适用于节理岩体直剪试验的制样装置、制样剪切装置及制样剪切试验方法

技术领域

本发明涉及节理岩体直剪试验技术领域，提供一种适用于节理岩体直剪试验的制样装置和制样剪切装置，还提供使用该制样剪切装置进行制样和剪切试验的方法。

背景技术

节理岩体的工程力学参数是进行工程设计的前提和基础，其取值是否合理直接关系到工程的经济性和安全性。

岩体作为长期地质构造运动的产物，包含大量不连续结构面如：断层、节理、层理、裂隙等，这些结构面相互交切形成了特定的岩体结构，岩体介质特有的这种复杂的结构特征，使其工程力学参数的确定变得十分困难。

长期以来，如何合理地确定节理岩体的工程力学参数一直是岩石力学界广泛关注而又未能很好解决的热点和难点问题。大量工程实践表明，节理岩体的破坏主要表现为岩体内部节理闭合、张开和扩展形成贯通滑移通道的破坏，该破坏模式下节理岩体强度特性及节理和岩桥的变形、破坏发展规律等问题至今仍没有很好地解决。

室内直接剪切试验（简称直剪试验）是解决上述问题最直接有效的手段。由于采样的困难，室内试验研究常在类岩石材料试体中预制节理来模拟节理岩体，现有技术中在制作模拟节理岩体中，是采用在模型中插入一定厚度的薄钢片构成模拟节理结构。例如，Reyes，Einstein(1991)在模型中插入厚度为0.25mm的薄钢片，刘远明（2007）在模型中插入厚度0.3mm的薄钢片模拟节理。现有技术在制作节理岩体模型中主要存在以下几个方面问题：

（1）预制节理岩体的模具缺少节理定位装置，制模过程中可能造成节理几何形状发生变化；

（2）现有技术不适合多节理岩体模型的制作；

（3）现有技术在试验过程中需要对节理岩体试样进行脱模、装样等工序，可能对岩体结构造成损伤，影响试验结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于节理岩体直剪试验的制样装置，其能够保证节理几何尺寸的精度，适用于复杂节理岩体试样的制备。

本发明的另一个目的在于提供一种适用于节理岩体直剪试验的制样剪切装置，其能够保证节理几何尺寸的精度，适用于复杂节理岩体试样的制备，同时可以将该装置转化为剪切装置，从而减少试样因脱模、装样环节造成的影响。

本发明的再一个目的在于提供使用上述制样剪切装置进行制样剪切试验的方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种适用于节理岩体直剪试验的制样装置，其包括一制样组件和一节理成型组件，

该制样组件包括一筒体，该筒体相对的两个侧壁为挡板，每个挡板是包括两个板体或为一整块板体，当包括两个板体是，两个板体之间通过设置可拆的固定结构固为一体，两个板体之间的缝隙平行于所述筒体的轴线且相互对齐设置，且该缝隙通过密封件密封；

该节理成型组件包括上下两个定位件和节理成型件，每个所述定位件上设有定位结构，使得所述节理成型件固定在两个定位件上且可由上定位件上抽出；所述节理成型组件与所述制样组件之间设置可拆的固定结构，使得当节理成型组件与所述制样组件相结合固定为一体时，所述下定位件可拆地固定在所述筒体的下端，封闭筒体的下底面，所述节理成型件平行于所述筒体轴线地置于所述筒体中且与两个所述侧壁的所述缝隙相对应，所述上定位件可拆地固定在所述筒体的上端面上，构成节理岩体成型模具。

一种适用于节理岩体直剪试验的制样剪切装置，其包括一制样组件、一节理成型组件和一直剪装置转化组件，

该制样组件包括一筒体，该筒体相对的两个侧壁为挡板，每个挡板是包括两个板体，其间通过设置可拆的固定结构固为一体，两个板体之间的缝隙平行于所述筒体的轴线且相互对齐设置，且该缝隙通过密封件密封；

该节理成型组件包括上下两个定位件和节理成型件，每个所述定位件上设有定位结构，使得所述节理成型件固定在两个定位件上且可由上定位件上抽出；所述节理成型组件与所述制样组件之间设置可拆的固定结构，使得当节理成型组件与所述制样组件相结合固定为一体时，所述下定位件可拆地固定在所述筒体的下端，封边筒体的下底面，所述节理成型件平行于所述筒体轴线地置于所述筒体中且与两个所述侧壁的所述缝隙相对应，所述上定位件可拆地固定在所述筒体的上端面上，构成节理岩体成型模具；

