一种岩体结构面拉剪试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于岩体力学性能试验技术领域，具体涉及一种岩体结构面拉剪试验装置及试验方法。

背景技术

近年来，我国交通运输、煤矿开采、水利水电等工程领域得到快速的扩展，所涉及到的深埋隧洞、边坡开挖等岩土工程复杂程度和工程规模呈现不断加大的趋势，不同地质条件下岩体的受力状态是十分复杂的。岩体所处力学环境与破坏形式复杂，为工程的安全建设带来了严重威胁。在岩土工程中，针对岩体破坏形式和应力状态，拉剪组合破坏模式是岩体最常见的破坏模式之一。

岩石拉伸剪切破裂是受一类特殊应力状态条件下的破裂形式，但是现有的研究岩石拉剪所采用的试验仪器设备相对落后，对于岩石拉剪变形数据测定不够准确。

现有的岩石剪切试验主要具有以下缺点：

1、现行岩石力学性能测试技术更多的是关注于单向力(单轴拉伸、压缩和冲击)的研究和测试，较少研究岩体拉剪混合状态的测试，那么无法模拟岩体真实的受力状态；

2、岩体试验采用两端通过胶接与夹头连接的传统拉剪试验方法，连接界面强度太小，能提供的拉应力有限，试验效果不好。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩体结构面拉剪试验装置及试验方法，以至少解决现有技术中存在的上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种岩体结构面拉剪试验装置，所述试验装置包括：

反力框架，所述反力框架至少包括上顶板与底部承台，在顶板与底部承台两侧均通过侧向支杆连接；

竖向加载系统，所述竖向加载系统设置在顶板的下表面上，试块位于竖向加载系统下方，所述竖向加载系统的施力端与试块的上部连接，用于对试样施加沿竖直方向的作用力；

滑座，所述试块的下部固定在滑座中，所述滑座滑动设置底部承台上；

侧向加载系统，所述侧向加载系统设置在侧向支杆的侧壁上，所述侧向加载系统用于向滑座施加沿水平方向的作用力；

反力杆，所述反力杆设置在远离侧向加载系统的另一个侧向支杆上，所述反力杆的端部顶抵在试块的上部。

如上所述的岩体结构面拉剪试验装置，优选地，所述竖向加载系统包括竖向液压油缸，所述竖向液压油缸的施力端上设置有承力块，试块固定在承力块内。

如上所述的岩体结构面拉剪试验装置，优选地，试块上缠绕有多对钢索，一对钢索包括第一钢索与第二钢索，第一钢索与第二钢索相对的环绕在试块上部，且第一钢索的两端与第二钢索的两端分别固定在承力块相对的两个侧面上。

如上所述的岩体结构面拉剪试验装置，优选地，所述承力块上设置有转向杆，钢索在绕过承力块上的转向杆后，向上穿出承力块，在穿出承力块的钢索端部固定有钢索固定扣，以对钢索的端部进行限位固定。

