[发明专利]一体式岩体结构面直剪仪及直剪试验方法

权利要求书

1.一体式岩体结构面直剪仪，其特征在于：包括框架系统、竖向加载系统、水平加载系统和剪切系统，所述竖向加载系统和所述水平加载系统均固定在所述框架系统上，所述剪切系统安装在所述框架系统内，所述剪切系统用于对结构面试样进行制样并固定，所述竖向加载系统能够对所述剪切系统施加法向应力，所述水平加载系统能够对所述剪切系统施加剪切应力；

所述框架系统包括仪器底座、仪器框架柱、仪器顶板和限位板，所述仪器框架柱的底部固连在仪器底座上，所述仪器框架柱的顶端通过框架柱螺栓可拆卸地连接在仪器顶板的四角，所述仪器底座、仪器框架柱以及仪器顶板形成了整个仪器的框架结构，为竖向加载系统、水平加载系统和剪切系统提供操作空间；所述限位板固定在仪器框架柱上；所述竖向加载系统中的扁千斤顶固定安装在所述仪器顶板上；所述仪器底座沿剪切方向上设有导向滑轨槽；

所述剪切系统包括上剪切盒、下剪切盒和剪切盒底座，所述上剪切盒被所述限位板限位，所述下剪切盒能够被装入所述剪切盒底座内，所述上剪切盒和所述下剪切盒能组合形成所述直剪仪的剪切盒，所述剪切盒底座的底部设有与所述导向滑轨槽配套的导向滑轨，使得所述剪切盒底座能沿所述仪器底座发生位移，所述上剪切盒的顶部和所述下剪切盒的底部均设有剪切盒注浆孔；

所述上剪切盒和所述下剪切盒的四面均设有紧固螺栓孔，所述紧固螺栓孔内配套设有试样紧固螺栓，所述试样紧固螺栓伸入所述剪切盒内的一端可拆卸地套设紧固橡胶垫片。

2.如权利要求1所述的一体式岩体结构面直剪仪，其特征在于：所述仪器底座上设有滑动助力装置，所述滑动助力装置包括均匀且成行开设在仪器底座表面的滚动钢珠圆孔及配套的滚动钢珠，所述剪切盒底座的底面能与所述滚动钢珠接触，从而使得剪切盒底座能够在水平加载系统推动下发生剪切位移。

3.如权利要求1所述的一体式岩体结构面直剪仪，其特征在于：所述竖向加载系统包括扁千斤顶和刚性垫板，所述扁千斤顶通过扁千斤顶固定螺栓连接在所述框架系统中的仪器顶板上，所述扁千斤顶上设有扁千斤顶进油嘴，所述扁千斤顶进油嘴穿过所述框架系统的仪器顶板并伸出于其上表面，刚性垫板活动地设置在所述扁千斤顶下方，从而对扁千斤顶提供的法向荷载起到均布和稳定作用。

4.如权利要求1所述的一体式岩体结构面直剪仪，其特征在于：所述水平加载系统包括水平千斤顶和水平位移传感器卡槽，所述水平千斤顶通过水平千斤顶固定螺栓连接在水平千斤顶底座上，所述水平千斤顶底座固定安装在所述框架系统的一侧，并与所述框架系统连为一体，所述水平千斤顶能够推动所述剪切系统中的剪切盒底座发生剪切位移，所述水平位移传感器卡槽固定设置在所述水平千斤顶底座上，用于测量剪切系统水平位移的水平位移传感器固定安装在所述水平位移传感器卡槽内，所述水平千斤顶的水平千斤顶进油嘴设置在所述水平千斤顶底座的外侧。

5.如权利要求1所述的一体式岩体结构面直剪仪，其特征在于：所述上剪切盒上设有用于记录上剪切盒在竖直方向上位移的竖向位移传感器。

6.一体式岩体结构面直剪试验方法，其特征在于：所述方法应用的一体式岩体结构面直剪仪，包括框架系统、竖向加载系统、水平加载系统和剪切系统，所述竖向加载系统和所述水平加载系统均固定在所述框架系统上，所述剪切系统安装在所述框架系统内，所述剪切系统用于对结构面试样进行制样并固定，所述竖向加载系统能够对所述剪切系统施加法向应力，所述水平加载系统能够对所述剪切系统施加剪切应力；

所述框架系统包括仪器底座、仪器框架柱、仪器顶板和限位板，所述仪器框架柱的底部固连在仪器底座上，所述仪器框架柱的顶端通过框架柱螺栓可拆卸地连接在仪器顶板的四角，所述仪器底座、仪器框架柱以及仪器顶板形成了整个仪器的框架结构，为竖向加载系统、水平加载系统和剪切系统提供操作空间；所述限位板固定在仪器框架柱上；所述竖向加载系统中的扁千斤顶固定安装在所述仪器顶板上；所述仪器底座沿剪切方向上设有导向滑轨槽；

