一种硬岩结构面力学性能研究用三维直剪试验装置及方法

技术领域

本发明属于岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种硬岩结构面力学性能研究用三维直剪试验装置及方法。

背景技术

工程岩体中普遍发育不同产状、不同类型的结构面，其会很大程度的影响岩体的稳定性。大量的工程实践表明，岩体的破坏与结构面的抗剪强度有关，因此对结构面力学特性、抗剪强度的研究及参数的合理选取是分析评价层状岩体稳定性的前提与基础。

研究结构面剪切力学特征，最常用的方法是室内二维直剪试验。虽然地下岩体处于三维应力状态，但目前的结构面直剪试验仍主要局限于二维力学特性研究，对三维应力复杂加载路径下结构面的力学特性研究尚无系统成果发表。

目前的循环三维接触面剪切仪主要针对砂土-钢板、粗粒土-结构接触面，对于结构面硬岩三维力学特性的研究还没有开展，而且其主要集中于常应力、常位移和常刚度法向边界条件，却很少涉及常拉应力法向边界条件的研究。

因此，考虑到目前二维直剪试验存在的不足，研发一种能够模拟结构面硬岩在三维应力条件下的剪切失效行为的试验装置及方法十分必要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种硬岩结构面力学性能研究用三维直剪试验装置及方法，在配合三刚型真三轴压缩试验机时，能够满足在三维应力条件下进行岩石直接剪切试验，可将法向拉/压应力和两方向剪切力作用在试样上，即可实现常应力、常位移、常刚度等法向边界条件；剪切方向可实现位移和应力两种切向控制方式，可施加单调和往返加载、十字加载、圆形加载以及更为复杂的自定义切向加载路径；可通过法向变形测量组件和剪切变形测量组件跟踪测量剪切试验过程中岩石试样的失效变形情况，以此获得最接近真实地应力环境下的岩体拉/压剪切力学特性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种硬岩结构面力学性能研究用三维直剪试验装置，包括上半剪切盒、下半剪切盒、拉压两用传力件、反力杆件、反力垫块、法向变形测量组件和剪切变形测量组件；所述拉压两用传力件的数量为三个，分别记为第一拉压两用传力件、第二拉压两用传力件及第三拉压两用传力件；所述反力杆件的数量为两个，分别记为第一反力杆件和第二反力杆件；所述反力垫块的数量为一个；在所述上半剪切盒的下表面中部开设有上试样安装槽，在上半剪切盒的上表面中部设置有第一转接凸块，在上半剪切盒的左侧外端面设置有第二转接凸块，在上半剪切盒的后侧外端面设置有第三转接凸块；在所述下半剪切盒的上表面中部开设有下试样安装槽，在下半剪切盒的前侧外端面设置有第四转接凸块，在下半剪切盒的右侧外端面设置有第五转接凸块；所述第一拉压两用传力件固连在上半剪切盒的第一转接凸块与试验机顶端作动器活塞杆之间；所述第二拉压两用传力件固连在上半剪切盒的第二转接凸块与试验机左端作动器活塞杆之间；所述第三拉压两用传力件固连在上半剪切盒的第三转接凸块与试验机后端作动器活塞杆之间；所述第一反力杆件固连在下半剪切盒的第四转接凸块与试验机前端作动器活塞杆之间；所述第二反力杆件固连在下半剪切盒的第五转接凸块与试验机右端作动器活塞杆之间；所述反力垫块固连在下半剪切盒与试验机底端作动器活塞杆之间；所述法向变形测量组件连接在上半剪切盒与下半剪切盒之间且竖直方向布置；所述剪切变形测量组件连接在上半剪切盒与下半剪切盒之间且水平方向布置。

所述拉压两用传力件包括转接箱体和转接传力杆，转接传力杆一端通过转接箱体的开口位于转接箱体内部，转接传力杆另一端位于转接箱体外部，且位于转接箱体内部的转接传力杆端部采用T型头结构，在转接传力杆的T型头结构表面布设有减摩滚排，在转接传力杆与转接箱体开口之间留有安全间隙，转接传力杆的T型头结构在转接箱体内部具有平动自由度；所述转接传力杆与作动器活塞杆进行固连配合，所述转接箱体与上半剪切盒进行固连配合。

