一种岩石结构面剪切失稳试验机及剪切失稳测试方法

本发明涉及岩土工程，特别是涉及一种岩石结构面剪切失稳试验机及剪切失稳测试方法。

背景技术：

1、目前的岩石结构面剪切试验机通常都是刚性或伺服控制试验机，人们的注意力往往集中在获取恒定剪切变形速率和实现稳定的加载过程，而忽视了岩石结构面在加载过程中的失稳滑移本身所展现的重要意义。实际上，无论是自然界中地壳岩石的破裂和断层的错动，还是岩石工程扰动诱发的岩爆和冲击地压等绝大多数自然和工程灾害，都展示了岩石的失稳破坏现象。其中，地质断层的失稳滑移以及结构面型岩爆，往往导致严重自然灾害和工程事故，造成重大的人员伤亡和财产损失。因此，研发岩石结构面剪切失稳试验机及剪切失稳测试方法，并再现结构面的剪切失稳破坏行为，对于揭示岩石结构面的失稳滑移机制，预测预防岩土工程灾害具有重要意义。

2、目前市场上尚缺乏用于测试岩石结构面剪切失稳试验用的试验仪器，本发明在传统剪切仪的基础上，以cook刚度判据和岩石动力学为理论依据，通过增加储能模块来改变试验机加载刚度，模拟围岩体的储能特性和回弹行为，通过增加法向和切向冲击扰动模块模拟施工过程中的动态扰动效应，试验工程中采用高频传感器记录岩石结构面剪切失稳过程，最终提供了一种岩石结构面剪切失稳试验机及剪切失稳测试方法，填补了这一领域空白。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种岩石结构面剪切失稳试验机及剪切失稳测试方法，不但能够完成常规的岩石结构面直剪试验，获取恒定加载速率下的岩石结构面剪切全应力-位移曲线；而且通过增加储能模块、冲击扰动模块和利用所述剪切失稳测试方法，再现岩石结构面的失稳滑移行为，为研究工作进一步深入提供试验条件。

2、本发明的目的是通过如下措施来实现的：

3、一种岩石结构面剪切失稳试验机，包括刚性框架结构、夹持模块、法向加载机构、切向加载机构、法向冲击扰动模块、切向冲击扰动模块、法向储能模块、切向储能模块；

4、所述夹持模块活动设置在刚性框架结构上，用于夹紧岩石结构面试样；

5、所述法向加载机构固定设置在刚性框架结构顶部，用于向夹紧岩石结构面试样施加法向载荷，所述法向加载机构的工作端连接夹持模块；

6、所述切向加载机构固定设置在刚性框架结构侧面，用于向夹紧岩石结构面试样施加切向载荷，所述切向加载机构的工作端连接夹持模块；

7、所述法向冲击扰动模块设置在刚性框架结构外侧对应法向加载机构位置，所述切向冲击扰动模块设置在刚性框架结构外侧对应切向加载机构位置，所述法向、切向冲击扰动模块用于给岩石结构面试样施加法向冲击载荷和切向冲击载荷，用来模拟施工过程中的冲击扰动作用；

8、所述法向、切向加载机构通过与法向、切向冲击扰动模块配合，用来模拟研究不同应力状态下，剪切失稳的扰动诱发条件；

9、所述法向、切向储能模块分别与法向、切向加载机构连接，用来模拟围岩体的储能作用和回弹效应，以及结构面的剪切失稳破坏行为。

10、为了进一步优化本发明，可优先选用以下技术方案：

11、优选的，所述夹持模块包括用于夹紧岩石结构面试样上半部分的上夹具、用于夹紧岩石结构面试样下半部的下夹具，所述上夹具与法向加载机构、法向冲击扰动机构的活动端相连，所述下夹具与切向加载机构、切向冲击扰动机构的活动端相连，所述刚性框架结构上对应上夹具位置转动设置有法向滚轴，所述刚性框架结构上对应上夹具位置转动设置有切向滚轴，所述法向滚轴和切向滚轴用于减少摩擦、提高测量精度；所述上、下夹具包含有不同型号，对应不同尺寸的岩石结构面，可实现结构面尺度效用的研究功能。

12、优选的，所述法向加载机构包括同轴设置在刚性框架结构上的法向油缸和法向千斤顶，所述法向油缸、法向千斤顶均采用中空设计，用于放置法向冲击扰动模块；所述切向加载机构包括同轴设置在刚性框架结构上的切向油缸、切向千斤顶，所述切向油缸、切向千斤顶采用中空设计，用于放置切向冲击扰动模块。

13、优选的，所述法向冲击扰动模块包括设置在刚性框架结构上的水平桁架、竖直桁架、落锤连接杆、落锤和法向入射杆，其中水平桁架、竖直桁架形成倒u型架，所述落锤连接杆活动设置在竖直桁架上，所述法向入射杆设置在法向油缸、法向千斤顶的中空位置处，所述落锤设置在落锤连接杆上正对法向入射杆位置处，法向冲击扰动模块通过调整落锤的高度来改变法向冲击扰动能量。落锤的施力大小通过法向入射杆上粘贴的应变片来测量，相比于传统的轻气炮施力方式，具有设备简单、运行成本低的优点。

