一种可干湿循环的岩石结构面剪切蠕变装置

技术领域

本发明涉及岩石结构面剪切蠕变的技术领域，特别是涉及一种可干湿循环的岩石结构面剪切蠕变装置。

背景技术

水库蓄水的长期运行中，库水位周期性的涨落变化，导致库岸边坡长期处于饱和与未饱和的干湿循环过程。长期的干湿循环将导致库岸边坡岩石结构面的物理性质发生劣化，最终将导致库岸边坡发生稳定性破坏，严重影响水库安全。目前大多数水库的运行时间较长，普遍存在长期水位涨落条件的岸坡失稳风险。在已发生的水库失稳案例中，多数都与岸坡结构面及软弱面失稳破坏有关，因此对干湿循环作用的岩石结构面剪切蠕变特性的研究对库岸边坡稳定评价十分必要。

干湿循环作用下，岩体结构面的物理性质将出现劣化效应，在力学强度、凝聚力和内摩擦角等方面均存在不同程度的劣化，长期的干湿作用对结构面产生的蠕变变形是导致边坡稳定性降低的重要原因，最终导致边坡失稳。

目前传统的对岩石结构面剪切蠕变通常是将上下岩石试件放入容器中浸泡，实验后取出对结构面材料进行烘干最后进行剪切蠕变实验，这样反复的干湿循环操作将剪切蠕变实验分成了两个互相独立的步骤，操作过程繁琐且对试件进行过多的人为操作极易破坏岩石材料造成岩体损伤，导致实验结果与真实情况产生较大误差。这样还存在另一方面的缺陷，即无法实现在饱和状态下对结构面进行剪切实验。

发明内容

本发明的目的是提供一种可干湿循环的岩石结构面剪切蠕变装置，以解决上述现有技术存在的问题，使岩石结构面剪切蠕变实验装置中干湿循环操作操作方便，可控制干湿循环次数，实现对岩石结构面进行饱和或非饱和状态下的剪切蠕变实验。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种可干湿循环的岩石结构面剪切蠕变装置，包括上剪切盒、下剪切盒、导向柱和平移机构，所述上剪切盒和所述下剪切盒均为敞口且敞口相对设置，形成用于容纳两块相对设置岩石的腔体，两块所述岩石的总高度大于所述上剪切盒和所述下剪切盒内腔体的总高度，所述岩石的结构面位于所述上剪切盒与所述下剪切盒的缝隙区间内；所述上剪切盒上设置有至少两个干湿循环孔，所述干湿循环孔位于容纳所述岩石的腔体的周边，所述干湿循环孔用于连接水源或干燥热气，所述上剪切盒和所述下剪切盒的外壁尺寸相同且密封连接，形成水或气的循环通道，所述循环通道能够通过所述岩石的结构面连通；所述上剪切盒和所述下剪切盒均穿设于所述导向柱上，所述导向柱设置于所述平移机构的底座上，所述下剪切盒设置于所述平移机构的滑动板上，所述滑动板与所述底座能够相对滑动，所述上剪切盒的顶部能够用于施加法向压力，所述下剪切盒的侧壁能够用于施加横向剪切力。

优选的，所述上剪切盒和所述下剪切盒内分别设置有用于岩石位移调节的锁紧机构，所述锁紧机构包括挡板和螺栓，所述挡板设置于所述上剪切盒或所述下剪切盒的腔体内，所述螺栓穿过所述上剪切盒或所述下剪切盒的腔体壁与所述挡板连接，使两块所述岩石的结构面对齐。

优选的，所述挡板的高度小于相应的所述岩石的高度，且所述挡板分别位于所述腔体的相对面上。

优选的，所述干湿循环孔包括均布于所述上剪切盒顶部的进气孔、出气孔、进水孔和出水孔，所述进气孔与所述出气孔、所述进水孔与所述出水孔分别位于所述上剪切盒的相对面上，所述出气孔通过管路连通抽气泵。

