[发明专利]结构面抗剪强度尺寸效应联合试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于工程技术领域，涉及一种结构面抗剪强度尺寸效应试验装置及方法。

背景技术

岩体结构面抗剪强度存在尺寸效应，即随着结构面尺寸的增大，其抗剪强度存在减少的趋势，当尺度增大到一定程度后其抗剪强度趋于恒定，因此，应用于工程岩体结构面的抗剪强度应是不随结构面尺寸变化的恒定的抗剪强度。为了得到抗剪强度的恒定值需要对从小到大的系列尺度的结构面进行抗剪强度直剪试验。研究可知，要得到结构面抗剪强度的稳定值，需开展尺度范围为100mm-1000mm的系列尺寸结构面试样的直剪试验，通常取100mm、200mm、…、1000mm共10个离散试样尺寸的结构面试样进行直剪试验，每个试样尺寸分别有5级荷载要求，如表1所示。

表1试样尺寸与对应的荷载关系表

为了得到可靠的结构面尺寸效应直剪试验结果，最好能在同一台直剪仪上实现上述10个离散尺度的直剪试验，但实现这个设想有二个较大的难点。一，试样最大及最小尺寸比过大，1000mm试样与100mm试样的尺寸比为10，面积比为100，造成同一台直剪仪的框架结构和加载系统很难满足这么大的尺寸比。具体说明如下：（1）整体框架的垂直度和平行度、框架内试样安置平台的平整度，均难以同时满足大尺度和小尺度的试验精度要求；（2）大型框架内小试样的中心定位难度较大；（3）水平加载时上下试样发生剪切运动，加载过程中由滚轴引起的摩擦力对小试样的试验结果影响较大。（4）小试样在竖向加载和水平加载的试验过程中，作动器伸出量过长，加载稳定性较差，且加载力常存在一定的偏心。

第二，为分析结构面抗剪强度尺寸效应规律及稳定阈值，需要在同一法向应力条件下对系列尺寸结构面试样进行直剪试验，且结构面试样的平面形状常采用方形，故不同试样尺寸的加载力比值与试样尺寸比值的平方成正比，根据规程要求每个试样尺寸需要分5级加载，尺寸为1000mm试样的最大加载力为1000KN与尺寸为100mm试样的最小加载力为2KN相比为500倍。造成同一台直剪仪的控制系统、测量系统和液压系统不能满足2KN-1000KN这么大的测试范围。具体说明如下：（1）载荷的测试范围要求为0.2%-100%，已超出现有控制系统的可控范围；（2）压力传感器等测量系统在1%-100%的测力范围内测量精度和稳定性较好，低于1%测力值的测量精度和稳定性均较差，试验现有的测试范围已超出该测力范围；（3）液压系统主要涉及液压泵的最小压力稳定性、控制阀的精度和液压缸的启动压力等，现有液压系统的载荷范围也无法满足0.2%-100%的载荷精度要求。

综上所述，采用同一台直剪仪难以满足100mm、200mm、…、1000mm共10个离散试样尺寸的结构面试样的尺寸范围及量测精度的要求，需要多台系列直剪仪方能满足试验要求。由此带来的问题是，采用不同直剪仪进行结构面抗剪强度试验会产生系统误差，直剪仪的台数越多，系列尺寸结构面试样抗剪强度试验产生的系统误差越大。直剪仪的台数多，还会造成试验设备成本高、所占用的试验空间大、实验室场地的利用率低、可操作差等问题。因此，确定能够满足系列尺寸及其测试精度要求的系列直剪仪合理台数，以及每台直剪仪能测试的结构面试样尺寸范围成为关键问题。

发明内容

为了克服已有技术的无法检测结构面抗剪强度尺寸效应的不足,本发明提供了一种有效检测结构面抗剪强度尺寸效应、可操作性强、实用效果良好的结构面抗剪强度尺寸效应联合试验装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种结构面抗剪强度尺寸效应联合试验装置，所述联合试验装置能测试结构面试样尺寸为100mm、200mm、…、1000mm共10个离散试样尺寸的结构面试样，所述联合试验装置包括二台直剪仪，所述二台直剪仪所测试的结构面试样尺寸有重叠，其中一台小型直剪仪测试的试样尺寸范围为100mm-M，另一台大型直剪仪测试的试样尺寸范围为N-1000mm，其中：M=200mm、300mm、…、900mm，N=200mm、300mm、…、900mm，M≥N。

一种结构面抗剪强度尺寸效应联合试验方法，联合试验装置包括二台直剪仪，所述二台直剪仪所测试的结构面试样尺寸有重叠，其中一台小型直剪仪测试的试样尺寸范围为100mm-M，另一台大型直剪仪测试的试样尺寸范围为N-1000mm，其中：M=200mm、300mm、…、900mm，N=200mm、300mm、…、900mm，M≥N，所述试验方法包括如下步骤：

1）其中一台小型直剪仪的测量过程如下：