢化玻璃板通过螺栓固定连接组成的空心剪切盒，前、后两块透明钢化玻璃板的两侧均布置有多排连接孔，每排按照上下位置包括多个连接孔，通过改变上矩形钢化玻璃剪切盒中螺栓的位置能变更上矩形钢化玻璃剪切盒的长宽比；所述下矩形钢制剪切盒是由前、后、左、右和底部五块钢制铁板通过螺栓固定连接组成的空心剪切盒，前、后两块钢制铁板的两侧均布置多排连接孔，每排按照上下位置包括多个连接孔，通过改变下矩形钢制剪切盒上螺栓的位置能变更下矩形钢制剪切盒的长宽比，且使下矩形钢制剪切盒的长宽比与上矩形钢化玻璃剪切盒的长宽比相对应；所述下矩形钢制剪切盒顶部端口的左右两侧均往外侧延伸；所述下矩形钢制剪切盒底部钢制铁板的下表面对称设有多个插销孔；在下矩形钢制剪切盒和上矩形钢化玻璃剪切盒交界位置附近的反力架上安装用于采集基岩界面图像信息的图像采集仪；所述加载板置于土石混合体试样的顶部，所述加载板为矩形板；在上矩形钢化玻璃剪切盒的内侧面上均均匀涂有减摩润滑剂；加载板的上方正对加载系统的垂直应力加载单元，所述加载系统包括垂直应力加载单元、剪切应力加载单元、反力架和位移计；所述垂直应力加载单元包括第一加载机、第一伸缩器、第一压头、第一压力传感器，所述垂直应力加载单元通过螺栓固定于反力架的顶端内侧；所述剪切应力加载单元包括第二加载机、第二伸缩器、第二压头、第二压力传感器，所述剪切应力加载单元通过螺栓固定于反力架的右端内侧；所述垂直应力加载单元通过加载板施加垂直应力，所述位移计包括用于采集加载板的垂直位移的垂直位移计和用于采集铁箱的水平位移的水平位移计；所述平衡控制系统包括用于固定上矩形钢化玻璃剪切盒且使试件系统的中心线与垂直应力加载单元的中心线重合的水平控制杆组、用于将铁箱和下矩形钢制剪切盒固定在一起的三角控制杆组、插销和铁箱；所述铁箱通过插销、插销孔将下矩形钢制剪切盒固定在铁箱内部；所述伺服控制系统包括用于控制试验过程中垂直应力大小的第一伺服电机和用于控制试验过程中剪切应力大小的第二伺服电机。...

【技术特征摘要】
1.一种多尺度土石混合体-基岩界面剪切力学性质测试装置，包括试件系统、平衡控制系统、加载系统、伺服控制系统和数据采集系统；所述伺服控制系统用于控制加载系统工作；其特征在于：所述数据采集系统用于采集剪切、垂直加载力和位移以及剪切全过程中土石混合体-基岩界面的图像信息；所述试件系统包括用于填装土石混合体试样的上矩形钢化玻璃剪切盒、用于填装岩石试样的下矩形钢制剪切盒和加载板；所述上矩形钢化玻璃剪切盒是由前、后、左、右四块透明钢化玻璃板通过螺栓固定连接组成的空心剪切盒，前、后两块透明钢化玻璃板的两侧均布置有多排连接孔，每排按照上下位置包括多个连接孔，通过改变上矩形钢化玻璃剪切盒中螺栓的位置能变更上矩形钢化玻璃剪切盒的长宽比；所述下矩形钢制剪切盒是由前、后、左、右和底部五块钢制铁板通过螺栓固定连接组成的空心剪切盒，前、后两块钢制铁板的两侧均布置多排连接孔，每排按照上下位置包括多个连接孔，通过改变下矩形钢制剪切盒上螺栓的位置能变更下矩形钢制剪切盒的长宽比，且使下矩形钢制剪切盒的长宽比与上矩形钢化玻璃剪切盒的长宽比相对应；所述下矩形钢制剪切盒顶部端口的左右两侧均往外侧延伸；所述下矩形钢制剪切盒底部钢制铁板的下表面对称设有多个插销孔；在下矩形钢制剪切盒和上矩形钢化玻璃剪切盒交界位置附近的反力架上安装用于采集基岩界面图像信息的图像采集仪；所述加载板置于土石混合体试样的顶部，所述加载板为矩形板；在上矩形钢化玻璃剪切盒的内侧面上均均匀涂有减摩润滑剂；加载板的上方正对加载系统的垂直应力加载单元，所述加载系统包括垂直应力加载单元、剪切应力加载单元、反力架和位移计；所述垂直应力加载单元包括第一加载机、第一伸缩器、第一压头、第一压力传感器，所述垂直应力加载单元通过螺栓固定于反力架的顶端内侧；所述剪切应力加载单元包括第二加载机、第二伸缩器、第二压头、第二压力传感器，所述剪切应力加载单元通过螺栓固定于反力架的右端内侧；所述垂直应力加载单元通过加载板施加垂直应力，所述位移计包括用于采集加载板的垂直位移的垂直位移计和用于采集铁箱的水平位移的水平位移计；所述平衡控制系统包括用于固定上矩形钢化玻璃剪切盒且使试件系统的中心线与垂直应力加载单元的中心线重合的水平控制杆组、用于将铁箱和下矩形钢制剪切盒固定在一起的三角控制杆组、插销和铁箱；所述铁箱通过插销、插销孔将下矩形钢制剪切盒固定在铁箱内部；所述伺服控制系统包括用于控制试验过程中垂直应力大小的第一伺服电机和用于控制试验过程中剪切应力大小的第二伺服电机。2.根据权利要求1所述的多尺度土石混合体-基岩界面剪切力学性质测试装置，其特征在于所述水平控制杆组包括第一滚珠丝轮、第一滚珠丝轴、第二滚珠丝轮、第二滚珠丝轴，第一滚珠丝轴上设有第一滚珠丝轮，第一滚珠丝轴一端通过第一旋转螺母固定在反力架上，另一端固定在上矩形钢化玻璃剪切盒；第二滚珠丝轴与第一滚珠丝轴对称连接上矩形钢化玻璃剪切盒和反力架，第二滚珠丝轮设置在第二滚珠丝轴上；所述水平控制杆组呈水平将上矩形钢化玻璃剪切盒固定在垂直应力加载单元的正下方；所述三角控制杆组包括第一三脚架、第二三脚架；所述第一三脚架的一端与下矩形钢制剪切盒固定，另一端通过第二旋转螺母固定，所述第二三脚架与第一三脚架对称连接下矩形钢制剪切盒和铁箱，所述三角控制杆组呈水平将下矩形钢制剪切盒与铁箱固定在一起；通过转动第一滚珠丝轮和第二滚珠丝轮调...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄达，罗世林，宋宜祥，岑夺丰，马国伟，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12