优选的，所述出气孔内或所述出气孔连通的管路上设置有湿度传感器，所述进气孔、所述进水孔、所述出气孔和所述出水孔连通的管路上均设置有阀门。

优选的，所述下剪切盒上设置有排水孔，所述排水孔的一端连通所述循环通道，所述排水孔的另一端通过管路连通一集水槽，所述管路设置有阀门。

优选的，所述平移机构包括底座、滚轴和滑动板，所述底座呈“凹”字型，所述底座内平行于所述底座侧壁设置有若干个所述滚轴，所述滚轴上设置有所述滑动板，所述滑动板的长度小于所述底座的两侧壁之间的距离。

优选的，所述底座的侧壁上设置一安装限位螺栓，所述安装限位螺栓能够抵在所述下剪切盒的侧壁上。

优选的，所述底座的侧壁上设置有位移传感器，所述位移传感器位于所述安装限位螺栓的一侧。

优选的，所述上剪切盒的顶部和所述下剪切盒的侧面分别设置有用于施力的圆台，所述上剪切盒和所述下剪切盒的外壁通过一圈围挡板密封，所述围挡板其中一面可拆卸。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明可为岩石结构面提供干湿循环的密闭环境，更加方便的进行干湿循环操作，大量减少干湿循环过程人为因素的影响，模拟实际干湿循环工况，且提高实验精度；将饱和水导入剪切盒腔体内，可实现模拟水位自动上升，利用排水孔实现水位下降，更加符合实际水库边坡消落带库水位涨落情况，且结构简单操作方便；装置成本低、简便实用，可实现在饱和或非饱和状态下岩石结构面的剪切实验，实现干湿循环作用后剪切结构面剪切蠕变实验操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明可干湿循环的岩石结构面剪切蠕变装置的结构示意图一；

图2为本发明可干湿循环的岩石结构面剪切蠕变装置的结构示意图二；

图3为本发明可干湿循环的岩石结构面剪切蠕变装置的内部结构图；

其中：1-上剪切盒，2-下剪切盒，3-导向柱，4-圆台，5-围挡板，6-岩石，7-结构面，8-挡板，9-螺栓，10-循环通道，11-进气孔，12-出气孔，13-进水孔，14-出水孔，15-排水孔，16-底座，17-滚轴，18-滑动板，19-安装限位螺栓，20-位移传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种可干湿循环的岩石结构面剪切蠕变装置，以解决现有技术存在的问题，使岩石结构面剪切蠕变实验装置中干湿循环操作操作方便，可控制干湿循环次数，实现对岩石结构面进行饱和或非饱和状态下的剪切蠕变实验。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图3所示：本实施例提供了一种可干湿循环的岩石结构面剪切蠕变装置，包括上剪切盒1、下剪切盒2、导向柱3和平移机构，上剪切盒1和下剪切盒2均为敞口且敞口相对设置，形成用于容纳两块相对设置岩石6的腔体，两块岩石6的总高度大于上剪切盒1和下剪切盒2内腔体的总高度，岩石6的结构面7位于上剪切盒1与下剪切盒2的缝隙区间内；上剪切盒1上设置有至少两个干湿循环孔，干湿循环孔位于容纳岩石6的腔体的周边，干湿循环孔用于连接水源或干燥热气，上剪切盒1和下剪切盒2的外壁尺寸相同且密封连接，形成水或气的循环通道10，循环通道10能够通过岩石6的结构面7连通；上剪切盒1和下剪切盒2均穿设于导向柱3上，导向柱3设置于平移机构的底座16上，下剪切盒2设置于平移机构的滑动板18上，滑动板18与底座16能够相对滑动，上剪切盒1的顶部能够用于施加法向压力，下剪切盒2的侧壁能够用于施加横向剪切力。上剪切盒1的顶部和下剪切盒2的侧面分别设置有用于施力的圆台4，上剪切盒1和下剪切盒2的外壁通过一圈围挡板5卡接密封，围挡板5其中一面可拆卸，便于围挡板5的拆装。

