[发明专利]一种模拟岩体结构面失效的剪切试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于岩石力学试验技术领域，特别是涉及一种模拟岩体结构面失效的剪切试验装置及方法，特别适用于三维应力条件下的岩体剪切试验。

背景技术

对于地下采矿工程和地下岩体开挖工程而言，岩体结构面的稳定性对工程的安全性起着至关重要的作用，对岩体结构面的稳定性开展深入研究，其意义甚至超过对完整岩体的力学性能的研究。

关于岩体结构面的稳定性的研究，现阶段主要以剪切试验为主，在《土工试验方法标准GB/T50123-1999》中明确了细粒土的直接剪切试验方法，在《水利水电工程岩石试验规程SL264-2001》中规定了岩块、混凝土与岩石接触面的直接剪切试验方法，在直接剪切试验中，主要是在块状或者圆柱状试样上施加不同的法向应力，测得水平剪切力，以此计算试样结构面或接触面的内聚力和内摩擦角。

但是，在以上国家标准和相关规程中，均没有提及小主应力(垂直于法向应力和水平剪切力所在平面内的应力)的影响，而只有当小主应力与法向应力及水平剪切力同时存在时，才能够最真实的模拟出地层的三维应力条件，但是如何实现在三维应力条件下的岩体剪切试验，一直是岩土工程界和学术界渴求的目标，只有在三维应力条件下模拟岩体结构面失效，才能获得最接近真实地应力环境下的岩体结构面剪切力学特性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟岩体结构面失效的剪切试验装置及方法，具备在三维应力条件下模拟岩体结构面失效的能力，并获得最接近真实地应力环境下的岩体结构面剪切力学特性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种模拟岩体结构面失效的剪切试验装置，包括试样剪切盒、法向应力测量单元、水平剪切力测量单元；

所述试样剪切盒包括上、下两个结构相同的剪切块，分别设为上剪切块和下剪切块；所述剪切块整体均呈U型结构，剪切块的两条U型臂之间设为试样安装槽；所述剪切块的两条U型臂的厚度不同，两条所述U型臂分别设为薄侧U型臂和厚侧U型臂；所述试样剪切盒由上剪切块与下剪切块扣合而成，呈扣合状态的试样剪切盒的上剪切块薄侧U型臂与下剪切块厚侧U型臂相对应，上剪切块厚侧U型臂与下剪切块薄侧U型臂相对应；所述上剪切块薄侧U型臂与下剪切块厚侧U型臂之间、上剪切块厚侧U型臂与下剪切块薄侧U型臂之间产生的厚度差为有效剪切行程；

所述法向应力测量单元包括第一LVDT位移传感器及第一触针，所述第一LVDT位移传感器通过第一传感器支座安装在上剪切块上，所述第一触针通过第一触针支座安装在下剪切块上，第一触针与第一LVDT位移传感器的第一铁芯相接触；

所述水平剪切力测量单元包括第二LVDT位移传感器及第二触针，所述第二LVDT位移传感器通过第二传感器支座安装在下剪切块上，所述第二触针通过第二触针支座安装在上剪切块上，第二触针与第二LVDT位移传感器的第二铁芯相接触；

所述法向应力测量单元及水平剪切力测量单元在小主应力方向彼此留有安全间隙；

所述第一LVDT位移传感器和第二LVDT位移传感器均通过数据传输线与数据采集器相连接，数据采集器与主控计算机相连接。

所述数据采集器选用DOLI-DEC控制器。

所述第一铁芯和第二铁芯的外端均为圆盘形结构，第一触针和第二触针的触头端均为弧面结构。

采用所述的模拟岩体结构面失效的剪切试验装置的剪切试验方法，包括如下步骤：

步骤一：准备一块标准试样，并将标准试样切割成对等的两块，分别记为一号试样和二号试样，并选取一处表面作为结构面；

步骤二：在上剪切块的试样安装槽内表面涂抹减摩剂，再将上剪切块的薄侧U型臂内表面涂抹上耐油硅胶，然后将一号试样缓慢放入上剪切块的试样安装槽内，并保证上剪切块的薄侧U型臂内表面的耐油硅胶被均匀挤出，使上剪切块薄侧U型臂与一号试样之间的缝隙完全被耐油硅胶填满；

步骤三：将下剪切块的试样安装槽内表面涂抹减摩剂，再将下剪切块的薄侧U型臂内表面涂抹上耐油硅胶，然后将二号试样缓慢放入下剪切块的试样安装槽内，并保证下剪切块的薄侧U型臂内表面的耐油硅胶被均匀挤出，使下剪切块薄侧U型臂与二号试样之间的缝隙完全被耐油硅胶填满；