一种岩土材料高速剪切试验装置及其试验方法与流程

本发明属于岩土工程试验技术领域，具体涉及一种岩土材料的高速剪切试验装置及试验方法，主要用于测试岩土材料在高速剪切作用下，其内部温度和汽化压强的变化规律。

背景技术

高速远程滑坡是国内外普遍发生的地质灾害，具有运动速度快、运移距离远等典型特征，大多数高速远程滑坡都造成了大量的人员伤亡和财产损失。目前，高速远程滑坡的成因机制，依然是岩土工程界的未解难题之一，国内外学者对此开展了大量研究。实例研究和理论计算结果均表明：滑面剪切带在高速摩擦过程中产生的热量，可导致滑面剪切带本身及其内部赋存的水分受热后发生汽化。高速剪切汽化产生的高压气体，在滑坡体下侧形成一个气垫，气垫效应使得滑坡体在极低摩阻力的作用下，运移相当长的距离。对于滑面剪切带的高速剪切汽化效应，目前仅有理论层面计算分析，尚未有试验装置可用于定量研究。

岩土材料高速剪切试验装置的开发，首先需要实现稳定的高速剪切过程，其次需要在密闭且相对隔热的空间内开展。目前，岩土工程试验技术领域相关的剪切装置，主要存在两个方面的缺陷：1、现有的岩土材料剪切试验装置，均是用于岩土材料力学特性的测试，剪切速度慢，剪切行程短，无法实现高速剪切；2、现有的岩土材料剪切试验装置，试验过程中岩土材料均处于开放的试验环境中，无法收集剪切过程中产生的热量。因此，目前尚未有满足要求的试验装置，可用于岩土材料高速剪切汽化效应的定量研究。

技术实现要素：

本发明首先要解决的技术问题是提供一种岩土材料高速剪切试验装置，在密闭且相对隔热空间内，实现岩土材料稳定的高速剪切，从而完成岩土材料高速剪切汽化效应的定量研究。为此，本发明采用以下技术方案：

一种岩土材料高速剪切试验装置，其特征在于：包括机架系统、荷载系统、驱动系统和试验系统，所述荷载系统、所述驱动系统和所述试验系统均安装于所述机架系统内，所述荷载系统安装于所述机架系统的顶部，通过数控液压千斤顶为试验提供稳定可控的法向荷载，所述驱动系统安装于所述机架系统的底部，通过步进电机为试验提供持续可控的旋转动力，所述试验系统安装于所述机架系统中部，采用隔热的带有缸盖的试验缸体为试验提供密闭且相对隔热的试验空间，所述试验系统包含旋转剪切盘和固定剪切盘，旋转剪切盘和固定剪切盘的高度总和小于试验缸体的内腔高度，所述旋转剪切盘置于所述试验缸体内底部并与步进电机的传动轴连接，固定剪切盘处在旋转剪切盘的站上方，由数控液压千斤顶对其施加法向载荷；

所述试验系统包含试验空腔，所述试验空腔开设于试验缸体内，处在固定剪切盘与旋转剪切盘之间的试验缸体内剪切区域，在所述试验空腔内安装有安全气阀、温度传感器和气压传感器；所述安全气阀在所述试验系统内压力超过设定值后开始工作；所述温度传感器用于实时监测高速剪切试验过程中所述试验空腔内的温度；所述气压传感器用于实时监测高速剪切过程中所述试验空腔内的气压。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

所述机架系统包括仪器顶板、刚性立柱、仪器底板和刚性托梁；所述仪器顶板、所述刚性立柱和所述仪器底板构成的立式箱型结构为所述荷载系统、所述驱动系统和所述试验系统提供安装及操作空间；所述刚性托梁一端与所述刚性立柱固连，另一端与所述试验系统的试验缸体固连，为所述试验系统提供稳定的支撑。

所述荷载系统包括千斤顶底盘、千斤顶锚固螺栓和数控液压千斤顶；所述数控液压千斤顶的中轴线与所述试验系统的中轴线一致；所述数控液压千斤顶的活塞可从所述试验系统的试验缸盖顶部开口进入所述试验系统。所述荷载系统通过数控液压千斤顶为试验提供稳定可控的法向荷载，用于模拟试验过程中岩土体的上覆自重荷载。

