一种柱状节理岩体原位直剪试验设备及方法与流程

1.本发明属于岩土体力学参数测试领域，特别涉及一种柱状节理岩体原位直剪试验设备及方法。


背景技术：

2.柱状节理岩体作为一种特殊结构的岩体，它与其他材料的重大差别是受结构面纵横切割、具有一定结构面的多裂隙体。裂隙岩体内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面，这些存在的缺陷不但大大地改变了岩体的力学性质，而且也严重影响着岩体的渗透特性，既表现出力学性质的各向异性，同时也表现出渗透性质的各向异性。尤其是在柱状节理岩体条件下建设的岩土工程中由于工程的开挖导致柱状节理岩体应力的改变和节理裂隙的扩展，导致柱状节理岩体的强度发生明显变化从而直接影响工程的施工建设和安全运行。
3.当前获取柱状节理岩体“原状”试样通常是在现场用套筒取得，然后用千斤顶将试样压入剪切盒中，或采用人工铁镐取样。由于开挖后，受开挖方式和卸荷松驰影响，获取的试样极易受扰动，不能完全反映现场柱状节理岩体的实际状态。现场原位试验相对于室内试验可以测定未扰动的柱状节理岩体强度参数，可避免取样过程对试样的扰动，测试值更为准确，接近实际。
4.大多直剪仪加载系统选用液压式；机架主要包括箱形梁整体框架式、立柱箱形梁复合式等；测量系统主要有机械式，传感器数显式、计算机自动测量采集等。柱状节理岩体强度参数的现场测试，通常采用的试验设备为现场大型剪切试验装置，其对试验场地条件要求较高，此外，仪器笨重、试验耗时长，很大程度上限制了该类设备的实际应用效果。
5.因此，开发出一种简便、快速、经济、能够获取天然状态下柱状节理岩体的抗剪性能指标的直剪试验设备，为岩土工程中的结构设计、地质灾害预测等提供更加准确可靠的参数建议，是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种柱状节理岩体原位直剪试验设备，以解决现有技术中常用原位直剪仪普遍质量大、试验成本高、整体不可拆卸、运输携带不方便的技术问题。
7.一种柱状节理岩体原位直剪试验设备，其特征在于：包括空腔锚杆、锚头、螺杆、竖向加载系统和水平加载系统；所述空腔锚杆为设有中心孔且头部被封闭的钢柱，锚杆头部侧壁设有孔，孔内活动连接所述锚头；所述螺杆与锚杆滑动连接，螺杆的底端插入锚杆中心孔中并和所述锚头活动连接，所述螺杆可上下活动控制锚头的打开与闭合，所述锚头闭合时位于锚杆头部侧壁的所述孔内，锚头打开时，呈凸齿状从所述孔中凸出锚杆，可以嵌固在柱状节理岩壁上；
8.所述竖向加载系统可拆卸地设置在所述试验设备中，所述竖向加载系统套在所述螺杆外，其包括轴承，中空千斤顶及螺母锁具，所述螺母锁具与螺杆螺纹连接，在竖向加载
系统的底部设置带孔的隔板，通过所述竖向加载系统将隔板压紧在待测岩体上。
9.在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：
10.所述螺杆底端与锚头通过活动杆连接，所述活动杆两端设有螺栓，分别与螺杆与锚头铰接。
11.所述螺杆的底端可拆卸地连接安装。
12.所述锚头由多个(比如四个)楔形钢块组成，均匀分布在锚杆头部四周，所述钢块通过螺栓与锚杆铰接。
13.所述水平加载系统的两端都设置有带凹槽的承压板。
14.所述的竖向加载系统还包括上盖和隔板，所述上盖、所述轴承和所述隔板由上至下依次设置；所述中空千斤顶设置在上盖之上，所述中空千斤顶的上端和螺母锁具之间和下端分别设置有带孔的承压板。
15.所述轴承采用围绕所述螺杆外围布置一圈的滚珠排。
16.竖直加载系统设有与隔板配合的位移传感器，水平加载系统设有与承压板配合的位移传感器，所述传感器与计算机采集系统连接。
17.本发明的另一个目的是提供一种利用上述试验设备的柱状节理岩体原位直剪试验方法。为此，本发明采用以下技术方案：
18.一种柱状节理岩体原位直剪试验方法，其特征在于：采用权利要求1-7中任一所述的柱状节理岩体原位直剪试验设备，并包括以下步骤：
19.步骤1、选择需要开展试验的待测岩体，整平后在待测岩体基底施工钻孔，为试验提供剪切试验缝；