所述法向变形测量组件包括法向LVDT位移传感器、法向传感器安装座、法向锁扣转接件、法向直线轴承、法向导向杆、法向减摩滚珠、法向基准块及法向基准块安装座；所述法向传感器安装座固连在上半剪切盒上，所述法向LVDT位移传感器竖直固装法向传感器安装座上，且法向LVDT位移传感器的铁芯朝下设置；所述法向基准块安装座固连在下半剪切盒上，所述法向变形测量基准块竖直固装在法向基准块安装座上，且法向基准块位于法向LVDT位移传感器的铁芯正下方；所述法向导向杆上端与法向LVDT位移传感器的铁芯同轴固连在一起，所述法向减摩滚珠设置在法向导向杆下端，法向导向杆通过法向减摩滚珠与法向基准块上表面滑动接触配合；所述法向直线轴承套装在法向导向杆上，法向直线轴承顶端通过法向锁扣转接件与法向LVDT位移传感器的线圈相固连，所述法向导向杆与法向LVDT位移传感器的铁芯同步随动且与法向直线轴承滑动接触配合。

所述剪切变形测量组件包括侧向LVDT位移传感器、侧向传感器安装座、侧向锁扣转接件、侧向直线轴承、侧向导向杆、侧向减摩滚珠及侧向基准块；所述侧向传感器安装座固连在上半剪切盒上，所述侧向LVDT位移传感器水平固装在侧向传感器安装座上；所述侧向基准块固连在下半剪切盒上；所述侧向导向杆一端与侧向LVDT位移传感器的铁芯同轴固连在一起，所述侧向减摩滚珠设置在侧向导向杆另一端，侧向导向杆通过侧向减摩滚珠与侧向基准块侧立面滑动接触配合；所述侧向直线轴承套装在侧向导向杆上，侧向直线轴承一端通过侧向锁扣转接件与侧向LVDT位移传感器的线圈相固连，所述侧向导向杆与侧向LVDT位移传感器的铁芯同步随动且与侧向直线轴承滑动接触配合。

一种硬岩结构面力学性能研究用三维直剪试验方法，采用了所述的硬岩结构面力学性能研究用三维直剪试验装置，包括如下步骤：

步骤一：先将反力垫块固定连接到三刚型真三轴压缩试验机的底端作动器活塞杆上，再将下半剪切盒固定连接到反力垫块上，然后将第一反力杆件固定连接到三刚型真三轴压缩试验机的前端作动器活塞杆与下半剪切盒之间，同时将第二反力杆件固定连接到三刚型真三轴压缩试验机的右端作动器活塞杆与下半剪切盒之间；

步骤二：在下半剪切盒的下试样安装槽内表面涂抹耐油硅胶，同时在备用的上半剪切盒的上试样安装槽内表面也涂抹上耐油硅胶；

步骤三：将事先准备好的岩石试样缓慢放入下半剪切盒的下试样安装槽内，保证下试样安装槽内的耐油硅胶被均匀挤出，使岩石试样与下试样安装槽之间的缝隙完全被耐油硅胶填满；

步骤四：将涂抹了耐油硅胶的上半剪切盒扣到下半剪切盒上，使岩石试样准确进入上半剪切盒的上试样安装槽中，保证上试样安装槽内的耐油硅胶被均匀挤出，使岩石试样与上试样安装槽之间的缝隙完全被耐油硅胶填满；

步骤五：将第一拉压两用传力件固定连接到三刚型真三轴压缩试验机的顶端作动器活塞杆与上半剪切盒之间，将第二拉压两用传力件固定连接到三刚型真三轴压缩试验机的左端作动器活塞杆与上半剪切盒之间，将第三拉压两用传力件固定连接到三刚型真三轴压缩试验机的后端作动器活塞杆与上半剪切盒之间；

步骤六：分别将法向变形测量组件和剪切变形测量组件安装到上半剪切盒与下半剪切盒之间的指定位置处，然后将法向LVDT位移传感器和侧向LVDT位移传感器通过数据传输线与数据采集器以及主控计算机进行电连接，最后微调法向LVDT位移传感器和侧向LVDT位移传感器的位置使其处量程范围内；

步骤七：通过三刚型真三轴压缩试验机对岩石试样施加法向拉/压应力；

步骤八：通过三刚型真三轴压缩试验机对岩石试样施加剪切力。

本发明的有益效果：

本发明的硬岩结构面力学性能研究用三维直剪试验装置及方法，在配合三刚型真三轴压缩试验机时，能够满足在三维应力条件下进行岩石直接剪切试验，可将法向拉/压应力和两方向剪切力作用在试样上，即可实现常应力、常位移、常刚度等法向边界条件；剪切方向可实现位移和应力两种切向控制方式，可施加单调和往返加载、十字加载、圆形加载以及更为复杂的自定义切向加载路径；可通过法向变形测量组件和剪切变形测量组件跟踪测量剪切试验过程中岩石试样的失效变形情况，以此获得最接近真实地应力环境下的岩体拉/压剪切力学特性。