所述驱动系统包括步进电机和传动轴；所述步进电机的中轴线与所述试验系统的中轴线一致；所述传动轴从所述步进电机顶端伸出，并通过所述试验系统的试验缸体底部圆形开口进入所述试验系统与旋转剪切盘连接。所述驱动系统通过所述传动轴为试验提供持续可控的旋转动力，用于开展岩土材料的高速剪切。

所述试验系统的试验缸盖和试验缸体采用工程隔热陶瓷；所述试验缸盖和所述试验缸体可通过旋转螺纹连接，连接后所构成的圆柱体形空腔为高速剪切试验提供密闭且相对隔热的试验环境；所述试样缸体外壁沿圆周方向等分开设有若干个插销螺栓孔，用于与定位螺栓连接并使定位螺栓伸入试样缸体内定位固定剪切盘，定位固定剪切盘，使所述固定剪切盘仅能发生竖直方向位移而不能发生旋转方向位移。

所述旋转剪切盘置于开口朝上且底部并设置有与驱动系统的传动轴连接的连接孔；所述固定剪切盘置于所述试验缸体顶部，开口朝下且外壁沿圆周方向设有若干个止转插槽，用于和自试验缸体插入的定位部件进行周向止转配合，使所述固定剪切盘仅能发生竖直方向位移而不能发生旋转方向位移；所述旋转剪切盘和所述固定剪切盘的内部空腔形状一致，均为上半部分圆柱体形，下半部分具有止转结构，用于防止试样相对于剪切盘旋转。所述旋转剪切盘和固定剪切盘内部空腔的形状，起到对岩土试样的夹持作用，在高速剪切过程中，避免岩土试样与剪切盘之间产生相对滑动，同时又保证了高速剪切试验的剪切面为圆形，使得剪切面的充分接触，且便于对试验结果的分析计算。

所述止转插槽和所述定位螺栓进行周向止转配合，使所述固定剪切盘仅能发生竖直方向位移而不能发生旋转方向位移。

本发明的另一个要解决的技术问题是提供一种岩土材料高速剪切试验装置，在密闭且相对隔热空间内，实现岩土材料稳定的高速剪切，从而完成岩土材料高速剪切汽化效应的定量研究。为此，本发明采用以下技术方案：

一种岩土材料高速剪切试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)试样安装：将制备完成的岩土试样分别装入固定剪切盘和旋转剪切盘内，在制样时确保岩土试样的受剪面平整，且分别高出固定剪切盘和旋转剪切盘边缘1~1.5cm；

(2)试验准备：在固定剪切盘和旋转剪切盘外侧刷一层润滑油；将旋转剪切盘连同内部的岩土试样装入试验缸体内，轻微转动旋转剪切盘，使步进电机的传动轴卡入旋转剪切盘底部的内六角卡孔内；将固定剪切盘连同内部的岩土试样装入试验缸体内，轻微转动固定剪切盘，使固定剪切盘外表面的止旋插槽对准试验缸体外侧的插销螺栓孔，在插销螺栓孔旋入插销螺栓；将刚性垫板置于固定剪切盘上侧；旋紧试样缸盖，将试样缸体封闭；

(3)初始连接：将数控液压千斤顶、步进电机、温度传感器和气压传感器连接至控制装置，并初始化数据；给数控液压千斤顶一个较小的油压，使其活塞进入试验系统内并接触到刚性垫板，在试验中，通过刚性垫板对固定剪切盘施加法向载荷；给步进电机一个脉冲，使传动轴发生一个步距角，从而保证仪器各连接部位紧密接触；

(4)法向荷载：根据岩土试样的上覆自重荷载，采用数控液压千斤顶逐步施加法向应力至设定值；

(5)剪切试验：启动步进电机，按照一定的旋转剪切速度开展岩土试样的高速剪切试验，同步监测记录试验空腔内的温度和气压值；

(6)重复试验：调整不同的等级的旋转剪切速度，重复步骤（1）~（5）；

(7)数据处理：绘制不同等级旋转剪切速度作用下，剪切时间与试验空腔内温度的关系曲线，以及剪切时间与试验空腔内气压的关系曲线。

本发明的有益效果是：

1、采用旋转剪切的方式，实现稳定可控的高速剪切，克服传统直剪试验无法模拟长距离、高速率剪切的缺陷；

2、采用试验缸盖和试验缸体组合的形式，为高速剪切试验提供密闭且相对隔热的试验空间，克服传统直剪试验岩土材料处于开放试验环境的缺陷，实现岩土材料高速剪切汽化效应的定量化和精确化研究；