如上所述的岩体结构面拉剪试验装置，优选地，沿竖直方向设置有多对钢索；

试块的周向上均布有多个摩擦块，所述摩擦块位于试块与钢索之间。

如上所述的岩体结构面拉剪试验装置，优选地，在试块的上半部分设置有限位套箍，所述限位套箍为分体设置；

所述限位套箍的侧面设置有避让孔，用于供钢索穿过；所述反力杆顶抵在限位套箍上；

所述限位套箍朝向反力杆的一面设置有限位槽，所述反力杆卡设在限位槽中。

如上所述的岩体结构面拉剪试验装置，优选地，所述滑座套设在试块的下半部分上，试块粘接固定在滑座上；

所述底部承台上设置有滑轨，所述滑座的侧面设置有滑轮，所述滑轮在滑轨中滑动。

如上所述的岩体结构面拉剪试验装置，优选地，所述侧向加载系统包括侧向液压油缸，侧向液压油缸的施力端上设置有均压板，所述侧向液压油缸通过均压板与滑座的侧面接触。

如上所述的岩体结构面拉剪试验装置，优选地，在竖向液压油缸的施力端上套设有带刻度的中空圆筒，中空圆筒的两侧设置有连接杆，连接杆的一端固定在侧向支杆上；

所述承力块与竖向液压油缸的施力端的外围设置有避让圆环槽，用于供中空圆筒伸入到避让圆环槽中。

本申请还提供一种岩体结构面拉剪试验方法，所述试验方法试验如权利要求1-9任一所述的岩体结构面拉剪试验装置，所述试验方法包括以下步骤：

步骤1，将试块的下半部通过高强结构胶粘接在滑座上；

步骤2，将钢索成对套设在试块的上半部上，且在钢索与试块之间设置摩擦块，以使钢索将摩擦块压紧在试块上；然后将钢索绕过转向杆伸出承力块，并在钢索的端部设置钢索固定扣，以对钢索的端部进行限位；

步骤3，通过竖向液压油缸带动承力块向上移动，以对试块施加一定的预拉力，使得钢索处于绷紧状态，此时记录中空圆筒上的第一修正刻度L

步骤4，将限位套箍套设在试块的上半部分，并螺栓连接在两个分体的法兰边上；

步骤5，通过竖向液压油缸再次带动承力块向上移动，以使试块收到的拉力达到设定拉力数值；此时记录中空圆筒上的第二修正刻度L

步骤6，在试块受拉应力的作用下，通过侧向液压油缸对滑座施加沿水平方向的作用力，滑座沿轨道滑动，对试块施加剪切力，观察并记录试块的受力特征和状态。

有益效果：

该试验装置中，通过竖向加载系统向试块施加向上的拉力，通过侧向加载系统向滑座施加沿水平方向的推力，使得该试验装置能够模拟岩体实际受力状态，在岩体受到拉伸力的作用下，对岩体进行剪切力学性能测定，能够更加简单有效的对岩体试块施加拉剪组合荷载。使用钢索配合承力块来固定试块，使得试块越拉越紧，从而使得试块被牢牢固定在承力块内；设置摩擦块用于增加钢索与试块之间的摩擦力，保证钢索对试块的牢固固定。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明一个实施例的岩体结构面拉剪试验装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的限位套箍的结构示意图；

图3为本发明一个实施例的钢筋与摩擦块的结构示意图。

图中：1、顶板；2、竖向液压油缸；3、连接杆；4、中空圆筒；5、钢索固定扣；6、反力杆；7、承力块；8、滑座；9、滑轮；10、底部承台；11、轨道；12、均压板；13、侧向液压油缸；14、限位套箍；15、转向杆；16、钢索；17、摩擦块。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

根据本发明的具体实施例，如图1-3所示，本发明提供一种岩体结构面拉剪试验装置，试验装置包括：

反力框架，反力框架至少包括上顶板1与底部承台10，在顶板1与底部承台10两侧均通过侧向支杆连接；上顶板1位于底部承台10的上方，上顶板1与底部承台10位置相对固定；上顶板1、底部承台10与两个侧向支杆围成一个方形的框架。

竖向加载系统，竖向加载系统设置在顶板1的下表面上，试块位于竖向加载系统下方，竖向加载系统的施力端与试块的上部连接，用于对试样施加沿竖直方向的作用力。

滑座8，试块的下部固定在滑座8中，滑座8滑动设置底部承台10上。

侧向加载系统，侧向加载系统设置在侧向支杆的侧壁上，侧向加载系统用于向滑座8施加沿水平方向的作用力。

反力杆6，反力杆6设置在远离侧向加载系统的另一个侧向支杆上，反力杆6的端部顶抵在试块的上部。

该试验装置中，通过竖向加载系统向试块施加向上的拉力，通过侧向加载系统向滑座8施加沿水平方向的推力，由于滑座8设置在试块下部，反力杆6沿水平方向顶抵在试块的上部，从而使得试块受到剪切作用；使得该试验装置能够模拟岩体实际受力状态，在岩体受到拉伸力的作用下，对岩体进行剪切力学性能测定，能够更加简单有效的对岩体试块施加拉剪组合荷载。