附图说明

图1为本发明的一种硬岩结构面力学性能研究用三维直剪试验装置的结构示意图；

图2为本发明的上半剪切盒的结构示意图；

图3为本发明的下半剪切盒的结构示意图；

图4为本发明的拉压两用传力件的立体图；

图5为本发明的拉压两用传力件的剖视图；

图6为本发明的反力垫块的结构示意图；

图7为本发明的反力杆件的结构示意图；

图8为本发明的法向变形测量组件的结构示意图；

图9为本发明的剪切变形测量组件的结构示意图；

图中，1—上半剪切盒，2—下半剪切盒，3—反力垫块，4—法向变形测量组件，5—剪切变形测量组件，6—第一拉压两用传力件，7—第二拉压两用传力件，8—第三拉压两用传力件，9—第一反力杆件，10—第二反力杆件，11—第一转接凸块，12—第二转接凸块，13—第三转接凸块，14—下试样安装槽，15—第四转接凸块，16—第五转接凸块，17—转接箱体，18—转接传力杆，19—减摩滚排，20—法向LVDT位移传感器，21—法向传感器安装座，22—法向锁扣转接件，23—法向直线轴承，24—法向导向杆，25—法向减摩滚珠，26—法向基准块，27—法向基准块安装座，28—侧向LVDT位移传感器，29—侧向传感器安装座，30—侧向锁扣转接件，31—侧向直线轴承，32—侧向导向杆，33—侧向减摩滚珠，34—侧向基准块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～9所示，一种硬岩结构面力学性能研究用三维直剪试验装置，包括上半剪切盒1、下半剪切盒2、拉压两用传力件、反力杆件、反力垫块3、法向变形测量组件4和剪切变形测量组件5；所述拉压两用传力件的数量为三个，分别记为第一拉压两用传力件6、第二拉压两用传力件7及第三拉压两用传力件8；所述反力杆件的数量为两个，分别记为第一反力杆件9和第二反力杆件10；所述反力垫块3的数量为一个；在所述上半剪切盒1的下表面中部开设有上试样安装槽，在上半剪切盒1的上表面中部设置有第一转接凸块11，在上半剪切盒1的左侧外端面设置有第二转接凸块12，在上半剪切盒1的后侧外端面设置有第三转接凸块13；在所述下半剪切盒2的上表面中部开设有下试样安装槽14，在下半剪切盒2的前侧外端面设置有第四转接凸块15，在下半剪切盒2的右侧外端面设置有第五转接凸块16；所述第一拉压两用传力件6固连在上半剪切盒1的第一转接凸块11与试验机顶端作动器活塞杆之间；所述第二拉压两用传力件7固连在上半剪切盒1的第二转接凸块12与试验机左端作动器活塞杆之间；所述第三拉压两用传力件8固连在上半剪切盒1的第三转接凸块13与试验机后端作动器活塞杆之间；所述第一反力杆件9固连在下半剪切盒2的第四转接凸块15与试验机前端作动器活塞杆之间；所述第二反力杆件10固连在下半剪切盒2的第五转接凸块16与试验机右端作动器活塞杆之间；所述反力垫块3固连在下半剪切盒2与试验机底端作动器活塞杆之间；所述法向变形测量组件4连接在上半剪切盒1与下半剪切盒2之间且竖直方向布置；所述剪切变形测量组件5连接在上半剪切盒1与下半剪切盒2之间且水平方向布置。

所述拉压两用传力件包括转接箱体17和转接传力杆18，转接传力杆18一端通过转接箱体17的开口位于转接箱体17内部，转接传力杆18另一端位于转接箱体17外部，且位于转接箱体17内部的转接传力杆18端部采用T型头结构，在转接传力杆18的T型头结构表面布设有减摩滚排19，在转接传力杆18与转接箱体17开口之间留有安全间隙，转接传力杆18的T型头结构在转接箱体17内部具有平动自由度；所述转接传力杆18与作动器活塞杆进行固连配合，所述转接箱体17与上半剪切盒1进行固连配合。