3、采用固定剪切盘和旋转剪切盘开展高速剪切试验，剪切盘内部空腔上半部分圆柱体形，下半部分内切六棱柱形，从而实现对岩土试样的夹持作用，在高速剪切过程中，避免岩土试样与剪切盘之间产生相对滑动，同时又保证了高速剪切试验的剪切面为圆形；

4、采用安全气阀保证试验过程中，试验系统内的压强处于设定的安全数值范围内，从而保证了试验仪器和操作人员的安全；

5、采用内置温度传感器和气压传感器实时监测记录高速剪切试验过程中，试验空腔内气体的温度和气压，从而实现了剪切速率、法向荷载和岩土试样成分等对高速剪切汽化效应的定量研究。

附图说明

图1是一种岩土材料高速剪切试验装置的正视图。

图2是一种岩土材料高速剪切试验装置的剖视图。

图3是一种岩土材料高速剪切试验装置的立体图。

图4是图1的a-a’剖面图。

图5是固定剪切盘的立体图。

图中标号：1：仪器顶板；2：千斤顶底盘；3：千斤顶锚固螺栓；4：数控液压千斤顶；5：试验缸盖；6：刚性垫板；7：固定剪切盘；8：止旋插槽；9：插销螺栓；10：插销螺栓孔；11：试验空腔；12：安全气阀；13：温度传感器；14：气压传感器；15：试验缸体；16：旋转剪切盘；17：刚性立柱；18：刚性托梁；19：传动轴；20：步进电机；21：电机底盘；22：电机锚固螺栓；23：仪器底板；24：内六角卡孔。

具体实施方式

参照附图。本发明提供的一种岩土材料高速剪切试验装置，包括机架系统、荷载系统、驱动系统和试验系统；所述荷载系统、所述驱动系统和所述试验系统均安装于所述机架系统内；所述荷载系统安装于所述机架系统的顶部，通过数控液压千斤顶为试验提供稳定可控的法向荷载；所述驱动系统安装于所述机架系统的底部，通过步进电机为试验提供持续可控的旋转动力；所述试验系统安装于所述机架系统中部，采用试验缸体为试验提供密闭且相对隔热的试验空间，并通过剪切盘实现岩土材料的高速旋转剪切。

所述机架系统包括仪器顶板1、刚性立柱17、仪器底板23和刚性托梁18；所述刚性立柱17的顶部与仪器顶板1的四角固连，底部与仪器底板23的四角固连；所述仪器顶板1、刚性立柱17和仪器底板23构成了立式箱型结构，为荷载系统、驱动系统和试验系统提供安装及操作空间；所述刚性托梁18一端与所述刚性立柱17固连，另一端与试验系统的试验缸体15固连，为试验系统提供稳定的支撑。

所述荷载系统包括千斤顶底盘2、千斤顶锚固螺栓3和数控液压千斤顶4；所述千斤顶底盘2通过所述千斤顶锚固螺栓3可拆卸地安装于所述仪器顶板1下侧；所述数控液压千斤顶4固连于所述千斤顶底盘2上；所述数控液压千斤顶4的中轴线与所述试验系统的中轴线一致；所述数控液压千斤顶4的活塞可从所述试验系统的试验缸盖5顶部圆形开口进入所述试验系统；所述荷载系统通过数控液压千斤顶4为试验提供稳定可控的法向荷载，用于模拟试验过程中岩土体的上覆自重荷载。

所述驱动系统包括步进电机20、电机底盘21、电机锚固螺栓22和传动轴19；所述电机底盘21通过所述电机锚固螺栓22可拆卸地安装于所述仪器底板23上侧；所述步进电机20固连于所述电机底盘上21；所述步进电机20的中轴线与所述试验系统的中轴线一致；所述传动轴19从所述步进电机20顶端伸出，并通过所述试验系统的试验缸体15底部圆形开口进入试验系统；所述传动轴19的顶部通过所述试验系统的内六角卡孔24与旋转剪切盘16连接；所述传动轴19与所述内六角卡孔24连接部分为六棱柱形，其余部分为圆柱形；所述驱动系统通过所述传动轴19为试验提供持续可控的旋转动力，用于开展岩土材料的高速剪切。

所述试验系统包括试验缸盖5、刚性垫板6、固定剪切盘7、止旋插槽8、插销螺栓9、插销螺栓孔10、试验空腔11、安全气阀12、温度传感器13、气压传感器14、试验缸体15、旋转剪切盘16和内六角卡孔24。