20.步骤2、将装配后的锚杆、锚头和螺杆的组合体，在锚头处于闭合状态下放入钻孔内，到达指定位置后将螺杆向下按压，使锚头打开嵌固在岩壁上，再在孔口以上的锚杆上依次安装隔板、轴承、上盖、中空千斤顶，并保证整个系统在加载方向的同轴线上，然后用螺母锁具锁紧；所述水平加载系统固连在侧壁岩体上；
21.步骤3、启动计算机数据采集系统并调零，然后启动所述竖向加载系统与水平加载系统，并采用微动形式交替使所述水平加载系统及竖向加载系统的工作面与岩体表面贴紧；
22.步骤4、采用平推法进行快剪试验：通过所述竖向加载系统施加竖向压力，并通过所述水平加载系统分级施加水平向剪切力以捕捉峰值，使所述原位试样在3至5min内剪损，当剪切变形达预定值后停止所述水平加载系统的加载，完成一组测试，并通过所述计算机数据采集系统全程记录应力应变数据。
23.相较于其他岩体，本发明设备更适合用于柱状节理岩体原位直剪试验。由于较软岩(如泥岩)本身质地较软，钻孔内壁不能提供足够大的锚固力，导致无法提供稳定的竖向荷载；坚硬岩(如花岗岩)钻孔内壁坚硬光滑，锚头无法嵌固到岩壁中，也导致无法提供稳定的竖向荷载；然而柱状节理岩体具有坚硬但节理裂隙发育的结构特性，使得锚头能够嵌入岩体节理之中，提供足够的竖向荷载，因此本发明较适用于柱状节理岩体原位直剪试验。
24.与传统技术相比，本发明相对传统岩石原位大型剪切试验仪器进行了优化改进，结构简单，且无需灌浆技术或大型反力钢架，就能够测试原位条件下岩体的剪切强度参数。
本发明提供的柱状节理岩体原位直剪试验设备，其整体可以拆为便于运输的部件，并能在现场比较容易地组装，能够通过原位测试能真实反映现场岩石的实际状态，测试值更贴近现场情况，更加准确、可靠；并且，本发明设备对试验技术操作要求不高，利用锚头在岩壁上的锚固力就能提供竖向荷载，操作方便。
附图说明
25.图1是本发明岩体原位直剪试验设备示意图；
26.图2是本发明岩体原位直剪试验设备俯视图；
27.图3是本发明锚杆打开与闭合状态示意图；其中：(a)显示了锚头闭合状态时的结构状态，(b)显示了锚头打开状态时的结构状态；
28.图4是本发明锚头与拉压杆螺杆连接处示意图；其中：(a)显示了锚头闭合状态时的结构配合，(b)显示了锚头打开状态时的结构配合；
29.图5是本发明试验时岩体试样受力分析图；
30.图中标记为：1-空腔锚杆2-锚头3-螺杆4-竖向加载系统5-上盖6-滚珠排7-隔板8-锁母锁具9-水平加载系统10-待测岩体11-第一承压板12-第二承压板13-第三承压板14-第四承压板15-位移传感器16-活动杆17-岩体剪切面。
具体实施方式
31.本发明的基本原理基于经典岩土力学库仑原理提出，根据库仑强度准则其中，τf是指岩土体的抗剪强度(kpa)，σ是作用在剪切面上的法向压力(kpa)，指岩土体的内摩擦角(
°
)，c指岩土体的内聚力(kpa)，由以抗剪强度τf为纵坐标，垂直压力σ为横坐标，绘制抗剪强度τf与垂直压力σ的关系曲线，根据图上各点绘一视测的直线，直线的倾角为岩土体的内摩擦角直线在纵坐标轴上的截距为岩土体的粘聚力c。本发明在竖直方向上施加一定荷载，并施加水平作用力，当位移传感器示数发生突变时，试样剪损(本试验中一般位移大于4mm视为试样破坏)，此时试样的剪力即是岩土体的抗剪强度τf。
32.请参考图1至图5，本发明提供的柱状节理岩体原位直剪试验设备，包括空腔锚杆1、锚头2、螺杆3、竖向加载系统4和水平加载系统9。所述空腔锚杆1的外径为80mm，其为设有中心孔且下端被封闭的钢柱，所述锚杆1的头部侧壁有与锚头2对应的孔，孔内装有所述锚头2，所述锚头2由四个楔形钢块组成，均匀分布在锚杆1头部环向四周，所述楔形钢块的下部通过螺栓与锚杆1铰接；锚杆1的中心孔设有螺杆3，所述螺杆3底端与锚头2通过活动杆16连接，所述活动杆16两端设有螺栓，分别与螺杆3与锚头铰接2，所述螺杆3可上下活动控制锚头2的打开与闭合，所述锚头2闭合时位于锚杆头部侧壁的所述孔内，锚头2打开时，从所述孔中凸出锚杆1，在锚杆1表面形成倒齿状卡接结构，并在所述试验设备需要拆除时，拧除螺母，通过向下按压螺杆3能将所述锚头2收回孔内；所述竖向加载系统4包括围绕所述螺杆3外围布置一圈的滚珠排6、竖向的中空千斤顶(在图1中处于标号4周围的结构)及螺母锁具8，所述螺母锁具8套在所述螺杆3的外部，能够为中空千斤顶提供向下的反力；所述水平加载系统9采用水平布置的千斤顶，在取样工作时，其一端作用于取样岩体的侧面。