所述法向变形测量组件4包括法向LVDT位移传感器20、法向传感器安装座21、法向锁扣转接件22、法向直线轴承23、法向导向杆24、法向减摩滚珠25、法向基准块26及法向基准块安装座27；所述法向传感器安装座21固连在上半剪切盒1上，所述法向LVDT位移传感器20竖直固装法向传感器安装座21上，且法向LVDT位移传感器20的铁芯朝下设置；所述法向基准块安装座27固连在下半剪切盒2上，所述法向变形测量基准块26竖直固装在法向基准块安装座27上，且法向基准块26位于法向LVDT位移传感器20的铁芯正下方；所述法向导向杆24上端与法向LVDT位移传感器20的铁芯同轴固连在一起，所述法向减摩滚珠25设置在法向导向杆24下端，法向导向杆24通过法向减摩滚珠25与法向基准块26上表面滑动接触配合；所述法向直线轴承23套装在法向导向杆24上，法向直线轴承23顶端通过法向锁扣转接件22与法向LVDT位移传感器20的线圈相固连，所述法向导向杆24与法向LVDT位移传感器20的铁芯同步随动且与法向直线轴承23滑动接触配合。

所述剪切变形测量组件5包括侧向LVDT位移传感器28、侧向传感器安装座29、侧向锁扣转接件30、侧向直线轴承31、侧向导向杆32、侧向减摩滚珠33及侧向基准块34；所述侧向传感器安装座29固连在上半剪切盒1上，所述侧向LVDT位移传感器28水平固装在侧向传感器安装座29上；所述侧向基准块34固连在下半剪切盒2上；所述侧向导向杆32一端与侧向LVDT位移传感器28的铁芯同轴固连在一起，所述侧向减摩滚珠33设置在侧向导向杆32另一端，侧向导向杆32通过侧向减摩滚珠33与侧向基准块34侧立面滑动接触配合；所述侧向直线轴承31套装在侧向导向杆32上，侧向直线轴承31一端通过侧向锁扣转接件30与侧向LVDT位移传感器28的线圈相固连，所述侧向导向杆32与侧向LVDT位移传感器28的铁芯同步随动且与侧向直线轴承31滑动接触配合。

一种硬岩结构面力学性能研究用三维直剪试验方法，采用了所述的硬岩结构面力学性能研究用三维直剪试验装置，包括如下步骤：

步骤一：先将反力垫块3固定连接到三刚型真三轴压缩试验机的底端作动器活塞杆上，再将下半剪切盒2固定连接到反力垫块3上，然后将第一反力杆件9固定连接到三刚型真三轴压缩试验机的前端作动器活塞杆与下半剪切盒2之间，同时将第二反力杆件10固定连接到三刚型真三轴压缩试验机的右端作动器活塞杆与下半剪切盒2之间；

步骤二：在下半剪切盒2的下试样安装槽14内表面涂抹耐油硅胶，同时在备用的上半剪切盒1的上试样安装槽内表面也涂抹上耐油硅胶；

步骤三：将事先准备好的岩石试样缓慢放入下半剪切盒2的下试样安装槽14内，保证下试样安装槽14内的耐油硅胶被均匀挤出，使岩石试样与下试样安装槽14之间的缝隙完全被耐油硅胶填满；

步骤四：将涂抹了耐油硅胶的上半剪切盒1扣到下半剪切盒2上，使岩石试样准确进入上半剪切盒1的上试样安装槽中，保证上试样安装槽内的耐油硅胶被均匀挤出，使岩石试样与上试样安装槽之间的缝隙完全被耐油硅胶填满；

步骤五：将第一拉压两用传力件6固定连接到三刚型真三轴压缩试验机的顶端作动器活塞杆与上半剪切盒1之间，将第二拉压两用传力件7固定连接到三刚型真三轴压缩试验机的左端作动器活塞杆与上半剪切盒1之间，将第三拉压两用传力件8固定连接到三刚型真三轴压缩试验机的后端作动器活塞杆与上半剪切盒1之间；

步骤六：分别将法向变形测量组件4和剪切变形测量组件5安装到上半剪切盒1与下半剪切盒2之间的指定位置处，然后将法向LVDT位移传感器20和侧向LVDT位移传感器28通过数据传输线与数据采集器以及主控计算机进行电连接，最后微调法向LVDT位移传感器20和侧向LVDT位移传感器28的位置使其处量程范围内；

步骤七：通过三刚型真三轴压缩试验机对岩石试样施加法向拉/压应力；

步骤八：通过三刚型真三轴压缩试验机对岩石试样施加剪切力，根据试验需要，可施加单调和往返加载、十字加载、圆形加载以及更为复杂的自定义切向加载路径。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。