该直剪装置转化组件包括两对侧板，两对侧板分别与所述筒体的两侧端面之间设置可拆的固定结构，使得当通过该可拆固定结构将所述侧板与所述筒体固定后形成剪切盒，每对侧板的接缝与所述筒体上两个板体之间的缝隙对应。

优选地，所述筒体为四边形截面，其有四块侧板固定连接，其中相对设置的一对侧板为，每块侧板为一整块板构成，形成底板，相对设置的另一对侧板为所述挡板。

所述挡板中的两个板体之间的所述缝隙的密封件可以是固定在两个板体之间的橡胶垫，也可以是夹设在两个板体之间的一成缝中间板，该成缝中间板与相邻的两个板体通过设置的可拆的固定结构固为一体。

优选地，所述挡板中两个板体之间的所述缝隙的宽度为5-10mm。该缝隙如果过窄，在进行直剪试验中，施加法向力，两个板体很容易接触上，这样，施加的压力就没有作用的岩体试件上。但如果该缝隙过宽，在直剪试验中，剪切面就不容易确保为水平面，而形成斜面剪切了。

所述节理成型件的宽度不宜过窄。优选地，该节理成型件的宽度不小于试件剪切长度的1/4；或者，上定位板的宽高比A1/L1＞1/3。

所述可拆的固定结构为螺栓连接结构。

优选地，将所述挡板的两个板体和其间的成缝中间板固为一体的可拆的固定结构为贯穿该两个板体和夹设在两个板体之间的成缝中间板的至少两根螺杆固定装置。

优选地，所述节理成型组件中的下定位件由至少两块板体组成，其中一块板体上设置所述定位结构，各个板体与所述筒体的端面之间设置可拆的固定结构。而各个板体之间没有固定结构。

一个优选方案为，所述下定位件包括三块板，其中，边上的两块板分别与四边形截面筒体中的一整块板和其两端固连的作为挡板中的一个板体固连形成托底板，中间的板上设置固定所述节理成型件的条缝，该中间的板与挡板的缝隙两侧的两个板体固连。

所述节理成型组件中，所述节理成型件可以是为矩形片材，也可以是其横截面形状为折线型或锯齿型的片材，所述上下定位件上的定位结构为与节理成型件横截面匹配的条缝。

所述条缝在所述定位件上设置若干个，以在模拟节理岩体中形成多个节理。

对应于所述矩形片材的节理成型件，在若干条缝中，条缝的走向可以是相同的，也可以是不同的，还可以是交叉的形态。

所述节理成型件可以是铁片、砂纸或粗布中的一种或几种。

使用上述制样剪切装置进行制样和剪切试验的方法是：包括如下步骤：

步骤1：将所述制样组件和所述节理成型组件固为一体，构成节理岩体成型模具；

步骤2：在该节理岩体成型模具中倒入试样材料，振捣，静置，使之成型；

步骤3：取出节理成型件，在岩体中形成节理结构；

步骤4：将模具和浇注岩体一体件立起来，这时所述挡板垂直设置，拆除与筒体固结的节理成型组件中的上下定位件，并拆除构成挡板的两个板体的可拆的固定结构及两个板体之间的密封件或成缝中间板；

步骤5：在筒体的两个端面上通过可拆的固定结构分别固定上所述直剪装置转化组件中的两个侧板，构成剪切盒；

步骤6：实施直剪试验，在剪切盒的上顶面上施加法向力，固定下部所述挡板对应的岩体，对一侧的上部挡板施加推力；或者，对一侧的上部挡板施加一个方向的推力，对另一侧的下部挡板施加一个相反方向的推力。