33.螺杆3的外径和锚杆1的中心孔的内径配合，使得螺杆3和锚杆1滑动配合，锚杆1能
对螺杆3起到定中心作用，螺杆3与锚杆1在试验中保持同轴线。
34.空腔锚杆1与锚头2都采用超高强度钢特质钢材制成，能够提供足够的反力，空腔锚杆直径为80mm。材料强度能够满足受力要求。
35.当螺杆3向上提拉时，锚头2向外侧张开凸出于所述锚杆头部的孔，锚头2处于打开状态，此时锚头2可以嵌固在柱状节理岩壁上，为上部结构提供足够的锚固力。
36.水平加载系统9两端分别设置有带凹槽的第一承压板11和第二承压板12，凹槽起到防止水平加载系统滑脱的作用，并能够提供稳定的水平向力；竖向加载系统4两端也分别设置有带孔的第三承压板13和第四承压板14，供螺杆3穿过。
37.竖向加载系统4还包括上盖5和隔板7，上盖5、滚珠排6和隔板8由上至下依次设置。在剪切过程中，原位试样始终通过滚珠排6获得来自竖向加载系统4的竖向千斤顶施加的作用力，同时，隔板7在滚珠排6的作用下，沿水平方向运动，因而不会阻碍原位试样在剪切时的水平移动。
38.螺母锁具8位于竖向千斤顶的上方，与螺杆3螺纹连接，在螺杆3通过锚头锁定时(此时锚头处于打开状态)，继续下旋螺母锁具8压紧竖向中空千斤顶，为竖向加载系统提供向下的反力。
39.竖直加载系统4设有与隔板7配合的位移传感器15，水平加载系统9设有与承压板11配合的位移传感器15，所述位移传感器15与计算机采集系统连接。
40.本发明还提供了采用上述柱状节理岩体原位直剪试验设备的测试方法，包括以下步骤：
41.步骤1、选择需要开展试验的待测岩体10，整平后在待测岩体基底施工钻孔，钻孔直径为常规套打108mm，为试验提供足够的剪切试验缝，优选地，孔深不小于锚杆1的长度，使得锚杆1能够整体处于钻孔内；
42.步骤2、安装锚杆1，将装配后的锚杆1、锚头2和螺杆3的组合体，在锚头2处于闭合状态下，放入钻孔内，到达指定位置后将螺杆3向上提拉，使锚头2打开嵌固在岩壁上，再在孔口以上的螺杆3上依次安装隔板7、滚珠排6、上盖5、中空千斤顶4，使整个竖向加载系统围绕螺杆，保证整个系统在加载方向的同轴线，然后用螺母锁具8锁紧；
43.步骤3、启动计算机数据采集系统并调零，然后启动所述水平加载系统9及竖向加载系统4，并采用微动形式交替使所述水平加载系统9及竖向加载系统4的工作面与待测岩体10表面贴紧；
44.步骤4、采用平推法进行快剪试验：通过所述竖向加载系统4施加竖向压力，并通过所述水平加载系统9分级施加水平向剪切力以捕捉峰值，使所述原位试样在3至5min内剪损，当剪切变形达预定值后停止所述水平加载系统9的加载，完成一组测试，并通过所述计算机数据采集系统全程记录应力应变数据。
45.步骤5、依次卸下水平加载系统和竖向加载系统，向下按压螺杆3，收起锚头，将整个锚杆提出钻孔。
46.反复以上操作，进行不少于五组试验用于试验数据成果整理，并可通过下述的数据整理方法对数据进行处理：
47.在整个试验过程中，岩体试样的剪切面17上的正应力σ以及剪应力τ，根据图5岩体试样受力平衡条件得到：
48.剪切面上的正应力σ按下式计算：
[0049][0050]
剪切面上的剪应力τ按下式计算：
[0051][0052]
式中，g为竖向加载系统、滚珠系统的重力(kn)；p为竖向压力表测得压力值(kn)；f为水平压力表测得压力值(kn)；a是剪切面面积(m2)；a0是钻孔面积(m2)。
[0053]
根据库仑强度准则计算出抗剪强度：
[0054][0055]
式中，τf是指岩体的抗剪强度(kpa)；σ是作用在剪切面上的法向应力(kpa)；指岩体的内摩擦角(
°
)；c指岩体的内聚力(kpa)。
[0056]
通过本发明实施例完成的岩石原位天然直剪试验可以得到可靠的、更接近真实的试验数据。
[0057]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。