14、优选的，所述切向冲击扰动模块包括水平入射杆、量角器、摆锤连接杆、摆锤、垂直框架和底座，所述水平入射杆设置在切向油缸、切向千斤顶的中空位置处，所述垂直框架和底座设置在水平入射杆一侧，所述摆锤连接杆一端铰接设置在垂直框架顶部，所述重锤设置在摆锤连接杆底部对应水平入射杆位置处，所述量角器设置在垂直框架顶部用于指示摆锤的摆动角度，所述切向冲击扰动模块通过调整摆锤的偏转角度来改变切向冲击扰动能量。摆锤冲击加载的优势在于，通过改变锤头的形状和入射速度，能够直接获得试验所需的入射波形，其施力大小可以通过法向入射杆上粘贴的应变片来测量，且设备简单、运行成本低。

15、优选的，所述法向、切向储能模块包括相对活动设置的上压头、下压头，所述上压头、下压头之间可拆卸设置有导杆，所述上压头上设置有中央导向柱，所述导杆上设置有与中央导向柱配合的中央导向槽，所述导杆上还设置有中央导向槽底部连通的排气孔，所述导杆上对应上压头、下压头之间位置套装有多个蝶形弹簧及垫圈，通过调整蝶形弹簧的组合方式和数量来改变法向和切向储能模块的储能和回弹特性。

16、优选的，所述上压头、下压头之间还设置有多个辅助导向柱，所述上压头上对应辅助导向柱位置设置有辅助导向槽，所述中央导向柱和所述中央导向槽配合；所述辅助导向柱和辅助导向槽配合；所述中央导向柱及辅助导向柱的外侧壁上设置有聚四氟乙烯层，所述中央导向柱和辅助导向柱保证上下压头始终处于平行状态，保证结构面试样的受力面处于均布载荷受力状态。

17、优选的，所述刚性框架结构上还设置有法向、切向测量系统，所述法向、切向测量系统包括法向位移传感器、法向变形传感器、切向位移传感器和切向变形传感器，分别用于测量法向和切向的试验机加载量和结构面变形量，通过将试验机加载量和结构面变形量做差，可以得出法向和切向储能模块的变形量，进而计算出所储存的弹性能。法向和切向均采用lvdt直线位移传感器，其工作原理是铁芯可动变压器，即通过铁芯在线圈内移动，产生感应电动势，电压与铁芯的位移量成线性关系。

18、优选的，所述法向位移传感器固定在法向千斤顶上；所述法向变形传感器固定在刚性框架结构上；所述切向位移传感器固定在切向千斤顶上；所述切向变形传感器固定在刚性框架结构上。

19、优选的，所述夹持模块的上夹具连接结构面试样上半部分和法向储能模块，起到传递法向载荷的作用；所述夹持模块的下夹具连接结构面试样下半部分和切向储能模块，起到传递切向载荷的作用。

20、一种岩石结构面剪切失稳测试方法，所述方法包括以下步骤：

21、(s1)制样：将现场收集到的岩石样品，根据试验要求切割成不同尺寸和数量的立方体岩块，利用巴西劈裂法，沿立方体岩块中部进行劈裂，获得新鲜的岩石结构面试样；

22、(s2)装样：将s1步骤中完成制样的岩石结构面试样装入剪切失稳试验机的上、下夹具内，使岩石结构面试样对中放置在加载平台上，保证法向加载机构通过岩石结构面试样的中轴线，避免偏心加载所带来的误差。

23、(s3)仪器安装和连接：在剪切失稳试验机上安装法向位移传感器、切向位移传感器、法向变形传感器、切向变形传感器、声发射探头、高速摄像机、散斑测量系统等检测仪器；

24、(s4)施加法向和切向载荷：施加一定的法向载荷并保持不变，随后施加一定的切向载荷并保持不变，模拟施工现场结构面所处的应力状态；

25、(s5)施加法向或切向冲击载荷：施加一定的法向或切向冲击载荷，直到结构面试样发生剪切失稳破坏为止；剪切失稳破坏的判断标准是：当结构面试样发生较明显的相对剪切位移1-5mm，剪切载荷在达到峰值后产生明显的跌落现象；

26、(s6)试验曲线绘制和分析：根据试验数据，绘制岩石结构面的剪切应力-位移曲线、剪切应力-时间曲线、法向应力-位移曲线、法向应力-时间曲线、剪切位移-法向位移曲线，并与声发射能量、振铃计数、事件数等声发射数据和散斑数据联合分析，进一步揭示岩石结构面的剪切失稳特性。

27、本发明的有益效果：本发明提供一种岩石结构面剪切失稳试验机及剪切失稳测试方法，不但能够完成常规的岩石结构面直剪试验，获取恒定加载速率下的岩石结构面剪切全应力-位移曲线；而且通过增加储能模块、冲击扰动模块和利用所述剪切失稳测试方法，再现岩石结构面的失稳滑移行为，为研究工作进一步深入提供试验条件。地下采矿过程中，岩体内的结构面处于动静载荷叠加状态，静载荷可以分解为沿结构面切向和法向的静载荷；当有机械施工或爆破扰动时，产生的动载荷可以分解为沿结构面切向和法向的动载荷。不同静载条件下，动载荷的扰动诱发条件不尽相同，当法向静载小，切向静载大时，剪切失稳的动态扰动诱发阈值最低；反之，当法向静载大，切向静载小时，剪切失稳的动态扰动诱发阈值最高。据此，利用本发明的一种岩石结构面剪切失稳试验机，模拟地下采矿过程中的应力环境和状态，再现岩石结构面失稳滑移行为，研究结构面的剪切失稳扰动诱发条件。