本发明提供的适用于节理岩体直剪试验的制样装置，通过其中的节理成型组件可以将节理成型件稳定地固定在模具中，很好地解决了制模过程中可能造成节理几何形状发生变化的问题，而且可以很方便地在岩体模型中成型多个节理结构，进一步地，更可以通过设置折线型、锯齿型等节理成型件，构成多种结构的节理结构。本发明在制样装置的基础上增加直剪装置转化组件，就可以构成制样和直剪试验双功能的制样剪切装置，在通过制样装置制成岩体之后，不用将岩体全部脱出模具，只需要将节理成型组件拆除，让模具的两个挡板分离开并露出其间的缝隙，再将直剪装置转化组件的四块侧板安装在筒体的两个端面上，就可以进行直剪试验了。本发明提供的制样剪切装置及制样和剪切试验的方法，不需要对节理岩体试样进行脱模、装样等工序，避免了对岩体结构造成的损伤，确保试验结果的精准。

本发明解决了目前节理岩体模型制作过程中节理几何形状精度较低，无法制作复杂结构面及脱模、装样过程中可能对结构面造成破坏的问题，使用本发明可以制作复杂结构面形态的节理岩体模型，提高直剪试验的整体可靠性。

下面通过附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明提供的制样装置及制样剪切装置中主要体现制样组件结构的结构示意图。

图2为本发明提供的制样装置及制样剪切装置中左右挡板的一种结构示意图。

图3为本发明提供的制样装置及制样剪切装置中的节理成型组件的主要结构的结构示意图。

图4为本发明提供的制样装置的结构示意图。

图5为在图4所示的制样装置中浇注了制作岩体的材料后的结构示意图。

图6为在图5的基础上，将节理成型件拔出后的制样装置的结构示意图。

图7为将图6所示的装置立起来后的结构示意图。

图8为本发明提供的制样剪切装置中的直剪装置转化组件的结构示意图。

图9为将图7所述的装置中，将节理成型组件中的上下定位件除去，将图8所述的直剪装置转化组件安装就位形成剪切盒并进行直剪试验施力的结构示意图。

其中：1：底板；2：挡板；21：缝隙；21a成缝中间板；3托底板；4：贯穿长螺杆；5：固定短螺杆；6：上定位板；7：下定位板；8：节理成型件；8直剪装置转化板。

具体实施方式

本发明提供的适用于节理岩体直剪试验的制样装置，其包括一制样组件和一节理成型组件。

如图1所示，该制样组件包括一四边形截面的筒体，其有四块侧板体通过固定短螺杆5固定连接，该四块侧板可以均为一整块板，也可以是如图1所示，其中相对设置的一对侧板体为，每块侧板体为一整块板构成，形成底板1；相对设置的另一对侧板体为挡板2，各自包括两个板体，两个板体之间的缝隙21平行于所述筒体的轴线且两个挡板的缝隙相互对齐设置，且该缝隙21通过密封件密封；挡板2中的两个板体之间的所述缝隙21的密封件可以是固定在两个板体之间的橡胶垫，而更好的一种实施方式是夹设在两个板体之间的一成缝中间板21a，该成缝中间板21a与相邻的两个板体通过设置的可拆的固定结构例如为贯穿该两个板体和成缝中间板21a的至少两根贯穿长螺杆4固为一体。

挡板2中两个板体之间设置的成缝中间板21a的宽度是有所要求的，该缝隙21如果过窄，在进行直剪试验中，施加法向力，两个板体很容易接触上，这样，施加的压力就不能作用在岩体试件上。但如果该缝隙21过宽，在直剪试验中，剪切面就不容易确保为水平面，而形成斜面剪切了。因此，可以知道，该缝隙21既不能太宽，也不能太窄。优选地，该成缝中间板21a的宽度为，使得两个板体之间的缝隙21的宽度为5-10mm。

如图3所示，该节理成型组件包括上定位板6、下定位板7和节理成型件8，上、下定位件上设有定位结构，为条缝，上定位板6上的条缝是上下贯通的。该条缝使得节理成型件8固定在上下定位板上，且可由上定位板6上抽出；所述节理成型组件与所述制样组件之间设置可拆的固定结构，具体的结构是：在上下定位板上设置螺栓孔，在两个底板1和两个挡板2的端面上也设置螺栓孔，通过固定短螺栓5将上下定位板固定在筒体上。另外，在如图1、2、3所示的实施例中，下定位件包括三块板，其中，边上的两块板分别与四边形截面筒体中的底板1和其两端固连的作为挡板2中的一个板体固连形成托底板3（见图1），中间的板作为下定位板7，其上设置固定所述节理成型件的条缝，该中间的板与挡板的缝隙21两侧的两个板体固连。托底板3和下定位板7均通过固定短螺栓5与底板1和挡板2固连，封闭筒体的下底面，所述节理成型件8平行于所述筒体轴线地置于所述筒体中且与两个所述侧壁的所述缝隙21相对应，上定位板6也是通过固定短螺栓5固定在所述筒体的上端面上，构成节理岩体成型模具（见图4）。

