一种模拟岩体结构面失效的剪切试验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种模拟岩体结构面失效的剪切试验装置及方法，特别适用于三维应力条件下的岩体剪切试验。
【背景技术】
[0002]对于地下采矿工程和地下岩体开挖工程而言，岩体结构面的稳定性对工程的安全性起着至关重要的作用，对岩体结构面的稳定性开展深入研究，其意义甚至超过对完整岩体的力学性能的研究。
[0003]关于岩体结构面的稳定性的研究，现阶段主要以剪切试验为主，在《土工试验方法标准GB/T50123-1999》中明确了细粒土的直接剪切试验方法，在《水利水电工程岩石试验规程SL264-2001》中规定了岩块、混凝土与岩石接触面的直接剪切试验方法，在直接剪切试验中，主要是在块状或者圆柱状试样上施加不同的法向应力，测得水平剪切力，以此计算试样结构面或接触面的内聚力和内摩擦角。
[0004]但是，在以上国家标准和相关规程中，均没有提及小主应力(垂直于法向应力和水平剪切力所在平面内的应力)的影响，而只有当小主应力与法向应力及水平剪切力同时存在时，才能够最真实的模拟出地层的三维应力条件，但是如何实现在三维应力条件下的岩体剪切试验，一直是岩土工程界和学术界渴求的目标，只有在三维应力条件下模拟岩体结构面失效，才能获得最接近真实地应力环境下的岩体结构面剪切力学特性。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟岩体结构面失效的剪切试验装置及方法，具备在三维应力条件下模拟岩体结构面失效的能力，并获得最接近真实地应力环境下的岩体结构面剪切力学特性。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种模拟岩体结构面失效的剪切试验装置，包括试样剪切盒、法向应力测量单元、水平剪切力测量单元；
[0007]所述试样剪切盒包括上、下两个结构相同的剪切块，分别设为上剪切块和下剪切块；所述剪切块整体均呈U型结构，剪切块的两条U型臂之间设为试样安装槽；所述剪切块的两条U型臂的厚度不同，两条所述U型臂分别设为薄侧U型臂和厚侧U型臂；所述试样剪切盒由上剪切块与下剪切块扣合而成，呈扣合状态的试样剪切盒的上剪切块薄侧U型臂与下剪切块厚侧U型臂相对应，上剪切块厚侧U型臂与下剪切块薄侧U型臂相对应；所述上剪切块薄侧U型臂与下剪切块厚侧U型臂之间、上剪切块厚侧U型臂与下剪切块薄侧U型臂之间产生的厚度差为有效剪切行程；
[0008]所述法向应力测量单元包括第一 LVDT位移传感器及第一触针，所述第一 LVDT位移传感器通过第一传感器支座安装在上剪切块上，所述第一触针通过第一触针支座安装在下剪切块上，第一触针与第一 LVDT位移传感器的第一铁芯相接触；
[0009]所述水平剪切力测量单元包括第二 LVDT位移传感器及第二触针，所述第二 LVDT位移传感器通过第二传感器支座安装在下剪切块上，所述第二触针通过第二触针支座安装在上剪切块上，第二触针与第二 LVDT位移传感器的第二铁芯相接触；
[0010]所述法向应力测量单元及水平剪切力测量单元在小主应力方向彼此留有安全间隙；
[0011 ] 所述第一 LVDT位移传感器和第二 LVDT位移传感器均通过数据传输线与数据采集器相连接，数据采集器与主控计算机相连接。
[0012]所述数据采集器选用DOL1-DEC控制器。
[0013]所述第一铁芯和第二铁芯的外端均为圆盘形结构，第一触针和第二触针的触头端均为弧面结构。
[0014]采用所述的模拟岩体结构面失效的剪切试验装置的剪切试验方法，包括如下步骤:
[0015]步骤一:准备一块标准试样，并将标准试样切割成对等的两块，分别记为一号试样和二号试样，并选取一处表面作为结构面；
[0016]步骤二:在上剪切块的试样安装槽内表面涂抹减摩剂，再将上剪切块的薄侧U型臂内表面涂抹上耐油硅胶，然后将一号试样缓慢放入上剪切块的试样安装槽内，并保证上剪切块的薄侧U型臂内表面的耐油硅胶被均匀挤出，使上剪切块薄侧U型臂与一号试样之间的缝隙完全被耐油硅胶填满；
[0017]步骤三:将下剪切块的试样安装槽内表面涂抹减摩剂，再将下剪切块的薄侧U型臂内表面涂抹上耐油硅胶，然后将二号试样缓慢放入下剪切块的试样安装槽内，并保证下剪切块的薄侧U型臂内表面的耐油硅胶被均匀挤出，使下剪切块薄侧U型臂与二号试样之间的缝隙完全被耐油硅胶填满；
