[发明专利]基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法

权利要求书

1.基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，其特征在于，包括剪切单元、渗透压力控制单元、岩石结构面损伤监测单元、结构面位移监测单元以及应力应变监测单元；

所述剪切单元包括底座(21)、剪切盒(23)和钢制框架(12)，剪切盒(23)和钢制框架(12)均设置在底座(21)上，钢制框架(12)的顶部设置有一轴压加载板(22)，轴压加载板(22)通过轴压螺栓(1)与钢制框架(12)相连，剪切盒(23)的顶端通过一弹簧组件(3)与轴压加载板(22)相连；所述剪切盒(23)内设置有标准试件，所述标准试件是由将岩石依据设计结构面尺寸与粗糙度进行切割打磨获得，标准试件包括上部岩石结构面试件(5)和下部岩石结构面试件(8)，标准试件通过固定螺栓(14)固定在剪切盒(23)内；所述剪切盒(23)为圆柱形，包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒的侧面设置有刚性触手(15)，刚性触手(15)与钢制框架(12)固定连接，下剪切盒与一变频电机相连，实现往返剪切运动；

所述渗透压力控制单元包括进水管(17)、出水管(7)以及水压力泵(11)，所述下部岩石结构面试件(8)内部设置有竖向透水孔，所述透水孔通过进水管(17)与水压力泵(11)相连，沿上部岩石结构面试件(5)和下部岩石结构面试件(8)的接触面处的圆周方向设置有一渗流出水口(6)，所述渗流出水口(6)与水压力泵(11)相连；

所述岩石结构面损伤监测单元包括声波发射探头(4)、声波接收探头(9)以及声波解调仪(10)，所述声波发射探头(4)设置在上部岩石结构面试件(5)的顶端，所述声波接收探头(9)设置在下部岩石结构面试件(8)的底端，声波发射探头(4)和声波接收探头(9)均与声波解调仪(10)相连；

所述结构面位移监测单元包括相机(16)，上剪切盒和下剪切盒之间的剪切面处还设置有透明窗口，透明窗口采用亚克力材质，相机(16)设置在上剪切盒外部的透明窗口外侧；

所述应力应变监测单元包括第一压力传感器(13)、第二压力传感器以及压力数显装置(18)，第一压力传感器(13)设置在弹簧组件(3)与剪切盒(23)之间，第二压力传感器设置在刚性触手(15)和钢制框架(12)之间，第一压力传感器(13)和第二压力传感器均与压力数显装置(18)相连。

2.根据权利要求1所述的基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，其特征在于：所述变频电机(19)与一电机数控显示系统(20)相连，变频电机(19)的输出轴与一齿轮相连，沿下剪切盒的侧壁圆周方向设置有齿纹圈，所述齿纹圈与齿轮啮合，通过变频电机(19)带动下剪切盒进行不同速率的往返剪切运动。

3.根据权利要求1所述的基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，其特征在于：所述下剪切盒的底部设置有滚珠(24)。

4.根据权利要求1所述的基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，其特征在于：所述轴压加载板(22)的下表面上还设置有位移传感器(2)，所述位移传感器(2)采用激光位移传感器，以实时检测轴向位移。

5.一种基于权利要求4所述的基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将岩石按设计结构面尺寸与粗糙度进行切割打磨，制成标准试件，一组标准试件由上部岩石结构面试件(5)和下部岩石结构面试件(8)组成，通过固定螺栓(14)将标准试件固定在剪切盒内；

(2)旋紧轴压螺栓(1)，观察第一压力传感器(13)的测试数值，当第一压力传感器(13)的读数达到设定轴向压力时停止，确保整个测试过程均在常法向刚度下完成；

(3)在上部岩石结构面试件(5)顶部设计有声波发射探头(4)，在下部岩石结构面试件(8)底部设计有声波接收探头(9)，试验开始时，声波发射探头(4)发射高压脉冲，同时声波接收探头(9)接收声波信号；在发射高压脉冲的同时，声波解调仪(10)将输出同步信号，对岩石内部各类型裂隙进行无损检测；

(4)设定进水端水压力，待结构面渗流出水口(6)处有水渗出时，打开水压力泵(11)，实时监测出水量和出水端压力；待出水端压力稳定后，通过设定变频电机(19)的转动频率、转动幅度和转动周期来对标准试件施加剪切力，标准试件受到的剪切力T的大小由第二压力传感器测得，则试件受到的剪应力为：τ＝T÷πr²；

(5)试件在剪切过程中轴向力变化由第一压力传感器(13)测得，轴向位移由位移传感器(2)测得，结合剪切过程中剪切位移、剪应力绘制之间的剪切位移曲线，测得试样的粘聚力与阻尼比，得到试样在循环剪切下的滞回曲线，进而计算试样的动模量与阻尼比；

而且，试件在剪切过程中，通过透明窗口观察剪切面宏观变化情况，并将相机(16)安装于上剪切盒外部，对剪切面进行拍摄，并对所得图像进行处理；通过拍摄获取目标物变形过程中的连续散斑图像，在灰度匹配算法的基础上，采用相关性指标来衡量参考子区和目标子区的相似程度，从而求得被测目标的位移和变形。