经研究得知，固定剪切路径条件下，剪切带宽度超过剪切长度L的1/4，剪切带宽度对节理岩体抗剪强度特性影响很小，否则，影响就很大。因此，该节理成型件8的宽度A不小于试件剪切长度L的1/4（见图4），或者，取上定位板6宽高比A1/L1＞1/3（见图3）。

所述节理成型件可以是铁片、砂纸或粗布中的一种或几种。

所述节理成型组件中，节理成型件8是矩形片材，也可以是其横截面形状为折线型或锯齿型的片材，所述上下定位件上的定位结构为与节理成型件横截面匹配的条缝a（见图6）。

条缝a在上下定位件上设置若干个，以在模拟节理岩体中形成多个节理。

对应于所述矩形片材的节理成型件，在若干条缝中，条缝的走向可以是相同的、不同的和交叉的形态的至少一种。

本发明提供的适用于节理岩体直剪试验的制样剪切装置是在上述的挡板2中包括两个板体，两个板体之间的缝隙21平行于所述筒体的轴线且相互对齐设置，且该缝隙21通过密封件密封的制样装置的基础上，再加上一直剪装置转化组件。

如图8所示，该直剪装置转化组件包括两对侧板9，两对侧板9分别与所述筒体的两侧端面之间设置通过短螺栓连接，使得与所述筒体固定后形成剪切盒，每对侧板9的接缝9a与所述筒体上两挡板中两个板体之间的缝隙21对应，形成一缝隙环，如图9所示。

使用制样剪切装置进行制样和剪切试验的方法是：包括如下步骤：

步骤1：将所述制样组件和所述节理成型组件固为一体，构成节理岩体成型模具（如图4所示）；

步骤2：在该节理岩体成型模具中倒入试样材料b，振捣，静置，使之成型（如图5所示）；

步骤3：取出节理成型件8，在岩体b中形成节理结构（如图6所示）；

步骤4：模型制作完成后，将模具和浇注岩体b一体件立起来，这时所述挡板为竖直设置，拆除与筒体固结的节理成型组件中的上下定位板，并拆除使得挡板中的两个板体固为一体的贯穿长螺杆4及两个板体之间的成缝中间板21a（如图7所示）；

步骤5：在筒体的两个端面上通过固定短螺栓5分别固定上所述直剪装置转化组件中的两个侧板9，构成剪切盒（如图9所示），两个侧板9之间的缝隙与挡板2中两个板体之间的缝隙相等对齐，形成一个缝隙环，该该缝隙环的上部为上剪切盒，下部为下剪切盒；

步骤6：实施直剪试验，在上剪切盒的上顶面上施加法向压力F，固定下剪切盒，左侧施加推力f推上剪切盒。

本发明通过制样组件和节理成型组件构成的制样装置，通过上、下两块定位件预制节理定位装置，保证结构面几何精度和节理几何尺寸的精度，并可实现复杂结构面模型的制作。因此，适用于复杂节理岩体试样的制备；采用剪切装置转化组件将节理岩体制样装置转化为剪切装置。

该发明技术方案主要体现在节理成型组件和剪切装置转换组件及与这两种组件相配套的制样组件。通过节理成型组件实现复杂节理岩体结构的模拟，采用剪切装置转换组件实现制模装置与剪切装置的转化，将模具直接转化为剪切盒，减小试样脱模、装样环节，减少由于试样处理对岩体结构特别是对结构面的影响，进行室内试验，实现了复杂节理岩体结构的模拟，简化试验步骤，提高试验效率和整体可靠性，为节理岩体破坏机理和工程力学特性参数确定提供科学依据。

本发明可以较快地转化为实际产品，在岩土工程室内直剪试验中进行推广利用，具有重要的经济效益与社会效益。