[发明专利]岩石结构面恒定法向刚度剪切试验仪及其试验方法

权利要求书

1.一种岩石结构面恒定法向刚度剪切试验仪，其特征在于：

本试验仪包括顶部横梁（1）、立柱（2）、底座横梁（3）、左水平反力钢梁（4）、右水平反力钢梁（5）、台座（6）、锚固螺栓（7）、垫片（8）、加劲肋（9）、试样（10）、剪切盒（11）、水平滚排（12）、竖向滚排（13）、竖向加荷系统（14）、水平加荷系统（15和控制管路（16）；

所述的试样（10）为边长150mm的立方体，置于剪切盒（11）内，由岩样（10-1）、结构面（10-2）、水泥砂浆（10-3）、和剪切缝（10-4）组成；以岩样（10-1）为中心，在岩样（10-1）的结构面（10-2）上、下、中分别设置有水泥砂浆10-3和剪切缝（10-4）；

所述的剪切盒（11）由上剪切盒（11-1）和下剪切盒（11-2）组成，呈盒状，底面为正方形，正方形边长为153mm，盒深70mm；

各构件的位置和连接关系是：

顶部横梁（1）、立柱（2）和底座横梁（3）依次连接锚固组成外部反力框架；

在框架内部，从左至右，左水平反力钢梁（4）、水平加荷系统（15）、剪切盒（11）、竖向滚排（13）、右水平反力钢梁（5）组成内部水平作用系统，从上至下，竖向加荷系统（14）、剪切盒（11）、水平滚排（12）、台座（6）依次连接组成内部竖向作用系统；

左水平反力钢梁（4）、右水平反力钢梁（5）分别锚固在左右立柱（2）上，

为水平加荷系统（15）提供水平反力支撑；

台座（6）锚固在底座横梁（3），为竖向加荷系统（14）提供竖向反力支撑；

水平滚排（12）、竖向滚排（13）分别设置在台座（6）上部、右水平反力钢梁（5）左侧，试样（10）放于剪切盒（11）内，剪切盒（11）置于水平滚排（12）之上，并使上剪切盒（11-1）紧贴竖向滚排（13），可确保剪切试样（10）产生水平剪切位移和竖向剪涨；

所述控制管路（16）由油源控制管路和信号控制管路组成，竖向加荷系统（14）和水平加荷系统（15）均通过控制管路（16）与控制系统连接，竖向加荷系统（14）和水平加荷系统（15）通过控制管路（16）与外部油源控制系统和数据采集系统连接，可保证试验按照预设模块进行，并实时采集应力和位移数据。

2.采用权利要求1所述的岩石结构面恒定法向刚度剪切试验仪的试验方法，包括以下步骤：

①制样

将岩样（10-1）的结构面（10-2）置于预留剪切缝（10-4）的中心，结构面（10-2）与剪切缝（10-4）保持平行，后利用水泥砂浆（10-3）将岩样（10-1）浇筑固定在模具中，待水泥砂浆（10-3）养护至龄期强度后，拆模完成制样；

②组装

在水平工作面上，利用锚固螺栓（7）由下至上依次将底座横梁（3）、立柱（2）、顶部横梁（1）锚固连接，构成外部反力框架，并在立柱（2）与底座横梁（3）锚固处的外侧利用加劲肋（9）加固；

反力框架内部，左水平反力钢梁（4）、右水平反力钢梁（5）、台座（6）分别锚固在左侧立柱（2）、右侧立柱（2）、底座横梁（3）；

水平加荷系统（15）、竖向加荷系统（14）分别固定在左水平反力钢梁（4）和顶部横梁（1），水平加荷系统（15）和竖向加荷系统（14）的荷载分别作用在下剪切盒（11-2）的左侧、上剪切盒（11-1）的顶部；

水平滚排（12）、竖向滚排（13）分别设置在台座（6）上部和右水平反力钢梁（5）左侧；

试样（10）放置在剪切盒（11）内，置于水平滚排（12）之上，上剪切盒（11-1）右侧紧贴竖向滚排（13）；

③试验

对竖向加荷系统（14）和水平加荷系统（15）设置预置竖向荷载目标值；

竖向加荷系统（14）向下施加预置竖向荷载，消除组装中的竖向空隙，在竖直方向上，使得剪切盒（11）与试样（10）、水平滚排（12）紧密连接，而后，水平加荷系统（15）施加预置水平荷载，消除组装中的水平空隙，在水平方向上，使得剪切盒（11）与试样（10）、竖向滚排（13）紧密连接；

对竖向加荷系统（14）设置剪切刚度和剪切初始法向应力，对水平加荷系统（15）设置位移控制的剪切速率、最大剪切位移；

启动剪切试验，竖向加荷系统（14）施加竖向荷载至剪切试样（10）的初始法向应力目标值，而后水平加荷系统（15）施加水平剪切荷载开始岩石结构面剪切试验；

试验中，上剪切盒（11-1）与下剪切盒（11-2）产生水平错动，试样（10）产生剪切位移，同时，试样（10）产生剪涨，使上剪切盒（11-1）产生竖向位移；

竖向加荷系统（14）和水平加荷系统（15）通过内部设置的位移采集系统，可实时采集竖向剪涨和水平剪切位移；

竖向加荷系统（14）依据竖向剪涨量的大小，根据恒定法向刚度的预设值，实时调整法向应力大小。