[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

说明书

本发明公开一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及方法，所述测试装置包括剪切单元、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。通过设计特定的岩石结构面试件，可以实现在岩石节理上模拟不同渗透压力的渗流情况；在渗流存在的条件下对岩石进行剪切，可研究岩石结构面在不同法向应力，不同渗透应力以及不同的结构面粗糙度的情况下剪切变形及抗剪强度变化情况，为研究岩石结构面在渗流的影响下结构面本身抗剪强度参数变化与岩体结构变化特性研究提供一种新型、有效的测试手段。

技术领域

本发明涉及土工试验技术领域，具体涉及一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法，通过室内试验测试岩石结构面在渗流情况下的抗剪强度。

背景技术

岩体是由结构面和岩块组成，结构面的存在造成了岩体介质的不连续性和各向异性，结构面的物理力学性质在一定程度上控制着岩体的力学性质，决定着岩体失稳破坏的规模和类型；同时结构面的存在也为水的渗流提供良好的通道。结构面的力学特性已成为岩体力学一个极为重要的理论研究课题。

岩石结构面的法向变形主要包括结构面面闭合和结构面剪胀，两者共同改变和影响着结构面的渗透特性。剪胀是结构面沿着粗糙和起伏表面做切向滑动时产生的法向膨胀，它与结构面岩体的渗透特性关系紧密，因此，要对结构面的剪切-渗流耦合特性进行研究，而进行结构面岩石试件的室内剪切-渗流耦合试验，是一种有效的技术手段。

岩石节理剪切渗流耦合试验中的关键技术是试验边界条件的实现，即位移、荷载边界条件和渗流边界条件。在岩石节理的剪切过程中，当上、下节理面在剪切力作用下产生相对位移时，通过在剪切盒进水口和出水口之间设定一定的水压差，即渗透水压力，来实现岩石结构面内的水沿指定路径流动，同时保证剪切盒在垂直水流方向边界上不发生水流渗透，因此必须对剪切盒做良好的密封。

由于试验条件的限制，特别是渗透密封手段，目前关于岩石节理剪切-渗流耦合试验的试验设备还比较缺乏，已有设备的剪切盒所能承受的渗透压力也往往比较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术存在的上述缺陷，提出一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置及其方法，为研究岩石结构面在渗流的影响下结构面本身抗剪强度参数变化与岩体结构变化特性研究提供一种新型、有效的测试手段。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于渗透压力模拟的岩体抗剪强度测试装置，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、剪切盒和钢制框架，剪切盒和钢制框架均设置在底座上，钢制框架的顶部设置有一轴压加载板，轴压加载板通过轴压螺栓与钢制框架相连，剪切盒的顶端通过一弹簧组件与轴压加载板相连，通过调节轴压螺栓，实现弹簧组件提供法向恒刚度加载，所述剪切盒内设置有标准试件，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和下部岩石结构面试件，标准试件通过固定螺栓固定在剪切盒内；所述剪切盒为圆柱形，包括上剪切盒和下剪切盒，分别上剪切盒的侧面设置有刚性触手，刚性触手与钢制框架固定连接，下剪切盒与一变频电机相连，实现往返剪切运动，在剪切过程中，上剪切盒固定，变频电机通过齿轮与下剪切盒连接，并带动下剪切盒进行不同速率的往返剪切运动；

所述渗透压力控制单元包括进水管、出水管以及水压力泵，所述下部岩石结构面试件内部设置有竖向透水孔，所述透水孔通过进水管与水压力泵相连，在试验过程中，可以保证岩石结构面进水压力恒定。沿上部岩石结构面试件和下部岩石结构面试件的接触面处的圆周方向设置有一渗流出水口，所述渗流出水口与水压力泵相连，可以实时对岩石结构面的渗流量与出水端压力进行测定；