竖向加载系统包括竖向液压油缸2，竖向液压油缸2的施力端上设置有承力块7，试块固定在承力块7内。

在本申请的一个实施例中，承力块7为倒n型结构，n型结构的承力块7罩设在试块的上部位置。在承力块7的侧面设置有避让孔，用于供反力杆6穿过避让孔，顶在试块上，而且该避让孔为长圆形，使得承力块7在被竖向液压油缸2带动向上移动时，承力块7不会与反力杆6发生相互干涉。

试块上缠绕有多对钢索16，一对钢索包括第一钢索与第二钢索，第一钢索与第二钢索相对的环绕在试块上部，且第一钢索的两端与第二钢索的两端分别固定在承力块7相对的两个侧面上。

在本申请的一个实施例中，以一对钢索包括第一钢索与第二钢索为例进行说明，第一钢索成U型环绕在试块的上部，使得钢索与试块的三个面接触；第二钢索与第一钢索沿试块中轴线对称布置，使得两个环绕成U型的钢索从相对的两个方向，将试块完全包裹，第一钢索的两端与第二钢索的两端分别固定在承力块7相对的两个侧面上，举例说明，第一钢索的两端固定在承力块7的左侧，第二钢索的两端固定在承力块7的右侧。

如此设置，当承力块7向上移动时，第一钢索与第二钢索会相对移动，使得试块越拉越紧，从而使得试块被牢牢固定在承力块7内，使得承力块7在竖向液压油缸2的作用下向上提升，能够起到对试块施加竖向拉应力的作用；同时，承力块7与成对设置的钢索16配合，能够保证试块被更加牢固的固定在承力块7内部；使得该试验装置能够对试块施加更大的竖向拉应力；避免了试块固定不牢靠，而导致提供的拉应力有限，试验效果不好的情况发生。

承力块7上设置有撰写杆15，钢索16在绕过承力块7上的撰写杆15后，向上穿出承力块7，在穿出承力块7的钢索16端部固定有钢索16固定扣5，以对钢索16的端部进行限位固定。

在本申请的一个实施例中，在承力块7中需要钢索16穿过的地方设置避让槽或者避让孔，从而便于钢索16穿过；在承力块7上设置撰写杆15，使得钢索16在绕过撰写杆15后转变延伸方向，从而使钢索16在承力块7的上端穿出后进行固定，使得试块上部通过钢索16与承力块7牢固连接。

沿竖直方向设置有多对钢索16；试块的周向上均布有多个摩擦块17，摩擦块17位于试块与钢索16之间。

在本申请的一个实施例中，设置摩擦块17用于增加钢索16与试块之间的摩擦力，保证钢索16对试块的牢固固定；沿竖直方向设置有两对钢索16，多个摩擦块17均布在试块周向，每个摩擦块17沿竖直方向延伸，且摩擦块17设置在试块的上部；两对钢索16同时将多个摩擦块17压紧在试块上；如此设置，能够保证保证两对钢索16更加均匀的对试块进行固定。

另外，钢索16仅仅是将摩擦块17压紧在试块上，钢索16与试块之间并不相互固定，从而避免一对钢索16与摩擦块17出现运动干涉的情况。在其他实施例中，可在摩擦块17的背后设置穿孔，钢索16穿过摩擦块17背后的穿孔，摩擦块17背后的穿孔仅对钢索16进行限位，使得钢索16能够相对摩擦块17进行运动。

