[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

说明书

本发明公开了一种岩石结构面恒定法向刚度剪切试验仪及其试验方法，涉及岩石力学技术。本试验仪包括顶部横梁、立柱、底座横梁、左水平反力钢梁、右水平反力钢梁、台座、锚固螺栓、垫片、加劲肋、试样、剪切盒、水平滚排、竖向滚排、竖向加荷系统、水平加荷系统和控制管路。本方法是：①制样；②组装；③试验。本试验仪可以模拟岩石结构面在恒定法向刚度条件下的剪切特性，获得剪应力、法向应力、剪涨随剪切位移的变化规律。本试验方法制样简单，可实现大批量的试样制备，获得单一变量对岩石结构面剪切强度的影响规律。本试验装置标准统一，可实现多次工业复制，适用于各类岩石结构面在恒定法向刚度条件下的剪切试验。

技术领域

本发明涉及岩石力学技术，尤其涉及一种岩石结构面恒定法向刚度剪切试验仪及其试验方法。

背景技术

由于成岩作用、构造运动作用、外力（如风化、卸荷、爆破等）作用等，工程岩体中形成了各种类型的结构面。岩体的稳定性特征、强度特征和变形特征等力学性质与其内部存在的结构面几何和力学性质密切相关。实际工程中，常见由于结构面存在而造成的灾害事故，如硐室失稳、边坡滑移、结构面型岩爆等。近年来，国内外众多学者对结构面剪切力学特性和破坏特征等开展了大量研究，结果表明，结构面粗糙度对剪切强度特性、剪胀特征、结构面表面破坏机制等的变化规律起着决定性作用。因此，开展岩石结构面表面形貌特征和剪切力学特性的研究，对工程稳定性设计和灾害的防控具有一定的指导意义。

在确定岩石结构面剪切强度时，通常采用室内剪切试验的方法，在以往的试验中，常采用恒定法向应力剪切试验确定岩石结构面的剪切强度。该方法适用于模拟恒定法向应力条件下结构面的剪切特性，但无法准确获得结构面在恒定法向刚度条件下的剪切强度特性，如地震荷载作用下的岩石结构面剪切特性、地下硐室围岩结构面剪切特性等。

发明内容

本发明的目的就是克服传统岩石结构面剪切试验仪只能施加恒定法向应力的缺陷，设计一种恒定法向刚度条件下的岩石结构面剪切试验仪及其试验方法，准确获得岩石结构面在恒定法向刚度条件下的剪切强度特性。

本发明的目的是这样实现的：

一、岩石结构面恒定法向刚度剪切试验仪（简称试验仪）

本试验仪包括顶部横梁、立柱、底座横梁、左水平反力钢梁、右水平反力钢梁、台座、锚固螺栓、垫片、加劲肋、试样、剪切盒、水平滚排、竖向滚排、竖向加荷系统、水平加荷系统和控制管路；

所述的试样为边长150mm的立方体，置于剪切盒内，由岩样、结构面、水泥砂浆、和剪切缝组成；以岩样为中心，在岩样的结构面上、下、中分别设置有水泥砂浆和剪切缝；

所述的剪切盒由上剪切盒和下剪切盒组成，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、立柱和底座横梁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、水平加荷系统、剪切盒、竖向滚排、右水平反力钢梁组成内部水平作用系统，从上至下，竖向加荷系统、剪切盒、水平滚排、台座依次连接组成内部竖向作用系统；

左水平反力钢梁、右水平反力钢梁分别锚固在左右立柱上，为水平加荷系统提供水平反力支撑；

台座锚固在底座横梁，为竖向加荷系统提供竖向反力支撑；

水平滚排、竖向滚排分别设置在台座上部、右水平反力钢梁左侧，试样放于剪切盒内，剪切盒置于水平滚排之上，并使上剪切盒紧贴竖向滚排，可确保剪切试样产生水平剪切位移和竖向剪涨。

二、岩石结构面恒定法向刚度剪切试验方法（简称方法）

本方法包括下列步骤：

①制样