所述试验缸盖5中心设有圆形开口，尺寸与所述数控液压千斤顶4的活塞配套；所述试验缸体15底部中心设有圆形开口，尺寸与所述传动轴19配套；所述试验系统的所述试验缸盖5和所述试验缸体15采用工程隔热陶瓷；所述试验缸盖5和所述试验缸体15可通过旋转螺纹连接，连接后所构成圆柱体形空腔为高速剪切试验提供了密闭且相对隔热的试验环境；所述试样缸体15外壁沿圆周方向等分开设有4个所述插销螺栓孔10。

所述旋转剪切盘16和固定剪切盘7均为一端开口的圆柱形空腔构件，用于填装高速剪切试验所用的岩土试样；所述旋转剪切盘7置于所述试验缸体15底部，开口朝上底部设有所述内六角卡孔24，尺寸与所述传动轴19顶部的六棱柱相配套；所述固定剪切盘7置于所述试验缸体15顶部，开口朝下且外壁沿圆周方向等分设有4个所述止旋插槽8；所述旋转剪切盘16和固定剪切盘7的内部空腔形状一致，均为上半部分圆柱体形，下半部分内切六棱柱形；所述固定剪切盘7和旋转剪切盘16内部空腔的形状，起到对岩土试样的夹持作用，在高速剪切过程中，避免岩土试样与剪切盘之间产生相对滑动，同时又保证了高速剪切试验的剪切面为圆形，使得剪切面充分接触，且便于对试验结果的分析计算。

所述试验空腔11开设于所述试验缸体15内，位置与岩土试样剪切面相匹配；所述安全气阀12、所述温度传感器13和所述气压传感器14均安装于所述试验空腔11内；所述安全气阀12在所述试验系统内压力超过设定值后开始工作，通过向所述试验系统外排放气体来防止试验系统内压力超过规定数值，保障试验设备和操作人员的安全；所述温度传感器13用于实时监测高速剪切试验过程中，所述试验空腔11内的温度；所述气压传感器15用于实时监测高速剪切过程中，所述试验空腔11内的气压。

所述止旋插槽8为长方体形空腔，开设位置与试验缸体15外壁上的插销螺栓孔10相匹配；所述插销螺栓9可通过所述插销螺栓孔10插入所述止旋插槽8内；所述插销螺栓9插入所述止旋插槽8后，所述固定剪切盘7仅能发生竖直方向位移，不能发生旋转方向位移。

所述刚性垫板6置于所述固定剪切盘7上侧，用于均布和稳定数控液压千斤顶4提供的法向荷载。

采用本发明开展岩土体高速剪切试验的具体步骤如下：

(1)试样安装：将制备完成的岩土试样分别装入固定剪切盘和旋转剪切盘内，在制样时确保岩土试样的受剪面平整，且高出剪切盘边缘1~1.5cm；

(2)试验准备：在固定剪切盘和旋转剪切盘外侧刷一层润滑油；将旋转剪切盘连同内部的岩土试样装入试验缸体内，轻微转动旋转剪切盘，使传动轴卡入旋转剪切盘底部的内六角卡孔内；将固定剪切盘连同内部的岩土试样装入试验缸体内，轻微转动固定剪切盘，使止旋插槽对准试验缸体外侧的插销螺栓孔，旋入4根插销螺栓；将刚性垫板置于固定剪切盘上侧；旋紧试样缸盖；

(3)初始连接：将数控液压千斤顶、步进电机、温度传感器和气压传感器连接至控制装置，并初始化数据；给数控液压千斤顶一个较小的油压，使其活塞进入试验系统内并接触到刚性垫板；给步进电机一个脉冲，使传动轴发生一个步距角，从而保证仪器各连接部位紧密接触；

(4)荷载施加：根据岩土试样的上覆自重荷载，采用数控液压千斤顶逐步施加法向应力至设定值；

(5)剪切试验：启动步进电机，按照一定的旋转剪切速度开展岩土试样的高速剪切试验，同步监测记录试验空腔内的温度和气压值；

(6)重复试验：调整不同的等级的旋转剪切速度，重复步骤（1）~（5）；

(7)数据处理：绘制不同等级旋转剪切速度作用下，剪切时间与试验空腔内温度的关系曲线，以及剪切时间与试验空腔内气压的关系曲线。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。