在试块的上半部分设置有限位套箍14，限位套箍14为分体设置；限位套箍14的侧面设置有避让孔，用于供钢索16穿过；反力杆6顶抵在限位套箍14上。

在本申请的一个实施例中，试块为长方体，限位套箍14设置在试块的上半部分，限位套箍14用于对试块上半部分进行再次紧固；而通过反力杆6顶抵在限位套箍14上，一是为了使试块受力更加均匀，二是，反力杆6顶在限位套箍14上，侧向加载系统向滑座8施加水平方向作用力，在限位套箍14与滑座8作用下，更加便于对试块施加剪切作用力。

在本实施例中，限位套箍14有两个分体结构对合而成，在两个分体结构对合面的两侧均设置有法兰边，通过螺栓连接在两个分体的法兰边上，以实现限位套箍14固定在试块的上半部分上。

在本实施例中，限位套箍14朝向反力杆的一面设置有限位槽，所述反力杆卡设在限位槽中，以保证反力杆与限位套箍之间稳定连接，在侧向液压油缸施力时，反力杆不发生位移。

滑座8套设在试块的下半部分上，试块粘接固定在滑座8上；底部承台10上设置有滑轨，滑座8的侧面设置有滑轮9，滑轮9在滑轨中滑动。

在本申请的一个实施例中，试块通过高强结构胶粘接在滑座8上。另外滑轨可以选用槽钢制作而成，槽钢的截面为凹槽型，使得滑轮9能够被槽钢包裹在其中，使得滑轨能够对滑座8起到沿竖直方向限位的作用，使得滑座8仅能在滑轨中沿水平方向滑动。

侧向加载系统包括侧向液压油缸13，侧向液压油缸13的施力端上设置有均压板12，侧向液压油缸13通过均压板12与滑座8的侧面接触。

在本申请的一个实施例中，通过设置均压板12，均压板12增大了侧向液压油缸13施力端与滑座8的接触面积，能够保证侧向液压油缸13更加均匀的向滑座8施加水平作用力。

在竖向液压油缸2的施力端上套设有带刻度的中空圆筒4，中空圆筒4的两侧设置有连接杆3，连接杆3的一端固定在侧向支杆上；承力块7与竖向液压油缸2的施力端的外围设置有避让圆环槽，用于供中空圆筒4伸入到避让圆环槽中。

在本申请的一个实施例中，中空圆筒4上沿竖直方向设置有刻度，在承力块7没有向上移动之前，读取一个中空圆筒4上的刻度值，在承力块7向上移动之后，在读取一个中空圆筒4上的刻度值，更加方便的获取承力块7向上的位移值。

本发明还提供一种岩体结构面拉剪试验方法，试验方法试验如权利要求1-9任一的岩体结构面拉剪试验装置，试验方法包括以下步骤：

步骤1，将试块的下半部通过高强结构胶粘接在滑座8上；

步骤2，将钢索16成对套设在试块的上半部上，且在钢索16与试块之间设置摩擦块17，以使钢索16将摩擦块17压紧在试块上；然后将钢索16绕过撰写杆15伸出承力块7，并在钢索16的端部设置钢索16固定扣5，以对钢索16的端部进行限位；

步骤3，通过竖向液压油缸2带动承力块7向上移动，以对试块施加一定的预拉力，使得钢索16处于绷紧状态，此时记录中空圆筒4上的第一修正刻度L

步骤4，将限位套箍14套设在试块的上半部分，并螺栓连接在两个分体的法兰边上；在本实施例中，可在限位套箍14固定在试块的上半部分之后，再将反力杆6安装在反力框架上，从而便于将限位套箍14安装到试块上；

步骤5，通过竖向液压油缸2再次带动承力块7向上移动，以使试块收到的拉力达到设定拉力数值；此时记录中空圆筒4上的第二修正刻度L

步骤6，在试块受拉应力的作用下，通过侧向液压油缸13对滑座8施加沿水平方向的作用力，滑座8沿轨道11滑动，对试块施加剪切力，观察并记录试块的受力特征和状态。

可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。

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、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。