所述剪切系统包括上剪切盒、下剪切盒和剪切盒底座，所述上剪切盒被所述限位板限位，所述下剪切盒能够被装入所述剪切盒底座内，所述上剪切盒和所述下剪切盒能组合形成所述直剪仪的剪切盒，所述剪切盒底座的底部设有与所述导向滑轨槽配套的导向滑轨，使得所述剪切盒底座能沿所述仪器底座发生位移，所述上剪切盒的顶部和所述下剪切盒的底部均设有剪切盒注浆孔；

所述仪器底座上设有滑动助力装置，所述滑动助力装置包括均匀且成行开设在仪器底座表面的滚动钢珠圆孔及配套的滚动钢珠，所述剪切盒底座的底面能与所述滚动钢珠接触，从而使得剪切盒底座能够在水平加载系统推动下发生剪切位移；

所述竖向加载系统包括扁千斤顶和刚性垫板，所述扁千斤顶通过扁千斤顶固定螺栓连接在所述框架系统中的仪器顶板上，所述扁千斤顶上设有扁千斤顶进油嘴，所述扁千斤顶进油嘴穿过所述框架系统的仪器顶板并伸出于其上表面，刚性垫板活动地设置在所述扁千斤顶下方，从而对扁千斤顶提供的法向荷载起到均布和稳定作用；

所述水平加载系统包括水平千斤顶和水平位移传感器卡槽，所述水平千斤顶通过水平千斤顶固定螺栓连接在水平千斤顶底座上，所述水平千斤顶底座固定安装在所述框架系统的一侧，并与所述框架系统连为一体，所述水平千斤顶能够推动所述剪切系统中的剪切盒底座发生剪切位移，所述水平位移传感器卡槽固定设置在所述水平千斤顶底座上，用于测量剪切系统水平位移的水平位移传感器固定安装在所述水平位移传感器卡槽内，所述水平千斤顶的水平千斤顶进油嘴设置在所述水平千斤顶底座的外侧；

所述上剪切盒和所述下剪切盒的四面均设有紧固螺栓孔，所述紧固螺栓孔内配套设有试样紧固螺栓，所述试样紧固螺栓伸入所述剪切盒内的一端可拆卸地套设紧固橡胶垫片；

所述上剪切盒上设有用于记录上剪切盒在竖直方向上位移的竖向位移传感器；

所述方法包括以下步骤：

（1）放样：将岩体结构面试样放入直剪仪的剪切盒内，使剪切方向与剪切盒长边方向一致；

（2）调样：调整岩体结构面试样的位置，使其受剪面高出剪切盒边框一定距离，调平受剪面，并采用剪切盒内的试样紧固螺栓和紧固橡胶垫片固定岩体结构面试样；

（3）制样：从剪切盒底部的注浆孔内注入高强建筑石膏浆体，捣实抹平，待高强建筑石膏浆体终凝后，连同剪切盒翻转试样，重复上述步骤完成另一半试样的制样；制样完成后，将试样紧固螺栓旋出，并剪断试样自带的捆绑钢丝；

（4）装样：将完成制样的试样连同剪切盒正面推入直剪仪的剪切盒底座内，确保主动剪切盒在下，被动剪切盒在上；

（5）仪表连接：在直剪仪的水平位移传感器卡槽中安装水平位移传感器；在上剪切盒上安装竖向位移传感器；将1号手动油压泵与直剪仪的扁千斤顶进油嘴连接并安装数字液压表；将2号手动油压泵与直剪仪的水平千斤顶进油嘴连接并安装数字液压表；将上述传感器和液压表与微机连接并数据归零；

（6）施加法向应力：利用1号手动油压泵通过竖向加载系统施加法向应力，达到规定数值后保持正压力恒定；

（7）施加剪切应力：利用2号手动油压泵通过水平加载系统逐级施加剪应力，每隔一定时间加一级，直至试样剪断；

（8）剪切面积量测与描述：试验结束后，测量岩体结构面试样上半部分连同上剪切盒的重量；记录剪切面的破坏情况；采用透明纸覆于剪切面上勾画出剪切面周围的轮廓线，进而采用坐标纸求算剪切面积；

（9）重复试验：调整不同等级法向应力，重复步骤（1）~（8）；

（10）按照式1计算法向应力和剪切应力：

式1

其中，为法向应力，单位MPa；为剪切应力，单位MPa；为上剪切盒、刚性垫板和上半个试样的总重量，单位N；为1号油压泵数字液压表读数，单位MPa；为2号油压泵数字液压表读数，单位MPa；为剪切面实测面积，单位mm²；为水平向千斤顶活塞面积，单位mm²；为扁千斤顶面积，单位mm²；

（11）按照式2计算结构面试样的法向刚度和剪切刚度：

式2

其中，为竖直向应力，为竖直向位移，为峰值前剪切应力，为水平位移。