上剪切盒1和下剪切盒2内分别设置有用于岩石6位移调节的锁紧机构，锁紧机构包括挡板8和螺栓9，挡板8设置于上剪切盒1或下剪切盒2的腔体内，螺栓9穿过上剪切盒1或下剪切盒2的腔体壁与挡板8连接或相抵触，使两块岩石6的结构面7对齐。挡板8的高度小于相应的岩石6的高度(本实施例中低于腔体端面)，且挡板8分别位于腔体的相对面上，由于实验用的岩石6(试件)体积存在小误差，通过锁紧机构的横向调节，便于岩石6的结构面7的对齐，减小实验误差。

干湿循环孔包括均布于上剪切盒1顶部的进气孔11、出气孔12、进水孔13和出水孔14，进气孔11与出气孔12、进水孔13与出水孔14分别位于上剪切盒1的相对面上，出气孔12通过管路连通抽气泵。出气孔12内或出气孔12连通的管路上设置有湿度传感器，可以记录岩石6的腔体内湿度变化，便于掌握干湿循环的时间。进气孔11、出气孔12、进水孔13和出水孔14连通的管路上均设置有阀门，便于保障循环通道10的密闭。下剪切盒1上设置有排水孔15，排水孔15的一端连通循环通道10，排水孔15的另一端通过管路连通一集水槽，管路设置有阀门。干湿循环孔的设置，与传统干湿循环操作方法相比，结构简单且更加方便的进行干湿循环操作，大量减少干湿循环过程人为因素的影响，更加贴合实际干湿循环工况的模拟，提高实验精度。

平移机构包括底座16、滚轴17和滑动板18，底座16呈“凹”字型便于对滚轴17移动位移进行限位，底座16内平行于底座16侧壁设置有若干个滚轴17，滚轴17上设置有滑动板18，滑动板18的长度小于底座16的两侧壁之间的距离，便于在施加横向剪切力时，滑动板18及下剪切盒2在底座16内滑动。底座16的侧壁上设置一安装限位螺栓19，安装限位螺栓19能够抵在下剪切盒2的侧壁上。底座16的侧壁上设置有位移传感器20，位移传感器20位于安装限位螺栓19的一侧。优选的，位移传感器20和温度传感器和一控制装置电连接，便于输出实验数据。

本实施例的可干湿循环的岩石结构面剪切蠕变装置的具体使用步骤如下：先将装置安装好，平稳放置，并连接好剪切蠕变仪。实验前，可根据工程实际情况需要施加预应力模拟工程实地压力情况。

干湿循环操作过程:关闭出水孔14、排水孔15、进水孔13管路上的阀门，打开进气孔11、出气孔12管路上的阀门，向上下剪切盒的岩石腔体内吹入热空气直至岩石6的结构面7完全干燥。关闭进气孔11管路上的阀门，打开抽气泵进行抽气和进水孔13管路上的阀门，抽水至上下剪切盒的岩石腔体内，直至岩石6的结构面7完全饱和。完成结构面7饱和过程后，打开下剪切盒2的排水孔15管路上的阀门，排出中岩石腔体内的蓄水，重复上述操作即可完成多次干湿循环。

剪切蠕变操作过程：取下安装限位螺栓19，解除下剪切盒2的位移限制，施加法向压力作用于上剪切盒顶部的圆台4上，待法向位移稳定，施加横向剪切力作用于下剪切盒2侧面的圆台4上，使下剪切盒2在底座16上产生相对位移，由剪切蠕变仪的应力传感器记录剪切应力，位移传感器20记录下剪切蠕变位移。其中，剪切蠕变仪施加法向荷载加上上剪切盒1的自重为结构面7上受到的总法向荷载，总法向荷载比岩石结构面剪切面积就可以得到法向应力。完成一级剪切荷载试验后，待剪切蠕变位移达到稳定后，可进行下一级剪切荷载加载进行实验，直至岩石结构面试样剪切蠕变破坏。实验完毕，按照常规的蠕变实验过程，需要对实验数据进行分析、处理，就可以得出蠕变位移-时间的关系、法向应力和蠕变特征的关系。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。