[0018]步骤四:将安装有一号试样的上剪切块与安装有二号试样的下剪切块扣合安装在一起，此时上剪切块和下剪切块组成完整的试样剪切盒，在试样剪切盒内的一号试样和二号试样的结构面均匀接触，然后在一号试样与二号试样的两个自由面上涂抹耐油硅胶进行密封，完成涂胶密封后的一号试样和二号试样与试样剪切盒构成密封组合件，最后将密封组合件送入烘干箱内进行烘干，直至耐油硅胶完全固化；
[0019]步骤五:将烘干后的密封组合件取出，再将法向应力测量单元和水平剪切力测量单元安装到试样剪切盒上；
[0020]步骤六:将安装有法向应力测量单元和水平剪切力测量单元的密封组合件送入真三轴试验机的压力室内，依次将第一 LVDT位移传感器及第二 LVDT位移传感器的数据传输线与压力室内的对应数据端口相连接，压力室内的对应数据端口与数据采集器相连接，数据采集器与主控计算机相连接；
[0021]步骤七:启动主控计算机，查看第一LVDT位移传感器及第二LVDT位移传感器的信号是否接收正常，微调第一 LVDT位移传感器、第二 LVDT位移传感器的位置以及第一触针、第二触针的伸长量，使第一 LVDT位移传感器、第二 LVDT位移传感器均处于试验量程范围内，且第一 LVDT位移传感器、第二 LVDT位移传感器的测量误差均在±0.1 %以内；
[0022]步骤八:封闭压力室，首先通过充油加压完成小主应力的加载，然后进行法向应力的加载，最后进行水平剪切力的加载，以在三维应力条件下模拟岩体结构面失效，并记录下试验数据。
[0023]在封闭压力室之前，在试样剪切盒上、下端面加装滚动轴承，在进行水平剪切力加载时，通过滚动轴承减小真三轴试验机竖向加载活塞对试样剪切盒的摩擦影响。
[0024]本发明的有益效果:
[0025]本发明为了满足在三维应力条件下的岩体剪切试验，设计了全新的模拟岩体结构面失效的剪切试验装置及方法，通过试样剪切盒可直接将法向应力和水平剪切力作用在岩体试样上，同时还满足了小主应力对岩体试样的加载；本发明可通过法向应力测量单元和水平剪切力测量单元跟踪测量剪切试验过程中岩石试样结构面的失效变形情况，以此获得最接近真实地应力环境下的岩体结构面剪切力学特性。
【附图说明】
[0026]图1为本发明的一种模拟岩体结构面失效的剪切试验装置结构示意图；
[0027]图2为本发明的试样剪切盒结构示意图；
[0028]图中，I一上剪切块，2—下剪切块，3—试样安装槽，4一第一 LVDT位移传感器，5—第一触针，6—第一传感器支座，7—第一触针支座，8—第一铁芯，9一第二 LVDT位移传感器，10—第二触针，11一第二传感器支座，12—第二触针支座，13—第二铁芯，14一薄侧U型臂，15—厚侧U型臂，16——号试样，17—二号试样。
【具体实施方式】
[0029]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。
[0030]如图1、2所示，一种模拟岩体结构面失效的剪切试验装置，包括试样剪切盒、法向应力测量单元、水平剪切力测量单元；
[0031]所述试样剪切盒包括上、下两个结构相同的剪切块，分别设为上剪切块I和下剪切块2 ;所述剪切块整体均呈U型结构，剪切块的两条U型臂之间设为试样安装槽3 ;所述剪切块的两条U型臂的厚度不同，两条所述U型臂分别设为薄侧U型臂14和厚侧U型臂15 ;所述试样剪切盒由上剪切块I与下剪切块2扣合而成，呈扣合状态的试样剪切盒的上剪切块I薄侧U型臂14与下剪切块2厚侧U型臂15相对应，上剪切块I厚侧U型臂15与下剪切块2薄侧U型臂14相对应；所述上剪切块I薄侧U型臂14与下剪切块2厚侧U型臂15之间、上剪切块I厚侧U型臂15与下剪切块2薄侧U型臂14之间产生的厚度差为有效剪切行程；
[0032]所述法向应力测量单元包括第一 LVDT位移传感器4及第一触针5，所述第一 LVDT位移传感器4通过第一传感器支座6安装在上剪切块I上，所述第一触针5通过第一触针支座7安装在下剪切块2上，第一触针5与第一 LVDT位移传感器4的第一铁芯8相接触；
[0033]所述水平剪切力测量单元包括第二 LVDT位移传感器9及第二触针10，所述第二LVDT位移传感器9通过第二传感器支座11安装在下剪切块2上，所述第二触针10通过第二触针支座12安装在上剪切块I上，第二触针10与第二 LVDT位移传感器9的第二铁芯13相接触；
[0034]所述法向应力测量单元及水平剪切力测量单元在小主应力方向彼此留有安全间隙；
[0035]所述第一 LVDT位移传感器4和第二 LVDT位移